高铁通信环境中CTCS-3降级分析与处理

杨 林

北京铁路局北京通信段GSM-R技术支持中心，北京 100860

高铁通信环境中CTCS-3降级分析与处理

杨 林

北京铁路局北京通信段GSM-R技术支持中心，北京 100860

首先针对CTCS-3系统的架构，对其数据传输模块以及之间的接口功能展开了必要的说明，而后在此基础之上，就CTCS-3降级的成因和判断方法展开了讨论。

GSM-R；CTCS-3；降级；接口

我国铁路运输系统300～350 km/h高速客运专线环境中，GSM-R（Global System for Mobile Communications Railway）网络负担着列车与地面站之间的信息传输，用以实现有效的列车控制。在GSM-R体系框架之下，CTCS-3（Chinese Train Control System-3）列控系统作为我国最先进的列车运行控制体系，采用目标距离连续速度控制模式，以及与设备制动优先联合运行方式对列车运行过程展开监控，确保安全[1]。CTCS-3列控模式的运行稳定性，直接关系到整个列车运行体系的安全水平。然而在实际运行中，当GSM-R系统中的列车与地面设备之间的无线通信连接超时时，CTCS-3控制就会由C3降级为C2模式进行控制；降级之后，地面方面会删除列车注册信息并且重新建立连接，同时尝试回复C3控制模式。在列控系统降级和回复的过程中，列车自动防护系统（ATP，Automatic Train Protection）会控制列车输出最大常用制动，甚至迫使停车，并且如果在规定时间内未能恢复到C3级别，则ATP会进一步向司机发出确认消息，将系统降为C2级别运行。在司机确认之前，ATP系统的制动会给行车带来较大隐患。尤其是在高速环境之下，安全问题就尤为突出。针对此种情况，深入考察降级所形成的原因，实现GSM-R系统的整体优化，对于确保高铁安全运行而言，有着不容忽视的积极价值。

1 CTCS-3系统的构成与降级原因分析

CTCS-3系统结构参见图1。

图1 CTCS-3系统逻辑图

在CTCS-3系统中，地面端负责数据处理的节点为无线闭塞中心（RBC，Raid Block Center），而车载端则为车载控制单元（OBC，On-Board Controller），二者之间通过GSM-R网络实现通信。在该网络环境下，包括移动交换中心（MSC，Mobile Switching Center）、基站控制器（BSC，Base Station Control）以及基站收发台（BTS，Base Transceiver Station），而BSC与BTS共同构成基站子系统（BSS，Base Station Subsystem）。在不同的功能环节之间，存在四个接口，用于实现不同模块的数据传输。其中，基群速率接口（Pri，Primary Rate Interface）用于实现源于运营商的语音服务，位于地面站和GSM-R系统之间；A接口是MSC与基站子系统之间，即MSC与BSC之间的对话接口，采用标准的2.048 Mbit/s的数字传输链路实现，主要负责移动台、基站以及接续管理等信息；Abis接口为基站子系统的两个功能实体BSC和BTS之间的通信接口，用以实现二者之间的远端互连[2]。该接口支持面向用户的所有服务，并且能够对BTS无线设备的控制和无线频率进行分配管理；Um接口作为车载端与GSM-R之间的接口，能够实现车辆与网络侧的通信，完成分组数据传输以及会话和无线资源等方面的管理，实现该环节的信令信息和业务信息的传递[3]。

2 CTCS-3降级分析与定位

CTCS-3降级的来源，从根本上看是GSM-R网络传输的异常。在传输超时的情况下，CTCS系统才会采取自动降级的方式来实现对列车的保护。对于GSM-R网络传输而言，只要发生了车载端OBC与地面端RBC之间的通信中断超过规定时长，即被判断为超时故障。在CTCS-3框架之下，定义了参数T_NVCONTACT，用以描述无线通信环境下两个相邻报文之间的最大间隔时间，并且作为判断通信是否正常，是否存在超时故障的信号。在我国CTCS-3标准中，该参数的设定为7～20 s，在不同环境中确定不同阈值。超过该阈值之后，自动降低到CTCS-2级运行，并且询问工作人员做出进一步的判断[4]。

在CTCS-3系统出现超时故障的时候，首先应对Pri接口信令进行查看，判断是否存在中断标记DIS CONNECT。该标记可以用于确定故障位于RBC地面端，还是由Rpi接口链路中断引发。如果确定地面端正常，而接口方面存在故障，则需要进一步查询Pri链路应用层数据，结合中断状况出现的地点，进一步判断中断的发生位置，通过查看RBC切换状况，确定故障原因。如果Pri链路应用层数据显示通信中断异常，则需要进一步依据接口中断标志确定中断方向。通常而言，如果RBC向MSC发起中断，则可以通过Pri链路数据中的RBC，最后收到应用层信息以及时间间隔，和接口链路层通信情况来对故障状况进行判断。考察属于无线因素还是通信软件件因素，又或者是否发生了设备故障等。MSC向RBC发起中断，则可以依据T_NVCONTACT阈值时间内OBC是否有上报列车位置信息，以及对应的回应情况进行判断。如果MSC向RBC和BSC均存在发起中断，则故障可能因为MSC异常拆链造成；如果BSC向MSC和BTS发起中断，并且进一步引起MSC向RBC发起中断，则需要进一步综合T_NVCONTACT时间内通信质量、上下行电平以及切换状况来确定故障位于链路还是设备；而如果BTS向BSC发起中断，同样应当考察通信质量、上下行电平以及切换。如果均正常，则依据Pri接口数据链路层状态来确定故障位于OBC测还是RBC与OBC通信软件环境中[5]。

在故障发生的时候，基于故障的准确定位，进一步展开具有针对性的处理工作，是确保整个铁路运行系统稳定的重要环节。如果在同一个小区频繁出现降级，基站下行质量连续不佳，越区切换频繁掉线，则可以重点考虑单站设备故障或者该小区附近外网干扰问题。对于此种状况，首先应定位被干扰小区，同时闭锁该小区载频，进一步在现场展开考察，确定设备干扰源清理之后，再对小区设备恢复正常工作状态，通常就可以实现故障排除。如果在同一个小区频繁出现降级的状况，并且RBC以及OBC之间无交互信息或者信令异常，则基本可以确定故障小区基站环传输或者基站环子时隙发生故障。此种问题首先应对该小区基站环传输告警信息进行确定和处理，针对告警状况对故障单元进行闭锁隔离；而后进一步依据Abis数据确定出对应降级时刻使用的子时隙，考察是否存在子时隙闭锁问题[6]。如果仍然无法排除故障，则应当将故障小区所在基站环的环方向进行倒换，对故障展开进一步的确认。

3 结论

CTCS-3的降级，是网络环境中的一个综合性动作，实际工作中应着眼全局，深入细节，实现有效判断。除此以外，在当前大数据环境之下，对于铁路通信系统故障的管理同样应积极引入相关信息技术，力求实现事前控制。通过监控和数据采集整个工作体系中的数据传输状况，掌握具体环节的通信薄弱特征，借此更有效地发现故障，最终推动系统的整体优化。

[1]中华人民共和国铁道部. 铁运[2012]211号.CTCS-3级列控车载设备规范(暂行)[S]．2012.

[2]陈飞.基于高精度定位技术的新型车站信号控制系统研究[D].北京：北京交通大学，2006.

[3]杨宏图，许贵阳，侯卫星.高速铁路综合检测数据分析关键技术研究[J]. 铁道运输与经济，2010，33（1）：31-34.

[4]郭媛忠，宗殿贵.CTCS-3级列车运行控制系统原理和应用[M].北京：中国铁道出版社，2014.

[5]刘秋明，郭嘉，葛海平，徐辉.高速铁路对 GSM 网络带来的影响及其解决方案[J].电信科学，2007，23（11）：81-84.

[6]黎国清，杨爱红，许贵阳. 既有线提速综合检测技术研究与应用[J]. 中国铁路，2008（5）：20-22.

Analysis and Treatment of CTCS-3 Degradation in High Speed Railway Communication Environment

Yang Lin
GSM-R Technical Support Center of Beijing Communication Section of Beijing Railway Administration, Beijing 100860

First of all, according to the architecture of CTCS-3 system, the data transmission module and the interface function between them are described. Then, the causes and judgment methods of CTCS-3 degradation are discussed.

GSM-R; CTCS-3; downgrade; interface

U285.2

A

1009-6434（2017）7-0020-02