CTCS-3級列控系統(tǒng)無線通信超時研究

陳 曦，馬 劍，黃文宇

在CTCS-3級列控系統(tǒng)應用中,車地信息傳輸超時問題時有發(fā)生,發(fā)生無線通信超時（以下簡稱“無線超時”）后,ATP車載設備將輸出常用制動,待列車運行速度降至CTCS-2級允許速度時,提示司機確認,系統(tǒng)將轉換為CTCS-2級控車,導致允許速度降低,影響列車運行整體時間和后續(xù)列車運行［1］。因此解決無線超時問題,在故障預防、降低設備故障率以及減小列車運行影響等方面占據(jù)越來越重要的地位,并且也能為今后發(fā)展完全基于無線傳輸?shù)腃TCS-4級列控系統(tǒng)奠定基礎。

隨著CTCS-3級線路的大量應用,引起無線超時的原因也呈現(xiàn)多樣性,如ATP設備運用不穩(wěn)定、ATP電臺問題、RBC或ATP軟件缺陷、通信GSM-R網(wǎng)絡設備障礙、外部無線電磁環(huán)境干擾等［2］。其中,ATP電臺問題是引起無線超時的重要原因之一,占無線超時總量的40%。因此本文主要針對由ATP電臺異常引起的無線超時問題進行分析,并提出優(yōu)化方案。

1 GSM-R無線通信系統(tǒng)車載側組成

GSM-R無線通信系統(tǒng)車載側結構見圖1,主要由主控單元、無線傳輸單元、電臺單元組成。其中主控單元負責命令的生成和處理；無線傳輸單元實現(xiàn)車地GSM-R無線通信傳輸協(xié)議,保證車地安全數(shù)據(jù)的可靠傳輸；電臺單元負責與無線網(wǎng)絡連接［3］。

圖1 GSM-R無線通信系統(tǒng)車載側結構

根據(jù)《CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)與鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM-R接口規(guī)范》（TB/T 3382—2016）,ATP通過IGSM-R接口與電臺單元通信。IGSM-R接口用于傳輸無線傳輸單元與電臺單元間的呼叫建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、呼叫清除等信息［4］。記錄模塊可以通過監(jiān)測IGSM-R接口,記錄ATP與電臺單元的交互數(shù)據(jù),以便于進行故障分析。

本文主要基于IGSM-R接口監(jiān)測到的記錄數(shù)據(jù),對電臺MT模塊發(fā)生的故障現(xiàn)象進行分析。

2 正常交互流程

無線傳輸單元控制電臺單元建立與GSM-R網(wǎng)絡的連接,以及建立和拆除與地面設備RBC的連接,因此無線傳輸單元與電臺單元之間需進行相關的電路信號與控制命令交互。正常交互流程見圖2。

圖2 無線傳輸單元與電臺單元交互流程

1）根據(jù)TB/T 3382—2016標準,電臺MT模塊啟動后,通過檢測CT 105、CT 108電路信號和發(fā)送CT 107電路信號與無線傳輸單元進行握手,分別表明電臺MT模塊和無線傳輸單元已啟動完成,準備好發(fā)送或者接收控制命令。握手完成后,無線傳輸單元通過發(fā)送AT命令,對電臺MT模塊進行初始化設置,所有AT命令均依據(jù)3GPP GSM 07.07規(guī)則［5］。初始化內容包括設置電臺回顯格式,如啟用網(wǎng)絡注冊未經(jīng)請求的結果代碼、運營商顯示格式、進入在線數(shù)據(jù)模式、結果代碼顯示格式等；查詢電臺屬性,如使用的運營商、IMEI號碼、IMSI號碼等。

2）無線傳輸單元周期性對電臺MT模塊進行網(wǎng)絡狀態(tài)查詢,包括網(wǎng)絡注冊狀態(tài)和信號強度,并根據(jù)網(wǎng)絡注冊狀態(tài),判斷網(wǎng)絡是否具備連接條件。當無線傳輸單元接收到主控單元的呼叫指令時,如果當前網(wǎng)絡注冊狀態(tài)為已注冊,則通過撥叫RBC的電話號碼進行呼叫建立連接,建立成功后進入數(shù)據(jù)傳輸模式,此時電臺將對ATP的數(shù)據(jù)進行透明傳輸。

3）當無線傳輸單元需要斷開與地面連接時,通過發(fā)送電路信號CT 108進行掛斷,電臺完成呼叫清除后,向無線傳輸單元發(fā)送電路信號CT 109,表明進入命令模式。

3 電臺軟故障

基于上述正常交互流程,對IGSM-R接口的記錄數(shù)據(jù)進行比對,分析電臺常見的故障。

電臺單元內包含2個電臺MT模塊,每個電臺均能夠通過GSM-R網(wǎng)絡與RBC進行數(shù)據(jù)傳輸。當其中1個電臺發(fā)生故障時,會導致RBC交權區(qū)大量的無線超時和降級問題,并且多出現(xiàn)同日、同車次多次無線超時情況［6］。

電臺軟故障是導致單電臺故障的重要原因之一,指在列車運行過程中,電臺MT模塊出現(xiàn)異常,無法正常工作,然而該電臺單元入庫檢測時,重新啟動電臺后發(fā)現(xiàn)電臺均無異常。電臺軟故障現(xiàn)象包括啟動時無法進行握手、啟動后或運行中無法注冊到GSM-R網(wǎng)絡、無法進行初始化設置、持續(xù)無法呼叫建立連接、斷開連接后無法進入命令模式等。

由于缺乏對電臺內部運行邏輯的分析,無法深入確定故障原因,導致單電臺引起的無線超時故障頻發(fā)［7］,而電臺軟故障經(jīng)統(tǒng)計分析也無明顯規(guī)律。因此,系統(tǒng)性梳理電臺軟故障的場景,依據(jù)場景優(yōu)化流程,成為了解決該問題的關鍵手段。

4 優(yōu)化方案

采用在運行過程中單獨重新啟動電臺方案,對部分軟故障導致的無線超時進行優(yōu)化。

無線傳輸單元支持使用電路信號和AT命令,對電臺MT模塊進行主動重啟,以達到冗余的目的。在邏輯設計上,首先使用重啟電路信號觸發(fā)電臺重啟；若重啟電路信號故障,再使用重啟AT命令信號觸發(fā)電臺,從而提高重啟功能的健壯性。幾種常見的電臺軟故障重啟方案如下。

1）電臺啟動后無法完成電路信號握手重啟流程見圖3。無線傳輸單元在啟動后,持續(xù)監(jiān)聽CT 107電路信號,并啟動定時器Trb1,當定時器到期時仍然未接收到電臺的握手電路信號,則重新啟動電臺。

2）電臺啟動或重啟后無法完成初始化設置重啟流程見圖4。無線傳輸單元通過電路信號成功與電臺握手后,通過AT命令對電臺進行初始化設置。在初始化設置的過程中,電臺回復ERROR或者不回復均會被統(tǒng)計,當連續(xù)出現(xiàn)這2種情況的次數(shù)Nrb1達NRB1時,則重新啟動電臺。

3）電臺持續(xù)無法注冊到GSM-R網(wǎng)絡重啟流程見圖5。無線傳輸單元會周期性向電臺發(fā)送網(wǎng)絡注冊狀態(tài)查詢AT命令“AT+CREG？”,電臺會回復當前注冊網(wǎng)絡的狀態(tài)“+CREG：1,x”,其中x的值為1,表示正確注冊到網(wǎng)絡,否則表示未正確注冊到網(wǎng)絡。因此,當無線傳輸單元檢測到電臺未注冊到網(wǎng)絡時,將啟動定時器Trb2；若定時器到期時,電臺仍然未注冊到網(wǎng)絡,則重新啟動電臺。

4）電臺持續(xù)無法呼叫成功重啟流程見圖6。無線傳輸單元接收到主控單元的呼叫指令后,向電臺發(fā)送撥號命令“ATD”,此時由電臺自身完成呼叫建立連接。當呼叫成功后,電臺會向無線傳輸單元回復“CONNECT”。然而在異常情況下,電臺會回復“NO CARRIER”或者不響應。對此設計了2種重啟情況：①如圖6（a）所示,當電臺接收到NRB 2次“NO CARRIER”時,則重新啟動電臺；②如圖6（b）所示,當首次向電臺發(fā)送撥號命令時,啟動Trb3定時器,若定時器到期時電臺仍然未回復“CONNECT”,則重新啟動電臺。

圖6 電臺無法呼叫成功重啟流程

5）電臺呼叫清除后無法進入命令模式重啟流程見圖7。當無線傳輸單元與地面斷開連接后,通過發(fā)送CT 108電路信號對電臺進行呼叫清除操作,電臺完成呼叫清除后,應向無線傳輸單元發(fā)送CT 109電路信號,表明進入命令模式。在無線傳輸單元發(fā)送CT 108信號的同時,啟動Trb4定時器,若定時器到期仍然未收到電臺回復的CT 109電路信號,則重新啟動電臺。

圖7 電臺呼叫清除后無法進入命令模式重啟流程

5 優(yōu)化方案效果

以武漢局發(fā)生無線超時的年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例,軟件升級后,CTCS3-300S型ATP發(fā)生無線超時較升級前減少了約30%,進一步從ATP車載電臺數(shù)據(jù)分析,因電臺重啟后恢復的無線超時占比為34%,大大降低了單電臺故障的發(fā)生。

6 結束語

通過分析GSM-R無線通信系統(tǒng)車載側組成和正常交互流程,提出了電臺軟故障具體的優(yōu)化方案,在一定程度上解決了無線超時問題。隨著分析和整治工作的不斷深入,可以預見,我國CTCS-3級列控系統(tǒng)的無線超時問題必然能夠得到有效控制。