CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)接口在線監(jiān)測(cè)研究

謝和歡

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中，包含了ATP、RBC、聯(lián)鎖、TCC、TSR、CTC等大量設(shè)備。這些設(shè)備之間彼此存在大量接口，設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換也變得更為復(fù)雜和頻繁。為了能從底層監(jiān)測(cè)整個(gè)CTCS-3系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并在出現(xiàn)故障時(shí)，迅速定位故障原因，就需要對(duì)CTCS-3系統(tǒng)各設(shè)備之間的接口進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

CTCS-3列控系統(tǒng)主要設(shè)備之間的接口包括ATP Igsm-r接口，RBC PRI接口，RBC與聯(lián)鎖、TSRS的接口，RBC與VIA-CTC服務(wù)器的接口，以及TCC與聯(lián)鎖的接口，聯(lián)鎖與CTC的接口，TCC與TSRS的接口等。這些接口中ATP系統(tǒng)的GCD模塊與MT2之間是Igsm-r接口，RBC系統(tǒng)的ISDN服務(wù)器與ISDN網(wǎng)絡(luò)之間是PRI接口，其他均通過(guò)以太網(wǎng)連接。Igsm-r接口、PRI接口的監(jiān)測(cè)需要專門的設(shè)備。而以太網(wǎng)接口的監(jiān)測(cè)采用交換機(jī)端口映射的方法就可以實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)目前采用CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的線路越來(lái)越多。無(wú)論是在線路運(yùn)行前的測(cè)試階段還是線路正式運(yùn)營(yíng)后，CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總是難免出現(xiàn)ATP與RBC之間無(wú)線故障、地面設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)故障的情況。因此研究CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)接口監(jiān)測(cè)的方法具有重要意義。

2 Igsm-r接口監(jiān)測(cè)

2.1 Igsm-r接口介紹

Igsm-r接口指的是CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備中TE與MT2之間的接口，如圖1所示。TE與MT2之間通過(guò)背部總線相連。其中除了RS-422串口的數(shù)據(jù)收發(fā)線外，還包括握手信號(hào)線。

2.2 ATP Igsm-r接口監(jiān)測(cè)方法

ATP的GCD模塊與MT2通過(guò)TxD+、TxD-、RxD+、RxD- 四根信號(hào)線差分傳輸指令、結(jié)果碼和數(shù)據(jù)。其中，指令和結(jié)果碼以ASCII碼傳輸，數(shù)據(jù)以比特流方式透明傳輸。GCD與MT2通過(guò)RTS（Request to Send） 、CTS（Clear to Send）、DSR（Data Set Ready）、DTR（Data Terminal Ready）、DCD等硬件握手信號(hào)控制數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)機(jī)。RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一個(gè)作為輸出信號(hào)，另一個(gè)作為輸入信號(hào)。DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信是否就緒，而RTS/CTS用于控制單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。

ATP Igsm-r接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要把這些信號(hào)線全部采集。一個(gè)基本方法是把這些信號(hào)通過(guò)RS-232/TTL電平轉(zhuǎn)換芯片先轉(zhuǎn)換為TTL電平，再轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)讀取RS-232串口就可以獲取所有這些信號(hào)。同時(shí)在設(shè)計(jì)接口采集板時(shí)，還需要防止它對(duì)ATP的GCD模塊與MT2之間數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生干擾?？梢钥紤]采用電源模塊隔離和光電耦合隔離技術(shù)相結(jié)合的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任何故障和干擾，都不會(huì)傳到GCD-MT一側(cè)，從而保障GCD-MT之間正常數(shù)據(jù)的傳輸。

ATP Igsm-r接口數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括監(jiān)測(cè)通信數(shù)據(jù)和握手信號(hào)。在ATP與RBC建立起物理連接前，MT處于指令工作狀態(tài)。ATP的GCD模塊通過(guò)AT指令查詢MT狀態(tài)，向MT發(fā)出命令，MT則返回相應(yīng)狀態(tài)和執(zhí)行相關(guān)操作。常用的AT指令包括查詢MT注冊(cè)狀態(tài)、查詢無(wú)線信號(hào)質(zhì)量、設(shè)置MT狀態(tài)和撥號(hào)等。這些指令都是ASCII碼，可以直接采集并解析。在GCD向MT發(fā)出撥號(hào)指令成功后，ATP與RBC建立起物理連接，MT轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)工作狀態(tài)，MT將GCD要求發(fā)送給RBC的任何數(shù)據(jù)通過(guò)空中接口發(fā)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)，再由GSM-R網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給RBC。根據(jù)ATP與RBC的通信協(xié)議，從串口直接監(jiān)測(cè)到的底層通信數(shù)據(jù)滿足HDLC協(xié)議的幀。

2.3 ATP Igsm-r接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析

ATP與RBC的通信網(wǎng)絡(luò)采用分層結(jié)構(gòu)。從上到下包括應(yīng)用層、安全層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層。下一層都在上一層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加上數(shù)據(jù)包頭（和包尾）。具體數(shù)據(jù)封裝如圖2所示?？梢詤⒖肌禖TCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線報(bào)文定義及運(yùn)用原則》、Subset-037協(xié)議和ISO/IEC 13239 Highlevel data link control (HDLC)協(xié)議。根據(jù)這些協(xié)議，便可以將監(jiān)測(cè)到的HDLC數(shù)據(jù)幀，除了在本層做包類型、關(guān)鍵域的解析外，還能通過(guò)去掉包頭（包尾），得到上一層數(shù)據(jù)，再在上一層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上做解析，并繼續(xù)向上還原，直至最后得到RBC與ATP交互的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，從而完整監(jiān)測(cè)RBC與ATP的各層數(shù)據(jù)交換。

2.3.1 鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，B/Bm-通道提供功能的和程序的方式來(lái)建立、維持和釋放連接并傳輸數(shù)據(jù)，它將檢測(cè)和糾正發(fā)生在物理層的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。ATP與RBC通信采用的是滿足HDLC協(xié)議的鏈路層幀。

HDLC幀分為3類：I幀、S幀、U幀。

其中：

I幀：信息幀，用來(lái)傳輸普通數(shù)據(jù)，也可以用來(lái)執(zhí)行確認(rèn)I幀；

S幀：管理幀，用來(lái)管理數(shù)據(jù)鏈路，例如確認(rèn)I幀、請(qǐng)求重傳I幀、請(qǐng)求臨時(shí)暫停I幀、問(wèn)詢、錯(cuò)誤恢復(fù)等功能。

U幀：無(wú)編號(hào)幀，用來(lái)傳輸高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，并提供附加的數(shù)據(jù)鏈路控制功能。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層比較簡(jiǎn)單，是在TPDU的基礎(chǔ)上加上2個(gè)字節(jié)的包頭。第一字節(jié)表示除本字節(jié)外，頭部的長(zhǎng)度。即1 byte。第二個(gè)字節(jié)置為1時(shí)，表示后面將有更多的數(shù)據(jù)，因此，對(duì)屬于同一個(gè)TPDU的NPDU，最后一個(gè)M值為0，其他為1。

2.3.3 傳輸層

傳輸層負(fù)責(zé)完整的安全層報(bào)文在ATP與RBC之間傳送。傳輸層只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接存在時(shí)才建立一個(gè)傳輸連接。傳輸層在安全層的基礎(chǔ)上根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同添加一個(gè)5到13 byte的包頭。傳輸層PDU主要包括如下類型：CR TPDU連接請(qǐng)求、CC TPDU連接確認(rèn)、DR TPDU釋放請(qǐng)求、DC TPDU釋放確認(rèn)、DT TPDU數(shù)據(jù)傳輸、AK TPDU數(shù)據(jù)確認(rèn)、ER TPDU錯(cuò)誤報(bào)告。

2.3.4 安全層

ATP與RBC之間通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)通信，而GSM-R是個(gè)開放網(wǎng)絡(luò)。而ATP與RBC涉及的安全等級(jí)非常高，故需要在ATP與RBC的通信網(wǎng)絡(luò)中增加安全層。安全層提供安全相關(guān)的傳輸系統(tǒng)功能。主要包括信源鑒定、同等實(shí)體鑒定、消息的非法插入、刪除、更改檢查、數(shù)據(jù)完整性檢查和數(shù)據(jù)時(shí)效性檢查等。

安全層在應(yīng)用層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加包頭、消息鑒定代碼（MAC）校驗(yàn)。包頭為一個(gè)字節(jié)，該字節(jié)用于區(qū)分安全PDU類型和方向。安全層PDU主要類型如表1所示。

表1 安全層PDU類型表

MAC是隨消息一同發(fā)送的認(rèn)證者，保證接收器能夠探測(cè)到消息離開發(fā)送機(jī)后所發(fā)生的改動(dòng)，并保證信源的無(wú)誤。MAC校驗(yàn)為8 byte。

2.3.5 應(yīng)用層

ATP與RBC應(yīng)用層之間交換的數(shù)據(jù)就是CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線消息。其中車到地?zé)o線消息包括列車位置報(bào)告、通信會(huì)話開始等。地到車的無(wú)線消息包括行車許可、通常消息等。所有這些無(wú)線消息都由消息頭、預(yù)先確定的變量、預(yù)先確定的必選信息包、可選信息包和一些填充比特組成，滿足一定的格式?？梢愿鶕?jù)《CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線報(bào)文定義及運(yùn)用原則》進(jìn)行解析。以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)：消息包136，即列車位置報(bào)告消息包。該消息包含消息標(biāo)識(shí)號(hào)、消息長(zhǎng)度、車載設(shè)備時(shí)鐘、車載設(shè)備的CTCS標(biāo)識(shí)號(hào)等變量。此外還包括信息包0，即位置報(bào)告包。位置報(bào)告包同樣包括信息包標(biāo)識(shí)碼、信息包位數(shù)、最近相關(guān)應(yīng)答器組（LRBG）的標(biāo)識(shí)號(hào)、最近相關(guān)應(yīng)答器組與列車估計(jì)前端之間的距離、車載設(shè)備操作模式等變量。每個(gè)變量都有特定的含義、位長(zhǎng)。據(jù)此，就能夠解析出一個(gè)消息包的全部變量的具體值，從而達(dá)到解析應(yīng)用層消息的目的。

3 RBC PRI接口監(jiān)測(cè)

3.1 RBC PRI接口介紹

PRI接口是指CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的地面設(shè)備RBC與GSM-R網(wǎng)絡(luò)MSC間的基群速率接口，是以E1為物理通道傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，也叫30B+D。E1是一個(gè)2 M（2048kbit）的物理通道。它有32時(shí)隙，0時(shí)隙用于同步，16時(shí)隙一般作為D信道來(lái)傳輸信令，其他用作B信道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 RBC PRI接口監(jiān)測(cè)方法

PRI接口監(jiān)測(cè)的基本方法：將從GSM-R網(wǎng)絡(luò)過(guò)來(lái)的一收一發(fā)兩條同軸電纜經(jīng)阻抗變換后接入三通高阻隔離器。隔離器將一路網(wǎng)絡(luò)輸出繼續(xù)送到ISDN服務(wù)器，將另一路輸出送到專門的PRI接口采集設(shè)備。這樣就能監(jiān)測(cè)到PRI接口的信號(hào)了。

3.3 RBC PRI接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析

從RBC PRI接口監(jiān)測(cè)到的HDLC數(shù)據(jù)幀和從ATP Igsm-r接口監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)幀是一樣的。因此，除了物理層外，各層的數(shù)據(jù)解析也是一樣的。

4 安全以太網(wǎng)接口監(jiān)測(cè)

4.1 安全以太網(wǎng)接口介紹

RBC與聯(lián)鎖、TSR 3個(gè)安全設(shè)備通過(guò)交換機(jī)連接成安全以太網(wǎng)進(jìn)行通信。RBC和TSR之間的安全通信體系結(jié)構(gòu)與RBC和聯(lián)鎖之間的是一樣的。以RBC與聯(lián)鎖的通信為例進(jìn)行說(shuō)明。RBC與聯(lián)鎖的安全通信體系結(jié)構(gòu)采用分層模型，如圖3所示。

從圖3可以看出，RBC與聯(lián)鎖的安全通信體系結(jié)構(gòu)的分層包括：應(yīng)用層、安全層和通信層。其中，應(yīng)用層之間交換RBC與聯(lián)鎖的應(yīng)用信息包，包括RBC發(fā)給聯(lián)鎖的列車信息消息和聯(lián)鎖發(fā)給RBC的信號(hào)授權(quán)消息。安全層提供安全相關(guān)的功能，主要包括信源鑒定，同等實(shí)體鑒定，消息的非法插入、刪除、更改檢查，數(shù)據(jù)完整性檢查，數(shù)據(jù)時(shí)效性檢查等。安全層又分為安全應(yīng)用中間子層（SAI層）和消息檢查安全子層。SAI層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的時(shí)效性（消息的先后順序、消息的延遲、消息的刪除、消息的重復(fù)）檢查。消息檢查安全子層則主要負(fù)責(zé)信源鑒定、消息本身的完整檢查等。通信層負(fù)責(zé)完整的安全層報(bào)文在RBC與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間傳送。通信層又分為ALE子層和傳輸子層。ALE層負(fù)責(zé)安全層和傳輸層的適配，重組嵌入在TCP層連續(xù)字節(jié)流里面的信息包。傳輸層則利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行具體數(shù)據(jù)包傳送。

4.2 基本監(jiān)測(cè)原理

交換機(jī)的端口鏡像功能可以讓用戶將交換機(jī)一個(gè)或多個(gè)端口的所有數(shù)據(jù)流都復(fù)制到某一個(gè)鏡像端口。這樣，通過(guò)在交換機(jī)中設(shè)置端口映射，可以將每個(gè)RBC與聯(lián)鎖、TSR的通信數(shù)據(jù)都映射到交換機(jī)的某一端口，然后將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的交換機(jī)的一個(gè)端口與該端口用網(wǎng)線直接連接。這樣便可以把每個(gè)RBC與聯(lián)鎖、TSR的數(shù)據(jù)交換都在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的交換機(jī)上復(fù)制一份副本。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的交換機(jī)上做二級(jí)端口映射。將所有RBC與聯(lián)鎖、TSR數(shù)據(jù)交換副本的端口再映射到一個(gè)端口上。這樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)卡與該端口相連，便可以監(jiān)測(cè)到所有RBC與聯(lián)鎖、TSR的全部數(shù)據(jù)通信。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析

通過(guò)端口映射直接獲取的RBC與聯(lián)鎖、TSR的接口數(shù)據(jù)是IP包。IP包的包頭有該包的IP源地址和目的地址。通過(guò)這兩個(gè)地址，可以識(shí)別出該IP包是哪個(gè)RBC和哪個(gè)聯(lián)鎖或TSR系統(tǒng)之間的傳輸?shù)腎P包，并判斷傳輸方向。通過(guò)去除IP包頭部，就得到了TCP包。TCP包的包頭有該包的原端口地址和目的端口地址。再去除TCP包頭，就得到了ALE層數(shù)據(jù)包。ALE層數(shù)據(jù)包的包頭是固定的。根據(jù)ALE層數(shù)據(jù)包的包頭結(jié)構(gòu)和各數(shù)據(jù)域定義，就可以很容易地解析出ALE層數(shù)據(jù)包。

ALE層去除包頭后，將得到消息檢查安全子層數(shù)據(jù)包。消息檢查安全子層在SAI層的基礎(chǔ)上增加包頭、MAC校驗(yàn)。包頭用于區(qū)分安全PDU類型和方向。

消息檢查安全子層去除包頭和MAC校驗(yàn)后，將得到SAI層數(shù)據(jù)包。SAI層數(shù)據(jù)包包頭的格式根據(jù)SAI層數(shù)據(jù)包類型的不同分為兩種格式。其中一種格式是使用時(shí)間戳。另一種格式是用循環(huán)計(jì)數(shù)器。根據(jù)SAI層數(shù)據(jù)包包頭的結(jié)構(gòu)，就可以方便地解析出SAI層數(shù)據(jù)包。

SAI層去除包頭后，就得到了RBC與聯(lián)鎖、TSR的應(yīng)用層數(shù)據(jù)包。

RBC與聯(lián)鎖應(yīng)用層數(shù)據(jù)包括列車狀態(tài)信息、信號(hào)授權(quán)信息和緊急區(qū)域信息。每種信息均有固定的格式，可根據(jù)《RBC-聯(lián)鎖應(yīng)用層接口規(guī)范》進(jìn)行解析。

RBC與TSR之間的應(yīng)用信息包包括TSR執(zhí)行命令、綜合刷新請(qǐng)求、TSR綜合狀態(tài)等，可以根據(jù)《RBC-TSR應(yīng)用層接口規(guī)范》進(jìn)行解析。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)各設(shè)備主要接口的監(jiān)測(cè)原理和方法，按照本文構(gòu)造的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，在CTCS-3實(shí)驗(yàn)室和武廣客運(yùn)專線列車運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)中都得到了實(shí)際應(yīng)用。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能完整無(wú)誤地采集到各接口的底層數(shù)據(jù)，并逐層解析，能讓用戶了解CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)各接口每一層當(dāng)前的工作狀態(tài)，為定位列控系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和安全數(shù)據(jù)通信方面出現(xiàn)的故障和問(wèn)題的原因發(fā)揮了重要作用。

[1] CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范（V1.0）[S].

[2] Subset-037 Euroradion FIS (V2.3.0) [S].

[3] ISO/IEC 13239 High-level data link control (HDLC) procedures [S].

[4] [1000002139-BA] GSM-Railway Mobile Termination MT2 User Manual[S].

[5] CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線報(bào)文定義及運(yùn)用原則（武廣客運(yùn)專線）（V0.84）[S].

[6] TSRS-CTC接口規(guī)范 報(bào)批稿[S].

[7] RBC-聯(lián)鎖應(yīng)用層接口規(guī)范[S].