C3接口監測系統在高速鐵路維護中的運用

陸守東

（中國鐵路上海局集團有限公司上海通信段，上海 200434）

1 概況

近十年來,中國高鐵的發展勢頭很快,截止2023 年11 月底,我國高速鐵路總營業里程已超過4.3 萬公里,穩居全球首位。按照我國的《中長期鐵路網規劃》(2016-2030 年)，國內將建設成“八縱八橫”高鐵骨干網。近年來相繼開通的武廣高鐵、滬昆高鐵、合福高鐵等，最高建設速度在300 km/h 以上，這些高速鐵路控制系統均采用中國列車運行控制系統第3 級（Chinese Train Control System，CTCS-3），簡稱C3 系統。C3 系統是利用鐵路數字移動通信系統（GSM-Railway，GSM-R）無線網絡實現列車-地面信號雙向傳送，該控制系統包括車載設備和地面設施。車載裝置主要負責接收地面指令，形成速度模式曲線，為維持列車運行安全而對列車進行監控等工作。地面裝置主要根據聯鎖辦理的進路，將行車許可等指令發送至車載設備，其中，列車車載裝置列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP)和無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC）均為C3 系統中的重要設備。RBC 根據軌道電路、聯鎖進路等數據生成行車許可，并將行車許可、線路參數、臨時限速等通過GSM-R 無線通訊系統傳輸到車載設備上；同時，利用GSM-R 無線通訊系統接收位置、列車數據等車載設備發送的信息。ATP 根據行車許可、線路參數、臨時限速等數據以及地面設備傳送的動車組參數，并根據目標速度和連續車速的變化模式形成動態速度曲線，以跟蹤車輛的安全行駛，實現超速防護。GSM-R 網核心通常包含移動交換子系統、無線分組交換子系統（General Packet Radio Service，GPRS）、智能網接口等，一般采取冗余交叉覆蓋的方式進行組網，提高無線運行網絡的可靠性。

C3 系統遵循統一接口標準和標準的安全通信協議，涉及核心的關鍵設備，需要冗余設置。C3級列車運行控制系統是實時控制列車安全運行間隔、避免列車超速運行的高速鐵路核心技術裝備和安全保障系統，但在實際運用中，常由于各類因素造成降級。本文主要闡述C3 系統組成、無線超時原因，并通過日常C3 系統通信超時的障礙事例處置，總結無線超時的分析流程。CTCS 系統結構示意如圖1 所示。

圖1 CTCS系統結構示意Fig.1 CTCS system structure diagram

2 接口監測系統結構

C3 接口監測系統是集信令采集管理、信息收集分析、在線用戶監視、網絡狀況監測、查詢數據分析、中斷統計分析和日志圖表等多項模塊功能于一體的復合型無線網絡監測的綜合管理系統。一般由信息采集部分、信令數據處理系統部分、信息存儲部分、綜合分析處理部分等組成，其中信息存儲部分和信息綜合分析處理部分具有較強的互動性。結構方面主要有采集層、處理層、分析層3 部分。其中，采集層由Abis 接口、A 接口、PRI 接口信令及數據采集主機等構成；處理層則由接口處理服務器/數據庫系統，網關等構成；分析層則由綜合數據分析服務器和網管等構成。GSM-R 網絡接口監測系統在現網中的位置如圖2 所示。監測接口的定義及與監測系統的互聯方式如下。

圖2 GSM-R網絡接口監測系統在現網中的位置Fig.2 Position of GSM-R network interface monitoring system in the existing network

Abis 接口：基站控制器（BSC）和基站收發信機（BTS）的通信接口。

A 接口：網絡交換子系統（NSS）與基站子系統（BSS）的通信接口（MSC 至BSC 之間）。

PRI 接口：網絡交換子系統NSS 與無線閉塞中心RBC 的通信接口。

C3 接口監測系統是根據被監測用戶的網絡信令，對A 接口、Abis 接口及PRI 接口進行實時監測的關鍵設備，對網絡進行全程實時監控，并關聯顯示A 接口、Abis 接口和PRI 接口上的相關用戶信令消息。并且基于C3 接口監測自身的結構特點，不但可以即時監聽最基本的信令消息，還具有其他功能。

1）實時監測機車車輛，及其運行過程中的相關信息，按車次監測，包括當日已經運行和正在運行的列車。對機車的運行信息進行實時監控，包括機車運行的位置，所處小區的電平狀態，實時的狀態信息以及機車的全部接口。

2）監測網絡信令鏈路的情況，對話務負荷的統計分析。

3 無線超時的原因

無線超時是基于GSM-R 的C3 級列控系統經常出現的問題，信號弱、設備故障、干擾等情況都有可能引發無線閉塞中心RBC 與列車之間單向或者雙向的通信異常，導致列車控制在發生無線超時時，會從C3 降到CTCS-2（簡稱C2）。在C3 系統實際運用中，C3 故障主要表現為降級。引起C3 降級的原因主要有兩種可能：一是信號原因，表現為車載設備不良、RBC 設備不正常等；二是通信原因，表現為外部無線電磁環境干擾、小區或BSC 切換異常、通信設備故障等。由于C3 級系統實現列車控制方式相對較為復雜，因此導致通信超時原因很多，這其中原因不明的事件又占據了相當的比例。原因不明類問題是指雖然可以初步確認為下行質量突降、上行質量突降、乒乓切換、越區切換和回切等，但是還不能確定造成問題的根本原因。而導致這一情況的主要根源就是系統設備出自不同廠家，盡管在技術條件、接口等有統一的標準，但在不同廠家設備的結合部，依然存在一定的通用問題。

4 接口監測系統的應用

對于無線連接超時分析，一般從車載設備和GSM -R 網絡兩方面進行。

車載設備分析的內容主要包括，是否出現單MT 工作，天饋線及其他連接處有無異常，以及發生超時后，在后續交權區運行的狀態情況。車載司法記錄單元（JRU）用來記錄列車運行中通過車載設備采集的原始數據以及通過車載設備所輸出的控制數據，下載相關數據進行分析。根據故障特點分析是否多次、重復發生，發生位置是否固定等情況進行綜合性的判斷分析。

GSM-R 網絡數據分析主要包括：對接口監測數據進行分析，對PRI 接口、Abis 接口、A 接口數據信息進行查詢分析。對通信設備工作狀態分析，重點是對MSC、BSC、BTS 及直放站等網管，伴隨發生的告警信息進行分析，以及傳輸設備運行工作狀態。對比分析故障地點附近的無線超時故障發生時段，前后列車的工作狀態。現場測試排查分析，對干擾源的定位、場強覆蓋情況測試檢查、通信質量及TA 測試情況等，并根據GSM-R 系統圖、RBC 管轄區等基礎技術資料，對整個網絡組網的分析。

通信維護部門日常C3 接口監測系統網管是重點對列車運行過程中的接口監控數據進行分析，對PRI接口信令交互信息、電臺呼叫記錄等進行數據分析；Abis 接口通信測量報告、切換歷史記錄，查詢是否存在中斷前切換失敗的情況；A 接口呼叫記錄及信令流程。通過查詢分析各接口數據，初步確定在故障地點附近的列車運行狀況，初步定位障礙原因。

案例（無線信號干擾）：正常列車在行進過程中，需要在GSM-R 網絡的各基站間進行不斷切換，且通話質量不低于5 級，以便和地面列控中心一直取得聯系。但如果行進過程中受到無線信號干擾，造成通信質量下降至6 ～7 級，會引起C3 降級。例如2022 年1 月12 日網管通過C3 接口監測系統查詢：13:19，列車G1978 運行至K989+040 處，通信質量劣化。查詢信令流程正常，查詢Abis 接口信令詳情，發現在該區段下行通信質量從之前的4 級以上已經劣化至6 ～7 級。說明列車經過此處時，通過質量呈現劣化趨勢。現場排查由于運營商無線設備信號干擾造成通話質量下降，如圖3 所示。

圖3 G1978接口監測查詢數據Fig.3 G1978 interface monitoring and query data

案例（車載設備故障）：列車在運行時，需要經過不同的列控中心，為了更好地做到列控數據無縫交接，在高鐵上全部是雙套電臺交替工作，稱為交權。但是由于車載設備原因，某種情況下一個電臺工作異常，在該交權時沒有發揮作用，無法實現無縫交接，而是由同一個電臺在2 個列控中心先中斷連接再重新發起呼叫，從而造成C3 無線超時，這種現象為單電臺故障。在檢測系統中表象為Abis接口數據的上、下行電平值會發生突降，通話質量劣化至6 ～7 級。例如2022 年3 月1 日，G7071次列車運行至K1105+270 處，發生無線連接超時，造成降級。查看信令流程正常。在發生無線超時前Abis 接口數據上行、下行反應出的電平值由-62 dBm 突降至-110 dBm，造成上、下行通信質量劣化至7 級。

由此可以看出，C3 接口數據分析對于處置無線連接超時問題起到了關鍵作用，對有效處理無線超時發揮了指導性作用。

5 總結

C3 系統對保障高速鐵路行車安全、提高運輸效率具有重大意義，是確保動車組行車安全、提高列車運行效率的關鍵技術設備。GSM-R 無線網絡是C3 系統與列車信息的傳送平臺，網絡的運行狀態必須實時監控。通過C3 接口監測系統，掌握網絡的實時狀態，通過數據的分析發現網絡質量方面的問題，及時制定方案在發生降級前提前干預，盡量減少C3 降級問題的發生。同時也可以通過接口監測系統采集的數據，分析C3 降級的原因，采取針對性措施及時處理，避免同一問題重復造成C3 降級的問題，從而保障GSM-R 網絡穩定運行，確保高鐵運行安全。