CTCS-3级列控系统无线通信超时研究

2021-12-23黄文宇

铁道通信信号 2021年11期

陈曦，马剑，黄文宇

在CTCS-3级列控系统应用中,车地信息传输超时问题时有发生,发生无线通信超时（以下简称“无线超时”）后,ATP车载设备将输出常用制动,待列车运行速度降至CTCS-2级允许速度时,提示司机确认,系统将转换为CTCS-2级控车,导致允许速度降低,影响列车运行整体时间和后续列车运行［1］。因此解决无线超时问题,在故障预防、降低设备故障率以及减小列车运行影响等方面占据越来越重要的地位,并且也能为今后发展完全基于无线传输的CTCS-4级列控系统奠定基础。

随着CTCS-3级线路的大量应用,引起无线超时的原因也呈现多样性,如ATP设备运用不稳定、ATP电台问题、RBC或ATP软件缺陷、通信GSM-R网络设备障碍、外部无线电磁环境干扰等［2］。其中,ATP电台问题是引起无线超时的重要原因之一,占无线超时总量的40%。因此本文主要针对由ATP电台异常引起的无线超时问题进行分析,并提出优化方案。

1 GSM-R无线通信系统车载侧组成

GSM-R无线通信系统车载侧结构见图1,主要由主控单元、无线传输单元、电台单元组成。其中主控单元负责命令的生成和处理；无线传输单元实现车地GSM-R无线通信传输协议,保证车地安全数据的可靠传输；电台单元负责与无线网络连接［3］。

图1 GSM-R无线通信系统车载侧结构

根据《CTCS-3级列车运行控制系统与铁路数字移动通信系统GSM-R接口规范》（TB/T 3382—2016）,ATP通过IGSM-R接口与电台单元通信。IGSM-R接口用于传输无线传输单元与电台单元间的呼叫建立连接、数据传输、呼叫清除等信息［4］。记录模块可以通过监测IGSM-R接口,记录ATP与电台单元的交互数据,以便于进行故障分析。

本文主要基于IGSM-R接口监测到的记录数据,对电台MT模块发生的故障现象进行分析。

2 正常交互流程

无线传输单元控制电台单元建立与GSM-R网络的连接,以及建立和拆除与地面设备RBC的连接,因此无线传输单元与电台单元之间需进行相关的电路信号与控制命令交互。正常交互流程见图2。

图2 无线传输单元与电台单元交互流程

1）根据TB/T 3382—2016标准,电台MT模块启动后,通过检测CT 105、CT 108电路信号和发送CT 107电路信号与无线传输单元进行握手,分别表明电台MT模块和无线传输单元已启动完成,准备好发送或者接收控制命令。握手完成后,无线传输单元通过发送AT命令,对电台MT模块进行初始化设置,所有AT命令均依据3GPP GSM 07.07规则［5］。初始化内容包括设置电台回显格式,如启用网络注册未经请求的结果代码、运营商显示格式、进入在线数据模式、结果代码显示格式等；查询电台属性,如使用的运营商、IMEI号码、IMSI号码等。

2）无线传输单元周期性对电台MT模块进行网络状态查询,包括网络注册状态和信号强度,并根据网络注册状态,判断网络是否具备连接条件。当无线传输单元接收到主控单元的呼叫指令时,如果当前网络注册状态为已注册,则通过拨叫RBC的电话号码进行呼叫建立连接,建立成功后进入数据传输模式,此时电台将对ATP的数据进行透明传输。

3）当无线传输单元需要断开与地面连接时,通过发送电路信号CT 108进行挂断,电台完成呼叫清除后,向无线传输单元发送电路信号CT 109,表明进入命令模式。

3 电台软故障

基于上述正常交互流程,对IGSM-R接口的记录数据进行比对,分析电台常见的故障。

电台单元内包含2个电台MT模块,每个电台均能够通过GSM-R网络与RBC进行数据传输。当其中1个电台发生故障时,会导致RBC交权区大量的无线超时和降级问题,并且多出现同日、同车次多次无线超时情况［6］。

电台软故障是导致单电台故障的重要原因之一,指在列车运行过程中,电台MT模块出现异常,无法正常工作,然而该电台单元入库检测时,重新启动电台后发现电台均无异常。电台软故障现象包括启动时无法进行握手、启动后或运行中无法注册到GSM-R网络、无法进行初始化设置、持续无法呼叫建立连接、断开连接后无法进入命令模式等。

由于缺乏对电台内部运行逻辑的分析,无法深入确定故障原因,导致单电台引起的无线超时故障频发［7］,而电台软故障经统计分析也无明显规律。因此,系统性梳理电台软故障的场景,依据场景优化流程,成为了解决该问题的关键手段。

4 优化方案

采用在运行过程中单独重新启动电台方案,对部分软故障导致的无线超时进行优化。

无线传输单元支持使用电路信号和AT命令,对电台MT模块进行主动重启,以达到冗余的目的。在逻辑设计上,首先使用重启电路信号触发电台重启；若重启电路信号故障,再使用重启AT命令信号触发电台,从而提高重启功能的健壮性。几种常见的电台软故障重启方案如下。

1）电台启动后无法完成电路信号握手重启流程见图3。无线传输单元在启动后,持续监听CT 107电路信号,并启动定时器Trb1,当定时器到期时仍然未接收到电台的握手电路信号,则重新启动电台。

2）电台启动或重启后无法完成初始化设置重启流程见图4。无线传输单元通过电路信号成功与电台握手后,通过AT命令对电台进行初始化设置。在初始化设置的过程中,电台回复ERROR或者不回复均会被统计,当连续出现这2种情况的次数Nrb1达NRB1时,则重新启动电台。

3）电台持续无法注册到GSM-R网络重启流程见图5。无线传输单元会周期性向电台发送网络注册状态查询AT命令“AT+CREG？”,电台会回复当前注册网络的状态“+CREG：1,x”,其中x的值为1,表示正确注册到网络,否则表示未正确注册到网络。因此,当无线传输单元检测到电台未注册到网络时,将启动定时器Trb2；若定时器到期时,电台仍然未注册到网络,则重新启动电台。

4）电台持续无法呼叫成功重启流程见图6。无线传输单元接收到主控单元的呼叫指令后,向电台发送拨号命令“ATD”,此时由电台自身完成呼叫建立连接。当呼叫成功后,电台会向无线传输单元回复“CONNECT”。然而在异常情况下,电台会回复“NO CARRIER”或者不响应。对此设计了2种重启情况：①如图6（a）所示,当电台接收到NRB 2次“NO CARRIER”时,则重新启动电台；②如图6（b）所示,当首次向电台发送拨号命令时,启动Trb3定时器,若定时器到期时电台仍然未回复“CONNECT”,则重新启动电台。

图6 电台无法呼叫成功重启流程

5）电台呼叫清除后无法进入命令模式重启流程见图7。当无线传输单元与地面断开连接后,通过发送CT 108电路信号对电台进行呼叫清除操作,电台完成呼叫清除后,应向无线传输单元发送CT 109电路信号,表明进入命令模式。在无线传输单元发送CT 108信号的同时,启动Trb4定时器,若定时器到期仍然未收到电台回复的CT 109电路信号,则重新启动电台。