基于GSM-R網絡接口監測系統的列車位置監測技術研究

胡莉麗 孫啟民 洪 波

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070 2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

近年來，隨著我國鐵路事業的飛速發展，鐵路信息化、智能化程度不斷完善，越來越多的非安全相關業務系統相繼投入到鐵路的日常運營及維護工作中。在眾多非安全相關業務系統中，部分業務系統與列車的運營及維護相關，為了能夠更好的發揮系統的作用，該部分系統需要獲取列車的實時位置信息。

由于現有列車已基本不具備安裝新定位裝置的條件，因此很難通過在列車加裝新設備的方式獲取列車的實時位置信息。另外，現行的絕大部分能夠提供列車位置信息的系統均屬于安全相關業務，為保障列車的安全運營，原則上亦不允許向新建的非安全相關業務系統開放提供列車實時位置信息的接口。為此，如何安全的向新增的智能化鐵路運維系統提供列車的實時位置信息成為一個需要解決的問題。

2 列車位置信息定義

列車位置信息在列車運行控制技術中具有重要地位，是列車高速安全運行的基本保障。列車超速防護系統（ATP）需要列車的實時速度、位置以及目標點計算速度防護曲線；地面列車控制系統根據列車位置信息實時更新軌道占用狀態，及時調整后續列車的停車點；列車自動駕駛系統（ATO）根據列車位置信息和線路的限速信息計算出速度控制曲線，實現列車運行速度的自動調整并保證列車的正點率以及乘坐舒適性[1]。

列車位置信息是用以表示列車在鐵路區間運行及在車站到發或通過的空間矢量信息。目前CTCS-3級列車運行控制系統采用里程計和查詢應答器相結合的方式進行列車定位，其原理是在鐵路沿線間隔一定距離設置查詢應答器，每個查詢應答器存儲它自身的識別號碼、固定線路信息、限速信息、進路信息等，列車每經過一個查詢應答器會讀取其識別號，通過查詢車載電子地圖獲得列車在軌道上的絕對位置信息。在兩個查詢應答器之間，通過里程計計算而得出列車相對于絕對位置的相對距離[2]。

列車位置信息不僅僅指運行線路及公里標信息，還包括途經無線網的小區標識、經緯度、占用股道、速度及行車方向等信息，各類信息意義如表1所示。

3 列車位置信息的獲取途徑

列車的位置信息可以從CTCS-3列控系統、調度集中控制系統（CTC）、GPRS接口服務器系統（GRIS）、列控設備動態監測系統（DMS）及GSM-R網絡接口監測系統（以下簡稱“接口監測系統”）等業務系統中提取：

1）CTCS-3列控系統通過無線報文實現車載設備和地面設備交互，其中車向地發送的無線消息里包括列車位置報告消息。根據無線報文定義規定，列車位置報告消息包括最近相關應答器LRBG的編號、最近相關應答器組與列車估計前端（在激活的駕駛室側）之間的距離、實際列車速度及相對于LRBG方向的列車運行方向[3]等信息，通過解析計算可得到列車的公里標、速度及行車方向。

表1 列車位置信息表Tab.1 Train position information

2）CTC系統通過車次號校核及調度命令信息實現列車的校核及調度控制，車次號校核及調度命令信息中包含列車身份及列車位置信息，其中位置信息包括列車公里標、速度、經緯度及占用股道等信息[4]。

3）CIR與CTC通過GPRS網絡實現列車與地面設備間的車次號校核及調度命令信息的傳送，而GRIS系統是GPRS網絡與地面CTC系統的通信中轉站。所有經GPRS網絡傳送的車地交互信息必須經過GRIS轉發，因此通過GRIS系統能獲取車次號校核及調度命令信息中包含的列車位置信息，可獲取的位置信息包括列車公里標、速度、經緯度及占用股道等信息。

4）DMS系統負責列控車載設備動態監測，包括列車運行狀態信息實時監測，能監測列車的運行速度、里程、線路名稱、車次等。因此能通過DMS系統獲取的列車位置信息包括公里標、速度等信息。

5）接口監測系統能夠對GSM-R網絡電路域及分組域的全部主要接口進行監測。對電路域業務數據的監測，能獲取CTCS-3列控系統車地傳輸的無線報文信息及途經無線小區信息，通過無線報文信息可獲知列車的運行線路、公里標、速度及行車方向等信息；對分組域業務數據的監測，能獲取車地間的車次號校核信息、調度命令信息，通過這些數據可獲知列車的途經無線小區、公里標、速度、經緯度、占用股道、速度及行車方向等信息。

4 接口監測系統的發展及現狀

從我國第一條采用GSM-R無線通信網承載ITCS列控業務的青藏鐵路開始，之后又陸續開通了京津、武廣、滬寧、滬杭、京滬、哈大、滬昆等多條采用GSM-R無線通信網承載CTCS-3級列控業務的高鐵線路，各條線路所屬路局的核心網機房都部署了接口監測系統。利用接口監測系統對GSM-R網絡中各接口的數據進行跟蹤監測，通過采集、解析各接口的網絡信令及列控業務數據，識別列控用戶通信異常，并對無線網絡性能及故障信息進行分析、統計。

最初的接口監測系統只監測Abis接口、A接口及PRI接口，隨著高鐵線路相繼開通，運營環境的多樣性及復雜性也有所增加，在分析無線超時故障時，僅依靠原有的三接口監測系統提供的接口數據不夠完善，以至于無法準確定位故障點。

為了能更好的分析無線超時故障并提高GSM-R網絡的運維效率，接口監測系統也逐步進行完善：

1）電路域發展到能夠監測Igsm-r接口、車載側Um接口、基站側Um接口、Abis接口、A接口及PRI接口的主要接口；

2）同時，鐵路分組域業務的應用及相關維護技術也在不斷發展，承擔調度命令、列車進路預告、無線車次號信息、列控設備動態監測系統等應用數據的傳輸，因此接口監測系統也對GPRS網絡的Gb接口、Gn/Gp接口和Gi接口進行監測；

3）另外，為完善C3跨局呼叫的跟蹤，保證跨局切換的連續性，接口監測系統又增加了對GSM-R網絡7號信令相關接口的監測，實現對C/D接口、E/G接口、L接口及Gr接口的監測。

目前，接口監測系統所監測的接口范圍已涵蓋電路域、分組域及7號信令子網的全部主要接口。

5 接口監測系統中列車位置信息的提取及計算

接口監測系統可以從所監測的電路域及分組域的多個接口提取位置信息，下面以電路域的A接口和分組域的Gb接口為例來說明如何提取位置信息。

5.1 電路域A接口提取位置信息

5.1.1 通過A接口監測到的業務數據信息

1）可采集到所有列車（ATP）與地面列控設備(RBC)間傳輸的無線報文信息，其中ATP向RBC發送的列車位置報告消息（消息136）中包含位置報告信息包（信息包0）或基于兩個應答器組的位置報告信息包（信息包1），兩種信息包都包含變量NID_LRBG、Q_SCALE、D_LRBG、Q_DLRBG、V_TRAIN，分別表示最近相關應答器組（LRBG）的標識號、距離/長度的分辨率、最近相關應答器組與列車估計前端（在激活效駕駛室側）之間的距離、限定詞指出列車估計前端位于LRBG哪一側、實際列車速度。

2）通過NID_LRBG值計算列車公里標：從應答器配置表中對應出應答器組的公里標及所在的上下行軌道，當應答器的方向在下行線路時：如果Q_DLRBG為0（反向），則列車的公里標=應答器組公里標-Q_SCALE*D_LRBG/1 000；如果Q_DLRBG為1（正向），則列車的公里標=應答器組公里標+Q_SCALE*D_LRBG/1 000；當應答器的方向在上行線路時：如果Q_DLRBG為0（反向），則列車的公里標=應答器組公里標+Q_SCALE*D_LRBG/1 000；如果Q_DLRBG為1（正向），則列車的公里標=應答器組公里標-Q_SCALE*D_LRBG/1 000。

3）通過V_TRAIN值計算列車運行速度：列車的速度= V_TRAIN*5。

5.1.2 通過A接口監測到的網絡信令

1）列車MT發起呼叫時，可采集到A接口攜帶的CM Service Request層3信令，從該條信令的Cell Identifier信元可解析獲得列車所在小區的位置區標識(LAC)及小區標識(CI)，結合這兩個標識值對應出唯一的小區，得到小區信息[5]。

2）列車運行過程中，MT發生越區切換時，可采集得到BSSMAP層的HANDOVER PERFORMED信令，從該條信令的Cell Identifier信元可解析獲得列車所在小區的位置區標識(LAC)及小區標識(CI)，結合這兩個標識值對應出唯一的小區，得到小區信息。

5.2 分組域Gb接口提取位置信息

5.2.1 通過Gb接口監測到的業務數據信息

1）可采集到調度命令及車次號校核信息。

2）調度命令中的“確認和調車請求確認數據幀”包含簽收地點公里標值、簽收地點衛星定位經度、簽收地點衛星定位緯度字段。GSM-R模式下CIR發送車次號信息數據幀中的“TXT輸出的列車運行數據幀”包含時速和公里標字段。

3）簽收地點公里標值字段采用二進制編碼，單位為m，高位在前，低位在后，Bit23是公里標符號位，Bit22表示公里標為遞增或遞減，Bit21-Bit0表示公里標絕對值，將該字段轉化為十進制，即可得到列車的公里標信息。

4）簽收地點衛星定位經度和簽收地點衛星定位緯度字段采用壓縮BCD碼，低3個字節表示“分”，高字節表示“度”，將其轉為十進制即可得到列車的經緯度信息。

5）實速字段采用二進制編碼，Bit9-Bit0表示速度，將其轉化為十進制即可得到列車速度信息[4]。

6）公里標字段采用二進制編碼，單位為m，高位在前，低位在后，Bit23是公里標符號位，Bit22表示公里標為遞增或遞減，Bit21-Bit0表示公里標絕對值，將該字段轉化為十進制，即可得到列車的公里標信息。

5.2.2 通過Gb接口監測到的網絡信令

可 采 集 到 UL-UNITDATA、BVC-RESET、BVC-RESET-ACK信令，這3類信令均能解析得到Cell Identity信元和Routing Area Identification信元，Cell Identity信元提供小區標識值，Routing Area Identification信元提供位置區標識，結合這兩個標識值對應出唯一的小區，得到列車的小區信息[7]。

6 接口監測系統列車位置信息共享方法探討

接口監測系統能夠提取出運行線路、公里標、無線網小區、經緯度、占用股道、速度及運行方向等全方位的列車位置信息，而一些新增的非涉安鐵路業務系統亦有使用列車位置信息的需求，為提高接口監測系統中列車位置信息的利用率，并保證列車位置信息的安全使用，現對位置信息共享方法進行探討。

1）安全性設計

鑒于安全性的要求，接口監測系統和非涉安鐵路業務系統進行數據交互時，需要對其進行身份認證。連接成功后，非涉安鐵路業務系統向接口監測系統發送身份信息，包括系統IP地址、系統代號、接口協議代號、鑒權參數等，接口監測系統對身份信息進行驗證，并返回認證結果信息，包括認證成功和認證失敗。

a.如果認證成功，接口監測系統和非涉安鐵路業務系統繼續進行數據交互。

b.如果認證失敗，接口監測系統返回失敗原因，包括重復認證、非法認證等，并斷開和非涉安鐵路業務系統的連接。

2）高實時性要求的位置信息共享方法

如果非涉安鐵路業務系統對列車位置信息的需求是高實時性的，接口監測系統支持TCP連接方式進行數據推送，其中接口監測系統為服務端。

身份認證成功后，非涉安鐵路業務系統向接口監測系統發送位置信息請求，位置信息請求消息的字段包括幀頭標識、數據長度、數據類型、位置信息類型、車次號、時間等，其中位置信息類型包括公里標、小區、經緯度、速度、行車方向等。接口監測系統解析出需要的位置信息后，實時的向非涉安鐵路業務系統發送位置信息，消息字段包括幀頭標識、數據長度、數據類型、位置信息類型、位置信息值、車次號、時間等。數據交互流程圖如圖1所示。

3）低實時性要求的位置信息共享方法

如果非涉安鐵路業務系統對列車位置信息的需求是低實時性的，接口監測系統支持Web Service方式進行位置信息請求，當非涉安鐵路業務系統有位置信息需求時才發起請求。位置信息請求消息的字段包括幀頭標識、數據長度、數據類型、位置信息類型、車次號、時間等，其中位置信息類型包括公里標、小區、經緯度、速度、行車方向等。接口監測系統在收到位置信息請求后，給非涉安鐵路業務系統回復位置信息，位置信息的字段包括幀頭標識、數據長度、數據類型、位置信息類型、位置信息值、車次號、時間等。非涉安鐵路業務系統回復位置信息確認消息，消息字段包括幀頭標識、數據長度、數據類型、位置信息類型、車次號、時間等。數據交互流程圖如圖2所示。

圖1 高實時性要求的位置信息共享流程圖Fig.1 Flow chart of sharing train position information with high real-time requirement system

圖2 低實時性要求的位置信息共享流程圖Fig.2 Flow chart of sharing train position information with low real-time requirement system

7 結束語

總結列車位置信息的多種獲取途徑以及接口監測系統的使用現狀，提出從接口監測系統提取列 車位置信息的方法，并可向非安全相關的且需要列車位置信息的鐵路業務系統共享，以便實現這些業務系統對列車的定位及追蹤。同時，為保證列車位置信息的安全使用，本文也提出位置信息的多種共享方法來滿足安全性和實時性的要求。