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高速铁路通信信号系统联调联试关键技术

发布时间:2012-02-20 作者:张秀广 来源: 字号:

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”即高速铁路各系统间的综合联调,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、调试和优化各系统间的接口功能,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350 km/h的武广高铁完成了包含CTCS-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”、“3 min追踪间隔”、“端到端一定时间内到达”等关键运营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。

4.1 CTCS-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-3级列控系统的基本功能。

CTCS-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-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:车载主机故障、无线通信故障、STM等子模块故障等。

送38¥彩金下载app5)CTCS-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-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CTCS-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-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-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AT P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、数据输入条件明确的前提下,按照“线路参数测试”→“移动授权测试”→“等级转换测试”“临时限速测试”“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1 所示:

送38¥彩金下载appSDT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、TC C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-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-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-3 级或CTCS-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。

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-3区域内级间转换测试;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。

送38¥彩金下载app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-2级列控系统动车组调试;第二阶段,配备CTCS-3级列控系统的动车组调试。

第一阶段采用CTCS-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-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-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” →“ 移动授权测试”→“等级转换测试”→“临时限速测试”→“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。

送38¥彩金下载app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,驾驶列车缓慢匀速运行(建议按照90 km/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

送38¥彩金下载app6)测试紧急停车区ESA

7)人工取消进路

送38¥彩金下载app8)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

11)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-2、CTCS-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行等项目进行测试和GSM-R网络验收。

4.5 GSM-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-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- 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-3 级列控系统车-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。

4.5.1 GSM-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。

送38¥彩金下载appGSM–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。

4.5.3 GSM-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→数据分析→制定优化方案→系统调整→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→发现问题→进行调整→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

送38¥彩金下载app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。

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