C3 無線超時分析系統在高速鐵路中的應用探討

林之平 周建 楊勇

1.中國鐵路成都鐵路局集團有限公司；2.四川華控安通科技有限公司

CTCS-3 級列車運行控制系統（簡稱C3 列控系統）是我國CTCS-3 級高速鐵路的重要技術裝備，是鐵路技術體系和裝備現代化的重要組成部分。近年來，隨著我國高速鐵路快速發展，越來越多的高速鐵路或客運專線基于CTCS-3 系統進行建設，但不論是在線路開通前的聯調聯試階段，還是線路開通后的正常運營階段，經常出現車載ATP 無線連接超時故障，而無線超時在一定程度上也影響了鐵路運輸效率[1]。

具體來說，CTCS-3 級列控系統主要包括列控車載系統（ATP）、鐵路專用移動通信系統（GSM-R）和無線閉塞中心（RBC），系統中任何一個環節存在異常都會反映到列控車載設備，表現為無線連接超時。無線超時是指車或地在規定的時間內（20s）沒有接收到對方發送的應用層數據，則判斷為通信超時。C3 降級是指列車采用C3 列控系統控制列車運行時，由于車載ATP 設備與地面RBC 之間無線通信超時使得列車觸發常用制動，在速度降低到CTCS-2 級列控系統（簡稱C2，標準運行速度為250km/h）允許的運行速度后自動轉換到C2 列控系統繼續工作。

CTCS-3 級無線通信超時是鐵路信號故障整治的重點和難點，中國國家鐵路集團有限公司聯合各鐵路局集團公司、通信信號廠商開展專項整治以來，無線通信超時情況雖降幅顯著，但在鐵路信號故障中仍占有較大比例[2]。2020 年，全路C3 運行線路總里程為1.63 萬公里，共發生C3 超時7030 次，發生C3 等級降級C2 等級3441 次。以300S 型設備C3 降級為例，2020 年300S 設備發生超時2548 次，每百萬公里無線超時17.28 次；其中超時導致設備降級309 次，每百萬公里降級2.14 次。無線超時主要原因分為RBC 問題（占比8%）、車載問題（占比48%）、通信問題（占比27%）、CRC 漏檢（占比2%）及原因不明（占比15%），故針對CTCS-3 級列控系統無線超時問題仍需尋找新的解決方案。

對CTCS-3 級列控系統車地數據傳輸的環節進行數據接口和采集，實現自動發現CTCS-3 級無線超時事件，自動收集超時事件相關數據，自動診斷分析無線超時事件，提升CTCS-3 級超時原因分析的準確性，將維護人員從傳統的以人工為主的煩瑣工作中解脫出來，為管理部門提供CTCS-3 級無線超時管理更便捷的支撐服務[3]，對提升CTCS-3 級高速鐵路運行效率，保障鐵路運行安全具有重要意義。

基于此，提出一種通過綜合分析和故障定位技術分析C3 無線超時故障的C3 無線超時分析系統。

1 現狀描述

近年來，各鐵路局現場維護和數據分析人員的水平有了很大提高，也積累了相對多的寶貴經驗，但由于缺乏對整個C3 系統的深刻認知和相應的綜合分析監測手段，對于現場發生的各種CTCS-3 無線連接超時問題，很多沒有得到徹底的分析和解決，具體表現為如下幾點：（1）由于C3 列控系統同時涉及信號專業和通信專業，系統環節復雜，缺失相應的復合型人才，且目前未建立規范和有效的聯合分析的思路；（2）C3 無線超時的原因覆蓋到系統的各個環節，因其監測手段不夠完善，缺少無線空中接口和地面RBC 側監測設備，導致很多故障點無法深入分析和準確定位；（3）各監測設備和監測數據目前相對孤立，缺乏針對各監測數據的統一規整和對C3 超時問題的綜合智能分析。

2 系統功能

2.1 數據來源

為分析車地無線通信系統出現的無線超時故障問題，系統在C3 列控系統的各個主要設備之間增加了監測接口，記錄設備之間的交互數據和信號狀態，為無線超時分析提供數據依據。

系統的基本思路是采集C3 列車控制系統各設備及設備之間的接口數據，通過建立故障模型庫，實現無線超時故障的故障定位、故障原因和處置建議。

系統為了實現對C3 列控系統無線超時問題的分析判斷，首先要按照數據的傳送徑路，與各關鍵列控設備接口采集設備的維護數據，并采集列控設備之間接口的關鍵數據，獲得可供分析的源頭數據。系統將整體數據傳送流程分為五段，采集了RBC 維護數據、RBC-MSC之間的PRI 接口數據、Um 接口（無線空口）數據、車載電臺MT 與無線傳輸單元之間的Igsm-r 接口數據、ATP 的JRU 記錄數據。這些數據的應用層之間按照列控業務的協議實現數據交互，底層的網絡層、數據鏈路層等底層協議不同，對無線超時故障都可能產生影響，都需要根據故障模型進行分析。

2.2 系統構成

系統構成如圖1 所示。系統為實現無線超時故障定位綜合分析，在車載、地面都需要增加相應的監測設備。本系統可以分三層：即地面層、車載層、網絡層，具體描述如下。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

2.2.1 地面層

（1）系統在地面側增加地面接口服務器。地面接口服務器負責統一匯集地面設備包括C3-RBC、TSRS 服務器以及GSM-R 網絡接口監測數據，其中GSM-R 網絡監測接口與TSRS 服務器數據監測接口為預留。地面接口服務器通過終端能夠自動獲取到國產化RBC 主控單元和通信機的日志；同時也能夠自動獲取到自主化RBC主控單元和ISDN 的日志。地面接口服務器在匯集數據的同時應初步對數據的時間和順序進行整理，可進行算法壓縮。地面主要在ISDN 入口處增加數據監測來獲取C3-RBC 的主要數據。地面接口服務器需要包括采集模塊、分析處理模塊和服務器模塊。

（2）系統在地面側增加數據中心服務器。數據中心服務器負責統一匯集車載設備、地面設備、通信接口數據，應對各設備上報的數據具備確認接收功能，對所有數據進行整理、分類、合并和存儲，支持數據的索引查詢。數據中心服務器具備對數據的存儲管理和配置功能，例如，未上報無線超時正常數據定期刪除、故障歷史數據定期備份、自動生成以時間為單位（周、月、季、年）的統計報表等。

（3）系統在地面側增加診斷服務器。地面增加診斷服務器，主要實現無線超時數據綜合診斷和分析，包括：接收數據、整理數據、清洗數據、超時診斷算法、診斷結果輸出。

（4）系統在地面側增加分析終端。分析終端負責訪問數據中心服務器，能夠查詢和導出故障數據、歷史數據；對于一件故障能夠分開和統一導入各環節數據，包括通信接口數據；能夠依據查詢范圍獲取數據中心服務器統計報表，并顯示圖表；能夠對每個環節數據添加專家分析內容，同時具備標記數據功能。

2.2.2 車載層

（1）系統在車載側增加車載空口監測設備。車載空口監測設備負責監測和記錄Um 接口（空口）信令和數據，主要功能包括記錄MT 與基站BTS 間的GSM 網絡協議信令、記錄MT 透傳的ATP 數據、監測MT 發射信號的電平以及信號質量、監測接收到基站BTS 的信號電平以及信號質量、監測相鄰小區基站的信號電平。

（2）系統在車載側增加車載接口和無線下載單元。車載接口單元負責統一匯集車載相關設備的數據，包括匯集RIM 故障數據、MT 記錄模塊數據、空口監測設備數據、列車JRU 數據、MT 數據、UM 數據，經GSM-R 無線數據通道，采用FTP 和TCP 協議傳輸至地面數據中心服務器。

2.2.3 網絡層

網絡層是承載各車設備之間、車地之間信息傳輸的通道，分為地面固定網絡和車地無線網絡。地面固定網絡采用鐵路專用傳輸網絡，可根據工程現場情況組成星型網絡或環形網絡；車地無線網絡采用GSM-R 通道作為信息傳輸網絡。

2.3 綜合分析和故障定位

本系統最核心的算法是無線超時故障定位和綜合分析的故障庫建立和算法分析。分析的主要過程包括：

（1）設備狀態分析，通過設備狀態數據提取出各相關設備是否存在故障報警或宕機。

（2）接口控制協議分析。從監測接口的各環節分析數據，例如，通過電臺記錄數據分析ATP（適配器模塊）與電臺之間上電初始化信號控制和信令是否正常。AT 指令和信號符合具體實現設計。

（3）車地無線通信協議分析。對照車地兩端數據進行協議分析，數據鏈路層、網絡層、傳輸層、安全層、應用層。提取電臺記錄數據、Um 接口監測數據和C3-RBC 接口監測數據的車地無線通信業務數據，并對比三個監測數據。

（4）GSM-R 無線通信協議分析。提取電臺記錄數據的呼叫和斷開AT 指令和Um 接口監測數據的信令，分析GSM-R 信令、協議和流程應符合《3GPP TS 04.08》《3GPP TS 04.06》。

（5）故障定位分析。建立C3 無線超時可能的故障模型庫，根據以上分析數據，匹配故障模型庫的條目，確定故障部位、故障原因、處理建議等內容。

2.4 診斷報告

系統分析的故障結果信息，可在終端上進行展示。系統接口采集的各類原始數據、過程信息、過程模型等相關信息，也可以在終端上展現和查詢。

系統分析出故障后，可根據一段時間的分析結果自動給出分析報告及故障統計報表等相關信息，供相關數據分析人員調閱和查看，實現C3 無線超時分析的自動化、智能化和實時化。

3 系統安全性

系統采用多項措施保障接口和數據采集的安全性，主要包括以下幾個方面。

3.1 系統與列控設備接口的安全性

系統安裝了車載空口監測設備，車載空口監測設備不與信號設備接口，僅接收空口信息，將采集信息發送給車載接口單元，不向外發射信號，不會對車載設備功能造成影響；設備故障后，不會影響車載設備正常工作。因此，車載空口監測設備的使用不會降低車載設備的安全性和可靠性。

3.2 車載接口單元和無線下載單元的安全性

車載接口設備單向采集RIM 故障數據、MT 記錄模塊數據、空口監測設備數據，不與主控信號設備接口，不向外發送數據，不會對車載設備功能造成影響；設備故障后，不會影響車載設備正常工作。因此，車載空口監測設備的使用不會降低車載設備的安全性和可靠性。

3.3 地面服務器的安全性

地面接口服務器采用ISDN 并聯采集RBC-MSC 數據，不向外發送信號，不會對地面RBC 設備功能造成影響；設備故障后，不會影響地面RBC 設備正常工作。因此，車載空口監測設備的使用不會降低地面RBC 設備的安全性和可靠性。

4 結語

綜上所述，CTCS-3 級高速鐵路車載ATP 無線超時直接影響高速鐵路列車運行效率。本系統通過監測列車空口質量，與RBC、ATP、GSM-R 通信系統接口，對車地C3 列控數據進行集中綜合分析，可及時發現和查找C3 無線超時問題，定位故障原因和故障部位，自動生成C3 無線超時故障報告，具有可靠性高、實用性強和實時高效等優點，能對保障我國鐵路高效運行與安全發揮重要作用。