高速铁路通信、信号系统联调联试方案的探讨

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工程静态验收合格后进行通信、信号系统的联调联试，为高速铁路的开通提供科学依据。联调联试主要采用检测列车、测试动车组、综合检测列车和相关检测设备在规定测试速度下对全线通信、信号系统进行综合测试，并对全线通信、信号系统进行调试、优化，使系统功能达到设计要求。为全面验证系统功能形成一套切实可行的联调联试方案是十分重要的。
关键词： 高速铁路；通信；信号；联调联试；方案
中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）09-0091-04
1 高速铁路通信信号系统简介
1.1 信号系统
高速铁路信号系统（CTCS-2/CTCS-3）一般基于GSM-R无线通信实现车地信息传输，由无线闭塞中心（RBC）、临时限速服务器及操作终端、地面列控中心（TCC）、轨道电路、应答器、电子编码器（LEU）、车载设备、GSM-R网络等组成。新建调度集中系统（CTC），各相关车站、线路所分别纳入客专调度所监控；正线新建车站（场）、线路所以及各中继站，分别设置集中监测采集机、站机及相应的网络通信设备。
1.2 通信系统
高速铁路通信系统一般包括14个子系统：传输系统、电话交换及接入系统、数据网系统、专用移动通信系统、调度通信系统、会议电视系统、应急通信系统、同步及时钟分配系统、电源系统、综合视频监控系统、通信线路系统、段（所）综合布线系统、通信电源及通信信号信息机房环境监控系统以及通信仪表。传输系统采用MSTP技术按骨干层、接入层两层网络设计。IP数据网按照各个铁路局的区域网络进行组网设计。沿线设置基站设备（BTS），分别接入到GSM-R核心网BSC设备，BSC与基站间的Abis接口按每4个基站共用一个2M/E1环路设计。调度通信通过与GSM-R系统互联，构成有线与无线调度一体化通信系统，同城异地的交换机作备份处理，同时连接既有调度系统；应急救援指挥通信系统由事故抢险现场设备和应急中心设备构成。
2 测试列车及速度
单列动车组逐级提速联调联试采用CRH2-061C和CRH380A-001综合检测列车。如果是双列重联，还须多安排一列CRH2C型动车组。信号系统功能验证至少需装备有300T列控车载设备的动车组2列和装备有300S、200C、200H列控车载设备的动车组各1列，运行图参数测试采用路局配属动车组。
动车组正线按180、200、220、240、260、280、300、310、320、330、340、350、360、370、380、385km/h的速度等级逐级联动调试，如果所得参数无异常情况，260km/h以上速度级不少于3个往返。18号道岔侧向测试速度级为70、80、90km/h，42号道岔侧向速度级为150、160、170km/h；每个速度级运行3个往返。双列重联动车组正线逐级提速联调联试的速度级为250、300、320、330、340、350km/h，每个速度级运行3个往返。联调联试开始前，先标定地面测点的5km/h准静态。测试过程中，根据测试数据，在符合行车安全标准前提下逐级提速。信号（列控）系统功能验证时动车组按ATP控车，全线拉通和运行图参数测试时动车组按ATP速度曲线控车。
3 通信系统测试内容及方法
3.1 目的
通过对高速铁路通信系统的联调联试及动态检测，验证传输、应急通信、综合视频监控等子系统与其他相关系统的匹配关系，验证测试动车组高速运行条件下的GSM-R场强覆盖、GSM-R网络服务质量、调度通信、GSM-R应用业务等是否满足要求。根据测试结果，指导通信系统进行调试和优化，使其功能和相关性能达到设计要求，为动态验收提供依据。
3.2 测试内容
联调联试主要是对GSM-R系统性能、测试应用业务功能和测试传输通道保护功能进行测试。
3.2.1 GSM-R 系统性能测试
①GSM-R 电磁环境测试。先检测GSM-R电磁环境再全面开展联调联测，以确保电磁环境稳定。检测GSM-R的目的，一是熟悉高铁沿线GSM-R运行频段内的电磁环境，排除工作频段内的电磁干扰，重点排除公网GSM系统对GSM-R工作频段的干扰。在后续工作中，要想提高GSM-R动态场强覆盖和应用业务测试水平，同时改进网络服务质量，首先要重视GSM-R电磁环境检测工作，力求检测数据能客观反映现场情况，否则很难保证后续的测试所得数据符合要求。
②GSM-R 场强覆盖测试。动车组按设计速度运行时，可动态检测GSM-R场强覆盖情况，同时可对95%时间地点概率条件下的接收电平进行统计。测试时，须注意越区覆盖基站和区段、接收电平低于设计指标的弱场区段和基站之间覆盖范围严重不均衡的区段，严格执行检测要求，参考所得数据，科学地调整列车运行参数（如GSM-R基站的发射功率、天线的俯仰角和方向角等等），从而优化处理GSM-R场强覆盖模式。
③GSM-R网络服务质量测试。高速铁路CTCS-3级列控由GSM-R系统完成。检测GSM-R网络服务质量时，重点看其电路数据域、分组数据域以及语音通信的服务质量是否符合运行标准。三项测试主要涉及以下内容：
1）电路数据域服务质量测试：网络注册时延；CSD连接建立的时延、失败率以及连接丢失概率；CSD数据传输端到端时延；CSD传输的无差错时间及干扰时间等。
2）分组数据域服务质量测试：PING延时、吞吐量。
3）语音通信服务质量测试：呼叫/组呼/紧急呼叫建立的时间及失败概率；切换的成功率及执行时间。
3.2.2 通信系统应用业务测试
①调度通信业务测试。针高速运行的动车组，动态检测其调度通信系统中的各项功能。测试项目涉及呼叫系统、功能及位置寻址、多优先级处理等。
②GSM-R应用业务测试。针高速运行的动车组，动态检测其各个业务系统的功能。比如无线车次号校核信息以及调度指令传输、CTCS-3级列控数据传输等。
CTCS-3级列控数据传输业务测试内容：对GSM-R 系统与CTCS-3级列控系统间各种接口的信令进行监测，包括Abis接口、A接口、PRI接口等。
③应急通信系统功能测试。从施测现场到应急中心之间划定一施测区间，重点检测该区间内图像和语音实时传输等功能是否符合运行要求。
④综合视频监控系统功能测试。测试入侵检测等视频内容分析功能；系统与客运服务系统的视频互联互通功能；测试与动力环境监测等外部系统进行联动的功能；测试系统用户和认证授权，用户优先级权限管理功能，测试视频资源的屏蔽、限制、高优先级抢占低用户视频资源等功能，测试设备的配置、故障、性能、安全和日志管理，同时对用户、视频资源和设备的编码标识进行验证。
3.2.3 传输通道保护功能测试
①传输通道保护对业务应用的影响。
②GSM-R 基站间传输链路保护对业务应用的影响。
3.3 测试方法
3.3.1 GSM-R系统性能测试
①GSM-R电磁环境测试。GSM-R电磁环境测试系统构成详见图1。
②GSM-R统场强覆盖测试。高速铁路GSM-R系统承载CTCS-3级列控业务。GSM-R场强覆盖测试系统安装在测试动车组上，天线安装在动车组顶部。图2为GSM-R场强覆盖测试系统构成。
③GSM-R网络服务质量测试。动车组按设计速度运行时，借助前期安装在目标动车组上的测试系统检测GSM-R服务质量。在动车组顶部装设测试天线，利用测试手机、专用测试设备、自动拨号终端、CSD测试服务器、GPRS测试服务器等发起语音呼叫、电路数据传输和分组数据传输，跟踪空中接口的信令，以此测试并汇总各类施测环境下的网络服务质量。施测后，在所得数据的基础上优化调整网络参数，以此提升网络服务质量。GSM-R网络服务质量测试系统构成如图3所示。
3.3.2 通信系统应用业务测试
①调度通信业务测试。调度通信测试主要对调度员、车站值守人员、司机、车长、随车机械师间的话音通信进行测试，由现场人员按组呼、紧急呼叫等呼叫测试项目逐一施测，检查语音质量，统计呼叫成功率。
调度通信业务测试一般安排在GSM-R系统性能测试合格后进行。
②GSM-R应用业务测试。在CTCS-3级列控系统功能测试过程中，对GSM-R系统与CTCS-3级列控系统的各种接口进行监测，包括A接口、Abis接口和PRI接口，测试通信系统为CTCS-3级列控系统提供电路域数据传输业务的功能。调度命令信息传送业务测试分为两个方面：
1）通过对郑州局GRIS及CTC、武汉局GRIS及CTC 的记录数据进行分析，检查通信系统承载调度命令信息无线传送业务的功能；
2）由地面测试服务器向目标动车组自动发送调度指令，并接收目标动车组通过综合无线通信系统自动反馈的确认信息及手动签收信息，最后对调度指令发送成功率进行统计。
列车无线车次号校核信息传送业务测试分为两个方面：
1）通过对GROS、GRIS及CTC的记录数据进行分析，检查通信系统承载列车无线车次号校核信息传送业务的各种功能；
2）车载测试系统自动发送列车无线车次号校核信息，用地面测试服务器统计列车无线车次号校核信息的发送成功率。
GSM-R应用业务测试一般安排在GSM-R系统性能测试合格后进行。
③应急通信系统功能测试。选择典型事故模拟点，一般确定1～2个事故模拟现场接入点，将应急通信系统的现场设备连接到接入点，测试事故模拟现场与应急中心之间图像及多路语音通信实时传送和显示等功能。
④综合视频监控系统功能测试。
1）功能测试方法。在视频车站接入节点或区域节点，选取典型的视频采集点，对系统监视的画面进行调用，验证系统提供的各项功能。设置入侵场景，或者调用入侵历史图像对系统的视频内容分析功能进行验证。
2）图像质量测试方法。图像质量按照主观评价体系进行评价，单项评分和综合评分均应不低于4分。通过标准电视测试卡、视频图像发生器等设备测试系统图像的清晰度、色彩还原度和灰度等指标。
3）接口测试方法。在综合视频监控车站接入节点向旅客服务系统传送视频图像信息，在旅客服务系统端察看是否按要求接收到相应视频图像信息。在综合视频监控车站接入节点或区域节点直接从动力环境监测等系统获取需要的告警信息，检查对这些信息的联动处理结果。
3.3.3 传输通道保护功能测试
①传输通道保护对业务应用的影响。在GSM-R、调度通信等业务应用过程中，通过人工模拟故障进行传输通道的切换，评价传输通道保护功能对GSM-R、调度通信等业务的影响。
②GSM-R基站间传输链路保护对业务应用的影响。选择1～2个典型的GSM-R基站接入环，在进行GSM-R通话的过程中，通过关闭相应基站环主用2M通道或激光器的方式模拟基站环故障，测试GSM-R系统基站间传输链路保护对业务应用的影响。
4 信号系统测试内容及方法
4.1 目的
通过信号系统联调联试及动态检测，验证列控系统的相关功能和与列控系统相关的接口关系，检验轨旁信号设备状态；依据测试结果指导系统调试，为完善运营管理细则和系统维护管理规章提供依据，为动态验收提供依据。
4.2 测试内容
4.2.1 轨旁信号设备状态检测
轨旁信号设备状态检测包括轨道电路检测、补偿电容检测和应答器检测。
4.2.2 CTCS-3级列控系统功能测试
结合高速铁路联调联试及动态检测时信号系统相关设备功能的实际情况，CTCS-3级列控系统测试应包括12个运营场景和192 个测试案例。其中，运营场景主要是注册与启动、注销、行车许可、进出动车段、降级运行、异物侵限防护、人工解锁进路、调车危险、临时限速、自动过分相、RBC切换、级间转换等。
测试案例以动态测试（测地面）为主，联调联试方案中的测试序列应该参考测试案例及进路条件进行合理编排。
4.2.3 跨线CTCS-3级列控系统兼容性测试
在具备测试条件的前提下，对跨线CTCS-3级动车组从“CTCS-3级列控系统功能测试”中选取典型测试案例进行测试。
4.2.4 CTCS-3级列控系统后备模式功能测试
基于CTCS-3 级列控系统后备模式功能测试，对CTCS-3级列控系统地面设备提供CTCS-2级列控信息的正确性进行检验。在CTCS-3级列控系统测试中完成CTCS-2、CTCS-3级列控系统级间转换，并测试二者控车信息的一致性。
4.2.5 车站联锁系统接口测试
主要测试内容包括：计算机联锁系统与地面列控中心（TCC）、调度集中系统（CTC）车站分机、无线闭塞中心（RBC）的接口测试。
4.2.6 CTC 系统接口功能测试
通过对CTC接口功能的测试，验证CTC与联锁系统、列控中心设备、临时限速服务器、RBC、GSM-R等的接口关系，以及本行调台与相邻CTC/TDCS调度台的接口关系。测试内容包括：
①通过行调台验证与相邻调度台间信息交换接口关系。
②通过助调台验证CTC与车站联锁设备的接口关系。
③通过列车运行监视、历史数据回放等功能验证CTC 与列控中心设备的接口关系。
④通过设置临时限速验证CTC与临时限速服务器的接口关系。
⑤通过车次追踪、无线调度命令上传机车、进路预告等功能测试，验证CTC与GSM-R等设备的接口关系。
⑥观察调度台上“CTC系统C3信息终端”的显示，验证CTC与RBC设备的接口关系。
4.3 测试方法
4.3.1 轨旁信号设备状态检测
采用装有信号设备动态检测系统的综合检测列车，通过车载检测设备解析信号，并进行轨旁信号设备状态动态检测和验证。
4.3.2 列控系统功能测试
通过CTC分散自律中心控制模式，根据测试序列及测试案例要求准备测试进路，通过DMI显示判断列控系统功能测试结果，并分析所得数据。
4.3.3 CTC系统接口功能测试
CTC系统接口功能测试在联调联试及动态检测区段的调度台进行，调度员依据每天的运输组织方案，对开行列车（包括检测列车、测试动车组）铺画运行图，下达计划、调度命令；结合列控系统功能测试，通过CTC调度台排列进路、下达临时限速等，对CTC系统接口关系进行测试。具体测试方法如下：
①调度员通过与相邻CTC/TDCS调度台交换信息等，测试CTC行调台与邻台的接口关系。
②助调员按照当日测试列车行车计划，由CTC设备按中心控制方式自动准备进路（特殊情况个别站助调员人工排路），测试CTC与联锁设备的接口关系。
③通过设置临时限速，测试与临时限速服务器的接口关系。
④由CTC站场画面的实时监视及历史回放功能，通过区间信息显示、列车的占用、出清等，测试与列控中心设备的接口功能。
⑤通过CTC进路预告上传机车、CTC助调员台下达无线调令上传机车等功能，测试CTC与GSM-R的接口关系。
⑥通过CTC调度台上“CTC系统C3信息终端”的显示，测试CTC与RBC设备的接口关系。
⑦通过调度员、助调员实际使用CTC系统，发现问题，及时反馈给CTC厂家整改。
5 结束语
此联调联试方案，对高速铁路通信、信号系统的功能进行了全面、系统的验证，并能不断进行优化、调整，使之功能达到最优状态。该方案适用于我国在建高铁的联调联试，在已投入运营的高速铁路验收当中得到了验证，提高了高铁联调联试的工作效率和经济效益，取得了良好的效果，为高速铁路安全、优质开通打下了坚实基础，并为今后高速铁路的联调联试提供了宝贵的经验。由于各条线设计理念实际情况并不相同，因此联调联试方案，方法会略加调整。
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