CTCS-3级列控系统等级转换失败原因分析及解决措施

韩宇

装备CTCS-3级列控车载设备的列车在CTCS-3级线路上运行时，车载设备主要工作在CTCS-3等级，通过GSM-R网络实现车地信息实时双向传输；在CTCS-2级线路上运行时，车载设备工作在CTCS-2等级，通过地面应答器和轨道电路获取行车相关信息［1-2］。列车从CTCS-2级线路向CTCS-3级线路运行时需进行CTCS-2/3等级转换，若等级转换失败则会影响列车的运行效率［3］。本文选取CTCS-2/3等级转换失败的典型案例进行分析，并提出对应的解决措施。

1 GSM-R车地无线通信网络

GSM-R车地无线通信网络示意见图1。CTCS-3级列控系统通过GSM-R网络实现车地信息双向传输，RBC根据获取的信息生成行车许可及线路描述等信息并传送给ATP，ATP根据这些信息控制列车运行［4］。

图1 GSM-R车地无线通信网络示意

2 CTCS-2级转CTCS-3级列控数据交互流程

列车运行经过RBC连接应答器组RL（用于列车呼叫RBC）收到通信管理信息包［ETCS-42］时［5］，ATP通过MT电台呼叫RBC。CTCS-3级列控数据交互流程见图2，车地建立无线通信连接的列控数据交互需经过物理层、链路层、传输层、安全层和应用层。物理层通过V.110帧同步实现；链路层由ATP发送建立异步平衡扩展模式（Set Asynchronous Balanced Mode Extended，SABME），RBC回复无编号确认（Unnumbered Acknowledge，UA）实现；传输层由ATP发起连接请求（Connection Request，CR），RBC回复连接确认（Connection Confirmation，CC）实现；安全层由ATP发起安全协议数据单元第一验证消息（SaPDU AU1）实现；应用层由ATP发起M155（通信会话启动）包实现。列控数据以I Frame和RR Frame的形式进行交互。ATP和RBC可通过RR Frame判断列控数据的交互状态，同时对I Frame进行组包，组成完整的数据包之后解码得到包含列控数据的应用层数据，然后根据实际的应用层数据控制列车运行。

图2 CTCS-3级列控数据交互流程

ATP将列车的行驶状态信息（位置、速度等）通过位置报告发送给RBC，RBC根据当前线路上前后车的行驶状态生成行车许可并发送给车载ATP，行车许可中包含等级转换位置信息［6］。根据行车许可信息，在列车接近等级转换执行点时，车载ATP通过人机接口（DMI）提示司机列车将进行等级转换，并由司机确认等级转换信息［7］。列车越过等级转换执行应答器，自动转换到CTCS-3等级运行。车地信息交互过程中任何一步信息交互失败，都会导致列车无法转换到CTCS-3等级运行。

3 等级转换失败原因分析及优化措施

结合线路列车运营的经验，对几种常见的等级转换失败原因进行分析，并提出相应的解决方案。

3.1 车载未发送SABME帧

2021年5月，2列安装300S型ATP车载设备的动车组在不同时间和地点发生了等级转换失败。通过数据分析及试验验证，发现2次失败均是由于300S设备无线控制单元（RIM）未发送SABME帧，导致车载ATP无法与RBC正常通信。

其中一列车经过RL应答器组，ATP控制电台呼叫RBC，电台呼叫成功并返回CONNECT 4800指令给ATP，因车载RIM和电台之间的通信速率与RIM内部的通信速率不一致，该AT指令在RIM内部被分到2个周期接收，见图3，导致RIM无法识别该AT指令，车载ATP认为电台呼叫RBC失败，不发送SABME帧。

图3 CONNECT 4800指令被拆分

另一列车是RIM收到电台返回的CONNECT 4800指令后，同时收到电台上报的大量异常乱码数据。由于RIM中存储AT指令的缓存区长度为256 B，当RIM接收到大量的乱码时，会导致AT指令接收缓存区越界，位于该缓存区后面的数据被改写，引起软件运行异常，造成车载ATP无法正常发送SABME帧。

该类问题可以通过车载RIM软件升级解决：一是优化RIM软件识别逻辑，当RIM从电台接收的数据解析不完整时，保留该数据并与下一周期接收到的数据拼接成完整的AT指令后再进行识别；二是增加RIM软件防护逻辑，在接收函数中限制最大接收长度，确保RIM在收到大量异常数据时，AT指令接收缓存区不会越界，从而防止缓存区后面的数据被改写。目前，该问题已结合300S设备V3.71.0018版软件升级得到了解决。

3.2 车载多次发送SABME帧

2021年6月，一列安装300S型ATP车载设备的动车组发生了等级转换失败。经分析，ATP与RBC建立通信连接过程中，因RBC侧收到多条SABME帧导致通信链路被异常释放，通信会话建立失败。

通过数据分析发现，车载ATP与RBC建立链路过程中，电台正在进行小区切换［8］，且下行链路存在7级质差，车载ATP发送SABME帧，未收到RBC的UA确认，后续车载ATP重发5次SABME帧，均未收到RBC的UA确认。RBC在收到第2条SABME帧时，按协议标准对链路进行重置，造成对现有的通信链路进行了释放。

在GSM-R无线通信系统中，小区切换是硬切换［9］，在切换过程中易出现数据帧丢失或错误的情况，但可以通过高级数据链路控制协议中的T1定时器或选择拒绝帧［10］实现数据重传。该案例中，由于GSM-R小区切换点与地面RL应答器组设置位置相近，因此在ATP与RBC建立通信连接过程中发生小区切换，造成RBC回复的UA确认帧丢失，车载ATP在T1定时器超时前未收到UA确认，重新发送SABME帧，最终重发了5次SABME帧。

据统计，2021年在该位置发生过3起等级转换失败，最终将该位置的GSM-R小区切换点进行了更改，使其与地面RL应答器组位置错开，此问题得到解决。

3.3 RBC收到多条M155包

2021年12月，一列安装300H型ATP车载设备的动车组发生了等级转换失败。经分析，ATP呼叫RBC并发送M155包，因GSM-R小区切换造成ATP未收到RBC回复的M32包（系统版本），ATP请求RBC重传，ATP收到RBC重传的M32包，但因距ATP第一次发送M155包已过6 s（300H设备T1定时器超时时间），ATP再次发送M155包，RBC收到2次M155包后认为消息不可接受，发起拆链，通信链路被断开，导致列车无法转入CTCS-3等级。

该问题有以下3种解决方案。

1）如果是由于GSM-R小区切换点与地面RL应答器组设置位置相近，ATP未收到RBC的回复而多次重发帧或包，造成通信链路异常断开的，可将这2个位置错开设置。但经现场勘察调整余量不足，且此问题并非集中出现在某个固定位置，该方案无法彻底解决该问题。

2）优化300H设备软件M155包重发机制，结合帧重传机制适当延长T1定时器时间。该方案需要对全路所有安装300H设备的动车组都进行软件升级才能彻底解决该问题，升级工作量大。

3）优化RBC软件，针对通信会话建立过程，由原来只能接收1次M155包，改为在RBC收到列车发送的M155包并向列车发送了M32包之后，在没有收到车载设备回复的M146确认包之前，或没有收到标识通信会话建立完成的M159包之前，或RBC内部交权没有取消之前，这段时间内（即重新接收M155包的窗口）支持再次收到M155包，并再次发送M32包。原有逻辑中M32包最多只能发送3次，超过3次还收不到确认消息时，RBC仍会发送断开安全连接请求。该方案既增强了RBC的适用性，又保留了对长时间收不到确认消息的防护逻辑，且优化RBC软件涉及的改动较少。

综上所述，最终选择优化RBC软件方案，经软件优化后此类问题得到了根本性的解决。

4 结束语

等级转换失败问题与无线通信超时问题一样，是一个系统性问题，涉及车载ATP、GSM-R网络、地面RBC等诸多环节。本文选取典型的等级转换失败案例，针对不同原因分别从ATP设备、GSM-R网络和RBC设备进行优化，解决了现有问题，可为后续分析等级转换失败问题提供思路和方法。