1 概述

  近年来,随着我国铁路事业的飞速发展,铁路信息化、智能化程度不断完善,越来越多的非安全相关业务系统相继投入到铁路的日常运营及维护工作中。在众多非安全相关业务系统中,部分业务系统与列车的运营及维护相关,为了能够更好的发挥系统的作用,该部分系统需要获取列车的实时位置信息。

  由于现有列车已基本不具备安装新定位装置的条件,因此很难通过在列车加装新设备的方式获取列车的实时位置信息。另外,现行的绝大部分能够提供列车位置信息的系统均属于安全相关业务,为保障列车的安全运营,原则上亦不允许向新建的非安全相关业务系统开放提供列车实时位置信息的接口。为此,如何安全的向新增的智能化铁路运维系统提供列车的实时位置信息成为一个需要解决的问题。

2 列车位置信息定义

  列车位置信息在列车运行控制技术中具有重要地位,是列车高速安全运行的基本保障。列车超速防护系统(ATP)需要列车的实时速度、位置以及目标点计算速度防护曲线;地面列车控制系统根据列车位置信息实时更新轨道占用状态,及时调整后续列车的停车点;列车自动驾驶系统(ATO)根据列车位置信息和线路的限速信息计算出速度控制曲线,实现列车运行速度的自动调整并保证列车的正点率以及乘坐舒适性 [1]。

  列车位置信息是用以表示列车在铁路区间运行及在车站到发或通过的空间矢量信息。目前CTCS-3级列车运行控制系统采用里程计和查询应答器相结合的方式进行列车定位,其原理是在铁路沿线间隔一定距离设置查询应答器,每个查询应答器存储它自身的识别号码、固定线路信息、限速信息、进路信息等,列车每经过一个查询应答器会读取其识别号,通过查询车载电子地图获得列车在轨道上的绝对位置信息。在两个查询应答器之间,通过里程计计算而得出列车相对于绝对位置的相对距离[2]。

  列车位置信息不仅仅指运行线路及公里标信息,还包括途经无线网的小区标识、经纬度、占用股道、速度及行车方向等信息,各类信息意义如表1所示。

3 列车位置信息的获取途径

  列车的位置信息可以从CTCS-3列控系统、调度集中控制系统(CTC)、GPRS接口服务器系统(GRIS)、列控设备动态监测系统(DMS)及GSM-R网络接口监测系统(以下简称“接口监测系统”)等业务系统中提取:

  1)CTCS-3列控系统通过无线报文实现车载设备和地面设备交互,其中车向地发送的无线消息里包括列车位置报告消息。根据无线报文定义规定,列车位置报告消息包括最近相关应答器LRBG的编号、最近相关应答器组与列车估计前端(在激活的驾驶室侧)之间的距离、实际列车速度及相对于LRBG方向的列车运行方向[3]等信息,通过解析计算可得到列车的公里标、速度及行车方向。

  2)CTC系统通过车次号校核及调度命令信息实现列车的校核及调度控制,车次号校核及调度命令信息中包含列车身份及列车位置信息,其中位置信息包括列车公里标、速度、经纬度及占用股道等信息[4]。

  3)CIR与CTC通过GPRS网络实现列车与地面设备间的车次号校核及调度命令信息的传送,而GRIS系统是GPRS网络与地面CTC系统的通信中转站。所有经GPRS网络传送的车地交互信息必须经过GRIS转发,因此通过GRIS系统能获取车次号校核及调度命令信息中包含的列车位置信息,可获取的位置信息包括列车公里标、速度、经纬度及占用股道等信息。

  4)DMS系统负责列控车载设备动态监测,包括列车运行状态信息实时监测,能监测列车的运行速度、里程、线路名称、车次等。因此能通过DMS系统获取的列车位置信息包括公里标、速度等信息。

  5)接口监测系统能够对GSM-R网络电路域及分组域的全部主要接口进行监测。对电路域业务数据的监测,能获取CTCS-3列控系统车地传输的无线报文信息及途经无线小区信息,通过无线报文信息可获知列车的运行线路、公里标、速度及行车方向等信息;对分组域业务数据的监测,能获取车地间的车次号校核信息、调度命令信息,通过这些数据可获知列车的途经无线小区、公里标、速度、经纬度、占用股道、速度及行车方向等信息。

4 接口监测系统的发展及现状

  从我国第一条采用GSM-R无线通信网承载ITCS列控业务的青藏铁路开始,之后又陆续开通了京津、武广、沪宁、沪杭、京沪、哈大、沪昆等多条采用GSM-R无线通信网承载CTCS-3级列控业务的高铁线路,各条线路所属路局的核心网机房都部署了接口监测系统。利用接口监测系统对GSM-R网络中各接口的数据进行跟踪监测,通过采集、解析各接口的网络信令及列控业务数据,识别列控用户通信异常,并对无线网络性能及故障信息进行分析、统计。

  最初的接口监测系统只监测Abis接口、A接口及PRI接口,随着高铁线路相继开通,运营环境的多样性及复杂性也有所增加,在分析无线超时故障时,仅依靠原有的三接口监测系统提供的接口数据不够完善,以至于无法准确定位故障点。

  为了能更好的分析无线超时故障并提高GSM-R网络的运维效率,接口监测系统也逐步进行完善:

  1)电路域发展到能够监测Igsm-r接口、车载侧Um接口、基站侧Um接口、Abis接口、A接口及PRI接口的主要接口;

  2)同时,铁路分组域业务的应用及相关维护技术也在不断发展,承担调度命令、列车进路预告、无线车次号信息、列控设备动态监测系统等应用数据的传输,因此接口监测系统也对GPRS网络的Gb接口、Gn/Gp接口和Gi接口进行监测;

  3)另外,为完善C3跨局呼叫的跟踪,保证跨局切换的连续性,接口监测系统又增加了对GSM-R网络7号信令相关接口的监测,实现对C/D接口、E/G接口、L接口及Gr接口的监测。

  目前,接口监测系统所监测的接口范围已涵盖电路域、分组域及7号信令子网的全部主要接口。

5 接口监测系统中列车位置信息的提取及计算

  接口监测系统可以从所监测的电路域及分组域的多个接口提取位置信息,下面以电路域的A接口和分组域的Gb接口为例来说明如何提取位置信息。

  5.1 电路域A接口提取位置信息

  5.1.1 通过A接口监测到的业务数据信息

  1)可采集到所有列车(ATP)与地面列控设备(RBC)间传输的无线报文信息,其中ATP向RBC发送的列车位置报告消息(消息136)中包含位置报告信息包(信息包0)或基于两个应答器组的位置报告信息包(信息包1),两种信息包都包含变量NID_LRBG、Q_SCALE、D_LRBG、Q_DLRBG、V_TRAIN,分别表示最近相关应答器组(LRBG)的标识号、距离/长度的分辨率、最近相关应答器组与列车估计前端(在激活效驾驶室侧)之间的距离、限定词指出列车估计前端位于LRBG哪一侧、实际列车速度。

  2)通过NID_LRBG值计算列车公里标:从应答器配置表中对应出应答器组的公里标及所在的上下行轨道,当应答器的方向在下行线路时:如果Q_DLRBG为0(反向),则列车的公里标=应答器组公里标-Q_SCALE*D_LRBG/1 000;如果Q_DLRBG为1(正向),则列车的公里标=应答器组公里标+Q_SCALE*D_LRBG/1 000;当应答器的方向在上行线路时:如果Q_DLRBG为0(反向),则列车的公里标=应答器组公里标+Q_SCALE*D_LRBG/1 000;如果Q_DLRBG为1(正向),则列车的公里标=应答器组公里标-Q_SCALE*D_LRBG/1 000。

  3)通过V_TRAIN值计算列车运行速度:列车的速度= V_TRAIN*5。

  5.1.2 通过A接口监测到的网络信令

  1)列车MT发起呼叫时,可采集到A接口携带的CM Service Request层3信令,从该条信令的Cell Identifier信元可解析获得列车所在小区的位置区标识(LAC)及小区标识(CI),结合这两个标识值对应出唯一的小区,得到小区信息[5]。

  2)列车运行过程中,MT发生越区切换时,可采集得到BSSMAP层的HANDOVER PERFORMED信令,从该条信令的Cell Identifier信元可解析获得列车所在小区的位置区标识(LAC)及小区标识(CI),结合这两个标识值对应出唯一的小区,得到小区信息。

  5.2 分组域Gb接口提取位置信息

  5.2.1 通过Gb接口监测到的业务数据信息

  1)可采集到调度命令及车次号校核信息。

  2)调度命令中的“确认和调车请求确认数据帧”包含签收地点公里标值、签收地点卫星定位经度、签收地点卫星定位纬度字段。GSM-R模式下CIR发送车次号信息数据帧中的“TXT输出的列车运行数据帧”包含时速和公里标字段。

  3)签收地点公里标值字段采用二进制编码,单位为m,高位在前,低位在后,Bit23是公里标符号位,Bit22表示公里标为递增或递减,Bit21-Bit0表示公里标绝对值,将该字段转化为十进制,即可得到列车的公里标信息。

  4)签收地点卫星定位经度和签收地点卫星定位纬度字段采用压缩BCD码,低3个字节表示“分”,高字节表示“度”,将其转为十进制即可得到列车的经纬度信息。

  5)实速字段采用二进制编码,Bit9-Bit0表示速度,将其转化为十进制即可得到列车速度信息[4]。

  6)公里标字段采用二进制编码,单位为m,高位在前,低位在后,Bit23是公里标符号位,Bit22表示公里标为递增或递减,Bit21-Bit0表示公里标绝对值,将该字段转化为十进制,即可得到列车的公里标信息。

  5.2.2 通过Gb接口监测到的网络信令

  可采集到UL-UNITDATA、BVC-RESET、BVC-RESET-ACK信令,这3类信令均能解析得到Cell Identity信元和Routing Area Identification信元,Cell Identity信元提供小区标识值,Routing Area Identification信元提供位置区标识,结合这两个标识值对应出唯一的小区,得到列车的小区信息[7]。

6 接口监测系统列车位置信息共享方法探讨

  接口监测系统能够提取出运行线路、公里标、无线网小区、经纬度、占用股道、速度及运行方向等全方位的列车位置信息,而一些新增的非涉安铁路业务系统亦有使用列车位置信息的需求,为提高接口监测系统中列车位置信息的利用率,并保证列车位置信息的安全使用,现对位置信息共享方法进行探讨。

  1)安全性设计

  鉴于安全性的要求,接口监测系统和非涉安铁路业务系统进行数据交互时,需要对其进行身份认证。连接成功后,非涉安铁路业务系统向接口监测系统发送身份信息,包括系统IP地址、系统代号、接口协议代号、鉴权参数等,接口监测系统对身份信息进行验证,并返回认证结果信息,包括认证成功和认证失败。

  a.如果认证成功,接口监测系统和非涉安铁路业务系统继续进行数据交互。

  b.如果认证失败,接口监测系统返回失败原因,包括重复认证、非法认证等,并断开和非涉安铁路业务系统的连接。

  2)高实时性要求的位置信息共享方法

  如果非涉安铁路业务系统对列车位置信息的需求是高实时性的,接口监测系统支持TCP连接方式进行数据推送,其中接口监测系统为服务端。

  身份认证成功后,非涉安铁路业务系统向接口监测系统发送位置信息请求,位置信息请求消息的字段包括帧头标识、数据长度、数据类型、位置信息类型、车次号、时间等,其中位置信息类型包括公里标、小区、经纬度、速度、行车方向等。接口监测系统解析出需要的位置信息后,实时的向非涉安铁路业务系统发送位置信息,消息字段包括帧头标识、数据长度、数据类型、位置信息类型、位置信息值、车次号、时间等。数据交互流程图如图1所示。

  3)低实时性要求的位置信息共享方法

  如果非涉安铁路业务系统对列车位置信息的需求是低实时性的,接口监测系统支持Web Service方式进行位置信息请求,当非涉安铁路业务系统有位置信息需求时才发起请求。位置信息请求消息的字段包括帧头标识、数据长度、数据类型、位置信息类型、车次号、时间等,其中位置信息类型包括公里标、小区、经纬度、速度、行车方向等。接口监测系统在收到位置信息请求后,给非涉安铁路业务系统回复位置信息,位置信息的字段包括帧头标识、数据长度、数据类型、位置信息类型、位置信息值、车次号、时间等。非涉安铁路业务系统回复位置信息确认消息,消息字段包括帧头标识、数据长度、数据类型、位置信息类型、车次号、时间等。数据交互流程图如图2所示。

7 结束语

  总结列车位置信息的多种获取途径以及接口监测系统的使用现状,提出从接口监测系统提取列车位置信息的方法,并可向非安全相关的且需要列车位置信息的铁路业务系统共享,以便实现这些业务系统对列车的定位及追踪。同时,为保证列车位置信息的安全使用,本文也提出位置信息的多种共享方法来满足安全性和实时性的要求。

参考文献

  [1]王丽娟.高速列车位置计算模型与算法[D].北京:北京交通大学,2015.

  [2]闫剑平,步兵.高速铁路列车定位技术的研究[J].北方交通大学学报,1999(20):73-76.

  Yan Jianping,Bu Bing.Study on Train Locating of High Speed Railway[J].Journal of Beijing Jiaotong University,1999(20):73-76.

  [3]国家铁路局.Q/TXY 29-2013 CTCS-3级列控系统无线报文定义及运用原则[S].北京:中国铁道出版社,2013.

  [4]国家铁路局.TB/T 3325-2013列车无线车次号校核信息传送系统[S].北京:中国铁道出版社,2013.

  [5] 3GPP项目技术规范组.EN 3015.3数字蜂窝通信系统(阶段2+):移动无线接口层3规范,无线资源控制协议[S]. 欧洲电信标准化协会,2015.

  [6]国家铁路局.TB/T 3231-2010 调度命令信息无线传输系统[S].北京:中国铁道出版社,2010.

  [7] 3GPP项目技术规范组.通用分组无线业务(GPRS),基站系统(BSS)-服务ETST TS 148018-2010数字蜂窝电信系统(阶段2+),GPRS支持节点(SGSN),BSS GPRS协议(BSSGP)V9.2.0,3GPP 7S 48018第9版[S].3GPP 组织,2010.

  [8]国家铁路局.QCR 553-2016 铁路数字移动通信系统(GSM-R)接口监测系统技术条件[S].北京:中国铁道出版社,2016.

  [9]李昌根,卢明.GSM-R系统Um接口监测与智能分析系统研究[J].铁路通信信号工程技术,2017,14(2):27-32.

  Li Changgen, Lu Ming.Study on Um Interface Monitoring and Intelligent Analysis System in GSM-R[J].Railway Signalling & Communication Engineering,2017,14(2):27-32.

  (收稿日期:2017-11-03)

  (修回日期:2017-12-04)