CTCS-3级列控系统电台检测工装的研究和实践

马 骏，赖 平

据2020年国铁集团年度公报统计,国内运营动车组数量已达3 918辆,合计装备列控车载设备7 836套。随着运营动车组数量的日益增长,列控车载设备的维护管理安全及效率,将直接影响及制约铁路的安全高效运行。

CTCS-3级列控系统（以下简称“C3”）无线通信超时常有发生,会引起列控车载设备ATP输出制动、列车减速运行乃至停车［1-2］,影响高铁列车运营效率,已成为全路重点整治对象之一。

目前,安装有车载通信设备空口在线监测系统［3］及地面通信设备三接口在线监测系统［4］的动车组,可实现高铁列车运行时车地通信数据的在线监测及记录。2种设备记录的无线通信数据有助于分析定位故障的引起侧,从而可进一步查找故障原因。针对C3无线通信通道的组成设备,若可以通过检测工具进行相关设备上线前的功能及性能检测,就可弥补现有检测手段,以减少无线超时故障的发生。因此,中国铁路武汉局集团有限公司武汉电务段联合北京中科智汇科技有限公司,共同研究C3无线通信超时车载设备侧的设备检测工装及维护方法,通过对车载设备MT模块（电台）功能及性能的检测,分级追踪管理电台的上道使用情况,有效规避异常电台的上道运行,减小因异常电台上道引起无线通信超时故障的概率,提高C3列控系统运营效率。

1 无线超时故障类型

2018年武汉局全年CTCS3-300S型,CTCS3-300H型ATP无线超时故障分别为256件和72件,故障类型［5-6］统计见表1。

表1 2018年无线超时故障统计

由表1可知,MT模块问题在ATP无线通信超时故障中占有较大比例,分别为40.2%和34.7%,因此,设计电台检测工装,检测电台的功能及性能,根据优、良、劣、差的检测结果,选择性能优良的电台上道,将会减少ATP车载设备无线通信超时故障的发生次数。

2 电台检测工装需求

基于目前武汉局上道使用及试用的电台情况,GSM-R电台检测工装需能检测SELEX、SA⁃GEM、FUNKWERK和桑达4种型号［7］的电台。

电台检测工装需对电台的供电、IGSM-R接口、空口性能等进行检测。其中空口性能主要包括发射功率、相位误差（均方根与峰值）、频率误差、输出频谱特性、功率时间比（模板）、接收灵敏度、误码率等指标［6-7］,具体检测需求如下。

1）发射功率：检测电台空口信号功率的最大值、最小值、平均值,并反馈所有检测值是否在设置的范围内。

2）相位误差：检测电台空口信号均方根及峰值相位误差的最大值、最小值、平均值,并反馈所有检测值是否在设置的范围内。

3）频率误差：检测电台空口信号频率误差的最大值、最小值、平均值,并反馈所有检测值是否在设置的范围内。

4）输出频谱特性：检测电台输出的调制频谱和开关频谱,比较调制频谱和开关频谱的每一根谱线是否在欧洲电信标准协会（ETSI）规定的TIME-Plate的下方。

5）功率时间比：检测电台正常突发脉冲的功率时间比是否在规定模板的包络曲线内。

6）接收灵敏度：检测电台接收外部信号的灵敏度,并比较其与设置值的符合性。

7）误码率：检测电台接收和发送空口信号的误码率,并比较其与设置值的符合性。

将检测出的指标与规范［7］比较,自动输出检测结果是否合格。同时,检测工装需具备数据管理、检索、趋势分析功能,以便对上道使用的车载电台进行全生命周期管理。

3 检测工装功能实现

3.1 电台检测工装结构

电台检测工装包括供电及通信控制单元、MT综合检测单元、控制主机和显示操作终端4个部分。供电及通信控制单元主要用于电台的供电及IGSM-R接口通信；MT综合检测单元主要用于电台的空口连接及上位机控制指令交互；控制主机主要用于整个测试流程逻辑的控制及数据收集、判断、存储分析等；显示操作终端主要用于界面的显示及操作按钮输入采集。电台检测工装结构见图1。

图1 电台检测工装结构

3.2 功能实现

3.2.1 支持2个电台同时检测

为提高电台的检测效率,检测工装可同时检测2个不同种类或相同种类的电台。通过软件界面,可选择当前测试电台模式为电台1测试、电台2测试或2个电台同时测试。

3.2.2 支持所有信道测试

检测工装具有信道选择功能,可支持测试GSM-R网络的所有21个信道。在测试过程中,通过控制MT综合检测单元的工作信道,实现对电台工作信道射频性能的检测；当电台某一信道的性能指标检测完成后,进行下一信道的检测；当电台所有信道的射频指标均正常时,说明电台性能正常［1,8］。

3.2.3 IMEI读取功能

IMEI号为电台的唯一用户标识号,电台检测工装通过电台的通信接口与其进行AT指令交互,一方面可以检测电台的通信接口功能,另一方面可以读取MT电台的唯一15位用户标识号,便于电台的维护跟踪管理。

3.2.4 MT射频功能检测

MT射频功能检测主要从MT与网络的空口交互上,对MT的发射机和接收机性能进行检测。

1）MT发射机检测：相位误差（均方根与峰值）、发射功率、功率时间比（模板）、最大峰值功率、载波频率误差和输出频谱特性。

2）MT接收机检测：误码率、接收灵敏度。

MT射频功能检测主要依据MT综合检测单元进行相关射频性能指标检测,对MT电台拔电话过程的射频性能进行监测,并与正常范围进行对比。

3.2.5 MT控制功能检测

根据检测功能的需要,通过IGSM-R接口控制MT进行网络注册、呼叫建立、呼叫释放,以及利用MT检测数据传输。

3.2.6 检测自动化功能

电台的整个测试过程,分为参数设置和一键启动测试。

参数设置时,由操作人员根据被测对象,设置电台类别及接口参数。

一键启动测试时,操作人员只需点击一次鼠标,系统即可自动完成所有的检测项目,并根据标准和规范的要求,自动输出检测结果,生成检测报告,支持在线打印及历史检测记录打印。在系统自动检测过程中,软件采用实时通信控制的方法,更改电台及MT综合检测单元的工作模式。

3.2.7 趋势预测功能

检测工装使用数据库对检测结果进行存储管理,并配置性能劣化分析功能。操作人员可查询每个MT的检测记录,查看检测结果的统计和性能劣化趋势分析,辅助维护人员进行维修决策。

4 电台上道使用管理办法

通过电台检测工装对在用和备用电台进行周期性检测,可掌握电台的性能变化趋势,有效减少异常电台上道使用。但电台的性能指标没有一个绝对的界限,无法确定哪些指标不合格就不能上道使用。无线通信质量的好坏涉及电台的发送机、接收机、天线的参数,地面基站的发送机、接收机、天线参数以及空间电场、磁场干扰强度等多个因素［9-10］,既存在电台单个指标异常但整体组合表现正常的情况,也存在虽然电台指标正常,但整体组合表现异常的情况。

对于检测指标异常情况,一方面因为单一指标异常的数量会较多,如若控制不上道使用,成本太高,管理方法不合理；另一方面可能因为其他的因素仍然会出现故障。因此,无法归纳总结出单独的界限去控制电台上线运用。为此本文提出一个较为合理的规则及管理办法。

1）根据电台检测指标偏离正常范围的大小进行电台性能等级的划分,当所有指标检测均正常时,标记为A级,可正常上道使用。

2）当电台检测有1项指标异常,且不超过正常指标的50%,将电台标记为B1级；若有2项指标异常,且均不超过正常指标的50%,则将电台标记为B2级。需跟踪使用这2类电台,增强故障时的应急管理手段,以降低发生故障时的影响。

3）当电台检测有3项或高于3项指标异常时,或单项指标偏差幅度超过正常指标50%时,则将电台标记为C级,尽可能不上道使用。

5 应用情况

自2019年4月起至今,针对引起C3无线通信超时故障为电台原因的情况,采用电台检测工装对MT电台全信道的各个射频性能指标进行检测,发现电台指标确有下降,性能异常。部分记录见表2。

表2 无线超时故障电台检测情况

针对上道电台进行周期性轮换测试,以此提高A级电台上道使用的覆盖率,减少因电台故障引起的无线超时发生率。通过现场实际应用表明,本文提出的电台检测维护方法对无线通信超时车载侧原因的减少起到一定作用。

6 研究结论

从车载设备侧电台的功能及性能检测维护出发,通过设计检测工装,控制及追踪电台上道使用情况,最终减少车载设备侧电台的无线超时发生率。武汉局经过2年的运维管理实践,通过现场使用数据表明,电台检测工装及维护方法初有成效。