CTCS-3車載通信單元測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

翟旺勛，彭朝亮

(通號工程局集團北京研究設(shè)計實驗中心有限公司，北京 100070)

CTCS-3（簡稱C3）列控系統(tǒng)是中國鐵路最先進和安全可靠的鐵路控制系統(tǒng)，已在高速鐵路得到普遍應(yīng)用。C3 列控系統(tǒng)基于GSM-R 無線通信技術(shù)，兼容CTCS-2（簡稱C2）列控系統(tǒng)，滿足最高運營速度350 km/h、列車正向運行追蹤時間間隔3 min 的要求。

車載通信單元（MT）是C3 列控系統(tǒng)為實現(xiàn)基于GSM-R 無線網(wǎng)絡(luò)雙向信息傳輸?shù)陌l(fā)送和接收模塊，不僅要為列車調(diào)度提供調(diào)度通信服務(wù)，而且承擔機車和地面信息傳輸業(yè)務(wù)。它為C3 列控系統(tǒng)的正常運行提供通信通道基礎(chǔ)，但是現(xiàn)階段C3 列控系統(tǒng)的日常維護工作，儀表操作繁瑣，人工測試效率低，無法對通信單元進行全方位的測試和維護，存在一定的技術(shù)隱患，因此，開發(fā)C3 車載通信單元自動測試系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺是有必要的。

1 車載通信單元介紹與測試方法

1.1 車載通信單元系統(tǒng)構(gòu)成

車載通信單元，即GSM-R 模塊，包括無線通信處理單元、外殼及接口。接口部分包括應(yīng)用設(shè)備連接器、狀態(tài)指示燈、維護接口和RF 連接器，模塊組成如圖1 所示。

根據(jù)用途不同，GSM-R 模塊分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4 類。I 類模塊用于GSM-R 語音業(yè)務(wù)；Ⅱ類模塊用于GSM-R 電路域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；Ⅲ類模塊用于GSM-R 分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；Ⅳ類模塊同時具備Ⅰ類和Ⅲ類模塊功能，可通過對模塊進行設(shè)置，作為Ⅰ類或Ⅲ類模塊使用。

圖1 GSM-R模塊組成示意圖Fig.1 Diagram of the structure of GSM-R modules

GSM-R 模塊業(yè)務(wù)及功能測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示?；咀酉到y(tǒng)（BSS）是由一個基站控制器（BSC）和多個基站收發(fā)信機（BTS）組成，BTS 負責同GSM-R 模塊進行通訊，同時管理空中接口；BSC 的作用是管理BTS 與移動交換中心（MSC）之間的信息流。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）是由移動交換中心（MSC）與一系列相關(guān)數(shù)據(jù)庫組成，主要負責端對端呼叫、用戶數(shù)據(jù)管理、移動性管理和固定網(wǎng)絡(luò)連接。操作和維護子系統(tǒng)（OSS）管理和維護GSM-R 網(wǎng)絡(luò)，操作維護中心（OMC）具體完成管理功能。

圖2 GSM-R模塊業(yè)務(wù)及功能測試系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Structure of test system of services and functions of GSM-R module

C3 列控系統(tǒng)與GSM-R 通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，IFIX接口是列控系統(tǒng)中地面設(shè)備單元與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的移動交換中心（MSC）之間的接口。圖3 中的IGSM-R接口是指C3 車載設(shè)備中的終端設(shè)備與移動終端之間的接口，為信令和用戶數(shù)據(jù)傳輸提供了不同的操作模式。圖中車載通信單元（MT）與GSM-R網(wǎng)絡(luò)之間的Um 接口是其與基站之間交互的無線信息傳輸接口。

圖3 C3列控系統(tǒng)與GSM-R通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the structures of C3 train control and GSM-R communication systems

1.2 車載通信單元測試方法

C3 級采用無線通信技術(shù)，列車的速度可以達到很高而且能夠保證安全，這對無線通信系統(tǒng)的安全可靠提出了極高要求。車載通信單元作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責GSM-R 通信的接收和發(fā)送，其性能的優(yōu)劣將直接影響接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)后的服務(wù)質(zhì)量，進而影響C3 級列車控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，定期對車載通信單元進行檢查和檢測是必要的。遵循鐵路無線通信維護規(guī)則和車載通信單元（MT）定期檢修作業(yè)指導意見，下面以GSM-R 話音單元和數(shù)據(jù)單元發(fā)射機最大輸出功率為例，介紹檢測方法。

GSM-R 數(shù)據(jù)單元發(fā)射機最大輸出功率需滿足的指標如表1 所示。

表1 最大輸出功率需滿足的指標Tab.1 Requirement for maximum power output

檢測方法和步驟如下。

1）GSM-R 數(shù)據(jù)單元插入SIM 卡，開機。

2）移動終端測試儀與GSM-R 數(shù)據(jù)單元建立分組數(shù)據(jù)通信，移動終端測試儀指令GSM-R 數(shù)據(jù)單元以最多時隙發(fā)射，功率控制級設(shè)為2 級。

3）測試正常突發(fā)脈沖的輸出功率，記錄功率值。

2 CTCS-3車載通信單元自動測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

C3 車載通信單元測試系統(tǒng)，主要利用工控機對GSM-R 移動終端綜合測試儀進行操作，對C3 車載通信單元進行技術(shù)指標參數(shù)測試。系統(tǒng)對比C3 車載通信單元的技術(shù)指標和標準要求，準確判斷該單元是否滿足GSM-R 通信要求，并通過技術(shù)參數(shù)的趨勢圖判斷其長期技術(shù)指標的劣化趨勢。C3 車載通信單元測試系統(tǒng)實現(xiàn)C3 車載通信單元的自動測試，操作簡單靈活，可大幅度減少直接使用GSM-R 移動終端綜合測試儀進行測試的測試時間及人為因素影響。

C3 列控車載通信單元測試系統(tǒng)由GSM-R 無線終端測試儀、工業(yè)控制計算機和顯示器組成，可對C3 列控車載通信單元進行技術(shù)指標測試。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示。

圖4 測試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of test system

2.2 GSM-R移動終端綜合測試儀

GSM-R 移動終端綜合測試儀（綜測儀）是專門針對GSM-R 具有的相關(guān)特性和頻段所設(shè)計的。可實現(xiàn)GSM-R 通信單元的技術(shù)指標及信令的測試。

綜測儀具有以下特點：

1）針對GSM-R 終端測試應(yīng)用的專業(yè)綜合測試儀；

2）支持語音組呼業(yè)務(wù)（VGCS）；

3）在語音組呼測試業(yè)務(wù)中定義組號與優(yōu)先級；

4）從終端讀取IMEI（移動設(shè)備國際身份碼）；

5）支持GSM-R 所有頻段范圍。

2.3 工業(yè)控制計算機

工業(yè)控制計算機實現(xiàn)綜測儀的核心控制以及人機交互界面。通過串口、以太網(wǎng)口與系統(tǒng)其他設(shè)備通信，控制其他測試單元，并讀取其他單元的測試結(jié)果及狀態(tài)。工業(yè)控制計算機采用最小空間占用的設(shè)計原則，采用Mini-ITX 主板，其尺寸只有 170 ×170 mm，并能夠提供豐富的接口以及可靠的效能。高度整合的 Mini-ITX 主板平臺的整板功耗低于 100 W，并且提供至少一個基本擴展插槽。Mini-ITX 無論是外型尺寸或電源效率都能滿足C3車載通信單元自動測試系統(tǒng)的要求，如圖5 所示。

2.4 背板接口單元

背板接口單元主要為GSM-R 模塊提供通信、數(shù)據(jù)傳輸、控制和電源輸入功能，包括電源接入接口、繼電器控制接口和串口單元。

電源輸入接口是為繼電器和串口芯片提供電源。該接口支持DC6 ～24 V 的寬電壓輸入范圍，模塊采用的是DC/DC 降壓IC：RT7272，可以提供非常高的電源轉(zhuǎn)換效率，以及寬電壓輸入范圍。并且采用電源防反接保護和TVS 電壓保護雙重保護措施，有效提供模塊的可靠性。電源電路如圖6 所示。

測試單元繼電器接口是高性能的帶隔離繼電器模組，驅(qū)動電壓為直流5 V，輸入信號為高電平有效，且都經(jīng)過光耦隔離，更加安全并具有很強的抗干擾能力，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，適合控制車載通信單元模塊的功率。繼電器相當于一個單刀雙擲開關(guān)，這個開關(guān)的公共觸點是繼電器的公共端，當繼電器輸入信號無效時，單刀雙擲開關(guān)的公共端則打到常閉端，當繼電器輸入信號有效時，單刀雙擲開關(guān)的公共端則打到常開端。系統(tǒng)通過繼電器來控制車載通信單元供電電路的通斷。繼電器調(diào)理電路如圖7 所示。

串口單元負責被測車載通信單元的控制和電平轉(zhuǎn)換，被測車載通信單元的輸出電平是TTL 電平，轉(zhuǎn)換為RS-232 電平輸出到工業(yè)控制計算機，并把工業(yè)控制計算機的RS-232 電平轉(zhuǎn)換為TTL 電平輸出到被測車載通信單元。使用集成芯片MAX232 實現(xiàn)TTL和RS-232 的電平轉(zhuǎn)換。串口芯片電路如圖8所示。

2.5 電源模塊

圖5 工控機內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of industrial PC

圖6 電源輸入接口Fig.6 Input interface of power supply

電源模塊為工業(yè)控制計算機、GSM-R 移動終端綜合測試儀、GSM-R 通信單元和顯示單元供電，通過電壓轉(zhuǎn)換、濾波和防護浪涌處理，將AC 220 V 輸入電壓轉(zhuǎn)換成DC12 V，實現(xiàn)高質(zhì)量的供電性能。電源模塊的工作流程：當市電進入電源后，先通過濾波，然后經(jīng)過全橋電路整理和大容量高壓濾波電容進一步整流濾波，再通過開關(guān)三極管進行變壓，然后濾除高頻交流部份，最后得到穩(wěn)定低壓的直流輸出。電源模塊調(diào)理電路如圖9 所示。

圖7 繼電器調(diào)理電路Fig.7 Circuits for processing relays

圖8 串口調(diào)理電路Fig.8 Circuits for processing serial ports

圖9 電源模塊調(diào)理電路Fig.9 Circuits for processing power supply module

3 CTCS-3車載通信單元自動測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)

C3 車載通信單元測試系統(tǒng)按照層次結(jié)構(gòu)劃分，可以分為3 層結(jié)構(gòu)，這3 層分別為顯示層、控制與處理層和通信層。顯示層用于軟件與用戶之間的交互活動；控制與處理層用于控制GSM-R 移動終端測試儀進行測試且處理測試儀返回的測試結(jié)果；通信層用于和GSM-R 移動終端測試儀的數(shù)據(jù)交互。顯示層包含主用戶界面操作與顯示模塊、歷史測試結(jié)果數(shù)據(jù)查詢、表格方式顯示歷史測試結(jié)果數(shù)據(jù)模塊、趨勢圖方式顯示歷史測試結(jié)果數(shù)據(jù)模塊、餅狀圖方式顯示歷史測試結(jié)果數(shù)據(jù)的故障類型分布模塊、歷史測試結(jié)果數(shù)據(jù)打印模塊、導出歷史測試結(jié)果模塊等?？刂婆c處理層包含GSM-R 移動終端測試儀控制模塊、測試結(jié)果處理模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊等。通信層包含通信初始化模塊、通信數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、通信數(shù)據(jù)接收模塊等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖10 所示。

3.2 功能性需求分析

對C3 車載通信單元測試系統(tǒng)的功能性需求進行分類，可以分為5 大類，分別為：C3 車載通信單元測試系統(tǒng)通信功能、GSM-R 移動終端綜合測試儀控制功能、測試結(jié)果記錄功能、測試結(jié)果顯示功能、測試結(jié)果查詢分析功能。

利用需求分析的工程性方法，給系統(tǒng)的功能類別、子功能制定、分配一個由字母構(gòu)成的名稱，作為身份（identification，ID）號使用，可以使需求定義明確，具有唯一性，有助于對需求進行跟蹤。C3車載通信單元測試系統(tǒng)的功能類別、子功能名稱的功能列表，如表2 所示。

圖10 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.10 System architecture

表2 功能需求列表Tab.2 List of functional requirements

根據(jù)鐵路無線通信維護規(guī)則，規(guī)定C3 車載通信單元的技術(shù)指標測試標準值，發(fā)射技術(shù)指標包括最大峰值功率、載波頻率誤差、峰值相位誤差、均方根相位誤差和發(fā)射機突發(fā)脈沖定時；接收技術(shù)指標包括接收靈敏度，詳細的對應(yīng)標準如表3 所示。

3.3 軟件功能實現(xiàn)

系統(tǒng)主要的功能是使用C#編程語言實現(xiàn)，包括C3 車載通信單元的自動測試、測試結(jié)果顯示、分析和保存，歷史測試結(jié)果查詢和分析，歷史測試結(jié)果的導出和管理。

程序啟動后，首先檢查模塊和綜測儀是否打開，

若沒有打開，則進行報警，并提示操作人員打開。正常打開后，程序通過串口調(diào)取模塊IMEI 號，并記錄測試人、地點和時間。然后系統(tǒng)設(shè)定信道進行測試，指令使綜測儀與模塊建立分組數(shù)據(jù)通信，配置模塊最多實際發(fā)送模式，功率控制級設(shè)為2 級。等待模塊運行，系統(tǒng)從綜測儀調(diào)取數(shù)據(jù)包，分析幀結(jié)構(gòu)，讀取最大峰值功率、載波頻率誤差、均方根相位誤差和發(fā)射機突發(fā)脈沖定時等發(fā)送性能，并將信息存儲到數(shù)據(jù)庫。接下來進行接收性能測試，系統(tǒng)設(shè)置綜測儀在靜態(tài)傳播條件下發(fā)送分組數(shù)據(jù)包，在所分配時隙上使用被測通信單元支持的最高速率編碼方式編碼，并設(shè)置滿足的電平。統(tǒng)計發(fā)送字塊數(shù)量和未被車載通信單元證實的字塊數(shù)，計算測量字塊差錯率特性，并存儲數(shù)據(jù)。判斷是否將設(shè)置信道全部測試，對測試結(jié)果進行存儲、統(tǒng)計和顯示。程序測試流程如圖11 所示。

4 系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺實現(xiàn)

圖11 程序測試流程圖Fig.11 Flowchart of program testing

C3 車載通信單元自動測試系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺，結(jié)構(gòu)采用操作臺形式，顯示屏幕和鍵盤在結(jié)構(gòu)的前面，內(nèi)部包括控制主板、GSM-R 模塊母板、測試單元、供電電源等。被測模塊從前面板預留測試插槽插入。實物如圖12 所示。

系統(tǒng)主界面可以進行自動測試、定制測試、查詢、系統(tǒng)信息顯示和關(guān)機等功能操作，如圖13 所示。系統(tǒng)對C3 車載通信單元進行自動測試，顯示測試結(jié)果，在測試過程中可以終止測試。選擇測試全部信道，可測試從1000 到1019 的全部信道；選擇測試部分信道，可由用戶從999 到1019 中選中的信道測試。

圖12 C3車載通信單元測試系統(tǒng)監(jiān)測平臺實物圖Fig.12 Photo of monitoring platform of test systems of C3 onboard communication units

圖13 監(jiān)測平臺測試界面Fig.13 Interface of testing of monitoring platform

查詢界面以表格形式顯示歷史測試結(jié)果數(shù)據(jù)，可以查看全部指標的餅狀圖統(tǒng)計結(jié)果，也可以查看最大峰值功率、載波頻率誤差、峰值相位誤差、均方根相位誤差、發(fā)射機突發(fā)脈沖定時和接收靈敏度的折線圖變化趨勢，如圖14 所示。

C3 車載通信單元測試系統(tǒng)具有以下特點：

1）集成式一體結(jié)構(gòu)，使用方便；

2）測試結(jié)果精確，避免了人工測試過程中人為因素的干擾；

3）具有良好的交互界面；

4）具有分析功能，可以顯示歷史測試結(jié)果的變化趨勢圖、以餅狀圖方式顯示歷史測試結(jié)果數(shù)據(jù)的故障類型分布；

5）具有數(shù)據(jù)導出功能，可以在遠端管理機關(guān)查看測試結(jié)果。

5 結(jié)論

圖14 監(jiān)測平臺統(tǒng)計界面Fig.14 Interface of statistics of monitoring platform

綜合監(jiān)控平臺對C3 車載通信單元的技術(shù)指標進行測試和監(jiān)控，測試999、1009、1019 3 個信道，人工測試需要35 min，而自動測試僅用3 min，極大的提高工作效率?，F(xiàn)在C3 車載通信單元自動測試系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺已經(jīng)在北京鐵路局、上海鐵路局、西安鐵路局和蘭州鐵路局等得到部署，監(jiān)控車載通信單元指標變化趨勢，提高管理水平。綜合監(jiān)控平臺，不僅在第二屆世界智能大會上，得到與會專家和業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，而且在中國鐵路總公司工電部電務(wù)安全工作會議上，也收到總公司領(lǐng)導和參會人員的一致好評。

C3 車載通信單元自動測試系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺的研制，實現(xiàn)對C3 車載通信單元的技術(shù)指標測試及綜合統(tǒng)計，促進維護工作的效率提升和故障預防，降低了安全隱患，為MT 設(shè)備的管理和維護提供科學手段。