CTCS- 3 级列控系统故障诊断与可靠性分析

1 CTCS-3 级列控系统结构与功能分析

1.1 系统组成

CTCS-3 级列控系统由车载设备、地面设备与通信网络三部分构成：

车载设备：包括车载主机（集成安全计算机、DMI 人机界面）、应答器信息接收模块（BTM）、轨道电路信息接收单元（TCR）、速度传感器、加速度传感器等。车载主机作为核心处理单元，负责数据融合、控制指令生成与故障自检。

地面设备：涵盖无线闭塞中心（RBC）、应答器组、ZPW-2000 轨道电路、GSM-R 基站、车站联锁系统等。RBC 通过无线通信向列车发送行车许可（MA），应答器提供定位基准信息，轨道电路完成列车占用检测与完整性检查。

通信网络：基于 GSM-R 无线通信技术，实现车载设备与 RBC、TCC（列控中心）之间的实时双向数据传输，支持列车位置报告、速度信息上传与控制指令下发。

1.2 系统功能

CTCS-3 级列控系统通过以下功能保障列车安全运行：

列车定位与测距：结合应答器定位与速度传感器积分，实现列车位置与行驶距离的精确计算，定位误差小于± 2 米。

速度控制与防护：根据地面提供的线路参数、前车距离与进路状态，生成目标距离连续速度控制曲线，实时监控列车速度，超速时触发制动干预。

行车许可管理：RBC 根据列车位置、前方闭塞分区状态与联锁条件，动态计算并发送行车许可，确保列车运行间隔符合安全要求。

降级运行模式：当无线通信中断或车载设备故障时，系统自动切换至CTCS-2 级后备模式，利用轨道电路与应答器信息维持基本控制功能。

2 CTCS-3 级列控系统故障诊断方法

2.1 故障类型与特征分析

CTCS - 3 级列控系统故障主要划分为硬件故障、软件故障以及通信故障这三类。

硬件故障方面，涉及多个关键部件。速度传感器作为获取列车速度信息的重要装置，一旦出现故障，会影响系统对列车运行状态的准确判断；BTM 通信中断会阻碍列车与地面设备间的关键信息交互；DMI 黑屏则使得司机无法直观获取列车运行相关指令与信息，严重影响操作。

软件故障主要表现为控制算法错误，这可能导致列车运行控制指令不准确，以及数据解析异常，使系统无法正确理解和处理接收到的数据，进而影响整个列控系统的稳定运行。

通信故障涵盖 GSM - R 网络中断，会切断列车与地面控制中心等的通信联系，还有 RBC 与 TCC 通信异常，也会干扰列车运行控制流程。

2.2 基于多源数据融合的故障诊断方法

传统故障诊断依赖单一传感器数据，易受噪声干扰与故障模式耦合影响。本文提出基于多源数据融合的故障诊断框架，通过整合车载设备状态数据、地面设备监测信息与通信网络性能指标，提升故障检测准确率与定位精度。

2.2.1 数据采集与预处理

车载设备数据：采集 DMI 故障记录、速度传感器输出、BTM 通信状态等，通过卡尔曼滤波消除噪声干扰。

地面设备数据：从RBC 维护终端获取行车许可发送记录、TCC 联锁状态，结合轨道电路占用检测结果，构建地面设备状态矩阵。

通信网络数据：监测GSM-R 信号强度、数据包丢失率与延迟，利用傅

里叶变换分析频谱特征，识别网络拥塞或干扰。

2.2.2 故障特征提取与分类

采用机器学习算法对预处理后的数据进行特征提取与分类：

特征提取：利用小波变换提取速度传感器信号的时频特征，通过主成分分析（PCA）降低数据维度。

故障分类：构建支持向量机（SVM）分类模型，以车载设备状态、地面设备响应与通信质量为输入，输出故障类型（如硬件故障、软件故障、通信故障）与位置（如车载、地面、网络）。

2.2.3 故障定位与决策

结合故障分类结果与系统拓扑结构，运用贝叶斯网络开展故障定位工作。首先构建贝叶斯网络，选取车载主机、RBC、GSM - R 基站等关键要素作为节点，以通信链路充当连接边，并精心定义条件概率表（CPT），以此清晰描述节点间的依赖关系。接着进行故障传播分析，依据输入的故障特征，借助贝叶斯推理精确计算各节点的故障概率，将概率最高的节点确定为故障源。最后提供决策支持，根据所确定的故障类型与位置，针对性地生成维修建议，如重启车载设备、切换备用 RBC、调整 GSM - R 基站参数等。

3 CTCS-3 级列控系统可靠性分析

3.1 可靠性建模方法

采用马尔可夫模型与故障树分析（FTA）相结合的方法，评估系统可靠性指标（如可用度、故障率、平均修复时间）：

马尔可夫模型：将系统状态划分为正常、降级、故障三类，定义状态转移概率矩阵，通过求解稳态方程计算可用度。例如，CTCS-3 级系统在GSM-R 网络中断时，可自动切换至CTCS-2 级，此时可用度由主备模式切换时间与修复时间决定。

故障树分析：以“ 列车运行中断” 为顶事件，构建故障树，识别关键子事件（如RBC 故障、轨道电路异常、速度传感器失效），计算顶事件发生概率与最小割集。

3.2 冗余设计与优化策略

为切实提升 CTCS - 3 级列控系统的可靠性，该系统精心采用了多重冗余设计。在硬件冗余层面，车载主机运用双机热备结构，主备机同步运行，一旦出现故障，能迅速自动切换，且切换时间严格控制在小于 100 毫秒，保障列车运行不受硬件故障过多干扰。通信冗余方面，GSM - R 网络采用双链路覆盖模式，主备链路可自动切换，确保通信中断时间小于 2 秒，维持列车与地面间的稳定通信。软件冗余上，RBC 控制算法采用三模冗余（TMR）结构，借助多数表决机制，有效消除单点故障影响，增强软件运行的稳定性与可靠性。

4 结论与展望

本文系统剖析 CTCS-3 级列控系统结构功能，提出多源数据融合的故障诊断法，用马尔可夫模型与故障树分析评估可靠性，以冗余设计优化提升稳定性。案例验证其能精准检测故障、定位源头、优化指标。未来可探索深度学习处理时序数据提高预测精度、构建数字孪生模型降低测试成本、集成 5G-R 提升通信性能，持续创新保障高铁安全高效运行。

参考文献

[1]船舶主机系统故障诊断中故障树分析法的应用研究[J]. 于卓.科技创新与应用，2017（03）

[2]状态监测装载机液压故障诊断专家系统的研究[J]. 张卫亮;李飞舟.机床与液压，2017（01）