C3車載安全數據傳輸監測與分析

■ 席武夷 楊顯來

C3車載安全數據傳輸監測與分析

■ 席武夷 楊顯來

從IGSM-R接口監測數據入手，分析研究C3車載數據傳輸安全。IGSM-R接口是C3車載通信單元和GSM-R模塊之間的接口，通過對IGSM-R接口監測數據的分析，并結合PRI接口監測數據，形成對C3安全數據傳輸的閉環監測與分析，為進一步定位C3車-地數據傳輸故障提供切實的依據。介紹IGSM-R接口監測系統的組成，通過對IGSM-R接口監測數據的分析，并結合PRI接口監測數據，形成對C3車載安全數據傳輸的閉環監測與分析，為進一步定位C3車-地數據傳輸故障提供切實依據。

IGSM-R接口監測；GSM-R網絡；C3數據分析

1 概述

CTCS-3級列控系統（以下簡稱C3）是我國鐵路目前支持列車運營速度最高的列車運行控制系統。C3利用GSM-R移動通信網絡作為車-地雙向安全數據傳輸平臺，實現閉環控制。車載列車自動防護（ATP）和地面無線閉塞中心（RBC）作為整個系統中的兩大關鍵節點，是保障列車安全與高效運行的直接實施者。移動環境中的車載ATP設備更是最后實施列車安全制動的直接作用設備，對列車的安全運行起著重要作用。

目前，在鐵路C3運營區段已經設置Abis、A和PRI接口監測系統，對地面網絡進行全方位監測。但在實際的故障分析過程中，仍然發現有些問題無法準確定位，即無法判斷是網絡傳輸問題還是發送源頭（即C3車載設備）的問題。不能定位故障就無法進行后續的故障解決工作。

IGSM-R接口是ATP車載通信單元和GSM-R模塊之間的接口，ATP車載設備與RBC之間所有交互的數據，以及車載設備控制GSM-R模塊的AT命令都要經過該接口。通過對IGSM-R接口的監測和分析，包括車-地間的安全數據交互、呼叫建立、拆除、保持、中斷等各種通信狀態，再結合既有PRI接口監測數據，可形成對C3安全數據傳輸的閉環監測，為進一步分析明確故障點提供切實依據。

維護人員利用IGSM-R接口監測技術可實現對異常數據的告警提示和自動導出，并利用導出后的監測數據分析問題，支撐維護人員定位問題與解決問題。

2 IGSM-R接口原理與關鍵技術

2.1IGSM-R接口網絡拓撲

IGSM-R接口在網絡中的位置見圖1。

IGSM-R接口監測位置介于ATP通信模塊與GSM-R模塊之間，通過該接口信息可以監測到雙方向的鏈路使用情況。ATP發送過來的列控信息通過GSM-R模塊與進行數據傳輸。

圖1 IGSM-R接口在網絡中的位置

2.2IGSM-R接口監測技術實現

IGSM-R接口的設備主要分為2個部分：一是車載設備，包括車載采集單元、無線傳輸單元、供電單元；二是地面設備，包括地面數據處理與存儲單元、外部網關單元、終端顯示單元。

2.2.1車上設備

車載采集設備安裝在動車組靠近車載ATP設備的地方。車載采集設備包含T型三通頭、控制板。車載采集設備分別采集經過2個GSM-R模塊IGSM-R接口的雙向所有數據包，并將獲取的數據包存儲本地，然后根據地面的需要打包，通過車-地GSM-R網絡實現GPRS數據傳輸，發送到指定的地面處理設備。車載采集設備的模塊功能與實現如下：

（1）T型三通頭一端跨接在GSM-R與ATP數據傳輸跳線上，一端連接IGSM-R接口采集主設備，用于取樣原始數據包。三通頭實物見圖2。

三通頭內部邏輯見圖3。

圖2 三通頭實物

圖3 三通頭內部邏輯

原有設備是通過DB26公母頭對接連通傳輸數據，此款研發的三通連接器的原理是在不改變原有設備連通情況下向IGSM-R接口設備輸出信號，同時IGSM-R接口設備只是接收信號無對外輸出。

DB26接口之間并未新增電路及元器件，而是在向IGSM-R接口設備輸出信號的中途做隔離保護，為IGSM-R接口設備和三通連接器發生故障時采取隔離防護。當IGSM-R設備和三通連接器本身發生故障時，在圖中“信號隔離”單元直接斷開，所以不會影響原先設備的正常通信。

同時，三通頭采用三級隔離保護技術，原理見圖4。

第一級保護：二極管，保證數據方向從設備到監控計算機，反方向截止。不會由于監控計算機的誤操作而影響設備間的通信。

第二級保護：三極管，當其生故障時，呈現高阻狀態。表現監控計算機與設備脫機。

第三級保護：電源及信號隔離，當監控計算機產生浪涌時，不會將浪涌電壓傳遞到設備。通過以上3級保護，可以確保當計算機或本轉接板發生故障時，不會影響設備間的通信。

（2）控制板及其處理軟件是整個產品的重要組成部分，從線纜中采集到的數據按照呼叫順序、呼叫時間等格式封裝在本地硬盤中，大量的數據經過特定的軟件壓縮機制，實現降低空間的占用率。

圖4 三通頭采用三級隔離保護技術原理

無線傳輸單元負責傳輸IGSM-R接口監測數據信息給地面服務器。無線傳輸通道采用鐵路GPRS數據傳輸模式。由于其搶占信道級別比較低，即使在大面積推廣使用IGSM-R接口監測設備下載數據占用大量信道的情況下，是可以被優先級較高的呼叫或數據傳輸搶占該信道的，保證了鐵路通信網絡既有重要業務的正常運行；斷點續傳技術也是無線傳輸單元的一個重要功能特性，模塊中配備軟件自動檢測數據收、發包的完整性，當呼叫記錄的信息由于各種外界原因沒有傳完時，會在下次進行續傳。

供電單元結合實際動車上的供電情況，專門定制一款符合IGSM-R接口監測設備的供電系統，通過多道門檻防止電源短路導致的影響，設計增加二極管、空氣開關以及看門狗電路等，保證IGSM-R接口設備電源的正常供給和對源路的自保護等。

2.2.2地面設備

地面設備是整個IGSM-R接口監測的核心部分。車上設備傳來的數據包，要經過地面服務器解壓、解碼、處理，直至送達到客戶端顯示界面上。具體包括如下幾個部分：

（1）服務器數據處理軟件擔負著整個原始數據的處理，該服務器數據處理進程對車載設備采集到的IGSM-R接口數據進行處理、篩選和分析，并分類存儲到數據庫表中。

（2）GPRS網關是連接GGSN與IGSM-R接口地面設備的一個“閘門”，網絡傳輸的IGSM-R接口信息以文件傳輸協議（FTP）的形式下載到地面服務器上，同時地面下發的命令也要通過該網關設備發送給無線網絡，在由無線網絡尋址等方式找到車載IGSM-R接口的無線傳輸單元。

（3）客戶端軟件是根據客戶的需求量身定制，具有實時顯示和歷史數據查詢功能，以及分類導出、篩選數據的能力，通過終端軟件實現對IGSM-R接口數據的下載任務，存儲形式位置等操作。

3 監測數據分析

3.1車載呼叫地面RBC設備成功

圖5中標黃的數據顯示無線通信模塊1呼叫地面RBC設備，成功建立電路域數據鏈路，傳輸速率為4 800 b/s。

3.2車載呼叫地面RBC設備失敗

圖6中標黃的數據顯示無線通信模塊1呼叫地面RBC設備，連接失敗，無線通信模塊向車載ATP回復No Carrier，說明本次呼叫不成功，車-地通信鏈路建立失敗。

3.3MT向ATP發送的數據出現誤碼或CRC校驗錯誤

圖7中標黃的數據顯示無線通信模塊MT向ATP發送的C3數據出現誤碼，無法正確解析，標綠的數據表示無線通信模塊MT向ATP發送的C3數據出現循環冗余校驗碼（CRC）校驗錯誤。

這2種情況說明此時的MT接收到的GSM-R電平太差或無線環境惡劣，導致MT接收到的數據出現誤碼，這些數據發送至ATP后，ATP會認為數據錯誤，一定時間后，會出現通信超時故障。

3.4C3車-地數據監測

通過對C3業務數據的監測，可以實時獲取車-地通信狀況（見圖8），為故障排查定位和解決提供有效的手段。

圖5 車載呼叫地面RBC成功

圖6 車載呼叫地面RBC失敗

圖7 MT向ATP發送的數據出現誤碼

3.5備用無線通信模塊狀態監測與故障預警

圖9中標黃色部分是模塊2的AT指令數據，模塊2此時處于備用模式，在備用模式下車載ATP會定時查詢無線通信模塊的網絡注冊情況和信號質量，無線通信模塊收到后進行恢復。根據該信息，IGSM-R監測設備實現對車載備用無線通信模塊連接與網絡狀況的監測和故障預警。

3.6無線通信模塊通信故障指示（見圖10）

3.7數據傳輸故障分析

調度報：17日19：30，Gxxxx次（1端）在運行過程中轉C2。

PRI接口數據：OBC向RBC發送的RR幀中序號超過范圍（應該在33—36之間，但發送的是53），RBC收到錯誤的幀序號后，向OBC發送FRMR幀（見圖11）。

IGSM-R接口數據：車載ATP并沒有發送序號為53的RR幀，而是連續發送序號為33—36的RR幀，是正常行為。但PRI接口收到序號為53的RR幀，而且沒有收到序號為34和35的RR幀（見圖12）。

綜上可以初步判斷問題出現在通信側，車載ATP設備沒有問題。

圖8 車-地通信數據監測

圖9 備用無線通信模塊狀態監測與故障預警

4IGSM-R接口發展前景

鐵路通信信號已成為鐵路不可缺少的重要安全基礎設備，隨著科學技術的進步和鐵路發展的需求，將進一步為鐵路現代化提供重要技術支撐。IGSM-R接口是對信號專業與通信專業相互交織、通信的一個接口，與既有Abis、A和PRI接口結合，可實現C3車-地安全數據傳輸的閉環監測，有效地減輕動車庫及核心網機房的工作壓力，為優化車-地間的安全數據傳輸提供有效的手段。

圖10 無線通信模塊通信故障指示

圖11 PRI接口數據

圖12 IGSM-R接口數據

IGSM-R接口監測系統研發工作由廣州鐵路（集團）公司電務處牽頭，于2011年在廣州鐵路（集團）公司立項，次年通過廣州鐵路（集團）公司科技鑒定并獲得獎勵，現已推廣運用于京廣高鐵線路。

5 結束語

IGSM-R接口監測技術的實現，極大地減輕了鐵路設備維護人員的工作壓力，提高了工作效率，特別是節省了對處理異常通話、掉話等情況的分析報告時間，同時為日常的數據分析及優化提供了一個切實有效的依據。

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[5] 朱惠忠，張亞平． GSM-R通信技術與應用[M]． 北京：中國鐵道出版社，1999．

席武夷：廣州鐵路（集團）公司電務處，工程師，廣東廣州，510088

楊顯來：廣州鐵路（集團）公司電務處，工程師，廣東廣州，510088

責任編輯陳曉云

U279.5

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1672-061X（2014）03-0013-04