C3 无线超时分析系统在高速铁路中的应用探讨

林之平 周建 杨勇

1.中国铁路成都铁路局集团有限公司；2.四川华控安通科技有限公司

CTCS-3 级列车运行控制系统（简称C3 列控系统）是我国CTCS-3 级高速铁路的重要技术装备，是铁路技术体系和装备现代化的重要组成部分。近年来，随着我国高速铁路快速发展，越来越多的高速铁路或客运专线基于CTCS-3 系统进行建设，但不论是在线路开通前的联调联试阶段，还是线路开通后的正常运营阶段，经常出现车载ATP 无线连接超时故障，而无线超时在一定程度上也影响了铁路运输效率[1]。

具体来说，CTCS-3 级列控系统主要包括列控车载系统（ATP）、铁路专用移动通信系统（GSM-R）和无线闭塞中心（RBC），系统中任何一个环节存在异常都会反映到列控车载设备，表现为无线连接超时。无线超时是指车或地在规定的时间内（20s）没有接收到对方发送的应用层数据，则判断为通信超时。C3 降级是指列车采用C3 列控系统控制列车运行时，由于车载ATP 设备与地面RBC 之间无线通信超时使得列车触发常用制动，在速度降低到CTCS-2 级列控系统（简称C2，标准运行速度为250km/h）允许的运行速度后自动转换到C2 列控系统继续工作。

CTCS-3 级无线通信超时是铁路信号故障整治的重点和难点，中国国家铁路集团有限公司联合各铁路局集团公司、通信信号厂商开展专项整治以来，无线通信超时情况虽降幅显著，但在铁路信号故障中仍占有较大比例[2]。2020 年，全路C3 运行线路总里程为1.63 万公里，共发生C3 超时7030 次，发生C3 等级降级C2 等级3441 次。以300S 型设备C3 降级为例，2020 年300S 设备发生超时2548 次，每百万公里无线超时17.28 次；其中超时导致设备降级309 次，每百万公里降级2.14 次。无线超时主要原因分为RBC 问题（占比8%）、车载问题（占比48%）、通信问题（占比27%）、CRC 漏检（占比2%）及原因不明（占比15%），故针对CTCS-3 级列控系统无线超时问题仍需寻找新的解决方案。

对CTCS-3 级列控系统车地数据传输的环节进行数据接口和采集，实现自动发现CTCS-3 级无线超时事件，自动收集超时事件相关数据，自动诊断分析无线超时事件，提升CTCS-3 级超时原因分析的准确性，将维护人员从传统的以人工为主的烦琐工作中解脱出来，为管理部门提供CTCS-3 级无线超时管理更便捷的支撑服务[3]，对提升CTCS-3 级高速铁路运行效率，保障铁路运行安全具有重要意义。

基于此，提出一种通过综合分析和故障定位技术分析C3 无线超时故障的C3 无线超时分析系统。

1 现状描述

近年来，各铁路局现场维护和数据分析人员的水平有了很大提高，也积累了相对多的宝贵经验，但由于缺乏对整个C3 系统的深刻认知和相应的综合分析监测手段，对于现场发生的各种CTCS-3 无线连接超时问题，很多没有得到彻底的分析和解决，具体表现为如下几点：（1）由于C3 列控系统同时涉及信号专业和通信专业，系统环节复杂，缺失相应的复合型人才，且目前未建立规范和有效的联合分析的思路；（2）C3 无线超时的原因覆盖到系统的各个环节，因其监测手段不够完善，缺少无线空中接口和地面RBC 侧监测设备，导致很多故障点无法深入分析和准确定位；（3）各监测设备和监测数据目前相对孤立，缺乏针对各监测数据的统一规整和对C3 超时问题的综合智能分析。

2 系统功能

2.1 数据来源

为分析车地无线通信系统出现的无线超时故障问题，系统在C3 列控系统的各个主要设备之间增加了监测接口，记录设备之间的交互数据和信号状态，为无线超时分析提供数据依据。

系统的基本思路是采集C3 列车控制系统各设备及设备之间的接口数据，通过建立故障模型库，实现无线超时故障的故障定位、故障原因和处置建议。

系统为了实现对C3 列控系统无线超时问题的分析判断，首先要按照数据的传送径路，与各关键列控设备接口采集设备的维护数据，并采集列控设备之间接口的关键数据，获得可供分析的源头数据。系统将整体数据传送流程分为五段，采集了RBC 维护数据、RBC-MSC之间的PRI 接口数据、Um 接口（无线空口）数据、车载电台MT 与无线传输单元之间的Igsm-r 接口数据、ATP 的JRU 记录数据。这些数据的应用层之间按照列控业务的协议实现数据交互，底层的网络层、数据链路层等底层协议不同，对无线超时故障都可能产生影响，都需要根据故障模型进行分析。

2.2 系统构成

系统构成如图1 所示。系统为实现无线超时故障定位综合分析，在车载、地面都需要增加相应的监测设备。本系统可以分三层：即地面层、车载层、网络层，具体描述如下。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

2.2.1 地面层

（1）系统在地面侧增加地面接口服务器。地面接口服务器负责统一汇集地面设备包括C3-RBC、TSRS 服务器以及GSM-R 网络接口监测数据，其中GSM-R 网络监测接口与TSRS 服务器数据监测接口为预留。地面接口服务器通过终端能够自动获取到国产化RBC 主控单元和通信机的日志；同时也能够自动获取到自主化RBC主控单元和ISDN 的日志。地面接口服务器在汇集数据的同时应初步对数据的时间和顺序进行整理，可进行算法压缩。地面主要在ISDN 入口处增加数据监测来获取C3-RBC 的主要数据。地面接口服务器需要包括采集模块、分析处理模块和服务器模块。

（2）系统在地面侧增加数据中心服务器。数据中心服务器负责统一汇集车载设备、地面设备、通信接口数据，应对各设备上报的数据具备确认接收功能，对所有数据进行整理、分类、合并和存储，支持数据的索引查询。数据中心服务器具备对数据的存储管理和配置功能，例如，未上报无线超时正常数据定期删除、故障历史数据定期备份、自动生成以时间为单位（周、月、季、年）的统计报表等。

（3）系统在地面侧增加诊断服务器。地面增加诊断服务器，主要实现无线超时数据综合诊断和分析，包括：接收数据、整理数据、清洗数据、超时诊断算法、诊断结果输出。

（4）系统在地面侧增加分析终端。分析终端负责访问数据中心服务器，能够查询和导出故障数据、历史数据；对于一件故障能够分开和统一导入各环节数据，包括通信接口数据；能够依据查询范围获取数据中心服务器统计报表，并显示图表；能够对每个环节数据添加专家分析内容，同时具备标记数据功能。

2.2.2 车载层

（1）系统在车载侧增加车载空口监测设备。车载空口监测设备负责监测和记录Um 接口（空口）信令和数据，主要功能包括记录MT 与基站BTS 间的GSM 网络协议信令、记录MT 透传的ATP 数据、监测MT 发射信号的电平以及信号质量、监测接收到基站BTS 的信号电平以及信号质量、监测相邻小区基站的信号电平。

（2）系统在车载侧增加车载接口和无线下载单元。车载接口单元负责统一汇集车载相关设备的数据，包括汇集RIM 故障数据、MT 记录模块数据、空口监测设备数据、列车JRU 数据、MT 数据、UM 数据，经GSM-R 无线数据通道，采用FTP 和TCP 协议传输至地面数据中心服务器。

2.2.3 网络层

网络层是承载各车设备之间、车地之间信息传输的通道，分为地面固定网络和车地无线网络。地面固定网络采用铁路专用传输网络，可根据工程现场情况组成星型网络或环形网络；车地无线网络采用GSM-R 通道作为信息传输网络。

2.3 综合分析和故障定位

本系统最核心的算法是无线超时故障定位和综合分析的故障库建立和算法分析。分析的主要过程包括：

（1）设备状态分析，通过设备状态数据提取出各相关设备是否存在故障报警或宕机。

（2）接口控制协议分析。从监测接口的各环节分析数据，例如，通过电台记录数据分析ATP（适配器模块）与电台之间上电初始化信号控制和信令是否正常。AT 指令和信号符合具体实现设计。

（3）车地无线通信协议分析。对照车地两端数据进行协议分析，数据链路层、网络层、传输层、安全层、应用层。提取电台记录数据、Um 接口监测数据和C3-RBC 接口监测数据的车地无线通信业务数据，并对比三个监测数据。

（4）GSM-R 无线通信协议分析。提取电台记录数据的呼叫和断开AT 指令和Um 接口监测数据的信令，分析GSM-R 信令、协议和流程应符合《3GPP TS 04.08》《3GPP TS 04.06》。

（5）故障定位分析。建立C3 无线超时可能的故障模型库，根据以上分析数据，匹配故障模型库的条目，确定故障部位、故障原因、处理建议等内容。

2.4 诊断报告

系统分析的故障结果信息，可在终端上进行展示。系统接口采集的各类原始数据、过程信息、过程模型等相关信息，也可以在终端上展现和查询。

系统分析出故障后，可根据一段时间的分析结果自动给出分析报告及故障统计报表等相关信息，供相关数据分析人员调阅和查看，实现C3 无线超时分析的自动化、智能化和实时化。

3 系统安全性

系统采用多项措施保障接口和数据采集的安全性，主要包括以下几个方面。

3.1 系统与列控设备接口的安全性

系统安装了车载空口监测设备，车载空口监测设备不与信号设备接口，仅接收空口信息，将采集信息发送给车载接口单元，不向外发射信号，不会对车载设备功能造成影响；设备故障后，不会影响车载设备正常工作。因此，车载空口监测设备的使用不会降低车载设备的安全性和可靠性。

3.2 车载接口单元和无线下载单元的安全性

车载接口设备单向采集RIM 故障数据、MT 记录模块数据、空口监测设备数据，不与主控信号设备接口，不向外发送数据，不会对车载设备功能造成影响；设备故障后，不会影响车载设备正常工作。因此，车载空口监测设备的使用不会降低车载设备的安全性和可靠性。

3.3 地面服务器的安全性

地面接口服务器采用ISDN 并联采集RBC-MSC 数据，不向外发送信号，不会对地面RBC 设备功能造成影响；设备故障后，不会影响地面RBC 设备正常工作。因此，车载空口监测设备的使用不会降低地面RBC 设备的安全性和可靠性。

4 结语

综上所述，CTCS-3 级高速铁路车载ATP 无线超时直接影响高速铁路列车运行效率。本系统通过监测列车空口质量，与RBC、ATP、GSM-R 通信系统接口，对车地C3 列控数据进行集中综合分析，可及时发现和查找C3 无线超时问题，定位故障原因和故障部位，自动生成C3 无线超时故障报告，具有可靠性高、实用性强和实时高效等优点，能对保障我国铁路高效运行与安全发挥重要作用。