多通信冗余机车同步操控通信平台应用研究

汪 洋，杨居丰，张志豪，陈 松

(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)

1 引言

当前铁路两大发展方向为高速和重载，其中重载铁路主要针对大宗货物运输而建设，其具有运能大、效率高、运输成本低等优势。2011年，澳大利亚开行了一辆7353米长的货运列车，总重量达10万吨，一直保持着世界纪录。2014年，中国铁路总公司在大秦铁路组织实施的3万吨重载列车运行试验取得成功。无论是10万吨还是3万吨列车，都需要多个机车同时牵引[1]，而为了解决风管均匀排风、车钩均匀受力等问题，多机车需要采用分布式动力同步操控的方式，即将多个机车均匀分布在整列车的头部与中部，通过同步操控系统完成同步牵引、制动等控制[2]。该情况下，机车与机车之间距离较长，可达到七八百米甚至一千多米。因此，机车间的无线通信成为同步操控系统的必要组成部分，无线通信的成功率与时延也成为了同步牵引及制动的关键，极大的影响着整列车的纵向冲动[3]。

2006年大秦铁路重载组合列车采用美国GE公司的Locotrol同步操控系统，该系统主要采用GSM-R通信系统，同时具备800M数传电台通信系统[4]。2014年朔黄铁路重载组合列车采用了TD-LTE通信系统，同时具备800M数传电台通信系统。由此可知，机车同步操控系统均具备两种通信设备，当GSM-R网车载设备或LTE网车载设备失效时，启用数传电台。该方案具有两种设备切换时延大、成本高、不利于安装与维护等弊端，并且无法实现重联机车在GSM-R线路区段与LTE区段的跨线运行，也无法在未来铁路可能建设的5G-R线路运行。

本文提出了基于多种移动通信技术冗余的机车同步操控无线通信方案，设计了多种通信技术一体化的平台。该平台采用统一的主控单元、电源单元、记录单元等模块，实现不同的通信方式的集中控制。相比现有系统，一体化平台结构简单、安装便利、成本压缩，不同的通信方式切换速度快，且采用接口兼容的通信单元，不仅可以具备GSM-R，LTE，数传电台通信方式，还可以兼容未来铁路可能采用的5G-R，能够实现不同通信方式区段跨线运行。

2 基于多种移动通信技术冗余的方案

2.1 传统的机车同步操控无线通信方案

当前重载机车同步操控通信系统由车载通信单元和铁路专用移动通信网络组成。GSM-R网络由地面基站设备与核心网组成，机车同步操控通信系统采用GSM-R的CSD连接方式，需要在地面架设编组服务器，采用点对多点的数据会议通信方式，将主控机车与从控机车建立数据会议小组。车载通信系统实现机车间控制命令的传输与数据交换[5]。

地方铁路通常采用LTE专用通信网络，具有更低的延迟，并通过共站址双网方式保证可靠性。LTE通信单元通过绑定的用户名与IP地址向目标机车发送数据，不需要在地面设立编组服务器[6]。

数传电台是比较早期的模拟通信方式，由于该方式的设备成本低，使用方便而广泛应用于铁路。数传电台在支持的距离范围内可以实现点对点直接传输，不依靠地面网络和设备[7]。

机车同步操控通信系统通常会使用GSM-R或LTE车载终端作为主用设备，数传电台作为备用设备，两套设备分别与机车同步控制设备进行连接，各自具备独立的主控单元，电源单元，通信单元，记录单元等模块[8]。

2.2 新型机车同步操控无线通信平台

多种移动通信技术冗余的机车同步操控无线通信平台通过统一接口接收控制系统的命令，可对通信方式进行灵活切换，可实现GSM-R，LTE，5G-R、数传电台等多种移动通信方式的冗余。架构如图1所示。

图1 多种移动通信技术冗余的机车同步操控无线通信系统

如图2，一体化的平台中各通信单元共用一套主控单元，共用同一路数据输入通道，共享同一套天线设备。因此，各通信单元之间可能在控制机制、软件设计、电路交互以及共用天线等方面产生一定的干扰。本文选取重载试验线路对该平台进行测试，验证该方案的可行性。

图2 机车无线同步操控系统一体化通信平台

3 关键技术

3.1 AB节双平台冗余

重载机车通常使用8轴电力机车，是由A，B两节完全相同的4轴电力机车通过内重联环节连接组成。因此机车同步操控系统通信平台除了通信方式冗余以外，还可在A节和B节分别设置通信平台，双平台通过以太网进行互联，实现AB节之间的冗余。A节实时发送工作状态至B节，B节处于待机状态，当A节通信平台故障时B节迅速启动并直接同步A节最后的工作状态，从而保证整个系统正常工作，数据传输没有中断。

3.2 双路主控单元冗余

平台采用linux嵌入式系统主控单元，为了防止主控程序线程崩溃或linux意外死机，平台设置了两块控制单元互为主备。两控制单元通过串口同步工作状态，当主用控制单元故障时立即切换至备用控制单元，并同步原主用控制单元的工作状态，保证整个系统持续正常工作。

3.3 一体化接口

既有的系统中不同的通信设备通过不同的接口接入控制设备，新型的平台则采用统一的接口，通过统一的命令实现不同通信方式的冗余切换，为平台提供更高的集成度。

3.4 自愈

平台具备自愈功能，主用控制单元故障时会重启并复位，复位后可作为备用控制单元，保证整个平台始终具备冗余性。各通信单元具备自愈功能，当网络附着多次失败、网络连接多次失败、AT接口故障或通信单元自认故障时，会重启并复位。

3.5 故障诊断

由于车载设备应用环境限制，故障发生时很难及时到现场解决，多数情况都得依靠记录的日志进行分析。因此平台设置记录单元，完整记录自身工作状态，包括通信方式、接口状态、编组状态、组成员信息、空口收发数据、控制系统收发数据等。通过数据分析软件，可方便的诊断出故障原因。

4 现场测试结果与分析

4.1 测试方法和过程

铁路目前用于机车无线同步操控的数传电台通常选用800MHz频段，由于后续800MHz将被工信部收回，因此本文选取铁路还可以继续使用的400MHz频段的数传电台在试验线路进行测试，GSM-R选取定制化接口并具备CSD数据功能的单元，LTE模块选取1.8GHz频段 PCIE接口的通信单元。本文中的测试，由于试验线路没有LTE专网，仅对GSM-R与400MHz数传电台进行测试。

平台采用3U机箱，选用ARM Cortex-A8嵌入式系统开发平台的主控单元，主控单元主要具备机车同步控制系统与通信系统间的数据交互，同时能够通过命令发送控制通信单元实现常规功能，如GSM-R单元重置、呼叫、拆线，数传电台单元常发、自检等。设计接口单元，统一对外接口，除了各通信单元具备自己的天线接口外，整机与外部输入设备或监测设备的接口均设计在接口单元上，便于统一插拔。设计记录单元，记录主控单元的工作状态，各通信单元的工作状态，各通信单元传输的空口数据，以及接口单元对外部设备收发的数据。设计电源单元，具备防静电、防电磁干扰特性，为整机提供稳定的直流电源。采用多频段天线及合路器，将各通信单元的天馈线整合。整机放置于机车的机械间内，天线从车内引出安装在车顶。

除上述车载平台以外，地面还需要架设GSM-R编组服务器，服务器通过PRI接口可读取车载平台发送至地面的数据，同时服务器需要实现主从车的车载平台的安全认证、机车号注册、注销、会议建组、数据转发、状态监测、中断事件监测。

本文选取国铁集团重载线路的部分区段进行测试。测试采用两台HXD1机车，万吨试验在两台机车之间与中部机车之后分别连接54辆敞车，两万吨试验则分别连接105辆敞车，机车同步控制系统采用新一代国产化系统设备。测试过程中，将平台的调试口接出，用计算机对传输的数据进行监测，用场强测试仪记录信号强度，用采集编码器读取车辆速度、公里标等信息。按照试验安排，在万吨试验时主要对数传电台进行测试，两万吨实验时主要对GSM-R网络进行测试。

4.2 结果分析

4.2.1 数传电台测试结果分析

数传电台测试时采用万吨货运组合列车进行试验，头部和中部机车中间由54辆C80敞车相连，距离在800米左右，数传电台发射功率为5W，从LKJ获取公里标，使用场强测试仪测试场强及接收电平，每秒发送5帧数据进行误码率测试。

图3 数传电台全区段接收电平值

测试区段全线接收电平值如图3所示，一体化平台的数传电台单元400MHz频段无线电波传播效果良好，测试区段中92%的区段接收电平值大于20dBμV，5%的区段接收电平值在10-20dBμV之间，3%的区段接收电平值低于10dBμV。其中低于10dBμV的区段基本来自于隧道，10-20dBμV的区段多发生在洼地、路堑等区段。

图4 数传电台接收电平值与误码率的关系图

无线信道数据传输自然比特误码率随着接收电平值增大而减小。比特自然误码率分布图如图4所示。

图5 数传电台全区段数据转发成功率

测试区段全线数据转发成功率如图5所示，试验区段数据转发成功率为94.47%，隧道区段转发成功率为88.89%。

4.2.2 GSM-R测试结果分析

GSM-R测试时采用2万吨货运组合列车，头部机车与中部机车间距大约1400米。数据为每300ms由主车向从车发送一帧数据，从车收到后用同步控制系统进行一定的处理后向主车回复一帧数据。车载平台与地面服务器之间每3秒发送一帧测试帧，地面服务器收到后立即回复一帧数据，车载平台通过两帧的时间差来计算GSM-R车地传输的延迟，由于服务器转发存在ms级的延迟，本文将延迟精确在10ms。

图6 GSM-R全区段延迟

图6为测试区段全线延迟，从图中可看出，GSM-R延迟基本集中在320ms附近，最低为270ms，除去由于基站场强较低导致通信中断的一次高延迟外，最高延迟为430ms。其中由机车同步控制设备测试出的平均响应时间为1.8s，远小于既有设备的2.5s。该平台在整个测试中只有一次通信链路中断，链路中断率也低于既有设备。GSM-R中断时切换为数传电台的切换时间小于2秒。

图7 GSM-R传输成功率与延迟的关系图

图7采用全区段无线下行传输数据统计，可以看出通信未中断的情况下传输成功率均在99.5%以上，高于既有设备，且从270ms到370ms之间传输成功率呈正态分布，其中320ms延迟下传输成功率为99.93%。试验样本数量为5000以上，统计的有效性较高。当延迟达到370ms以上，传输成功率开始下降，说明丢包率会随着延迟的增大而递增，符合移动通信的特性。

5 结论

本文针对重载机车同步操控系统提出了多种移动通信冗余的平台，对该平台下的GSM-R通信方式和数传电台在不同区段都进行了实际测试。首先，测试验证了一体化平台完全可以满足同步操控系统对通信质量的要求。其次，相比既有的分体式的通信设备，一体化平台逻辑简单、成本低、维护方便，由于逻辑简单测试中通信中断次数也低于既有系统。最后，一体化的平台扩展性强，可支持5G-R通信方式，支持在多种通信方式区段跨线运行。

本文中设计的一体化的机车同步操控无线通信平台目前只进行了一主一从双机车的测试，后续还会进行一主三从以及更多机车的测试，还有LTE网络区段的测试，以及列车在重联状态下的国铁与地方铁路的互通测试。目前在实验室中已可以安装5G通信单元并调试成功，后续还将在5G-R区段进行测试。