高速铁路无线闭塞中心系统互联互通测试技术研究

赵 琳，张 浩，杨洪权

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081)

我国高速铁路逐步成网，对高速铁路的运输效率提出了更高的要求。为保证 300 km/h 及以上的列车运营速度，需要有更安全可靠的列车运行控制系统 (以下简称“列控系统”)。CTCS-3 级(Chinese Train Control System Level 3) 列控系统是目前世界上先进的列控系统，已经逐渐成为我国高速铁路列控系统发展的主要方向。无线闭塞中心(Radio Block Center，RBC) 系统是 CTCS-3 级列控系统的核心设备，控制高速铁路列车的运行和追踪，保证其管辖范围内的高速铁路列车行车安全。自主化 RBC 系统互联互通测试是保证自主化 RBC系统间能够协同工作的主要验证手段，针对自主化RBC 系统互联互通测试技术的研究对满足高速铁路安全运营需求具有重要现实意义。

1 RBC 系统互联互通过程分析

单套 RBC 系统的实际控制范围有限，在初期设计高速铁路线路时，将线路划分为若干个固定区域，分别由不同的 RBC 系统控制。高速铁路列车在跨 RBC 系统运行时，列车超速防护 (Automatic Train Protection，ATP) 车载设备需要先后与不同的RBC 系统进行通信，即管辖范围相邻的 RBC 系统要实现对列车控制权的安全移交，也就是 RBC 系统间的互联互通，保证高速铁路列车在 RBC 移交过程中的运行安全。RBC 系统间移交过程采用直接与相邻 RBC 系统通信的方式来实现[1]，当高速铁路列车从一个 RBC 管辖范围运行到相邻 RBC 管辖范围时 (即从移交 RBC 管辖范围运行到接收 RBC的管辖范围)，RBC 系统间移交过程示意图如图1所示[2]。

图1 RBC 系统间移交过程示意图Fig.1 Handover transaction between RBC systems

ATP 车载设备使用 2 部 GSM-R 无线电台 (定义为电台 1 和电台 2) 或使用 1 部 GSM-R 无线电台 (定义为电台 1) 均可以实现 RBC 系统间的安全移交。根据 ATP 车载设备电台不同，可以分为双电台移交和单电台移交。在 RBC 移交过程中，如果移交 RBC 检测到不满足移交流程时，均可取消移交流程。

高速铁路列车有 2 部 GSM-R 无线电台时，当列车运行至移交边界前，使用电台 2 与接收 RBC 建立无线通信会话，当列车最大安全前端越过移交边界后，ATP 车载设备接收并使用从接收 RBC 发送的行车许可运行。当列车最大安全前端越过移交边界，但未与接收 RBC 建立无线通信会话的情况下，ATP 车载设备仍然可以继续使用移交 RBC 发送的行车许可运行，当 ATP 车载设备与接收 RBC 的无通信时间超过车地通信中断时间时，ATP 车载设备才触发最大常用制动。采用双电台移交方式，大大延长了 ATP 车载设备与接收 RBC 的通信建立时间，基本保证了高速铁路列车在不减速的前提下顺利越过移交边界[3]。双电台移交流程示意图如图2 所示。

高速铁路列车有 1 部 GSM-R 无线电台时，当列车最小安全末端越过移交边界，与移交 RBC 断开连接后，ATP 车载设备使用该电台与接收 RBC 建立通信会话后并使用接收 RBC 发送的行车许可运行。如果 ATP 车载设备从与移交 RBC 断开连接到与接收 RBC 建立通信会话的时间超过了车地通信中断时间，ATP 车载设备触发最大常用制动。相比双电台移交，ATP 车载设备采用单电台移交方式虽然会增大车地通信中断的风险，但可以提高高速铁路列车的使用效率，在只有 1 部 GSM-R 无线电台的情况下，高速铁路列车仍然可以正常运营[3]。单电台移交流程示意图如图3 所示。

在 RBC 移交过程中，当移交 RBC 检测到不满足移交流程时，移交 RBC 向接收 RBC 发送移交取消消息，如果此时 ATP 车载设备与接收 RBC 已建立连接，接车 RBC 向 ATP 车载设备发送通信会话结束命令。RBC 移交取消流程示意图如图4 所示。

2 自主化 RBC 系统互联互通测试技术研究

自主化 RBC 系统互联互通测试内容由各厂家拟制，经中国铁路总公司组织的专家组讨论评审，最终形成了自主化 RBC 系统互联互通测试案例，重点测试自主化 RBC 与既有 RBC 的功能差异项，以及 RBC 系统间的信息交互。测试内容主要包 含 RBC 移 交 功 能 、RBC 系统与计算机联锁 (Computer Based Interlocking，CBI)、调度集中 (Centralized Traffic Control，CTC)、临时限速服务器 (Temporary Speed Restriction Server，TSRS) 外界系统接口测试等。RBC 移交功能测试主要包括双电台移交、单电台移交、RBC 移交过程中缩短行车许可、移交过程中临时限速的设置/撤销、移交过程中 ATP 车载设备与 RBC 发生无线超时、ATP 车载设备注销取消移交、ATP 车载设备降为 CTCS-2 级取消移交、移交 RBC 与接收RBC 通信中断取消移交、接收RBC与 CBI 通信中断取消移交、双车追踪等场景。RBC系统与 CBI，CTC，TSRS 等外界系统接口测试主要是通信协议层测试、应用层功能测试和数据对位测试。

图2 双电台移交流程示意图Fig.2 Handover transaction with two mobiles

图3 单电台移交流程示意图Fig.3 Handover transaction with signal mobile

在国产化 RBC 系统互联互通测试中，存在缺少统一的测试规范、实验室仿真测试环境和现场差异大、试验分析手段匮乏等不足。因此，在自主化 RBC 系统互联互通测试中，针对这些方面进行了改进和完善。

（1）制定标准的测试规范。首先，根据《自主化无线闭塞中心功能需求》制定标准的测试规范和测试案例；其次，由中国铁路总公司统一组织专家组根据测试规范开展实验室互联互通测试和现场互联互通测试，实际验证自主化 RBC 系统的互联互通能力；最后，将实验室互联互通和现场互联互通的测试结果反馈到规范和案例上来，推动规范体系的完善。

图4 RBC 移交取消流程示意图Fig.4 Handover cancellation of RBC

（2）改进实验室仿真测试环境。在既有 RBC仿真测试环境中，只有 RBC 和 ATP 车载设备使用真实设备，其他信号设备都使用仿真设备，导致许多问题在仿真环境中无法提前发现。与其相比，在自主化 RBC 系统实验室互联互通测试环境中，除使用真实的 RBC 设备、ATP 车载设备、TSRS 设备和 CTC 设备外，还针对 CBI 设备和列控中心(Train Control Center，TCC) 设备进行仿真建模并开发相应的仿真接口平台软件，从而使真实的 CBI 设备、TCC 设备能够接入仿真测试环境中，使测试环境与现场更加接近[4-6]。通过实验室互联互通测试，提前发现现场互联互通测试中可能遇到的问题，为现场 RBC 互联互通测试的顺利展开创造了条件。

（3）改进试验分析手段。利用各厂家提供的RBC 数据解析软件[7]，在测试过程中时刻记录及分析 RBC 与 ATP 车载设备之间、RBC 与 RBC 之间，以及 RBC 与外界信号系统之间的交互消息，从而可以在出现问题时更快捷地定位问题原因，也可以实时确认试验现象和试验数据的一致性，做到对试验结果的双重确认。

3 自主化 RBC 系统现场互联互通测试研究

3.1 测试环境

按照大西客运专线 (大同—西安) 专综合试验段(原平—阳曲) CTCS-3级列控系统的列控数据配置要求，采用 3 套自主化 RBC 系统进行互联互通测试，测试用的设备包括CBI，TSRS，TCC，CTC，ATP 车载和自主化 RBC等设备，各系统间的数据流走向分为 4 类。自主化 RBC 系统现场互联互通测试环境示意图如图5 所示。

（1）轨道占用信息走向。CTCS-3 级列控系统的轨道占用信息由轨道电路采集，区间轨道电路将轨道占用信息传给区间中继 TCC 系统，再由区间中继 TCC 系统传给车站 TCC 系统，车站 TCC 系统将区间轨道占用信息发送给 CBI 系统。车站轨道电路将车站轨道占用信息发送给 CBI 系统，CBI 系统汇总区间和车站轨道占用信息后传送给自主 RBC 系统。

（2）临时限速信息走向。调度员从 CTC 系统界面输入临时限速信息，CTC 系统将临时限速信息传给 TSRS 系统，TSRS 系统再传给自主化 RBC 系统和 TCC 系统并从自主化 RBC 系统和 TCC 系统接收临时限速的执行情况，反馈给 CTC 系统。

图5 自主化 RBC 系统现场互联互通环境示意图Fig.5 Sketch diagram of independent RBC interoperability test environment

（3）无线消息信息走向。自主化 RBC 系统与ATP 车载设备之间交互无线消息，ATP 车载设备将列车位置报告、列车参数和行车许可请求等信息发送给自主化 RBC 系统。自主化 RBC 系统将行车许可、紧急停车等信息发送给 ATP 车载设备[8]。

（4）RBC 移交信息走向。自主化 RBC 系统与相邻 RBC 系统之间交互移交信息，移交 RBC 向接收 RBC 发送预告信息、进路相关信息请求等信息。同时，接收 RBC 向移交 RBC 发送授权相关信息、接管职责等。

3.2 测试问题及分析

由于《CTCS-3 级列控系统无线闭塞中心(RBC) 接口规范》《自主化无线闭塞中心暂行技术条件》等规范中未明确各种移交消息发送时机，各厂家对协议存在不同理解，导致 RBC 系统在互联互通时存在功能上的差异，特别是在特殊、故障情况下的处理上更是存在较大区别。

（1）移交 RBC 取消移交边界后的临时限速处理方式不同。设置跨移交边界的临时限速，设置边界前最后一个闭塞分区占用，第 1 套 RBC 和第 2 套RBC 发送缩短至移交边界前的行车许可后，不发送取消移交边界后的临时限速，第 3 套 RBC 发送缩短至移交边界前的行车许可后，发送取消移交边界后的临时限速。三套 RBC 取消移交边界后临时限速的处理方式不同，导致 ATP 车载设备人机界面上显示的临时限速图标个数不同。

（2）移交 RBC 发送 M#203 后计时长短不同。第 1 套 RBC 发送 M#203 后计时 80 s 等待接收 M#222；第 2 套 RBC 发送 M#203 后不启动计时器；第 3 套 RBC 发送 M#203 后计时 70 s 等待接收M#222。三套 RBC 等待时间设定的区别导致双车追踪时，后车不能正常启动移交流程。

（3）接收 RBC 未初始化时的移交过程不同。第 1 套 RBC 未初始化时可以启动移交流程，接收RBC 拒绝响应 ATP 车载设备呼叫，并停止向移交RBC 发送消息，移交 RBC 判断 RBC 间通信超时后停止向 ATP 车载设备发送消息，ATP 车载设备无线超时降为 CTCS-2 级运行；第 2 套 RBC 未初始化时不启动移交流程，移交 RBC 判断移交非法后停止向 ATP 车载设备发送消息，ATP 车载设备无线超时降为 CTCS-2 级运行；第 3 套 RBC 未初始化时可以启动移交流程，接收 RBC 拒绝响应 ATP 车载设备呼叫，ATP 车载设备以 CTCS-3 级运行至移交边界停车。接收 RBC 时，三套 RBC 对于未初始化时具有不同移交设计方案，导致 ATP 车载设备在 RBC移交运行时具有不同的现象。

3.3 解决方案

从测试问题及分析可以看出，自主化 RBC 系统互联互通测试问题主要为自主化 RBC 在功能上的差异问题。根据最终统计，因为规范未明确导致的 RBC 系统功能差异共有 12 项。目前，这些差异项都已经过中国铁路总公司召开专家组讨论并最终细化到测试规范《CTCS-3 级自主化 ATP 车载设备和 RBC 测试大纲》中，测试问题及分析中的 3 项差异问题对应增加的测试案例包括：①CTCS3-FT-224.4“取消接收 RBC 范围内临时限速，当车载设备的行车许可缩短至不再覆盖该临时限速区域，则移交 RBC 应向车载设备发送取消临时限速命令”；②CTCS3-FT-270.1“列车单电台通过 RBC 移交边界，移交 RBC 发送完 M#203 后开始计时，90 s 计时结束仍然未收到 M#222，向接收 RBC 发送 M#204取消移交流程”；③CTCS3-FT-271.1“接收 RBC未初始化条件下，接收 RBC 不与车载建立无线通信会话，不向移交 RBC 发送任何消息”[9]。

使用改进后的试验分析手段，可以直接对 RBC之间的通信数据加以分析，避免既有 RBC 互联互通测试中出现问题后需要重新复现并依靠网络抓包的弊端，迅速定位到问题是由于 3 套 RBC 之间的差异性导致。12 项 RBC 系统功能差异项均已经在实验室仿真测试环境中发现，进而验证了改进后的仿真测试环境能发现绝大部分问题。在后续 RBC 产品应用中，在现场试验环境不具备测试的情况下，通过实验室测试环境验证也能达到相同的效果。

4 结束语

自主化 RBC 系统互联互通测试，验证了自主化 RBC 系统的互联互通功能，对于消除各厂家自主化 RBC 系统间的差异性，加快不同型号 RBC 设备之间统型化的步伐，指导修订更细致完善的自主化 RBC 相关规范具有重要的意义。针对自主化RBC 系统互联互通测试技术的研究是 RBC 系统创新研究的重要组成部分，也为研制具有完全自主知识产权的 RBC 系统提供了有利保证，从而能够促进我国高速铁路 CTCS-3 级列控系统的发展进程，进一步丰富我国 CTCS-3 级列控系统的技术体系，为高速铁路的安全运营提供更可靠的技术保障。