胡莉麗 孫啟民 洪 波

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070 2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

近年來，隨著我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路信息化、智能化程度不斷完善，越來越多的非安全相關業(yè)務系統(tǒng)相繼投入到鐵路的日常運營及維護工作中。在眾多非安全相關業(yè)務系統(tǒng)中，部分業(yè)務系統(tǒng)與列車的運營及維護相關，為了能夠更好的發(fā)揮系統(tǒng)的作用，該部分系統(tǒng)需要獲取列車的實時位置信息。

由于現(xiàn)有列車已基本不具備安裝新定位裝置的條件，因此很難通過在列車加裝新設備的方式獲取列車的實時位置信息。另外，現(xiàn)行的絕大部分能夠提供列車位置信息的系統(tǒng)均屬于安全相關業(yè)務，為保障列車的安全運營，原則上亦不允許向新建的非安全相關業(yè)務系統(tǒng)開放提供列車實時位置信息的接口。為此，如何安全的向新增的智能化鐵路運維系統(tǒng)提供列車的實時位置信息成為一個需要解決的問題。

2 列車位置信息定義

列車位置信息在列車運行控制技術中具有重要地位，是列車高速安全運行的基本保障。列車超速防護系統(tǒng)（ATP）需要列車的實時速度、位置以及目標點計算速度防護曲線；地面列車控制系統(tǒng)根據(jù)列車位置信息實時更新軌道占用狀態(tài)，及時調(diào)整后續(xù)列車的停車點；列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）根據(jù)列車位置信息和線路的限速信息計算出速度控制曲線，實現(xiàn)列車運行速度的自動調(diào)整并保證列車的正點率以及乘坐舒適性[1]。

列車位置信息是用以表示列車在鐵路區(qū)間運行及在車站到發(fā)或通過的空間矢量信息。目前CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)采用里程計和查詢應答器相結合的方式進行列車定位，其原理是在鐵路沿線間隔一定距離設置查詢應答器，每個查詢應答器存儲它自身的識別號碼、固定線路信息、限速信息、進路信息等，列車每經(jīng)過一個查詢應答器會讀取其識別號，通過查詢車載電子地圖獲得列車在軌道上的絕對位置信息。在兩個查詢應答器之間，通過里程計計算而得出列車相對于絕對位置的相對距離[2]。

列車位置信息不僅僅指運行線路及公里標信息，還包括途經(jīng)無線網(wǎng)的小區(qū)標識、經(jīng)緯度、占用股道、速度及行車方向等信息，各類信息意義如表1所示。

3 列車位置信息的獲取途徑

列車的位置信息可以從CTCS-3列控系統(tǒng)、調(diào)度集中控制系統(tǒng)（CTC）、GPRS接口服務器系統(tǒng)（GRIS）、列控設備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）及GSM-R網(wǎng)絡接口監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“接口監(jiān)測系統(tǒng)”）等業(yè)務系統(tǒng)中提取：

1）CTCS-3列控系統(tǒng)通過無線報文實現(xiàn)車載設備和地面設備交互，其中車向地發(fā)送的無線消息里包括列車位置報告消息。根據(jù)無線報文定義規(guī)定，列車位置報告消息包括最近相關應答器LRBG的編號、最近相關應答器組與列車估計前端（在激活的駕駛室側）之間的距離、實際列車速度及相對于LRBG方向的列車運行方向[3]等信息，通過解析計算可得到列車的公里標、速度及行車方向。

表1 列車位置信息表Tab.1 Train position information

2）CTC系統(tǒng)通過車次號校核及調(diào)度命令信息實現(xiàn)列車的校核及調(diào)度控制，車次號校核及調(diào)度命令信息中包含列車身份及列車位置信息，其中位置信息包括列車公里標、速度、經(jīng)緯度及占用股道等信息[4]。

3）CIR與CTC通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)列車與地面設備間的車次號校核及調(diào)度命令信息的傳送，而GRIS系統(tǒng)是GPRS網(wǎng)絡與地面CTC系統(tǒng)的通信中轉站。所有經(jīng)GPRS網(wǎng)絡傳送的車地交互信息必須經(jīng)過GRIS轉發(fā)，因此通過GRIS系統(tǒng)能獲取車次號校核及調(diào)度命令信息中包含的列車位置信息，可獲取的位置信息包括列車公里標、速度、經(jīng)緯度及占用股道等信息。

4）DMS系統(tǒng)負責列控車載設備動態(tài)監(jiān)測，包括列車運行狀態(tài)信息實時監(jiān)測，能監(jiān)測列車的運行速度、里程、線路名稱、車次等。因此能通過DMS系統(tǒng)獲取的列車位置信息包括公里標、速度等信息。

5）接口監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)SM-R網(wǎng)絡電路域及分組域的全部主要接口進行監(jiān)測。對電路域業(yè)務數(shù)據(jù)的監(jiān)測，能獲取CTCS-3列控系統(tǒng)車地傳輸?shù)臒o線報文信息及途經(jīng)無線小區(qū)信息，通過無線報文信息可獲知列車的運行線路、公里標、速度及行車方向等信息；對分組域業(yè)務數(shù)據(jù)的監(jiān)測，能獲取車地間的車次號校核信息、調(diào)度命令信息，通過這些數(shù)據(jù)可獲知列車的途經(jīng)無線小區(qū)、公里標、速度、經(jīng)緯度、占用股道、速度及行車方向等信息。

4 接口監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

從我國第一條采用GSM-R無線通信網(wǎng)承載ITCS列控業(yè)務的青藏鐵路開始，之后又陸續(xù)開通了京津、武廣、滬寧、滬杭、京滬、哈大、滬昆等多條采用GSM-R無線通信網(wǎng)承載CTCS-3級列控業(yè)務的高鐵線路，各條線路所屬路局的核心網(wǎng)機房都部署了接口監(jiān)測系統(tǒng)。利用接口監(jiān)測系統(tǒng)對GSM-R網(wǎng)絡中各接口的數(shù)據(jù)進行跟蹤監(jiān)測，通過采集、解析各接口的網(wǎng)絡信令及列控業(yè)務數(shù)據(jù)，識別列控用戶通信異常，并對無線網(wǎng)絡性能及故障信息進行分析、統(tǒng)計。

最初的接口監(jiān)測系統(tǒng)只監(jiān)測Abis接口、A接口及PRI接口，隨著高鐵線路相繼開通，運營環(huán)境的多樣性及復雜性也有所增加，在分析無線超時故障時，僅依靠原有的三接口監(jiān)測系統(tǒng)提供的接口數(shù)據(jù)不夠完善，以至于無法準確定位故障點。

為了能更好的分析無線超時故障并提高GSM-R網(wǎng)絡的運維效率，接口監(jiān)測系統(tǒng)也逐步進行完善：

1）電路域發(fā)展到能夠監(jiān)測Igsm-r接口、車載側Um接口、基站側Um接口、Abis接口、A接口及PRI接口的主要接口；

2）同時，鐵路分組域業(yè)務的應用及相關維護技術也在不斷發(fā)展，承擔調(diào)度命令、列車進路預告、無線車次號信息、列控設備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等應用數(shù)據(jù)的傳輸，因此接口監(jiān)測系統(tǒng)也對GPRS網(wǎng)絡的Gb接口、Gn/Gp接口和Gi接口進行監(jiān)測；

3）另外，為完善C3跨局呼叫的跟蹤，保證跨局切換的連續(xù)性，接口監(jiān)測系統(tǒng)又增加了對GSM-R網(wǎng)絡7號信令相關接口的監(jiān)測，實現(xiàn)對C/D接口、E/G接口、L接口及Gr接口的監(jiān)測。

目前，接口監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的接口范圍已涵蓋電路域、分組域及7號信令子網(wǎng)的全部主要接口。

5 接口監(jiān)測系統(tǒng)中列車位置信息的提取及計算

接口監(jiān)測系統(tǒng)可以從所監(jiān)測的電路域及分組域的多個接口提取位置信息，下面以電路域的A接口和分組域的Gb接口為例來說明如何提取位置信息。

5.1 電路域A接口提取位置信息

5.1.1 通過A接口監(jiān)測到的業(yè)務數(shù)據(jù)信息

1）可采集到所有列車（ATP）與地面列控設備(RBC)間傳輸?shù)臒o線報文信息，其中ATP向RBC發(fā)送的列車位置報告消息（消息136）中包含位置報告信息包（信息包0）或基于兩個應答器組的位置報告信息包（信息包1），兩種信息包都包含變量NID_LRBG、Q_SCALE、D_LRBG、Q_DLRBG、V_TRAIN，分別表示最近相關應答器組（LRBG）的標識號、距離/長度的分辨率、最近相關應答器組與列車估計前端（在激活效駕駛室側）之間的距離、限定詞指出列車估計前端位于LRBG哪一側、實際列車速度。

2）通過NID_LRBG值計算列車公里標：從應答器配置表中對應出應答器組的公里標及所在的上下行軌道，當應答器的方向在下行線路時：如果Q_DLRBG為0（反向），則列車的公里標=應答器組公里標-Q_SCALE*D_LRBG/1 000；如果Q_DLRBG為1（正向），則列車的公里標=應答器組公里標+Q_SCALE*D_LRBG/1 000；當應答器的方向在上行線路時：如果Q_DLRBG為0（反向），則列車的公里標=應答器組公里標+Q_SCALE*D_LRBG/1 000；如果Q_DLRBG為1（正向），則列車的公里標=應答器組公里標-Q_SCALE*D_LRBG/1 000。

3）通過V_TRAIN值計算列車運行速度：列車的速度= V_TRAIN*5。

5.1.2 通過A接口監(jiān)測到的網(wǎng)絡信令

1）列車MT發(fā)起呼叫時，可采集到A接口攜帶的CM Service Request層3信令，從該條信令的Cell Identifier信元可解析獲得列車所在小區(qū)的位置區(qū)標識(LAC)及小區(qū)標識(CI)，結合這兩個標識值對應出唯一的小區(qū)，得到小區(qū)信息[5]。

2）列車運行過程中，MT發(fā)生越區(qū)切換時，可采集得到BSSMAP層的HANDOVER PERFORMED信令，從該條信令的Cell Identifier信元可解析獲得列車所在小區(qū)的位置區(qū)標識(LAC)及小區(qū)標識(CI)，結合這兩個標識值對應出唯一的小區(qū)，得到小區(qū)信息。

5.2 分組域Gb接口提取位置信息

5.2.1 通過Gb接口監(jiān)測到的業(yè)務數(shù)據(jù)信息

1）可采集到調(diào)度命令及車次號校核信息。

2）調(diào)度命令中的“確認和調(diào)車請求確認數(shù)據(jù)幀”包含簽收地點公里標值、簽收地點衛(wèi)星定位經(jīng)度、簽收地點衛(wèi)星定位緯度字段。GSM-R模式下CIR發(fā)送車次號信息數(shù)據(jù)幀中的“TXT輸出的列車運行數(shù)據(jù)幀”包含時速和公里標字段。

3）簽收地點公里標值字段采用二進制編碼，單位為m，高位在前，低位在后，Bit23是公里標符號位，Bit22表示公里標為遞增或遞減，Bit21-Bit0表示公里標絕對值，將該字段轉化為十進制，即可得到列車的公里標信息。

4）簽收地點衛(wèi)星定位經(jīng)度和簽收地點衛(wèi)星定位緯度字段采用壓縮BCD碼，低3個字節(jié)表示“分”，高字節(jié)表示“度”，將其轉為十進制即可得到列車的經(jīng)緯度信息。

5）實速字段采用二進制編碼，Bit9-Bit0表示速度，將其轉化為十進制即可得到列車速度信息[4]。

6）公里標字段采用二進制編碼，單位為m，高位在前，低位在后，Bit23是公里標符號位，Bit22表示公里標為遞增或遞減，Bit21-Bit0表示公里標絕對值，將該字段轉化為十進制，即可得到列車的公里標信息。

5.2.2 通過Gb接口監(jiān)測到的網(wǎng)絡信令

可 采 集 到 UL-UNITDATA、BVC-RESET、BVC-RESET-ACK信令，這3類信令均能解析得到Cell Identity信元和Routing Area Identification信元，Cell Identity信元提供小區(qū)標識值，Routing Area Identification信元提供位置區(qū)標識，結合這兩個標識值對應出唯一的小區(qū)，得到列車的小區(qū)信息[7]。

6 接口監(jiān)測系統(tǒng)列車位置信息共享方法探討

接口監(jiān)測系統(tǒng)能夠提取出運行線路、公里標、無線網(wǎng)小區(qū)、經(jīng)緯度、占用股道、速度及運行方向等全方位的列車位置信息，而一些新增的非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)亦有使用列車位置信息的需求，為提高接口監(jiān)測系統(tǒng)中列車位置信息的利用率，并保證列車位置信息的安全使用，現(xiàn)對位置信息共享方法進行探討。

1）安全性設計

鑒于安全性的要求，接口監(jiān)測系統(tǒng)和非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互時，需要對其進行身份認證。連接成功后，非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)向接口監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送身份信息，包括系統(tǒng)IP地址、系統(tǒng)代號、接口協(xié)議代號、鑒權參數(shù)等，接口監(jiān)測系統(tǒng)對身份信息進行驗證，并返回認證結果信息，包括認證成功和認證失敗。

a.如果認證成功，接口監(jiān)測系統(tǒng)和非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)繼續(xù)進行數(shù)據(jù)交互。

b.如果認證失敗，接口監(jiān)測系統(tǒng)返回失敗原因，包括重復認證、非法認證等，并斷開和非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)的連接。

2）高實時性要求的位置信息共享方法

如果非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)對列車位置信息的需求是高實時性的，接口監(jiān)測系統(tǒng)支持TCP連接方式進行數(shù)據(jù)推送，其中接口監(jiān)測系統(tǒng)為服務端。

身份認證成功后，非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)向接口監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送位置信息請求，位置信息請求消息的字段包括幀頭標識、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、位置信息類型、車次號、時間等，其中位置信息類型包括公里標、小區(qū)、經(jīng)緯度、速度、行車方向等。接口監(jiān)測系統(tǒng)解析出需要的位置信息后，實時的向非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)發(fā)送位置信息，消息字段包括幀頭標識、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、位置信息類型、位置信息值、車次號、時間等。數(shù)據(jù)交互流程圖如圖1所示。

3）低實時性要求的位置信息共享方法

如果非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)對列車位置信息的需求是低實時性的，接口監(jiān)測系統(tǒng)支持Web Service方式進行位置信息請求，當非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)有位置信息需求時才發(fā)起請求。位置信息請求消息的字段包括幀頭標識、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、位置信息類型、車次號、時間等，其中位置信息類型包括公里標、小區(qū)、經(jīng)緯度、速度、行車方向等。接口監(jiān)測系統(tǒng)在收到位置信息請求后，給非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)回復位置信息，位置信息的字段包括幀頭標識、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、位置信息類型、位置信息值、車次號、時間等。非涉安鐵路業(yè)務系統(tǒng)回復位置信息確認消息，消息字段包括幀頭標識、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、位置信息類型、車次號、時間等。數(shù)據(jù)交互流程圖如圖2所示。

圖1 高實時性要求的位置信息共享流程圖Fig.1 Flow chart of sharing train position information with high real-time requirement system

圖2 低實時性要求的位置信息共享流程圖Fig.2 Flow chart of sharing train position information with low real-time requirement system

7 結束語

總結列車位置信息的多種獲取途徑以及接口監(jiān)測系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，提出從接口監(jiān)測系統(tǒng)提取列 車位置信息的方法，并可向非安全相關的且需要列車位置信息的鐵路業(yè)務系統(tǒng)共享，以便實現(xiàn)這些業(yè)務系統(tǒng)對列車的定位及追蹤。同時，為保證列車位置信息的安全使用，本文也提出位置信息的多種共享方法來滿足安全性和實時性的要求。