高速铁路通信信号系统联调联试关键技术

高速铁路通信信号系统联调联试关键技术
Technologi~l一
高速铁路通信信号系统联调联试关键技术
张秀广
(北京全路通信信号研究设计院有限公司,北京100073)
摘要:阐述高速铁路通信信号系统联调联试的必要性,定义以及阶段划分,提出在高速铁路联调联
试中,通信信号系统必须以高速铁路关键运营目标值为核心,并详细地论述通信信号系统联调联试
的各项关键技术.
关键词:高速铁路;通信;信号;联调联试;关键技术
Abstract:Thenecessity,definitionandstagedivisionoftheintegratedcommissioningandtes tingof
communication&signalsystemsforhigh—speedrailwaysareexpounded.Itisputforwardthatthe integratedcommissioningandtestingofcommunication&signalsystemsshouldbeim plemented
aroundthekeyoperationalobjectiveofhigh—speedrailways.Andthekeytechnologiesoftheintegrated commissioningandtestingofcommunication&signalsystemsarediscussedindetail. Keywords:high—speedrailway;communication;signal;integratedcommissioningandtesting;keytechnolog y
DoI:10.3969~.issn.1673.4440.2011.06.001
1高速铁路联调联试的必要性和含义
高速铁路联调联试是高速铁路系统集成的重要
内容,是集科研,设计,制造,施工,调试,试验
及运营等各方面力量的系统性工程,综合性试验.
在我国进行高速铁路建设前,日本,德国,法国等
建设高速铁路的国家为验证高速铁路是否满足设计目标,达到开通运营的条件,将高速铁路系统作为
一
个整体,通过调试,试验和验证等手段和技术,
试验和验证各子系统的技术标准是否匹配,技术接口是否完整,整体系统是否满足运营指标,取得了
预期的目的,满足了高速铁路运营开通的要求. 2004年,我国铁路实施第六次提速,在200～
250km/h的胶济线进行了系统调试的初步尝试,
取得了有益的经验.
高速铁路建设是超大规模的系统工程,具有系
统庞大,接口繁多,技术复杂的特点;涉及基础设
施,动车组,牵引供电,通信信号,运营调度和旅
客服务等众多系统,各系统间接口条件复杂,设备
种类繁多,功能相对独立,整个铁路系统功能需要
所有系统进行接口来实现,其最终目标是得到一个整体协调,功能完整,性能优良的铁路系统,所以
这就决定了在高速铁路建设中,必须进行大规模的系统综合联调,调整和优化.这个过程被高速铁路
专家称为"联调联试".
"联调联试"不是汉语中规范词语,但"联调联
试"却准确地概括了高速铁路系统调试的内容和含义."联调联试"即高速铁路各系统问的综合联调,
广义的理解,既含"调",又含"试",即调试所有
的子系统,使之符合设计要求,正常运行,并从轮
轨关系,弓网关系,机电耦合,列车控制等方面,
检测,调试和优化各系统问的接口功能,使整体系
统的功能达到最优,满足运营要求.联调联试是一
个在一定时间内持续的动态过程,经由铁路大系统
到设备子系统的多次反馈与调试优化,方可判定系
统功能结构的完整性与合理性.
2008年,我国京津城际高速铁路首次建立了高
速铁路联调联试及试运行模式,一次达到开通运营
条件,为我国300～350km/h高速铁路联调联试
提供了成功范例.2009年,全长968km,设计时速
350tcm/h的武广高铁完成了包含CTCS一3级列控系
统在内的联调联试实践,再次表明我国高速铁路联
调联试是成功的,并且证明联调联试是非常必要的.
高速铁路联调联试能系统地验证高速铁路互联
铁路通信信号工程技术(RSCE)2011年12月,第8卷第6期TechnologicalInnovation
互通,系统的安全性,运行平稳性,乘坐舒适性与
技术,经济合理性,为高速铁路工程验收和开通运
营提供强有力的技术支撑和科学依据,并通过试运
行,全面验证固定设施和移动设备满足运营要求及
应对各种非正常行车的能力,检验运行图,运行能
力,行车组织,通信信号等相关参数的适应性,使
运营人员掌握设备使用,操作规程,故障处理规程
和维修规程,提高突发事件应对能力,应急救援和
指挥水平,为制定科学合理的运输组织方案和应急
救援方案,提供技术依据.
2通信信号系统联调联试阶段划分
通信信号系统联调联试是高速铁路系统集成以
及整个四电系统集成的关键内容,也是高速铁路联
调联试的重要组成部分.通信信号系统联调联试应
按照自底向上,先局部后整体的步骤逐步展开,一
般需要经历几个相互衔接的阶段.
业界对联调联试各阶段划分的观点不是很统一.
本文根据铁道部关于发布铁路客运专线竣工验收暂行办法规定"铁路客运专线竣工验收分为静态
验收,动态验收,初步验收,安全评估和国家验收
等5个阶段"的要求,建议将通信信号系统联调联试分为静态调试,动态调试和综合试验等3个阶段. 通信信号系统静态调试是在没有实车运行或
实车不按列控模式行车的情况下进行的,所以称为"静态调试",又可细分为实验室(或子系统)仿真
调试,子系统静态调试,系统静态调试3个阶段.
通信信号系统动态调试可细分为系统动态调试, GSM-R网络优化2个主要阶段,平行进行.
综合试验是通信信号系统参加的整个铁路系统
调试和试验的过程.
3通信信号系统联调联试必须以高速铁路关
键运营目标值为核心
高速铁路具有速度高,密度大的特点和安全正
点的要求,其关键运营目标值包括:最高运营时速, 最小追踪间隔,端到端直达最小运行时间等指标. 高速铁路通信,信号系统为高速铁路的安全运营提供了巨大的支撑,保证了列车高速,安全,正点,
有序地运行,并且是实现"最高运营时速","3min
追踪间隔","端到端一定时间内到达"等关键运营
技术创新
指标的关键系统之一,是保证高速列车运行安全, 提高运输效率的核心系统.
通信系统联调联试,对通信系统的性能,功能,
接口等内容进行调试,测试和验证,调试和验证GSM—R数字移动通信系统在列车高速运行动态条件下的场强覆盖,网络服务质量和业务承载可靠性等;验证通信系统为客运服务,信号等系统提供通
信服务的质量和可靠性等;根据测试结果,对通信
系统进行调整和优化,使其达到设计和运营的要求. 信号系统联调联试,验证信号系统的功能,安
全性和可用性.根据调试结果,进行系统调整和软
件升级,为系统结构完善与优化,系统验收与开通, 制定运营组织方案和规章制度,指导系统维护管理提供依据.
按照高速铁路的总体设计,线路的最高运营时
速,最小追踪间隔,直达最小运行时间等指标是明
确的,但是在铁路建设过程中,部分地段的线路允许速度,线路参数,枢纽车站的进/出站速度可能会
发生调整,这将直接影响到关键运营目标值.而通
信信号系统对于关键运营目标值的实现又起着至关重要作用,为了满足新的目标值,通信信号系统必
然进行调整和优化,所以,通信信号系统联调联试
必须以高速铁路关键运营目标值为核心,采用科学的联调联试技术,组织细化实施各阶段的调试工作. 4通信信号系统联调联试的关键技术
通信信号系统越复杂,与关键运营目标值越密
切,其联调联试过程就越复杂,难度也越大.实施
通信信号系统联调联试,需要重点掌握和应用必需的联调联试关键技术,如列控系统实验室仿真调试和测试技术,列控系统数据工程验证技术,静态调
试技术,实车动态调试和试验技术,GSM—R网络
调试和优化技术等.
4.1CTCS-3级列控系统实验室仿真调试和测试技术CTCS-3级列控系统实验室仿真调试和测试采
用真实设备和仿真模拟设备相结合的方式,以功能测试为重点,测试和验证CTCS一3级列控系统的基本功能.
CTCS一3级列控系统实验室仿真调试环境包括
被测实物设备,仿真支撑平台,仿真测试接口及人
机界面等,其技术核心是通过高效计算机模拟来自
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铁路通信信号工程技术(RSCE)2011年12月TechnologicalInnovatio~._l薯I
联锁系统,调度集中(CTC)系统,GSM—R网络
和列车的各种输入条件,测试和验证CTCS-3级列
控系统的车载和无线闭塞中心(RBC)等设备.一
方面,对CTCS-3级系统的各个子系统进行全面的
功能和接口测试,确保各个子系统功能和安全性能满足设计要求;另一方面,通过对实际线路运行进
行模拟仿真,发现数据配置,软件设计方面缺陷并
进行修改完善,缩短试验周期,提高试验的效率.
实验室仿真调试和测试的内容主要包括以下
项目.
1)RBC常规功能测试.包括:RBC启动,
故障报警,双系切换,列车管理,行车许可管理,
临时限速,线路信息描述,密钥管理和列车移交等
功能.
2)ATP常规功能测试.包括:车载设备启动,
故障报警,STM等各子模块功能,车载设备各工作
模式,车一地通信,行车许可管理,等级转换,临
时限速和速度监控曲线等功能.
3)RBC安全性能测试.包括:设备或通信网
络故障,RBC单系故障,RBC双系故障和进路故
障等.
4)ATP安全性能测试.包括:车载主饥故障,
无线通信故障,STM等子模块故障等.
5)CTCS一2级列控车载软件移植测试,包括
以下项目.
①车载设备基本功能测试.包括:TCR等各子
模块功能测试,制动功能测试,列车溜逸防护功能测试和车尾保持功能测试等.
②车载设备工作模式功能测试.包括:完全监
控等各个工作模式下的功能测试,模式转换功能测试和等级转换功能测试等.
③车载设备模式监控曲线测试.包括:区间追
踪运行,正线接发列车,侧线接发列车,临时限速
等条件下速度监控曲线的功能测试等.
④故障条件模式测试.包括:模拟在轨道电路
故障,应答器丢失,列车空转打滑,车载主机切换
等故障条件下的车载设备功能测试等.
6)RBC与联锁,CTC接口室内测试.
7)设计实际运营的各种场景,并模拟这些运
营线场景,进行cTcs一3级列控系统功能测试.
在CTCS-3级列控系统实验室测试环境下,以
ll誉羲
cTCs一3级列控系统规范为标准,采用实际运营线路数据,测试验证CTCS一3级列控系统功能及安全性.
8)GsM—R车地无线通信功能测试.包括: GSM—R网络电磁环境测试,GSM—R网络服务质
量(QoS)指标测试,GSM-R网络PRI接口测试.
9)CTCS一3级列控系统设备的互联互通性室
内测试.包括:RBC与不同车载ATP之间,车载
ATP与不同RBC之间的互联互通性测试和RBC
与RBC的互联互通性测试.
4.2列控系统数据工程验证技术
列控系统数据工程交付测试(sDT)是数
据工程验证的主要手段,其技术核心是在各子
系统(RBC,列控中心,车载,联锁,仿真平
台)完成了室内仿真测试,软件版本配置匹配,
图纸,数据输人条件明确的前提下,按照"线路
参数测试"一"移动授权测试"一"等级转换测试"一"临时限速测试"一"其他测试项目"的顺
序进行逐项调试,指导软件修改和数据调整.SDT
测试流程如图l所示.
图1SDT测试流程示意图
SDT测试主要内容包括:线路参数测试,含
线路速度,坡度,分相区;移动授权测试,含全
监控移动授权和引导移动授权;调车区域测试;
CTCS-3区域内级间转换测试;RBC移交测试;临
时限速测试;移动授权缩短和人工取消进路测试;
灾害区段测试等内容.
4.3静态调试技术
通信信号系统静态调试是在设备完成安装后,
在高速铁路现场进行的通信信号子系统调试,系统
调试.静态调试主要调试各子系统功能,子系统间
接口,数据传输和信息传递的顺序和时序等,调试
No.6张秀广:高速铁路通信信号系统联调联试关键技术Technologicallnnovation
和验证在静态条件下,各系统的功能和性能满足设计和运营的要求,为下一步实车(轨道车,动车组) 上线动态调试做好准备.
静态调试技术的核心是确定调试内容,调试
方法和判定标准,并在调试中对子系统软件和硬件的调整和版本进行严格的管理.静态调试主要内容如下.
1)地面设备安装及单体功能试验.包括:联锁
系统,RBC,列控中心(TCC),CTC,集中监测
系统,轨道电路,GSM—R系统,电台,列控车载
设备等子系统的安装和功能试验.
2)地面子系统间接口试验.包括:联锁与
RBC,联锁与CTC,联锁与TCC,联锁与集中
监测,TCC与轨道电路,TCC与LEU,TCC与CTC,TCC之间,TCC与集中监测,RBC与
GSM-R,RBC与CTC,CTC与集中监测之间的
接口试验等.
3)车一地接口试验.包括:车载电台与RBC,
BTM与应答器,TCR与轨道电路之间的接口试
验等.
4)CTCS-3级列控系统GSM—R无线通信系
统测试.包括:GSM—R无线通信覆盖范围测试, GSM—R网络故障测试,GSM—R电磁环境测试, GsM—R网络服务质量测试,GSM—R网络应用业务测试.
4.4动态调试和试验技术
动态调试是在实车按列控模式行车的情况下进
行的现场调试,也称为ITC测试.其目的是通过对CTCS一3/CTCS-2级列控系统配置数据及相关子
系统接口数据进行测试,验证线路工程数据和设备
工程化配置数据的一致性,验证工程化数据满足运
营和安全性的要求;通过对CTCS-3/CTCS-2级
列控系统及相关子系统设备接口功能是否满足系统
级功能进行测试,验证系统功能满足运营和安全性
的要求.ITC测试流程如图2所示.
动态调试涵盖高速铁路工程范围内,与其他运
营线,后续建设线路衔接的联络线以及枢纽站范围
内CTCS一3级或CTCS一2级列控系统控制范围内
所有线路.其中主要包括:列控车载设备,RBC,
TCC,联锁,CTC,集中监测系统,应答器等子系
统,其中,线路基础数据包含在RBC和应答器中.
技术创新
'一一一一....'一一一'.....'一一'一一....'一一一一一....一一一' 图2ITC测试流程示意图
动态调试技术的核心是在动车组运营的所有交
路上,按照CTCS-2级,CTCS-3级设计情况,确
定调试内容,调试场景,调试方法和判定标准,并
在调试中对子系统软件和硬件的变更管理和版本管
理进行严格的控制.
动态调试测试内容主要包括各种功能测试和
CTCS-3级场景测试:应答器链接测试;线路参数
测试(含线路速度,坡度,分相区);移动授权测
试(含全监控移动授权和引导移动授权);移动授
权缩短和人工取消进路测试;CTCS一3区域内级
问转换测试;RBC移交测试;临时限速测试;灾
害区段测试;调车区域测试;与相关联络线,枢纽
的接口测试.
动态调试在室内系统交付测试SDT完成后,
SDT测试报告符合要求的前提下进行.可分为两个阶段:第一阶段,配备CTCS一2级列控系统动车组调试;第二阶段,配备CTCS一3级列控系统的动车组调试.
第一阶段采用CTCS一2模式进行正线及侧线
基础数据校核,精调以及设备安装精调等工作, CTCS一2侧线接发车进路,引导进路,灾害防护, 临时限速,自动过分相等功能测试.同时,通信专
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铁路通信信号工程技术(RSCE)2011年12月TechnologicalInnovation
业可搭载进行电磁环境复测,场强覆盖复测,基站切换测试,通信服务质量测量,低速状态下网络优化等工作.
第二阶段采用配备CTCS一3级列控系统的动车组进行调试.
4.4.1动态调试流程
在进行动态调试前,确认工程数据,测试车辆
列控车载设备是否满足动态调试要求,并已完成
所测线路测试场景,测试大纲和记录表格的编制. 动态调试按照"线路参数测试"一"移动
授权测试"一"等级转换测试"一"临时限速测试"一"其他测试项目"的顺序进行.
此阶段,通信专业可平行进行GSM-R网络优
化测试,电磁环境复测,场强覆盖复测,基站切换
复测,通信服务质量测试,高速条件状态下的网络优化等工作.
4.4.2关键测试内容和技术
1)应答器链接测试
根据列控工程数据表和ITC测试记录表格模板
准备实际现场应答器链接测试记录表.
根据表格中的列车试验经路排列进路,随着列
车运行,测试车载设备将记录每个应答器的位置,
记录车载链接失败的所有报警信息作为分析判定的依据.
测试完成后,分析车载记录,统计每个应答器
组之间的距离,并且与设计距离进行比较.若车载
记录距离与设计距离偏差微小,并且车载没有显示链接报警,则可认为该测试案例通过;若应答器组
之间的距离与现场数据之间存在超过[±(5m+2%)] 的偏差,则判定测试案例失败,形成书面的错误报告;若车载设备显示了任何应答器错误报警或链接错误报警,则判定测试案例失败,也应形成书面的
错误报告.
2)线路参数测试
主要测试RBC配置数据中允许速度(SSP)变
化点,坡度变化点等线路参数是否与实际线路数据一
致,测试分相区位置是否与实际设置相符.
根据列控工程数据表和ITC测试记录表格模板
准备实际现场线路数据测试记录表格和分相区测试记录表格.
根据表格中的列车试验经路排列进路,驾驶列
技术创新
车缓慢匀速运行(建议按照90km/h),以便能够
根据地面标志验证和记录所有数据.
记录DMI显示坡度,核对记录中速度和坡度值
及速度变化点,坡度变化点的公里标.
分相区数据需记录DMIB4区显示分相区信息
时公里标和现场"断","合"标志牌的公里标数据. 3)移动授权测试
移动授权测试包括全监控模式移动授权,引导
模式移动授权.测试还包括在所有信号点,对列车
进行注册/注销登记.在实际调试过程中,该测试
项目与停车位置测试合并进行.
4)停车位置测试
为了确保运营列车在每个闭塞分区以及所有列
车进路的终点都能安全停车,必须检查列车是否能停车,检查停车精度,并检查停车点与MA终点是
否一致.因为测试时,列车在每个闭塞分区前都要
停车,所以俗称"磕头"试验.在实际测试过程中,
该测试项目与移动授权MA测试合并进行.
5)紧急停车和缩短的MA
6)测试紧急停车区ESA
7)人工取消进路
8)地面取消车站接车/发车进路
9)轨道电路故障测试
10)临时限速
l1)调车区调车模式
12)级间转换
13)RBC-RBC切换调试
动态调试需要对所有的RBC—RBC切换进行
测试和调试,在所有RBC-RBC切换边界上对两种情况进行测试;一个测试案例是前方无障碍进入到接收RBC区,另一个测试案例是停车后进入接收RBC区.测试场景包含RBCX-RBCY切换不停车, RBCX—RBCY停车,驾驶列车在EOA的终点停车.
4.4.3试验
对于动态试验,也称为综合试验,此时通信,
信号系统还可搭载综合试验单位的试验动车组继续
进行cTCS一2,cTCS一3场景和功能测试,以及GSM—R高速状态下网络优化等工作,试验技术同
动态调试技术.
在试运行期间,还可以进一步对信息系统,故
障模拟,追踪,运行图参数,应急演练和满图试运
No.6张秀广:高速铁路通信信号系统联调联试关键技术5 Technologicallnnovation
行等项目进行测试和GSM-R网络验收.
4.5GSM-R网络调试和网络优化技术
GSM-R网络承担着CTCS-3级列控系统车一
地大容量通信通道的功能,GSM—R系统的网络覆
盖,电磁环境,QOS对列控信息进行车一地传输影
响很大,是直接影响CTCS-3级列控系统运行稳定
的重要因素之一.
从GSM—R网络设计到GSM—R网络完成安
装,调试,GSM—R网络就一直处于动态调试和调
整中.尤其为了配合动态调试,更需要对GSM—R
网络进行精心的调整和优化,俗称"网优",即
GSM～R网络优化,主要是对GSM—R网络性能和
资源配置进行优化,以解决呼叫成功率低,越区切
换失败,数据传输掉线等问题.对GSM～R网络
进行更深层次的优化调整,使其工作在最稳定和最
高效的状态,满足CTCS一3级列控系统车一地传
输要求.
GSM-R网络优化主要从GSM-R电磁环境测
试,无线场强覆盖优化调试,GSM—R网络服务质
量调试和优化,切换优化等4方面进行调试和优化.
4.5.1GSM-R电磁环境测试
在开始GSM—R网络优化工作前,需对高速
铁路沿线的GSM—R电磁环境进行测试,保证沿线GSM—R工作频点不被公共移动运营商占用或受到干扰,也就是俗称的"清频",清除电磁环境干扰,
奠定后期GSM-R网络进一步优化的基础.
4.5.2无线场强覆盖优化调试
按照铁道部((cTcS-3级列控系统总体技术方
案要求,GSM—R基站子系统采用单网交织冗余
覆盖的方案,无线场强覆盖优化调试首先对网络的覆盖性能进行测试,使基站覆盖电平完全满足设计文件中对95%的时间和位置概率下,大于-92dBm
的要求.但由于地理环境的限制,基站间距设计不
够均匀,致使部分基站的覆盖不够理想,个别基站
的覆盖过远或过近.
GSM—R场强覆盖优化调试分别在全部基站打开,偶数基站打开,奇数基站打开3种情况下进行. 同时,在不同速度等级条件下测试并统计95%时间地点概率下的接收电平,根据测试结果,对沿线基
站的发射功率,天线俯仰角,天线方向角等参数进
行优化调整.
技术创新
4.5.3GSM—R网络服务质量调试和优化
GSM—R网络服务质量调试和优化是对语音通
信服务质量,分组数据域服务质量和电路数据域服务质量进行测试,为网络优化提供数据参考,根据
测试结果对GSM-R网络参数进行调整和优化.
4.5.4切换优化
切换优化的目标和原则是两次切换的间隔应大
于20S,而且切换位置相对均匀,正常情况下无质
量或电平问题引起的紧急切换发生.
在做切换优化时,需要注意高速和低速环境下
网络参数设置的具体数值有较大不同,为了满足高速下的性能,参数设置主要偏向高速环境. GSM—R网络优化的核心技术是采用信令跟踪
分析法及路测分析法,围绕呼叫成功率,呼叫建立
时间,掉线率和越区切换成功率等指标,通过动态
测试一数据分析一制定优化方案一系统调整一动态测试的循环,达到网络质量明显改善的目的.同时
采用低速网络,高速网络优化并举的策略. GSM—R网络优化工作是一种循序渐进,精益
求精的工作,应基于对大量测试结果的全面分析,
对症下药,按照测试一发现问题一进行调整一复测调整结果的往复循环,使网络性能不断提高,保证
列控业务的传输质量和安全可靠性.
5结束语
联调联试是实现高速铁路整体系统集成的重要
举措,可实现铁路系统的调整和优化,移动设备与
固定设备的最佳整体匹配,实现系统和运营的磨合, 为运营提供成熟可靠的技术系统,锻炼运营队伍.
通信信号系统联调联试是高速铁路联调联试的
重要组成部分,在以高速铁路关键运营目标值为核心的指导思想下,应用先进的联调联试关键技术,
通过科学地组织,明确地分工,熟练掌握调试和试
验技术的团队进行实施,高速铁路通信信号系统必然实现完善的功能和优异的性能,满足铁路关键指标和安全稳定运营的要求.。