C3车载安全数据传输监测与分析

2014-01-18席武夷杨显来

铁路技术创新 2014年3期

■ 席武夷杨显来

C3车载安全数据传输监测与分析

■ 席武夷杨显来

从IGSM-R接口监测数据入手，分析研究C3车载数据传输安全。IGSM-R接口是C3车载通信单元和GSM-R模块之间的接口，通过对IGSM-R接口监测数据的分析，并结合PRI接口监测数据，形成对C3安全数据传输的闭环监测与分析，为进一步定位C3车-地数据传输故障提供切实的依据。介绍IGSM-R接口监测系统的组成，通过对IGSM-R接口监测数据的分析，并结合PRI接口监测数据，形成对C3车载安全数据传输的闭环监测与分析，为进一步定位C3车-地数据传输故障提供切实依据。

IGSM-R接口监测；GSM-R网络；C3数据分析

1 概述

CTCS-3级列控系统（以下简称C3）是我国铁路目前支持列车运营速度最高的列车运行控制系统。C3利用GSM-R移动通信网络作为车-地双向安全数据传输平台，实现闭环控制。车载列车自动防护（ATP）和地面无线闭塞中心（RBC）作为整个系统中的两大关键节点，是保障列车安全与高效运行的直接实施者。移动环境中的车载ATP设备更是最后实施列车安全制动的直接作用设备，对列车的安全运行起着重要作用。

目前，在铁路C3运营区段已经设置Abis、A和PRI接口监测系统，对地面网络进行全方位监测。但在实际的故障分析过程中，仍然发现有些问题无法准确定位，即无法判断是网络传输问题还是发送源头（即C3车载设备）的问题。不能定位故障就无法进行后续的故障解决工作。

IGSM-R接口是ATP车载通信单元和GSM-R模块之间的接口，ATP车载设备与RBC之间所有交互的数据，以及车载设备控制GSM-R模块的AT命令都要经过该接口。通过对IGSM-R接口的监测和分析，包括车-地间的安全数据交互、呼叫建立、拆除、保持、中断等各种通信状态，再结合既有PRI接口监测数据，可形成对C3安全数据传输的闭环监测，为进一步分析明确故障点提供切实依据。

维护人员利用IGSM-R接口监测技术可实现对异常数据的告警提示和自动导出，并利用导出后的监测数据分析问题，支撑维护人员定位问题与解决问题。

2 IGSM-R接口原理与关键技术

2.1IGSM-R接口网络拓扑

IGSM-R接口在网络中的位置见图1。

IGSM-R接口监测位置介于ATP通信模块与GSM-R模块之间，通过该接口信息可以监测到双方向的链路使用情况。ATP发送过来的列控信息通过GSM-R模块与进行数据传输。

图1 IGSM-R接口在网络中的位置

2.2IGSM-R接口监测技术实现

IGSM-R接口的设备主要分为2个部分：一是车载设备，包括车载采集单元、无线传输单元、供电单元；二是地面设备，包括地面数据处理与存储单元、外部网关单元、终端显示单元。

2.2.1车上设备

车载采集设备安装在动车组靠近车载ATP设备的地方。车载采集设备包含T型三通头、控制板。车载采集设备分别采集经过2个GSM-R模块IGSM-R接口的双向所有数据包，并将获取的数据包存储本地，然后根据地面的需要打包，通过车-地GSM-R网络实现GPRS数据传输，发送到指定的地面处理设备。车载采集设备的模块功能与实现如下：

（1）T型三通头一端跨接在GSM-R与ATP数据传输跳线上，一端连接IGSM-R接口采集主设备，用于取样原始数据包。三通头实物见图2。

三通头内部逻辑见图3。

图2 三通头实物

图3 三通头内部逻辑

原有设备是通过DB26公母头对接连通传输数据，此款研发的三通连接器的原理是在不改变原有设备连通情况下向IGSM-R接口设备输出信号，同时IGSM-R接口设备只是接收信号无对外输出。

DB26接口之间并未新增电路及元器件，而是在向IGSM-R接口设备输出信号的中途做隔离保护，为IGSM-R接口设备和三通连接器发生故障时采取隔离防护。当IGSM-R设备和三通连接器本身发生故障时，在图中“信号隔离”单元直接断开，所以不会影响原先设备的正常通信。

同时，三通头采用三级隔离保护技术，原理见图4。

第一级保护：二极管，保证数据方向从设备到监控计算机，反方向截止。不会由于监控计算机的误操作而影响设备间的通信。

第二级保护：三极管，当其生故障时，呈现高阻状态。表现监控计算机与设备脱机。

第三级保护：电源及信号隔离，当监控计算机产生浪涌时，不会将浪涌电压传递到设备。通过以上3级保护，可以确保当计算机或本转接板发生故障时，不会影响设备间的通信。

（2）控制板及其处理软件是整个产品的重要组成部分，从线缆中采集到的数据按照呼叫顺序、呼叫时间等格式封装在本地硬盘中，大量的数据经过特定的软件压缩机制，实现降低空间的占用率。

图4 三通头采用三级隔离保护技术原理

无线传输单元负责传输IGSM-R接口监测数据信息给地面服务器。无线传输通道采用铁路GPRS数据传输模式。由于其抢占信道级别比较低，即使在大面积推广使用IGSM-R接口监测设备下载数据占用大量信道的情况下，是可以被优先级较高的呼叫或数据传输抢占该信道的，保证了铁路通信网络既有重要业务的正常运行；断点续传技术也是无线传输单元的一个重要功能特性，模块中配备软件自动检测数据收、发包的完整性，当呼叫记录的信息由于各种外界原因没有传完时，会在下次进行续传。

供电单元结合实际动车上的供电情况，专门定制一款符合IGSM-R接口监测设备的供电系统，通过多道门槛防止电源短路导致的影响，设计增加二极管、空气开关以及看门狗电路等，保证IGSM-R接口设备电源的正常供给和对源路的自保护等。

2.2.2地面设备

地面设备是整个IGSM-R接口监测的核心部分。车上设备传来的数据包，要经过地面服务器解压、解码、处理，直至送达到客户端显示界面上。具体包括如下几个部分：

（1）服务器数据处理软件担负着整个原始数据的处理，该服务器数据处理进程对车载设备采集到的IGSM-R接口数据进行处理、筛选和分析，并分类存储到数据库表中。

（2）GPRS网关是连接GGSN与IGSM-R接口地面设备的一个“闸门”，网络传输的IGSM-R接口信息以文件传输协议（FTP）的形式下载到地面服务器上，同时地面下发的命令也要通过该网关设备发送给无线网络，在由无线网络寻址等方式找到车载IGSM-R接口的无线传输单元。

（3）客户端软件是根据客户的需求量身定制，具有实时显示和历史数据查询功能，以及分类导出、筛选数据的能力，通过终端软件实现对IGSM-R接口数据的下载任务，存储形式位置等操作。

3 监测数据分析

3.1车载呼叫地面RBC设备成功

图5中标黄的数据显示无线通信模块1呼叫地面RBC设备，成功建立电路域数据链路，传输速率为4 800 b/s。

3.2车载呼叫地面RBC设备失败

图6中标黄的数据显示无线通信模块1呼叫地面RBC设备，连接失败，无线通信模块向车载ATP回复No Carrier，说明本次呼叫不成功，车-地通信链路建立失败。

3.3MT向ATP发送的数据出现误码或CRC校验错误

图7中标黄的数据显示无线通信模块MT向ATP发送的C3数据出现误码，无法正确解析，标绿的数据表示无线通信模块MT向ATP发送的C3数据出现循环冗余校验码（CRC）校验错误。

这2种情况说明此时的MT接收到的GSM-R电平太差或无线环境恶劣，导致MT接收到的数据出现误码，这些数据发送至ATP后，ATP会认为数据错误，一定时间后，会出现通信超时故障。

3.4C3车-地数据监测

通过对C3业务数据的监测，可以实时获取车-地通信状况（见图8），为故障排查定位和解决提供有效的手段。

图5 车载呼叫地面RBC成功

图6 车载呼叫地面RBC失败

图7 MT向ATP发送的数据出现误码

3.5备用无线通信模块状态监测与故障预警

图9中标黄色部分是模块2的AT指令数据，模块2此时处于备用模式，在备用模式下车载ATP会定时查询无线通信模块的网络注册情况和信号质量，无线通信模块收到后进行恢复。根据该信息，IGSM-R监测设备实现对车载备用无线通信模块连接与网络状况的监测和故障预警。

3.6无线通信模块通信故障指示（见图10）

3.7数据传输故障分析

调度报：17日19：30，Gxxxx次（1端）在运行过程中转C2。

PRI接口数据：OBC向RBC发送的RR帧中序号超过范围（应该在33—36之间，但发送的是53），RBC收到错误的帧序号后，向OBC发送FRMR帧（见图11）。

IGSM-R接口数据：车载ATP并没有发送序号为53的RR帧，而是连续发送序号为33—36的RR帧，是正常行为。但PRI接口收到序号为53的RR帧，而且没有收到序号为34和35的RR帧（见图12）。

综上可以初步判断问题出现在通信侧，车载ATP设备没有问题。

图8 车-地通信数据监测

图9 备用无线通信模块状态监测与故障预警

4IGSM-R接口发展前景

铁路通信信号已成为铁路不可缺少的重要安全基础设备，随着科学技术的进步和铁路发展的需求，将进一步为铁路现代化提供重要技术支撑。IGSM-R接口是对信号专业与通信专业相互交织、通信的一个接口，与既有Abis、A和PRI接口结合，可实现C3车-地安全数据传输的闭环监测，有效地减轻动车库及核心网机房的工作压力，为优化车-地间的安全数据传输提供有效的手段。