C3接口监测系统在高速铁路维护中的运用

陆守东

（中国铁路上海局集团有限公司上海通信段，上海 200434）

1 概况

近十年来,中国高铁的发展势头很快,截止2023 年11 月底,我国高速铁路总营业里程已超过4.3 万公里,稳居全球首位。按照我国的《中长期铁路网规划》(2016-2030 年)，国内将建设成“八纵八横”高铁骨干网。近年来相继开通的武广高铁、沪昆高铁、合福高铁等，最高建设速度在300 km/h 以上，这些高速铁路控制系统均采用中国列车运行控制系统第3 级（Chinese Train Control System，CTCS-3），简称C3 系统。C3 系统是利用铁路数字移动通信系统（GSM-Railway，GSM-R）无线网络实现列车-地面信号双向传送，该控制系统包括车载设备和地面设施。车载装置主要负责接收地面指令，形成速度模式曲线，为维持列车运行安全而对列车进行监控等工作。地面装置主要根据联锁办理的进路，将行车许可等指令发送至车载设备，其中，列车车载装置列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP)和无线闭塞中心(Radio Block Center，RBC）均为C3 系统中的重要设备。RBC 根据轨道电路、联锁进路等数据生成行车许可，并将行车许可、线路参数、临时限速等通过GSM-R 无线通讯系统传输到车载设备上；同时，利用GSM-R 无线通讯系统接收位置、列车数据等车载设备发送的信息。ATP 根据行车许可、线路参数、临时限速等数据以及地面设备传送的动车组参数，并根据目标速度和连续车速的变化模式形成动态速度曲线，以跟踪车辆的安全行驶，实现超速防护。GSM-R 网核心通常包含移动交换子系统、无线分组交换子系统（General Packet Radio Service，GPRS）、智能网接口等，一般采取冗余交叉覆盖的方式进行组网，提高无线运行网络的可靠性。

C3 系统遵循统一接口标准和标准的安全通信协议，涉及核心的关键设备，需要冗余设置。C3级列车运行控制系统是实时控制列车安全运行间隔、避免列车超速运行的高速铁路核心技术装备和安全保障系统，但在实际运用中，常由于各类因素造成降级。本文主要阐述C3 系统组成、无线超时原因，并通过日常C3 系统通信超时的障碍事例处置，总结无线超时的分析流程。CTCS 系统结构示意如图1 所示。

图1 CTCS系统结构示意Fig.1 CTCS system structure diagram

2 接口监测系统结构

C3 接口监测系统是集信令采集管理、信息收集分析、在线用户监视、网络状况监测、查询数据分析、中断统计分析和日志图表等多项模块功能于一体的复合型无线网络监测的综合管理系统。一般由信息采集部分、信令数据处理系统部分、信息存储部分、综合分析处理部分等组成，其中信息存储部分和信息综合分析处理部分具有较强的互动性。结构方面主要有采集层、处理层、分析层3 部分。其中，采集层由Abis 接口、A 接口、PRI 接口信令及数据采集主机等构成；处理层则由接口处理服务器/数据库系统，网关等构成；分析层则由综合数据分析服务器和网管等构成。GSM-R 网络接口监测系统在现网中的位置如图2 所示。监测接口的定义及与监测系统的互联方式如下。

图2 GSM-R网络接口监测系统在现网中的位置Fig.2 Position of GSM-R network interface monitoring system in the existing network

Abis 接口：基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）的通信接口。

A 接口：网络交换子系统（NSS）与基站子系统（BSS）的通信接口（MSC 至BSC 之间）。

PRI 接口：网络交换子系统NSS 与无线闭塞中心RBC 的通信接口。

C3 接口监测系统是根据被监测用户的网络信令，对A 接口、Abis 接口及PRI 接口进行实时监测的关键设备，对网络进行全程实时监控，并关联显示A 接口、Abis 接口和PRI 接口上的相关用户信令消息。并且基于C3 接口监测自身的结构特点，不但可以即时监听最基本的信令消息，还具有其他功能。

1）实时监测机车车辆，及其运行过程中的相关信息，按车次监测，包括当日已经运行和正在运行的列车。对机车的运行信息进行实时监控，包括机车运行的位置，所处小区的电平状态，实时的状态信息以及机车的全部接口。

2）监测网络信令链路的情况，对话务负荷的统计分析。

3 无线超时的原因

无线超时是基于GSM-R 的C3 级列控系统经常出现的问题，信号弱、设备故障、干扰等情况都有可能引发无线闭塞中心RBC 与列车之间单向或者双向的通信异常，导致列车控制在发生无线超时时，会从C3 降到CTCS-2（简称C2）。在C3 系统实际运用中，C3 故障主要表现为降级。引起C3 降级的原因主要有两种可能：一是信号原因，表现为车载设备不良、RBC 设备不正常等；二是通信原因，表现为外部无线电磁环境干扰、小区或BSC 切换异常、通信设备故障等。由于C3 级系统实现列车控制方式相对较为复杂，因此导致通信超时原因很多，这其中原因不明的事件又占据了相当的比例。原因不明类问题是指虽然可以初步确认为下行质量突降、上行质量突降、乒乓切换、越区切换和回切等，但是还不能确定造成问题的根本原因。而导致这一情况的主要根源就是系统设备出自不同厂家，尽管在技术条件、接口等有统一的标准，但在不同厂家设备的结合部，依然存在一定的通用问题。

4 接口监测系统的应用

对于无线连接超时分析，一般从车载设备和GSM -R 网络两方面进行。

车载设备分析的内容主要包括，是否出现单MT 工作，天馈线及其他连接处有无异常，以及发生超时后，在后续交权区运行的状态情况。车载司法记录单元（JRU）用来记录列车运行中通过车载设备采集的原始数据以及通过车载设备所输出的控制数据，下载相关数据进行分析。根据故障特点分析是否多次、重复发生，发生位置是否固定等情况进行综合性的判断分析。

GSM-R 网络数据分析主要包括：对接口监测数据进行分析，对PRI 接口、Abis 接口、A 接口数据信息进行查询分析。对通信设备工作状态分析，重点是对MSC、BSC、BTS 及直放站等网管，伴随发生的告警信息进行分析，以及传输设备运行工作状态。对比分析故障地点附近的无线超时故障发生时段，前后列车的工作状态。现场测试排查分析，对干扰源的定位、场强覆盖情况测试检查、通信质量及TA 测试情况等，并根据GSM-R 系统图、RBC 管辖区等基础技术资料，对整个网络组网的分析。

通信维护部门日常C3 接口监测系统网管是重点对列车运行过程中的接口监控数据进行分析，对PRI接口信令交互信息、电台呼叫记录等进行数据分析；Abis 接口通信测量报告、切换历史记录，查询是否存在中断前切换失败的情况；A 接口呼叫记录及信令流程。通过查询分析各接口数据，初步确定在故障地点附近的列车运行状况，初步定位障碍原因。

案例（无线信号干扰）：正常列车在行进过程中，需要在GSM-R 网络的各基站间进行不断切换，且通话质量不低于5 级，以便和地面列控中心一直取得联系。但如果行进过程中受到无线信号干扰，造成通信质量下降至6 ～7 级，会引起C3 降级。例如2022 年1 月12 日网管通过C3 接口监测系统查询：13:19，列车G1978 运行至K989+040 处，通信质量劣化。查询信令流程正常，查询Abis 接口信令详情，发现在该区段下行通信质量从之前的4 级以上已经劣化至6 ～7 级。说明列车经过此处时，通过质量呈现劣化趋势。现场排查由于运营商无线设备信号干扰造成通话质量下降，如图3 所示。

图3 G1978接口监测查询数据Fig.3 G1978 interface monitoring and query data

案例（车载设备故障）：列车在运行时，需要经过不同的列控中心，为了更好地做到列控数据无缝交接，在高铁上全部是双套电台交替工作，称为交权。但是由于车载设备原因，某种情况下一个电台工作异常，在该交权时没有发挥作用，无法实现无缝交接，而是由同一个电台在2 个列控中心先中断连接再重新发起呼叫，从而造成C3 无线超时，这种现象为单电台故障。在检测系统中表象为Abis接口数据的上、下行电平值会发生突降，通话质量劣化至6 ～7 级。例如2022 年3 月1 日，G7071次列车运行至K1105+270 处，发生无线连接超时，造成降级。查看信令流程正常。在发生无线超时前Abis 接口数据上行、下行反应出的电平值由-62 dBm 突降至-110 dBm，造成上、下行通信质量劣化至7 级。

由此可以看出，C3 接口数据分析对于处置无线连接超时问题起到了关键作用，对有效处理无线超时发挥了指导性作用。

5 总结

C3 系统对保障高速铁路行车安全、提高运输效率具有重大意义，是确保动车组行车安全、提高列车运行效率的关键技术设备。GSM-R 无线网络是C3 系统与列车信息的传送平台，网络的运行状态必须实时监控。通过C3 接口监测系统，掌握网络的实时状态，通过数据的分析发现网络质量方面的问题，及时制定方案在发生降级前提前干预，尽量减少C3 降级问题的发生。同时也可以通过接口监测系统采集的数据，分析C3 降级的原因，采取针对性措施及时处理，避免同一问题重复造成C3 降级的问题，从而保障GSM-R 网络稳定运行，确保高铁运行安全。