CTCS3-300T列控車載系統(tǒng)運(yùn)行可靠性分析

吳書學(xué)

（龐巴迪運(yùn)輸工程服務(wù)北京有限公司，北京 100020）

2009年12月26日，全長1 069 km的武漢至廣州客運(yùn)專線投入商業(yè)運(yùn)營。這是我國第一條投入商業(yè)運(yùn)營的長大干線高速鐵路。武廣高速鐵路的列車控制系統(tǒng)采用的是CTCS3-300T列車超速防護(hù)系統(tǒng)，即ATP。CTCS3-300T列控車載系統(tǒng)除了主要裝備于武廣高速鐵路外，2010年7月1日開通的滬寧高速鐵路, 10月26日開通的滬杭高速鐵路，以及2011年6月底開通的京滬高速鐵路，均主要裝備有該類型的超速防護(hù)系統(tǒng)。

1 CTCS3-300T列控車載設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CTCS3-300T主要用于2種應(yīng)用等級(jí)的列控系統(tǒng)：CTCS-3和CTCS-2, 分別簡稱C3和C2。C2是由軌道電路和應(yīng)答器傳輸控車信息，并采用目標(biāo)-距離模式監(jiān)控列車安全運(yùn)行。C3則主要由GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸來自無線閉塞中心（RBC）的控車信息來監(jiān)控列車運(yùn)行。C2是C3的后備模式，通常情況下由C3控車，列車運(yùn)行速度可達(dá)350 km/h, 在C3故障或在非RBC控制區(qū)域運(yùn)行時(shí)由C2控車，列車運(yùn)行速度可達(dá)300 km/h。

每列動(dòng)車組的兩端均裝備有CTCS3-300T列控車載設(shè)備。該車載系統(tǒng)具有高度的系統(tǒng)軟硬件冗余。硬件冗余設(shè)備為冷備，主用系統(tǒng)故障時(shí)，由司機(jī)通過撥動(dòng)冗余開關(guān)，倒向備用系統(tǒng)。如圖1所示，深灰色部分為冷備設(shè)備。

系統(tǒng)各部分主要功能如下。

1）ATPCU:C3控車時(shí)實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)的核心模塊。

2）SDP (PM):列車運(yùn)行速度和走行距離處理單元，同時(shí)SDP還是Profibus 總線控制器。

3）C2CU: C2控車的核心模塊。

4）TSG:列車信號(hào)網(wǎng)關(guān)，是ATP車載系統(tǒng)各種通信總線和數(shù)據(jù)鏈路之間的接口。TSG收集來自所有車載子系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于診斷數(shù)據(jù)記錄單元DRU中。

5）JRU:司法記錄裝置，記錄足夠分析事故原因與列車運(yùn)行、車載設(shè)備工作以及地車通信有關(guān)的信息，以便發(fā)生事故時(shí)進(jìn)行調(diào)查。

6）DMI:人機(jī)界面，向司機(jī)提供行車控制信息，如允許速度、實(shí)際速度、目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、過隧道、分相等提示信息，以及ATP自身的告警信息等。

7）BTM:是ATP系統(tǒng)的應(yīng)答器天線接口，將來自CAU的信號(hào)轉(zhuǎn)換為在MVB上傳送的數(shù)據(jù)信息，通過射頻發(fā)射機(jī)為CAU提供能量，檢查應(yīng)答器報(bào)文的完整性及正確性，具有自檢功能，還可檢查CAU是否工作正常。

8）CAU:應(yīng)答器天線裝置，由BTM供電并控制。當(dāng)CAU通過地面應(yīng)答器時(shí)，向應(yīng)答器傳輸能量和同步脈沖，來讀取應(yīng)答器的報(bào)文。

9）GCD:基于儲(chǔ)存于GCD中的加密密鑰（KMAC）進(jìn)行加密運(yùn)算。保證了在開放式GSM-R網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)的正確性和有效性。

10）STU-V:安全傳輸單元，是車載設(shè)備與RBC通信的管理器。

11）GSM-R:包括2個(gè)車載無線電臺(tái)，是ATP與GSM-R的接口設(shè)備。

12）VDX:安全開關(guān)量輸入/輸出接口。

13）SDU:從速度傳感器和多普勒雷達(dá)中讀取脈沖。脈沖計(jì)數(shù)按照高級(jí)協(xié)議通過信號(hào)MVB總線發(fā)送至SDP。

14）DX/DI:開關(guān)量輸入/輸出接口。

15）DR:多普勒雷達(dá)，其對(duì)空轉(zhuǎn)和打滑不敏感，向ATP系統(tǒng)提供列車運(yùn)行的速度信息。

16）PG:速度傳感器，安裝于列車輪軸上，向ATP系統(tǒng)提供列車運(yùn)行的速度信息。

17）TCR:編碼軌道電路信息讀取器，用于解析來自軌道電路的控車信息。

盡管ATP設(shè)備在開通運(yùn)營前已經(jīng)過嚴(yán)格的工廠靜態(tài)測(cè)試，上線動(dòng)態(tài)測(cè)試以及聯(lián)調(diào)聯(lián)試，但是實(shí)驗(yàn)環(huán)境畢竟模擬不了所有的現(xiàn)場運(yùn)營場景，設(shè)備開通后在質(zhì)保期內(nèi)（通常自設(shè)備開通之日起2年）需要密切監(jiān)視其運(yùn)行情況，并對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行認(rèn)真分析定位，從硬件及軟件等方面對(duì)系統(tǒng)作進(jìn)一步完善。

2 ATP運(yùn)行可靠性分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

ATP運(yùn)行性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有故障追蹤表，ATP運(yùn)行的時(shí)間/里程，以及車載日志等。

2.1 故障追蹤表

ATP投入運(yùn)營后發(fā)生故障，要及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，通過上車檢查硬件設(shè)備，并做實(shí)驗(yàn)，以及下載分析車載日志，對(duì)故障原因分析定位，采取相應(yīng)的措施如硬件更換、改進(jìn)，軟件升級(jí)更新等以提高系統(tǒng)的可靠性。這些相關(guān)的工作還應(yīng)該做好記錄并存檔，以方便日后追溯。故障追蹤表正是用于記錄上述這些工作的專用報(bào)表。故障追蹤表采用Excel表格形式，以方便對(duì)故障進(jìn)一步分析匯總。故障追蹤表每日填報(bào)，由鐵路局調(diào)度中心電務(wù)值班調(diào)度收集故障信息，由ATP設(shè)備供應(yīng)商現(xiàn)場服務(wù)人員和電務(wù)段ATP工區(qū)提供故障原因分析。該表的主要內(nèi)容如下。

1）年月日：故障發(fā)生的日期。

2）本務(wù)車編號(hào)：本務(wù)車ATP控制整列動(dòng)車的運(yùn)行。

3）端號(hào)：每列動(dòng)車兩端各裝備一套完整的ATP設(shè)備，本列注明故障發(fā)生在哪一端。

4.4 播種或分苗密度應(yīng)適宜，不可過密。同時(shí)應(yīng)及時(shí)嚴(yán)格地清除苗床雜草、殘枝枯葉，以利通風(fēng)、透光、換氣。

4）系號(hào)：動(dòng)車組每端裝備的ATP設(shè)備由A系和B系兩套設(shè)備構(gòu)成冗余系統(tǒng)。ATPCU，C2CU，SDP，BTM，CAU需要定位到具體哪一系設(shè)備。

5）車次號(hào)：列車運(yùn)行的車次號(hào)。

6）時(shí)間：故障發(fā)生的時(shí)間，通常采用24 h制。

7）地點(diǎn)：故障發(fā)生的地點(diǎn)，如公里標(biāo)或車站名。

8）故障報(bào)告：故障的具體描述，包括DMI顯示的提示信息，ATP常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)的施加，司機(jī)的應(yīng)急操作，行車恢復(fù)的時(shí)間，ATP恢復(fù)正常的時(shí)間、地點(diǎn)等。

9）列車是否停車：ATP故障是否導(dǎo)致停車，用于計(jì)算停車故障件數(shù)。

10）硬件故障：故障是否由ATP硬件失效造成的，要結(jié)合返修器材維修報(bào)告最終確定發(fā)生的硬件故障件數(shù)，是用來計(jì)算平均無硬件故障運(yùn)行時(shí)間的重要參數(shù)。

11）ATP軟件版本：質(zhì)保期內(nèi)，為解決故障，軟件需要進(jìn)一步更新升級(jí)，有些故障與特定的軟件版本相關(guān)，所以必須明確故障發(fā)生時(shí)的相應(yīng)車載軟件的版本。

12）初步分析：通過上車檢查硬件，做實(shí)驗(yàn)，下載分析車載日志，對(duì)故障原因作出的初步分析。

13）ATP子系統(tǒng)故障定位：故障發(fā)生在ATP的哪一個(gè)子系統(tǒng)。

14）故障一級(jí)分類：通常按故障表現(xiàn)的形式進(jìn)行分類。

15）故障二級(jí)分類：通常按造成故障的根本原因進(jìn)行分類。ATP子系統(tǒng)故障定位和故障分類是根據(jù)初步分析結(jié)論對(duì)故障的進(jìn)一步梳理和歸納分析。

16）處理情況:故障處理采取的措施或計(jì)劃解決問題的方案。

17）ATP故障件數(shù)：經(jīng)過檢查硬件設(shè)備，試驗(yàn)，分析車載日志確定的ATP故障的根本原因，確系由于ATP自身如硬件故障或軟件缺陷等導(dǎo)致的故障數(shù)量。司機(jī)的不當(dāng)操作，地面設(shè)備如聯(lián)鎖、RBC、應(yīng)答器、軌道電路、道岔以及GSM-R網(wǎng)絡(luò)故障都會(huì)表現(xiàn)在ATP控車上出現(xiàn)異常，但此類故障不計(jì)入ATP故障件數(shù)。列車一個(gè)單程運(yùn)行（對(duì)應(yīng)一個(gè)車次號(hào)）發(fā)生多次故障，即使故障原因相同，也按實(shí)際發(fā)生的故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)。例如，因車載一個(gè)無線電臺(tái)故障導(dǎo)致列車在5個(gè)RBC交界處發(fā)生無線通信超時(shí)，降級(jí)C2的故障，雖然故障原因相同，但ATP故障件數(shù)應(yīng)統(tǒng)計(jì)為5。

2.2 ATP運(yùn)行時(shí)間及里程

ATP運(yùn)行時(shí)間，通常指列車上線運(yùn)行時(shí)ATP的控車時(shí)間。ATP運(yùn)行里程，指動(dòng)車組上線運(yùn)營，由ATP控車的列車走行的里程。按實(shí)際統(tǒng)計(jì)每列動(dòng)車組的ATP運(yùn)行時(shí)間和里程比較困難，一個(gè)較簡化的辦法是根據(jù)列車時(shí)刻表來進(jìn)行計(jì)算。首先根據(jù)發(fā)車時(shí)刻及終到時(shí)刻計(jì)算出每個(gè)車次的運(yùn)行時(shí)間，所有車次運(yùn)行時(shí)間累加結(jié)果即為每日ATP的運(yùn)行時(shí)間。每個(gè)車次根據(jù)其始發(fā)站和終到站的里程，可計(jì)算出該車次的ATP運(yùn)行里程，一日當(dāng)中所有車次運(yùn)行里程累加即為每日ATP的運(yùn)行里程。有了ATP運(yùn)行時(shí)間/里程的每日數(shù)據(jù)，即可方便地計(jì)算出每月ATP運(yùn)行時(shí)間/里程。ATP運(yùn)行時(shí)間/里程既是ATP工作時(shí)間的重要數(shù)據(jù)，也反映出高速鐵路交通流量的大小。

2.3 車載日志及通信日志

ATP車載日志主要指ATPCU，C2CU, SDP，TSG日志和JRU日志。故障發(fā)生時(shí)應(yīng)及時(shí)下載有關(guān)日志，以便于對(duì)故障原因分析定位。車載日志應(yīng)及時(shí)上傳至公共服務(wù)器上，方便有關(guān)專業(yè)人員下載并進(jìn)行具體分析。對(duì)于無線超時(shí)的故障以及車載聯(lián)接不上RBC的故障，還應(yīng)向有關(guān)通信段索要基本速率接口PRI（Primary Rate Interface）數(shù)據(jù)、Abis接口數(shù)據(jù)以及Um數(shù)據(jù)，經(jīng)過綜合分析以確定是ATP自身問題還是GSM-R網(wǎng)絡(luò)的問題。以上日志是對(duì)ATP故障分析定位的非常重要的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)妥善保管并存檔。

3 ATP運(yùn)行可靠性的分析評(píng)價(jià)

有了上述的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就可以對(duì)ATP系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行定性分析和定量評(píng)價(jià)，定量評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)可作為在ATP系統(tǒng)質(zhì)保期結(jié)束時(shí)簽發(fā)最終驗(yàn)收證書的重要依據(jù)。可以利用Excel軟件的數(shù)據(jù)透視圖表和分類匯總函數(shù)對(duì)上述故障追蹤表作進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，相應(yīng)生成的各種圖表可以清楚的反應(yīng)出ATP系統(tǒng)故障發(fā)生的頻率，主要故障分布以及ATP系統(tǒng)可靠性隨著軟硬件的改進(jìn)而得到相應(yīng)改善的趨勢(shì)。作為定量評(píng)價(jià)ATP系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的主要指標(biāo)有：故障件數(shù)、平均無故障運(yùn)行時(shí)間/里程、平均無停車故障運(yùn)行時(shí)間/里程、平均無硬件故障運(yùn)行時(shí)間/里程等。

3.1 故障件數(shù)

故障件數(shù)是指由于ATP自身軟件缺陷或硬件失效而導(dǎo)致的故障的數(shù)量。對(duì)于所有的ATP故障，根據(jù)故障是否導(dǎo)致列車停車，單獨(dú)統(tǒng)計(jì)出停車故障件數(shù)；另外，還根據(jù)故障原因是否由于硬件失效而統(tǒng)計(jì)出硬件故障件數(shù)。通常按月統(tǒng)計(jì)故障件數(shù)、停車故障件數(shù)和硬件故障件數(shù)。這些數(shù)據(jù)可根據(jù)前述的故障追蹤表利用Excel 函數(shù)很容易地計(jì)算出來。

故障件數(shù)是評(píng)價(jià)ATP運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)，但是該指標(biāo)的缺點(diǎn)是沒有和ATP系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間聯(lián)系起來。通常情況下，設(shè)備發(fā)生故障的概率大小與設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長短有很大的關(guān)系。下述指標(biāo)將會(huì)克服此類缺點(diǎn)。

3.2 MTBF/MDBF/MTBSF/MDBSF/MTBHF/MDBHF

MTBF：平均無故障運(yùn)行時(shí)間；MDBF：平均無故障運(yùn)行里程； MTBSF：平均無停車故障運(yùn)行時(shí)間； MDBSF：平均無停車故障運(yùn)行里程；MTBHF:平均無硬件故障運(yùn)行時(shí)間；MDBHF：平均無硬件故障運(yùn)行里程。MTBF/MTBSF/MTBHF按月的計(jì)算方法舉例如表1所示。Tm表示按月統(tǒng)計(jì)的ATP運(yùn)行時(shí)間，Dm表示按月統(tǒng)計(jì)的ATP運(yùn)行里程，F(xiàn)月故障件數(shù)，F(xiàn)s月停車故障件數(shù)，F(xiàn)h月硬件故障件數(shù)。注意，若某月的F（Fs或Fh）為零時(shí)，其計(jì)算辦法應(yīng)將本月和上月Tm累加后再除以本月和上月F(Fs或Fh)的累加和，以此類推。將表1舉例中的Tm用Dm來代替，將計(jì)算出相應(yīng)的MDBF/MDBSF/MDBHF。

表1 MTBF/MTBSF/MTBHF計(jì)算方法舉例

上述指標(biāo)是按月計(jì)算出來的，還可根據(jù)整個(gè)質(zhì)保期內(nèi)（通常為2年）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如故障總件數(shù)，ATP運(yùn)行的總時(shí)間/總里程計(jì)算出相應(yīng)的指標(biāo)值。

計(jì)算出上述這些指標(biāo)值，即可參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)ATP系統(tǒng)運(yùn)行可靠性作出定量評(píng)價(jià)。凡是高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的即可認(rèn)為ATP系統(tǒng)具有高可靠性，否則，仍需采取進(jìn)一步改進(jìn)措施以提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

ATP系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)可作為鐵路局在車載設(shè)備質(zhì)保期結(jié)束時(shí)，簽發(fā)最終驗(yàn)收證書的重要依據(jù)。本文探討龐巴迪對(duì)ATP系統(tǒng)在質(zhì)保期內(nèi)運(yùn)行可靠性的分析評(píng)價(jià)，僅僅是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，至于國內(nèi)、外鐵路信號(hào)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍需做進(jìn)一步分析探討。

[1] Railway Applications-The Specification and Demonstration of Reliability，Availability,Maintainability and Safety (RAMS) CENELEC EN50126[S].1999.