鄭徐高鐵CTCS-3無線超時(shí)分析

劉立海，代 賽

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

國內(nèi)高速鐵路建設(shè)已經(jīng)10 年多了，GSM-R 系統(tǒng)作為高速鐵路最重要的通信系統(tǒng)之一，承擔(dān)著CTSC-3（簡稱C3）列控系統(tǒng)車地安全信息傳送、調(diào)度通信、區(qū)間維護(hù)作業(yè)等重要無線通信業(yè)務(wù)，對高速鐵路的運(yùn)營與安全保障起著重要作用。經(jīng)過10年多的建設(shè)和運(yùn)用，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)豐富，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及服務(wù)越來越穩(wěn)定。

常見的故障，如常規(guī)無線覆蓋弱場、多徑干擾、區(qū)間普通切換掉話等問題已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、施工網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、聯(lián)調(diào)聯(lián)試中得到充分的化解，開通后若出現(xiàn)這些常見問題，維護(hù)部門也很容易排除。如果經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動(dòng)態(tài)驗(yàn)收合格的網(wǎng)絡(luò)剛開通就出現(xiàn)問題，則是一些非常見問題，或者說聯(lián)調(diào)聯(lián)試或試運(yùn)行還不夠充分，一些隱蔽問題還沒有被發(fā)現(xiàn)。

本文將通過分析鄭徐高鐵開通初期C3 超時(shí)故障的原因，對GSM-R 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)制作、聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作提出一些建議，供高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、調(diào)試等參考。

2 故障現(xiàn)象描述

鄭徐高鐵于2016 年9 月10 日開通，10 日、11 日多趟列車在徐州東線路所附近的京滬高鐵RBC7 向鄭徐高鐵RBC3 切換時(shí)，出現(xiàn)備用電臺無法發(fā)起呼叫（電臺表現(xiàn)無信號的脫網(wǎng)狀態(tài)），導(dǎo)致C3 單電臺交接；個(gè)別列車出現(xiàn)C3 超時(shí)提醒，司機(jī)不懂如何操作，觸發(fā)制動(dòng)。12 日濟(jì)南局在MSC 補(bǔ)充制作RBC3 數(shù)據(jù)后，徐州東線路所附近故障消除。但13 ～14 日多趟車在100 多公里外的上海局和鄭州局界進(jìn)行無線切換時(shí)，發(fā)生切換失敗，網(wǎng)管顯示各基站設(shè)備正常，也有多趟列車切換正常，而從鄭州局往徐州東方向運(yùn)行的所有列車均未出現(xiàn)問題。

這里的故障主要涉及兩個(gè)區(qū)域。一是上海局與濟(jì)南局局界，即徐州東線路所附近；二是鄭徐高鐵上海局與鄭州局局界，即碭山南站進(jìn)站信號機(jī)附近。為便于分析問題，首先介紹相關(guān)線路、RBC 設(shè)置及無線覆蓋基本情況。

3 無線覆蓋方案及MSC、RBC管轄范圍

3.1 徐州東站附近無線覆蓋及MSC管轄范圍

徐州東線路所附近京滬高鐵與鄭徐高鐵線路位置關(guān)系及此區(qū)域無線覆蓋情況如圖1 所示。徐州東為京滬高鐵建設(shè)車站，京滬高鐵設(shè)計(jì)最高速度超過350 km/h，信號采用C3 級列控系統(tǒng)。在交叉處附近鄭徐高鐵線路上設(shè)置徐州東線路所，以便引入徐州東站預(yù)留的徐連場，徐連場不同期建設(shè)。鄭徐高鐵同為350 km/h、C3 鐵路，GSM-R 網(wǎng)絡(luò)采用冗余覆蓋方案，在其開始設(shè)計(jì)時(shí)，京滬高鐵已經(jīng)建成，開通了GSM-R 網(wǎng)絡(luò)，按單網(wǎng)交織冗余覆蓋方式設(shè)計(jì)。

圖1 鄭徐高鐵引入徐州東站無線覆蓋方案示意圖Fig.1 Scheme of radio coverage of Xuzhou East Station due to the access of Zhengzhou-Xuzhou High-speed Railway

考慮到京滬高鐵當(dāng)時(shí)采用的原諾西基站不具備分布式基站組網(wǎng)功能，為了減少對京滬高鐵既有線運(yùn)營的影響，鄭徐高鐵引入徐州東站方案如下。

在鄭徐高鐵與京滬高鐵交叉處附近的徐州東線路所設(shè)置雙套直放站，同時(shí)引接兩相鄰的京滬高鐵濟(jì)南局范圍的既有ZZ-XZD18 和ZZ-XZD19 基站信號（經(jīng)測試和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后調(diào)整為僅連接ZZXZD18）。在鄭徐高鐵K197+462 處設(shè)置雙套基站。

此區(qū)域基站與MSC 對應(yīng)關(guān)系為：京滬高鐵徐州東（含車站基站）至上海方向的基站接入京滬高鐵在南京設(shè)置的BSC，與上海GSM-R 核心網(wǎng)相連；京滬高鐵徐州東（不含車站基站）至北京方向的基站接入京滬高鐵在濟(jì)南設(shè)置的BSC，與濟(jì)南GSM-R 核心網(wǎng)相連；鄭徐高鐵K197+462（含）至碭山南站（含）的基站接入鄭徐高鐵在徐州東新設(shè)的BSC，接入上海GSM-R 核心網(wǎng)。

維護(hù)分界：京滬高鐵濟(jì)南局和上海局的通信系統(tǒng)維護(hù)分界設(shè)置在徐州東往北京方向的出站信號機(jī)附近，徐州東站（含）至上海方向由上海局負(fù)責(zé)維護(hù)，徐州東（不含）至北京方向由濟(jì)南局負(fù)責(zé)維護(hù)。鄭徐高鐵從徐州東（含）至碭山南站（含）均由上海局負(fù)責(zé)維護(hù)。

3.2 上海局管內(nèi)RBC管轄范圍

鄭徐高鐵在上海局管段內(nèi)設(shè)置1 套（RBC3），在鄭州局管段內(nèi)正線設(shè)置2 套（RBC1、RBC2）。RBC管轄范圍如圖2 所示。上海局管內(nèi)碭山南—徐州東線路所（不含）以及銅山聯(lián)絡(luò)線由鄭徐RBC3 管轄，徐州東線路所至徐州東站由京滬高鐵RBC7 管轄。

圖2 鄭徐高鐵RBC管轄范圍示意圖Fig.2 Illustration of RBC administration ranges of Zhengzhou-Xuzhou High-Speed Railway

局界RBC 移交位置：京滬高RBC7 與鄭徐RBC3 移交點(diǎn)下行線在K199+857，上行線在K200+396，呼叫點(diǎn)距離移交點(diǎn)4 509 m；鄭徐RBC3 與鄭徐RBC2 的移交點(diǎn)下行線在K311+814，上行線在K312+354，呼叫點(diǎn)大約在移交點(diǎn)前方約4.5 km。

3.3 跨MSC切換與RBC切換位置關(guān)系

從徐州東站出發(fā)往鄭州方向，涉及3 個(gè)鐵路局，3 次跨MSC 切換。首先是上海局MSC 與濟(jì)南局MSC 間切換，發(fā)生在京滬高鐵XuZhouDong與ZZX-XZD19 基站間，對應(yīng)鄭徐高鐵里程為K188+066 與K191+051 間；接著發(fā)生濟(jì)南局MSC與上海局MSC 間切換，發(fā)生在鄭徐高鐵ZZXXZD19/R1/R2（設(shè)置在徐州東線路所的雙套直放站）與XZD-TSXLS01A/B(雙套基站)間，對應(yīng)里程為鄭徐高鐵客專K193+011 與K197+462 間；最后上海局MSC 與鄭州局MSC 間切換，發(fā)生鄭徐高鐵DangShanNan 與DSN-SQ01 基站間，對應(yīng)里程為鄭徐高鐵客專K298+327 與K301+277 間。

RBC 切換情況描述見3.2 節(jié)，跨MSC 切換和RBC 移交位置相對關(guān)系如圖3 所示。

圖3 跨MSC切換與RBC移交位置相對關(guān)系示意圖Fig.3 Illustration of areas of MSC handover and RBC handover

4 故障原因分析及解決方案

4.1 備用C3電臺無法發(fā)起呼叫、單電臺交接問題

首先分析運(yùn)營最初兩天出現(xiàn)的在徐州東站附近C3 備用電臺無法發(fā)起呼叫、C3 單電臺交接問題。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，所有出現(xiàn)故障的車均為京滬高鐵上海局方向發(fā)過來的車，而北京局方向發(fā)過來的車（在徐州東站換向）或徐州東始發(fā)車未出現(xiàn)問題。原因在于上海局方向發(fā)過來的列車以C3 方式通過徐州東站，而北京方向發(fā)過來在換向或徐州東始發(fā)的列車以C2 方式運(yùn)行，在徐州東線路所后才轉(zhuǎn)為C3。

對于上海方向運(yùn)行過來的C3 列車，通過對照3.3 節(jié)跨MSC 切換及RBC 切換相對位置關(guān)系，發(fā)現(xiàn)京滬高鐵RBC7 到RBC3 切換的C3 起呼位置剛好在濟(jì)南局的兩個(gè)基站范圍內(nèi)。分析11 日多趟出現(xiàn)問題的車載電臺的腳本數(shù)據(jù)，如圖4 所示，車載電臺持續(xù)提示“Network resource not available”，經(jīng)檢查，是由于濟(jì)南局MSC 內(nèi)未制作RBC3 號碼數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在RBC 交接區(qū)C3 備用車載電臺在濟(jì)南局基站范圍內(nèi)無法呼叫RBC3，因此信號C3 主用電臺與RBC7 連接中斷后，需待列車運(yùn)行到鄭徐高鐵基站范圍后，中斷后的電臺才可以正常發(fā)起呼叫，故表現(xiàn)為單電臺交接。

圖4 車載電臺腳本數(shù)據(jù)Fig 4. Script data of on-board radio terminals

而對于從北京方向運(yùn)行過來的列車，由于需要換向運(yùn)行，以C2 方式從徐州東站發(fā)車，在濟(jì)南局不能發(fā)起呼叫，持續(xù)以C2 方式運(yùn)行，等運(yùn)行到鄭徐高鐵基站范圍才發(fā)起呼叫。

因此出現(xiàn)以上現(xiàn)象，即上海方向過來的列車出現(xiàn)超時(shí)制動(dòng)、單電臺交接，北京方向過來的列車沒有出現(xiàn)問題。實(shí)際上是都會(huì)出現(xiàn)C3 車載電臺無法發(fā)起呼叫的問題，只是部分問題被掩蓋了。

4.2 C3無線超時(shí)問題

發(fā)現(xiàn)問題后，濟(jì)南局補(bǔ)充制作了相關(guān)數(shù)據(jù)，徐州東線路所附近超時(shí)制動(dòng)、單電臺RBC 交接問題得到解決，但出現(xiàn)新的問題，即幾乎所有從徐州往鄭州方向運(yùn)行的列車運(yùn)行至上海局與鄭州局局界跨MSC 切換處（DangShanNan 與DSN-SQ01 基站間）出現(xiàn)中斷。查看交換子系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)網(wǎng)管，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，分析接口監(jiān)測信令數(shù)據(jù)，相關(guān)基站信號正常，而且此處從鄭州往徐州方向跨MSC 切換正常，分析上海局接口跟蹤的現(xiàn)象如圖5 所示。

圖5 接口監(jiān)測系統(tǒng)記錄Fig.5 Records captured by the interface monitoring system

切換從鄭徐高鐵在徐州東站設(shè)置的xzBSC1發(fā)起，請求切換到鄭徐高鐵在鄭州東站設(shè)置的zzBSC6，但是被MSC 拒絕，其后的所有嘗試都失敗。繼續(xù)檢查呼叫信令，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)呼叫是從另一個(gè)MSC 切換而來，如圖6 所示。

此處能與上海MSC 進(jìn)行切換的MSC 只有濟(jì)南MSC，C3 呼叫是在濟(jì)南MSC 下發(fā)起的，切換至上海MSC 后繼續(xù)運(yùn)行，然后再次切換至鄭州MSC 時(shí)失敗，失敗的拒絕消息來自濟(jì)南MSC。

基于以上分析，懷疑濟(jì)南MSC 中未制作鄭徐高鐵鄭州段的外部LAC，導(dǎo)致故障發(fā)生。經(jīng)在濟(jì)南MSC 中補(bǔ)充鄭徐高鐵鄭州范圍的位置區(qū)（LAC）數(shù)據(jù)問題得到解決。

此原因?yàn)?GPP 協(xié)議規(guī)定，所有跨MSC 切換，需要由最初發(fā)起呼叫的MSC 來管理。而鄭徐高鐵從徐州至鄭州方向運(yùn)行的列車向RBC3 發(fā)起C3 呼叫在濟(jì)南局范圍，運(yùn)行至上海局與鄭州局局界跨MSC 切換時(shí)，需要發(fā)起的MSC 來管理該連接，要檢查目的基站的LAC，在自身數(shù)據(jù)庫中查找。而濟(jì)南MSC 中未制作鄭徐高鐵鄭州段的外部LAC，從而導(dǎo)致上海局與鄭州局跨MSC 切換處中斷。舉個(gè)例子，若從北京西站發(fā)起一個(gè)長呼一直到深圳北，這中間需要跨越鄭州局、武漢局、廣鐵MSC，每次跨MSC 切換均需北京局MSC 來管理，需要檢查切換的目的LAC。

圖6 切換信令跟蹤記錄Fig.6 Records of tracing handover signals

問題的表面原因是在濟(jì)南局和鄭州局MSC 相關(guān)數(shù)據(jù)未制作，深層次的原因是，編號數(shù)據(jù)與各路局需要制作的數(shù)據(jù)在范圍和內(nèi)容上沒有一一對應(yīng)關(guān)系，而且也沒有相關(guān)規(guī)范或規(guī)定進(jìn)行明確，施工單位的調(diào)試、測試和聯(lián)調(diào)聯(lián)試及試運(yùn)行均未發(fā)現(xiàn)此問題。

5 建議

出現(xiàn)問題后，原鐵路總公司電務(wù)部組織鐵路局、設(shè)計(jì)、施工、廠家分別進(jìn)行故障分析，并在北京召開專題會(huì)議。這次涉及的問題比較特殊，平時(shí)很難碰到，即使大家對RBC 的管轄范圍很明確，可以避免濟(jì)南局漏做數(shù)據(jù)的問題，但也很難避免第二個(gè)問題，還需要聯(lián)調(diào)聯(lián)試來發(fā)現(xiàn)問題，因此各方面提出以下建議。

工程設(shè)計(jì)方面：在編制GSM-R 網(wǎng)絡(luò)編號方案文件時(shí)，需說明RBC 的覆蓋范圍、切換點(diǎn)、起呼點(diǎn)位置，以及與GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)關(guān)系，標(biāo)記跨MSC 切換位置。這些位置及范圍在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中可能會(huì)調(diào)整，因此編號要考慮這種可能性，范圍可以重疊一些、大一些。

數(shù)據(jù)制作方面：制定數(shù)據(jù)制作相關(guān)的規(guī)范，明確需要制作的數(shù)據(jù)種類、內(nèi)容和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)范圍等。在施工調(diào)試階段，做好通信信號的集成調(diào)試工作，根據(jù)批復(fù)的編號方案和信號的方案提出具體核心網(wǎng)和無線網(wǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)制作內(nèi)容，并進(jìn)行調(diào)試、試驗(yàn)、測試。

聯(lián)調(diào)聯(lián)試及試運(yùn)行方面：在C3 線路中，由于C3 中斷、C3 兼容C2，建議通信按C3 區(qū)段的任何位置均應(yīng)滿足可以重新發(fā)起C3 呼叫考慮，這一場景一定要試驗(yàn)到，因此建議對照RBC 管轄范圍，進(jìn)行實(shí)際RBC 連接試驗(yàn)。同時(shí)，建議信號的試驗(yàn)與通信結(jié)合起來，考慮到信號運(yùn)用的各種場景，按實(shí)際運(yùn)營場景的用例進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試和試運(yùn)行，以期盡早發(fā)現(xiàn)問題。