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基于GPRS的智能高铁自动驾驶技术应用研究.pdf
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1、30T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION基于GPRS的智能高铁自动驾驶技术应用研究王军栋(北京中铁建电气化设计研究院有限公司,北京 100043)摘要:介绍 CTCS-3+ATO 模式列控系统的运行方式和 GPRS 的相关参数。通过分析国内首条使用CTCS-3+ATO 模式高铁线路运行 1 年多以来的监测数据,可见高速铁路 ATO 业务在功能和性能方面完全满足国铁集团制定的规范要求,并对原 CTCS-3 业务没有任何影响,证明使用分组域GPRS 网络承载列控类业务的可行性。为增强 GPRS 分组域通道的可用性,保证 ATO 业务的正常运行,针对 BSC 资源利用、小区重选和
2、 ATO 设备保护功能等方面提出合理建议。关键词:通用分组无线业务;自动驾驶;列控业务中图分类号:U284.48 文献标志码:A 文章编号:1673-4440(2023)09-0030-06Application Research on Intelligent High-speed Railway ATO Based on GPRSWang Jundong(Beijing China Railway Construction Electrifi cation Design&Research Institute,Beijing 100043,China)Abstract:This paper i
3、ntroduces the operation mode of CTCS-3+ATO train control system and the relevant parameters of GPRS.By analyzing the monitoring data of the first domestic high-speed railway line using CTCS-3+ATO mode for more than one year,the high-speed railway ATO service fully meets the requirements of the speci
4、fi cations formulated by China Railway Group in terms of function and performance,and has no impact on the original CTCS-3 service,which proves the feasibility of using packet domain GPRS network to carry train control services.In order to enhance the availability of GPRS grouped domain channels and
5、 ensure the normal operation of ATO,this paper puts forward reasonable suggestions on BSC resource utilization,cell reset and ATO device protection.Keywords:general packet radio service;ATO;train control businessDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.09.007收稿日期:2022-10-25;修回日期:2023-07-20作者简介:王军栋(1984),男,
6、高级工程师,硕士,主要研究方向:高速铁路通信系统设计,邮箱:。1概述智能高铁是中国未来高铁建设的发展方向,也是当今世界各国高铁行业的主要发展趋势。智能化高铁是中国高铁进一步保障出行安全、提升高铁速度、降低运输成本的一大创新选择。根据中国国家铁路集团有限公司(简称国铁集团)发布的 ATO 技术规范定义,高速铁路 ATO 列车业务管理系统是在能够实现 CTCS-(简称 C)级和 CTCS-(简称 C)级列控的功能外,增设ATO 单元模块在车载设备上,从而实现列车运行控制以及自动驾驶,使用基于 GPRS 通信模块来实现铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年9月,第20卷第9期31技术创新TECH
7、NOLOGICAL INNOVATION车-地之间自动驾驶的行车业务数据模块间所进行的信息数据交互。车站的自动售票发车、区间的自动调度运行、车门的自动开门/关闭(防护)、车门/站台门的联动控制系统等这几个主要部分模块都是国内高速铁路 ATO 列车业务智能管理监控系统模块中的一些重要系统功能。2ATO实现方式2.1ATO运用方式C+ATO 模式列控系统是在 C 列控基础上,车载设备增加 ATO 单元、GPRS 通信模块及相关配套设备实现自动驾驶控制。如图 所示,地面在临时限速服务器(TSRS)、调度集中系统(CTC)和列控中心(TCC)等设备上增加相应功能。自动驾驶 ATO 业务数据使用 GSM
8、-R 网络的通用分组无线业务(GPRS)分组域通道,原 C 列控业务数据仍使用 GSM-R 网络的电路域通道。2.2GSM-R系统组成GSM-R 网络由基站子系统(BSS)、网络交换子系统(NSS)和移动台(MS)构成。GPRS 的引入使现有网络架构得以扩展,因为两种类型的应用,电路交换(CS)和分组交换(PS),都通过GSM-R/GPRS 网络运行。BSS 由很多基站收发信台(BTS)构成,这些 BTS 能够实现移动台与网络之间的无线连接。BTS 设定了移动台与网络之间的所有功能,包括信道编码、交织、加密以及突发。此外,还包括GMSK 及-PSK 调制及解调。BTS 由基站控制器(BSC)控
9、制,包括在专用连接中对 BTS 和 MS 测量结果的计算,以及切换和功率控制。BSS 中的第 个网元是 TRAU,提供语音压缩,将传真、语音、数据信息转化为 TRAU 帧。为实现 GSM PS 模式,通过数据包控制单元(PCU)增强 BSS,可以将其作为 BSS 的一部分安装在网络中的不同位置。PCU 的功能是管理 GPRS无线资源,而 BSC 负责管理电路交换无线资源。TRAU 和 BTS 之间使用 kbit/s 信道,并且该信道速率用于较低的 GPRS 编码方案(信道编码)。为了利用 GPRS(即(CS-/CS-)获得更高的带宽,在 Abis 上需要更大的带宽(kbit/s)。如上所述,P
10、CU 帧通过 BSC 透明地转发到 BTS,以进行进一步处理。BSC 和 PCU 在 Abis 和空中接口(Um)上共享时隙和资源。BSC 和 PCU 需要进行协调,以防止 BSC 和 PCU 分配彼此已经占用的时隙。NSS 有一个或多个归属位置寄存器(HLR),包括鉴权中心(AuC),MSC 包涵很多媒体网关及 MSS。拜访位置寄存器(VLR)大多数时候与MSC/MSS 连接。部分 NSS 用于 GSM 分组模式,比如签约信息的获取及与 MSC/MSS 移动性管理。PS 模式分组核心网(PaCo)是 CS 模式 NSS的对应网络,由服务 GPRS 支持节点(SGSN)和网关 GPRS 支持节
11、点(GGSN)功能组成。PaCo 网络内部的服务 GPRS 支持节点(SGSN)接管 GSM 中MSS/MSC 和 VLR 所执行的功能。除了这些功能之外,SGSN 还必须执行 GPRS 特定的其他任务。GGSN 本质上是 GPRS 网络与外部分组数据网络之间的接口。2.3GPRS协议栈GPRS 需要新的协议用于 MS 和 BSS 以及分组图地铁施工临时通信处理系统示意Fig.1 Schematic diagram of temporary communication processing system for metro constructionBTSBSCSGSNGGSNTSRSMTATO
12、单元ATP单元MTMTMSCRBC车载设备PRIGiGnGbAbisA分组域接口监测系统-ATO业务监测铁路局GSM-R/GPRS核心网行车控制系统地面设备TRAUPCUNo.9王军栋:基于GPRS的智能高铁自动驾驶技术应用研究32T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION域核心网接口处。协议栈由用户平面及控制平面组成,如图 所示,在用户平面协议栈中没有 MSC/MSS+MGW。图GRPS协议栈Fig.2 GRPS protocol stackApplicationIPSNDCPRelayMACNetworkServiceLbisLbisGSM RFBSSGPRLCRLCMACL
13、LCLLCEDOR(MS)PCU(BSS)UmGbGn/GpGiSGSNGGSNTSRSApplicationIPIPGTP-ULLLLRelayLLCUDP/(TCP)UDP/(TCP)IPIPGTP-USNDCPBSSGPNetworkServiceLLPSBTSPCUSGSNGGSNTSRS在所有 GPRS 支持节点和 SGSN 和 GGSN 之间,用户数据报协议(UDP)或传输控制协议(TCP)显示在 GPRS 隧道协议(GTP)下。GTP用于在 GSM、UMTS 和 LTE 中传输 GPRS,并且由单独的协议 GTP-C、GTP-U 和 GTP 组成。SNDCP 向更高层提供服务,包
14、括复用、分段和封装,即将 IP 帧转换为子网格式。另外,SNDCP 执行多个 PDP 上下文 PDU 传输,并确保在满足 QoS 要求的情况下及时将网络协议数据单元传输到 LLC 层。LLC 传 送 协 议 数 据 单 元(PDU)、移 动 管理(GMM)、会话管理(SM)、IP 分组及短消息(SMS)。在 SNDCP 层中,PDU 进行预先处理,并通过 LLC 进行传送。MS 及 SGSN 之间的 LLC 传送参数通过交换标识帧(XID)来进行交换。BSSGP 用于提供在 PCU(BSS)和 SGSN 之间交换用户数据所需无线相关的 QoS 和路由信息。这样的用户数据是透明的,并且 BSSG
15、P 不为用户数据提供前向纠错。无线资源分配机制属于协议栈的 RLC/MAC层,由无线链路控制(RLC)和媒体访问控制(MAC)两个单独的协议组成。2.4ATO运用情况在功能方面,通过 年多以来的 ATO 运用情况来看,ATO 相关设备在通信方面的处理功能正常。车载 ATO 设备和地面 TSRS 服务器之间均能正常建立 TCP 连接,并维持正常的 ATO 业务信令的交互。车载 ATO 设备在 TSRS 服务器交权区可以正常进行交权,正常结束当前呼叫,执行PDP 去激活操作;然后进行 PDP 激活操作,获取新的 IP 地址;再根据从应答器接收的新 TSRS服务器 IP 地址,与新 TSRS 服务器
16、建立 TCP 连接。从性能指标方面来看,通过对空中传输的 TCP数据包的时延统计,单向平均时延和%信息包的时延均小于 ATO 规范规定的标准(如某月的统计结果为单向平均时延.s,%时延.s)。从 ATO 运用情况可以看出,国铁集团通过前期充分的理论研究和实验室验证,制定的高速铁路ATO 方案和各项参数设置是合理的。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年9月33技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION2.5GPRS对列控业务的意义通过对某高铁 ATO 业务的运用信息跟踪,充分说明使用分组域 GPRS 网络承载列控类业务是可行的,是对原 C 列控系统使用的电路域通道的有效补充。
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