多通信冗余機車同步操控通信平臺應用研究

汪 洋，楊居豐，張志豪，陳 松

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081)

1 引言

當前鐵路兩大發展方向為高速和重載，其中重載鐵路主要針對大宗貨物運輸而建設，其具有運能大、效率高、運輸成本低等優勢。2011年，澳大利亞開行了一輛7353米長的貨運列車，總重量達10萬噸，一直保持著世界紀錄。2014年，中國鐵路總公司在大秦鐵路組織實施的3萬噸重載列車運行試驗取得成功。無論是10萬噸還是3萬噸列車，都需要多個機車同時牽引[1]，而為了解決風管均勻排風、車鉤均勻受力等問題，多機車需要采用分布式動力同步操控的方式，即將多個機車均勻分布在整列車的頭部與中部，通過同步操控系統完成同步牽引、制動等控制[2]。該情況下，機車與機車之間距離較長，可達到七八百米甚至一千多米。因此，機車間的無線通信成為同步操控系統的必要組成部分，無線通信的成功率與時延也成為了同步牽引及制動的關鍵，極大的影響著整列車的縱向沖動[3]。

2006年大秦鐵路重載組合列車采用美國GE公司的Locotrol同步操控系統，該系統主要采用GSM-R通信系統，同時具備800M數傳電臺通信系統[4]。2014年朔黃鐵路重載組合列車采用了TD-LTE通信系統，同時具備800M數傳電臺通信系統。由此可知，機車同步操控系統均具備兩種通信設備，當GSM-R網車載設備或LTE網車載設備失效時，啟用數傳電臺。該方案具有兩種設備切換時延大、成本高、不利于安裝與維護等弊端，并且無法實現重聯機車在GSM-R線路區段與LTE區段的跨線運行，也無法在未來鐵路可能建設的5G-R線路運行。

本文提出了基于多種移動通信技術冗余的機車同步操控無線通信方案，設計了多種通信技術一體化的平臺。該平臺采用統一的主控單元、電源單元、記錄單元等模塊，實現不同的通信方式的集中控制。相比現有系統，一體化平臺結構簡單、安裝便利、成本壓縮，不同的通信方式切換速度快，且采用接口兼容的通信單元，不僅可以具備GSM-R，LTE，數傳電臺通信方式，還可以兼容未來鐵路可能采用的5G-R，能夠實現不同通信方式區段跨線運行。

2 基于多種移動通信技術冗余的方案

2.1 傳統的機車同步操控無線通信方案

當前重載機車同步操控通信系統由車載通信單元和鐵路專用移動通信網絡組成。GSM-R網絡由地面基站設備與核心網組成，機車同步操控通信系統采用GSM-R的CSD連接方式，需要在地面架設編組服務器，采用點對多點的數據會議通信方式，將主控機車與從控機車建立數據會議小組。車載通信系統實現機車間控制命令的傳輸與數據交換[5]。

地方鐵路通常采用LTE專用通信網絡，具有更低的延遲，并通過共站址雙網方式保證可靠性。LTE通信單元通過綁定的用戶名與IP地址向目標機車發送數據，不需要在地面設立編組服務器[6]。

數傳電臺是比較早期的模擬通信方式，由于該方式的設備成本低，使用方便而廣泛應用于鐵路。數傳電臺在支持的距離范圍內可以實現點對點直接傳輸，不依靠地面網絡和設備[7]。

機車同步操控通信系統通常會使用GSM-R或LTE車載終端作為主用設備，數傳電臺作為備用設備，兩套設備分別與機車同步控制設備進行連接，各自具備獨立的主控單元，電源單元，通信單元，記錄單元等模塊[8]。

2.2 新型機車同步操控無線通信平臺

多種移動通信技術冗余的機車同步操控無線通信平臺通過統一接口接收控制系統的命令，可對通信方式進行靈活切換，可實現GSM-R，LTE，5G-R、數傳電臺等多種移動通信方式的冗余。架構如圖1所示。

圖1 多種移動通信技術冗余的機車同步操控無線通信系統

如圖2，一體化的平臺中各通信單元共用一套主控單元，共用同一路數據輸入通道，共享同一套天線設備。因此，各通信單元之間可能在控制機制、軟件設計、電路交互以及共用天線等方面產生一定的干擾。本文選取重載試驗線路對該平臺進行測試，驗證該方案的可行性。

圖2 機車無線同步操控系統一體化通信平臺

3 關鍵技術

3.1 AB節雙平臺冗余

重載機車通常使用8軸電力機車，是由A，B兩節完全相同的4軸電力機車通過內重聯環節連接組成。因此機車同步操控系統通信平臺除了通信方式冗余以外，還可在A節和B節分別設置通信平臺，雙平臺通過以太網進行互聯，實現AB節之間的冗余。A節實時發送工作狀態至B節，B節處于待機狀態，當A節通信平臺故障時B節迅速啟動并直接同步A節最后的工作狀態，從而保證整個系統正常工作，數據傳輸沒有中斷。

3.2 雙路主控單元冗余

平臺采用linux嵌入式系統主控單元，為了防止主控程序線程崩潰或linux意外死機，平臺設置了兩塊控制單元互為主備。兩控制單元通過串口同步工作狀態，當主用控制單元故障時立即切換至備用控制單元，并同步原主用控制單元的工作狀態，保證整個系統持續正常工作。

3.3 一體化接口

既有的系統中不同的通信設備通過不同的接口接入控制設備，新型的平臺則采用統一的接口，通過統一的命令實現不同通信方式的冗余切換，為平臺提供更高的集成度。

3.4 自愈

平臺具備自愈功能，主用控制單元故障時會重啟并復位，復位后可作為備用控制單元，保證整個平臺始終具備冗余性。各通信單元具備自愈功能，當網絡附著多次失敗、網絡連接多次失敗、AT接口故障或通信單元自認故障時，會重啟并復位。

3.5 故障診斷

由于車載設備應用環境限制，故障發生時很難及時到現場解決，多數情況都得依靠記錄的日志進行分析。因此平臺設置記錄單元，完整記錄自身工作狀態，包括通信方式、接口狀態、編組狀態、組成員信息、空口收發數據、控制系統收發數據等。通過數據分析軟件，可方便的診斷出故障原因。

4 現場測試結果與分析

4.1 測試方法和過程

鐵路目前用于機車無線同步操控的數傳電臺通常選用800MHz頻段，由于后續800MHz將被工信部收回，因此本文選取鐵路還可以繼續使用的400MHz頻段的數傳電臺在試驗線路進行測試，GSM-R選取定制化接口并具備CSD數據功能的單元，LTE模塊選取1.8GHz頻段 PCIE接口的通信單元。本文中的測試，由于試驗線路沒有LTE專網，僅對GSM-R與400MHz數傳電臺進行測試。

平臺采用3U機箱，選用ARM Cortex-A8嵌入式系統開發平臺的主控單元，主控單元主要具備機車同步控制系統與通信系統間的數據交互，同時能夠通過命令發送控制通信單元實現常規功能，如GSM-R單元重置、呼叫、拆線，數傳電臺單元常發、自檢等。設計接口單元，統一對外接口，除了各通信單元具備自己的天線接口外，整機與外部輸入設備或監測設備的接口均設計在接口單元上，便于統一插拔。設計記錄單元，記錄主控單元的工作狀態，各通信單元的工作狀態，各通信單元傳輸的空口數據，以及接口單元對外部設備收發的數據。設計電源單元，具備防靜電、防電磁干擾特性，為整機提供穩定的直流電源。采用多頻段天線及合路器，將各通信單元的天饋線整合。整機放置于機車的機械間內，天線從車內引出安裝在車頂。

除上述車載平臺以外，地面還需要架設GSM-R編組服務器，服務器通過PRI接口可讀取車載平臺發送至地面的數據，同時服務器需要實現主從車的車載平臺的安全認證、機車號注冊、注銷、會議建組、數據轉發、狀態監測、中斷事件監測。

本文選取國鐵集團重載線路的部分區段進行測試。測試采用兩臺HXD1機車，萬噸試驗在兩臺機車之間與中部機車之后分別連接54輛敞車，兩萬噸試驗則分別連接105輛敞車，機車同步控制系統采用新一代國產化系統設備。測試過程中，將平臺的調試口接出，用計算機對傳輸的數據進行監測，用場強測試儀記錄信號強度，用采集編碼器讀取車輛速度、公里標等信息。按照試驗安排，在萬噸試驗時主要對數傳電臺進行測試，兩萬噸實驗時主要對GSM-R網絡進行測試。

4.2 結果分析

4.2.1 數傳電臺測試結果分析

數傳電臺測試時采用萬噸貨運組合列車進行試驗，頭部和中部機車中間由54輛C80敞車相連，距離在800米左右，數傳電臺發射功率為5W，從LKJ獲取公里標，使用場強測試儀測試場強及接收電平，每秒發送5幀數據進行誤碼率測試。

圖3 數傳電臺全區段接收電平值

測試區段全線接收電平值如圖3所示，一體化平臺的數傳電臺單元400MHz頻段無線電波傳播效果良好，測試區段中92%的區段接收電平值大于20dBμV，5%的區段接收電平值在10-20dBμV之間，3%的區段接收電平值低于10dBμV。其中低于10dBμV的區段基本來自于隧道，10-20dBμV的區段多發生在洼地、路塹等區段。

圖4 數傳電臺接收電平值與誤碼率的關系圖

無線信道數據傳輸自然比特誤碼率隨著接收電平值增大而減小。比特自然誤碼率分布圖如圖4所示。

圖5 數傳電臺全區段數據轉發成功率

測試區段全線數據轉發成功率如圖5所示，試驗區段數據轉發成功率為94.47%，隧道區段轉發成功率為88.89%。

4.2.2 GSM-R測試結果分析

GSM-R測試時采用2萬噸貨運組合列車，頭部機車與中部機車間距大約1400米。數據為每300ms由主車向從車發送一幀數據，從車收到后用同步控制系統進行一定的處理后向主車回復一幀數據。車載平臺與地面服務器之間每3秒發送一幀測試幀，地面服務器收到后立即回復一幀數據，車載平臺通過兩幀的時間差來計算GSM-R車地傳輸的延遲，由于服務器轉發存在ms級的延遲，本文將延遲精確在10ms。

圖6 GSM-R全區段延遲

圖6為測試區段全線延遲，從圖中可看出，GSM-R延遲基本集中在320ms附近，最低為270ms，除去由于基站場強較低導致通信中斷的一次高延遲外，最高延遲為430ms。其中由機車同步控制設備測試出的平均響應時間為1.8s，遠小于既有設備的2.5s。該平臺在整個測試中只有一次通信鏈路中斷，鏈路中斷率也低于既有設備。GSM-R中斷時切換為數傳電臺的切換時間小于2秒。

圖7 GSM-R傳輸成功率與延遲的關系圖

圖7采用全區段無線下行傳輸數據統計，可以看出通信未中斷的情況下傳輸成功率均在99.5%以上，高于既有設備，且從270ms到370ms之間傳輸成功率呈正態分布，其中320ms延遲下傳輸成功率為99.93%。試驗樣本數量為5000以上，統計的有效性較高。當延遲達到370ms以上，傳輸成功率開始下降，說明丟包率會隨著延遲的增大而遞增，符合移動通信的特性。

5 結論

本文針對重載機車同步操控系統提出了多種移動通信冗余的平臺，對該平臺下的GSM-R通信方式和數傳電臺在不同區段都進行了實際測試。首先，測試驗證了一體化平臺完全可以滿足同步操控系統對通信質量的要求。其次，相比既有的分體式的通信設備，一體化平臺邏輯簡單、成本低、維護方便，由于邏輯簡單測試中通信中斷次數也低于既有系統。最后，一體化的平臺擴展性強，可支持5G-R通信方式，支持在多種通信方式區段跨線運行。

本文中設計的一體化的機車同步操控無線通信平臺目前只進行了一主一從雙機車的測試，后續還會進行一主三從以及更多機車的測試，還有LTE網絡區段的測試，以及列車在重聯狀態下的國鐵與地方鐵路的互通測試。目前在實驗室中已可以安裝5G通信單元并調試成功，后續還將在5G-R區段進行測試。