高鐵通信環境中CTCS-3降級分析與處理

楊 林

北京鐵路局北京通信段GSM-R技術支持中心，北京 100860

高鐵通信環境中CTCS-3降級分析與處理

楊 林

北京鐵路局北京通信段GSM-R技術支持中心，北京 100860

首先針對CTCS-3系統的架構，對其數據傳輸模塊以及之間的接口功能展開了必要的說明，而后在此基礎之上，就CTCS-3降級的成因和判斷方法展開了討論。

GSM-R；CTCS-3；降級；接口

我國鐵路運輸系統300～350 km/h高速客運專線環境中，GSM-R（Global System for Mobile Communications Railway）網絡負擔著列車與地面站之間的信息傳輸，用以實現有效的列車控制。在GSM-R體系框架之下，CTCS-3（Chinese Train Control System-3）列控系統作為我國最先進的列車運行控制體系，采用目標距離連續速度控制模式，以及與設備制動優先聯合運行方式對列車運行過程展開監控，確保安全[1]。CTCS-3列控模式的運行穩定性，直接關系到整個列車運行體系的安全水平。然而在實際運行中，當GSM-R系統中的列車與地面設備之間的無線通信連接超時時，CTCS-3控制就會由C3降級為C2模式進行控制；降級之后，地面方面會刪除列車注冊信息并且重新建立連接，同時嘗試回復C3控制模式。在列控系統降級和回復的過程中，列車自動防護系統（ATP，Automatic Train Protection）會控制列車輸出最大常用制動，甚至迫使停車，并且如果在規定時間內未能恢復到C3級別，則ATP會進一步向司機發出確認消息，將系統降為C2級別運行。在司機確認之前，ATP系統的制動會給行車帶來較大隱患。尤其是在高速環境之下，安全問題就尤為突出。針對此種情況，深入考察降級所形成的原因，實現GSM-R系統的整體優化，對于確保高鐵安全運行而言，有著不容忽視的積極價值。

1 CTCS-3系統的構成與降級原因分析

CTCS-3系統結構參見圖1。

圖1 CTCS-3系統邏輯圖

在CTCS-3系統中，地面端負責數據處理的節點為無線閉塞中心（RBC，Raid Block Center），而車載端則為車載控制單元（OBC，On-Board Controller），二者之間通過GSM-R網絡實現通信。在該網絡環境下，包括移動交換中心（MSC，Mobile Switching Center）、基站控制器（BSC，Base Station Control）以及基站收發臺（BTS，Base Transceiver Station），而BSC與BTS共同構成基站子系統（BSS，Base Station Subsystem）。在不同的功能環節之間，存在四個接口，用于實現不同模塊的數據傳輸。其中，基群速率接口（Pri，Primary Rate Interface）用于實現源于運營商的語音服務，位于地面站和GSM-R系統之間；A接口是MSC與基站子系統之間，即MSC與BSC之間的對話接口，采用標準的2.048 Mbit/s的數字傳輸鏈路實現，主要負責移動臺、基站以及接續管理等信息；Abis接口為基站子系統的兩個功能實體BSC和BTS之間的通信接口，用以實現二者之間的遠端互連[2]。該接口支持面向用戶的所有服務，并且能夠對BTS無線設備的控制和無線頻率進行分配管理；Um接口作為車載端與GSM-R之間的接口，能夠實現車輛與網絡側的通信，完成分組數據傳輸以及會話和無線資源等方面的管理，實現該環節的信令信息和業務信息的傳遞[3]。

2 CTCS-3降級分析與定位

CTCS-3降級的來源，從根本上看是GSM-R網絡傳輸的異常。在傳輸超時的情況下，CTCS系統才會采取自動降級的方式來實現對列車的保護。對于GSM-R網絡傳輸而言，只要發生了車載端OBC與地面端RBC之間的通信中斷超過規定時長，即被判斷為超時故障。在CTCS-3框架之下，定義了參數T_NVCONTACT，用以描述無線通信環境下兩個相鄰報文之間的最大間隔時間，并且作為判斷通信是否正常，是否存在超時故障的信號。在我國CTCS-3標準中，該參數的設定為7～20 s，在不同環境中確定不同閾值。超過該閾值之后，自動降低到CTCS-2級運行，并且詢問工作人員做出進一步的判斷[4]。

在CTCS-3系統出現超時故障的時候，首先應對Pri接口信令進行查看，判斷是否存在中斷標記DIS CONNECT。該標記可以用于確定故障位于RBC地面端，還是由Rpi接口鏈路中斷引發。如果確定地面端正常，而接口方面存在故障，則需要進一步查詢Pri鏈路應用層數據，結合中斷狀況出現的地點，進一步判斷中斷的發生位置，通過查看RBC切換狀況，確定故障原因。如果Pri鏈路應用層數據顯示通信中斷異常，則需要進一步依據接口中斷標志確定中斷方向。通常而言，如果RBC向MSC發起中斷，則可以通過Pri鏈路數據中的RBC，最后收到應用層信息以及時間間隔，和接口鏈路層通信情況來對故障狀況進行判斷。考察屬于無線因素還是通信軟件件因素，又或者是否發生了設備故障等。MSC向RBC發起中斷，則可以依據T_NVCONTACT閾值時間內OBC是否有上報列車位置信息，以及對應的回應情況進行判斷。如果MSC向RBC和BSC均存在發起中斷，則故障可能因為MSC異常拆鏈造成；如果BSC向MSC和BTS發起中斷，并且進一步引起MSC向RBC發起中斷，則需要進一步綜合T_NVCONTACT時間內通信質量、上下行電平以及切換狀況來確定故障位于鏈路還是設備；而如果BTS向BSC發起中斷，同樣應當考察通信質量、上下行電平以及切換。如果均正常，則依據Pri接口數據鏈路層狀態來確定故障位于OBC測還是RBC與OBC通信軟件環境中[5]。

在故障發生的時候，基于故障的準確定位，進一步展開具有針對性的處理工作，是確保整個鐵路運行系統穩定的重要環節。如果在同一個小區頻繁出現降級，基站下行質量連續不佳，越區切換頻繁掉線，則可以重點考慮單站設備故障或者該小區附近外網干擾問題。對于此種狀況，首先應定位被干擾小區，同時閉鎖該小區載頻，進一步在現場展開考察，確定設備干擾源清理之后，再對小區設備恢復正常工作狀態，通常就可以實現故障排除。如果在同一個小區頻繁出現降級的狀況，并且RBC以及OBC之間無交互信息或者信令異常，則基本可以確定故障小區基站環傳輸或者基站環子時隙發生故障。此種問題首先應對該小區基站環傳輸告警信息進行確定和處理，針對告警狀況對故障單元進行閉鎖隔離；而后進一步依據Abis數據確定出對應降級時刻使用的子時隙，考察是否存在子時隙閉鎖問題[6]。如果仍然無法排除故障，則應當將故障小區所在基站環的環方向進行倒換，對故障展開進一步的確認。

3 結論

CTCS-3的降級，是網絡環境中的一個綜合性動作，實際工作中應著眼全局，深入細節，實現有效判斷。除此以外，在當前大數據環境之下，對于鐵路通信系統故障的管理同樣應積極引入相關信息技術，力求實現事前控制。通過監控和數據采集整個工作體系中的數據傳輸狀況，掌握具體環節的通信薄弱特征，借此更有效地發現故障，最終推動系統的整體優化。

[1]中華人民共和國鐵道部. 鐵運[2012]211號.CTCS-3級列控車載設備規范(暫行)[S]．2012.

[2]陳飛.基于高精度定位技術的新型車站信號控制系統研究[D].北京：北京交通大學，2006.

[3]楊宏圖，許貴陽，侯衛星.高速鐵路綜合檢測數據分析關鍵技術研究[J]. 鐵道運輸與經濟，2010，33（1）：31-34.

[4]郭媛忠，宗殿貴.CTCS-3級列車運行控制系統原理和應用[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[5]劉秋明，郭嘉，葛海平，徐輝.高速鐵路對 GSM 網絡帶來的影響及其解決方案[J].電信科學，2007，23（11）：81-84.

[6]黎國清，楊愛紅，許貴陽. 既有線提速綜合檢測技術研究與應用[J]. 中國鐵路，2008（5）：20-22.

Analysis and Treatment of CTCS-3 Degradation in High Speed Railway Communication Environment

Yang Lin
GSM-R Technical Support Center of Beijing Communication Section of Beijing Railway Administration, Beijing 100860

First of all, according to the architecture of CTCS-3 system, the data transmission module and the interface function between them are described. Then, the causes and judgment methods of CTCS-3 degradation are discussed.

GSM-R; CTCS-3; downgrade; interface

U285.2

A

1009-6434（2017）7-0020-02