CTCS-3级列控系统无线通信超时原因分析

管文军，梁立涛，马雪燕

CTCS-3级列控系统车载设备通过GSM-R无线网络,实现与无线闭塞中心RBC的信息交互,控制列车安全运行。针对当前无线通信超时发生率较高,故障分析与定位困难,严重影响动车组运输组织和效率等问题,本文建立了一套无线通信超时故障处理与数据分析流程,以期提高车载无线通信系统的维护效率。

1 车载无线通信系统

车载无线通信系统示意见图1,主要包括车载无线控制单元、GSM-R无线通信单元和GSM-R天线。车载无线控制单元负责处理无线安全数据,并对无线传输通道进行加、解密；GSM-R无线通信单元对接收数据进行调制解调,实现信息的双向传输,包括电源模块、电台模块及记录模块等；GSM-R天线位于动车组车体顶部,是车载设备无线通信的收发器［1］。

图1 车载无线通信系统示意

无线通信系统数据是分析无线通信问题的主要依据,包括车载无线通信数据和地面无线通信数据。无线通信系统接口分布示意见图2。

图2 无线通信系统接口分布

2 无线通信超时判断逻辑

CTCS-3级无线通信超时是指车载设备与地面设备在规定的时间内,没有收到对方发送的应用层消息。规定时间是由无线报文Packet-3（配置参数信息包）中的T_NVCONTACT（无新的安全消息最大时间）变量定义的,一般线路定义为20 s。当车地无安全连接时间超过T_NVCONTACT定义时间时,DMI提示无线通信超时制动,车载设备输出最大常用制动。在制动过程中车载主控单元控制电台最多尝试3次呼叫RBC设备以建立连接。

无线通信超时逻辑优化前,列车制动至CTCS-2级允许速度以下,DMI即提示降级C2。为了增加车载电台与RBC成功建立连接的概率,降低降级C2的概率,无线通信超时逻辑增加了制动时间和列车降至最低速度的判断。当列车制动时间大于40 s或当前速度小于50 km/h时,DMI提示降级C2,司机确认后车载设备转入C2等级,同时制动缓解。列车速度小于50 km/h即提示转入C2等级,能够有效减少因无线通信超时导致的制动停车次数。优化后的逻辑能够有效降低无线通信超时故障对350 km/h铁路线路运输秩序和生产效率的影响［2-4］。

3 无线通信超时故障处理与数据分析

3.1 无线通信超时故障处理流程

对于车载设备维护人员来说,标准的无线通信超时处理流程能够有效提高维护质量和效率。通过DMS监测报警信息或是接收到无线通信超时反馈信息后,需联系通信段G网中心、空口监测厂家实时下载无线接口数据进行联合分析,待动车组入库后下载车载数据进行对比分析。无线通信超时故障处理流程见图3。

图3 无线通信超时故障处理流程

3.2 无线通信超时数据分析流程

通过故障数据对故障点进行分析定位,是故障处理流程中的关键环节,也是维护的难点。对于无线通信系统,单独的数据往往还不够,需要进行综合的闭环分析才能最终定位故障点。当车载主控单元数据、车载无线控制单元数据、GSM-R无线通信单元数据,以及Igsm-r、Um、A、Abis、PRI等接口数据齐全时,无线通信超时基本分析流程［5］如下。

1）分析车载主控单元数据、车载无线控制单元数据、GSM-R无线通信单元数据等,确认车载侧是否记录相应硬件故障代码,车载无线控制单元运行是否正常,电台网络注册是否稳定,是否按规定发送和接收相应数据包等。

2）分析Igsm-r接口数据,根据AT命令判断车载无线控制单元和电台之间信息交互是否存在异常。

3）分析Um接口、Abis接口,判断基站与电台是否按周期发送系统消息,电台是否按周期上报测量报告,电台测量的邻区电平是否正常,判断故障时的无线网络环境是否正常,是否存在网络干扰。

4）分析Igsm-r接口、Um接口、Abis接口、A接口、PRI接口拆链方向和拆链原因,判断拆链发起方,根据拆链原因分析故障可能原因。

5）分析Abis接口、A接口的信令交互过程,查看故障时刻是否发生在小区切换过程中,小区切换过程是否正常,小区切换后上下行指标是否正常,有无小区回切等情况。

6）分析Um接口、PRI接口数据帧的交互过程,查看车地双方是否按规定发送和正常收到相应的帧类型和数据包,是否存在数据帧长度异常、时钟同步失败、CRC漏检等,最终定位超时原因。

4 无线通信超时分类

根据数据分析结果和维护经验,将无线通信超时故障按发生部位进行分类。不同车型车载无线通信设备虽然名称和组成略有不同,但基本功能和控制逻辑通用。将300T、300S、300H型车载设备使用的电台分SAGEM电台和FWK电台2种,功能和逻辑基本一致,本文分析的典型故障2种电台均适用。

4.1 车载无线控制单元故障

由于300T、300S、300H型车载设备无线控制单元在硬件设计上有差异,模块故障的影响也不同,故在故障发生时,需根据报警信息故障代码更换相应的模块。

300T型车载无线控制单元STU为非冗余设计,STU故障时会导致列车无法以CTCS-3等级运行。

300S型车载无线控制单元RIM分为主RIM-N和备RIM-R,300H型车载无线控制单元RTM分为RTM 1和RTM 2,当且仅当2个RIM模块或RTM模块故障时,才会导致列车无法以CTCS-3等级运行,其中1系故障时会导致列车单电台过RBC交权区。

4.2 GSM-R无线通信单元故障

GSM-R无线通信单元的2个移动终端电台MT经过RBC交权区时交替使用,其中1个电台故障会导致单电台过交权区［6］。

4.2.1 电台异常重启

列车运行中车载电台异常重启时,车载主控单元数据记录为车地信息交互突然中断,电台数据记录为“AT Command：SAGEM MRM GPRM 1：BOOTING/r/n”,“BOOTING”出现在刚启机过程中属正常情况,如果在运行过程中出现说明电台异常重启。故障时刻ATP→MT发送的数据帧在Igsm-r接口数据和Um接口数据中无法对应,说明数据帧经过电台后未发送成功。Abis接口测量报告记录上行通信质量降至7,上行电平值降至-110 dBm,表示上行方向（车到地为上行方向,反之为下行方向）电台发送信号强度最低,通信质量最差［7］。列车运行中发生电台异常重启属于软件运行异常,需要通过软件升级解决。

4.2.2 电台发送信号强度异常

电台发送信号强度由通信基站进行测量并记录。车载主控单元数据记录列车多次发送Msg136位置报告但收不到回复；Igsm-r接口数据与车载主控单元数据相对应；Um接口数据记录上行数据乱码或是收不到数据,与Igsm-r接口数据不能对应；Abis接口测量报告记录上行电平值和通信质量均降低,由于下行测量报告需通过上行链路发送至基站记录,因此基站无法继续记录下行质量；A接口记录拆链情况；PRI接口记录车载发送至RBC的数据乱码,导致CRC校验错误或数据未发送至PRI接口。在排除网络干扰的情况下,应是电台发送信号强度异常,可通过更换电台模块解决。

4.2.3 电台不发送测量报告

由于电台软件偶发异常,导致车载电台出现不响应车载无线控制单元的AT指令、异常发送“DR”和“DISC”拆链指令,以及完成小区切换后在目标小区不发送测量报告等故障,实际维护中电台在目标小区不发送测量报告的问题发生较多。

电台根据基站发送的系统消息周期性测量下行质量,并将测量的下行电平以测量报告的形式周期性发送给基站。测量报告停发时,车载主控单元、Igsm-r接口、电台数据记录正常,Um接口数据监测到上行方向未按周期发送测量报告,Abis接口记录上行数据帧异常、下行正常,A口数据记录拆链指令及原因,PRI接口记录上行数据帧异常、下行正常,车地无安全连接超过规定时间后,即发生无线通信超时故障［8］。小区切换后电台不发送测量报告属于软件类异常,需通过升级电台底层软件解决。

4.2.4 SIM卡网络注册异常

电台在上电初始化阶段通过SIM卡在网络上进行注册。车载主控单元数据记录“一个电台注册到网络”,DMI网络注册标志异常,Igsm-r接口的AT命令看不到电台MT发送的网络注册信息或网络注册状态为拒绝；Um接口数据记录故障电台不起呼,无位置更新消息；Abis接口测量报告记录故障时刻不上传测量报告。Abis、A、PRI接口记录故障电台无位置更新、无呼叫记录。SIM卡网络注册异常排除网络原因后,可认为SIM卡、SIM卡槽异常,需通过更换相应组件消除故障［9］。电台数据记录SIM卡相关故障,常见故障代码见表1。

表1 SIM卡常见故障代码

4.3 车地结合部问题

随着维护单位对无线通信超时问题分析的深入和全力整治,车载无线控制单元、GSM-R无线通信单元硬件问题得到明显改善,软件问题通过升级正在逐步解决。目前,发生在车地结合部的问题凸显出来。常见车地结合部问题有小区回切、通信信道上停止发送信息、不响应小区切换信令、异常拆链等。该类故障一般为偶发性软件问题,不影响后续列车运行,故障无法复现,分析时需对照车地间信息交互流程进行详细的追踪分析,根据信令数据交互步骤中出现错误的时间节点和中断点确定故障位置［10］。

5 结束语

通过建立一套无线通信超时故障处理及数据分析流程,从车载侧对无线通信超时进行了分类研究,对故障处理和定位具有指导意义。目前,由于无法完全掌握进口电台软件的核心技术,因此需要逐步推进电台自主化工作,以解决电台相关的软件故障,从而进一步降低电台软件相关的无线通信超时发生率。