鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可用度分析

辛 念 謝靜高

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

根據(jù)《CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案》要求，在采用CTCS-3級列控系統(tǒng)的高速鐵路中需建設(shè)信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)，為無線閉塞中心（RBC）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）、RBC與臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）之間的信息傳送提供安全數(shù)據(jù)通道。由于傳送的是有關(guān)列車控制的至關(guān)重要的安全信息，信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)必須保證高可用性，才能極大地提高運(yùn)輸效率和行車安全。

1 概述

鄭西客運(yùn)專線東起鄭州站（含），由東往西分別經(jīng)過鄭州西、滎陽南、鞏義南、洛陽南、澠池南、三門峽南、靈寶西、華山北、渭南北和臨潼東，再通過聯(lián)絡(luò)線接至既有隴海線的窯村、灞橋和西安東，終止于西安站（含），正線全長458.279 km。同時(shí)由臨潼東至西安北站新建西安客北環(huán)線，設(shè)西安北站和西安北動(dòng)車所，正線全長30.15 km。全線工程范圍示意如圖1所示。

鄭西客運(yùn)專線采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備，利用通信專業(yè)提供的專用單模光纖，組建冗余雙環(huán)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)，用于RBC與CBI設(shè)備、RBC與TSRS設(shè)備間的安全信息可靠傳輸，并預(yù)留與其他相鄰線路安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的信息互通能力。

2 網(wǎng)絡(luò)可用度分析

通常對于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的用戶而言，最直接指標(biāo)就是網(wǎng)絡(luò)的可用性。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在滿足合理的工程造價(jià)原則上，在貫徹可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，組建一個(gè)易于管理維護(hù)的高可用性網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)可靠性

結(jié)合鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，著重分析在不同網(wǎng)絡(luò)故障情況下的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，以此來判斷網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)是利用工業(yè)交換機(jī)組建千兆以太網(wǎng)，站站連接、中繼站環(huán)回構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，采用雙環(huán)網(wǎng)（以下稱環(huán)網(wǎng)A、環(huán)網(wǎng)B）冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

環(huán)網(wǎng)A在鄭州調(diào)度所（RBC）設(shè)置三層交換機(jī)1臺，在沿線車站（CBI）各設(shè)置二層交換機(jī)1臺，利用客運(yùn)專線一側(cè)光纜（A纜）中的2芯光纖站站連接。在2號中繼站等8個(gè)節(jié)點(diǎn)各設(shè)置光中繼器1臺，利用客運(yùn)專線另一側(cè)光纜（B纜）中的2芯光纖連接，與調(diào)度所和車站的光纖交換機(jī)一起構(gòu)成環(huán)狀光網(wǎng)絡(luò)。

環(huán)網(wǎng)B在鄭州調(diào)度所（RBC）設(shè)置三層交換機(jī)1臺，在沿線車站（CBI）各設(shè)置二層交換機(jī)1臺，利用客運(yùn)專線一側(cè)光纜（B纜）中的2芯光纖站站連接。在3號中繼站等8個(gè)節(jié)點(diǎn)各設(shè)置光中繼器1臺，需要說明的是，因網(wǎng)絡(luò)為冗余構(gòu)成，環(huán)網(wǎng)B的環(huán)回是在不同的中繼站點(diǎn)（相對環(huán)網(wǎng)A）設(shè)置光中繼器，利用客運(yùn)專線另一側(cè)光纜（A纜）中的2芯光纖連接，與調(diào)度所和車站節(jié)點(diǎn)的光纖交換機(jī)一起構(gòu)成環(huán)狀光網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)故障

對于網(wǎng)絡(luò)故障的分析，基于以下前提。

（1）監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新周期一般介于500～1 000 ms之間。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)2～3個(gè)掃描周期內(nèi)得不到前端數(shù)據(jù)，將判定通信故障，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換工作。

（3）2個(gè)網(wǎng)卡實(shí)時(shí)工作，當(dāng)從1個(gè)網(wǎng)卡采集不到數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)從另一個(gè)環(huán)網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)。

下面從幾種典型故障情況下，分析故障的影響范圍和鏈路收斂時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)。

2.1.2.1 環(huán)網(wǎng)鏈路故障

環(huán)網(wǎng)單鏈路故障主要發(fā)生在連接光纖中斷、機(jī)房內(nèi)光尾纖中斷、應(yīng)用終端六類線中斷等情況下，在工程實(shí)施中是最為常見的故障。

（1） 中繼站側(cè)鏈路故障

當(dāng)鏈路故障出現(xiàn)在中繼站一側(cè)，在發(fā)生一處或多處鏈路中斷情況下，均不會引起CBI設(shè)備終端網(wǎng)卡切換。鏈路中斷后對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸無任何影響，各站點(diǎn)之間的通信轉(zhuǎn)發(fā)路徑不會改變，既不會引起MAC地址表的刷新，也不會引起終端網(wǎng)卡切換。

在此情況下，對于網(wǎng)絡(luò)的影響范圍和鏈路收斂時(shí)間均無影響。

（2）車站側(cè)單鏈路故障

若鏈路故障出現(xiàn)在車站之間，環(huán)網(wǎng)自動(dòng)激活熱備鏈路，網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間不大于50 ms，此時(shí)引起交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的改變，不會造成終端網(wǎng)卡切換。

在此情況下，對于網(wǎng)絡(luò)的影響范圍無影響，鏈路收斂時(shí)間小于50 ms。

（3）車站側(cè)單網(wǎng)雙鏈路故障

若在某一環(huán)網(wǎng)中車站側(cè)出現(xiàn)雙鏈路故障，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸不會中斷，僅引起部分應(yīng)用數(shù)據(jù)尋址到另一環(huán)網(wǎng)中，同時(shí)受影響節(jié)點(diǎn)的設(shè)備終端網(wǎng)卡會自動(dòng)切換。

在此情況下，對網(wǎng)絡(luò)的影響范圍為網(wǎng)絡(luò)切換，鏈路收斂時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測周期和系統(tǒng)終端網(wǎng)卡的切換。

2.1.2.2 設(shè)備故障

設(shè)備故障主要發(fā)生在光纖交換機(jī)或光中繼器硬件設(shè)備故障失效的情況下。

（1） 光中繼器故障

當(dāng)環(huán)網(wǎng)A或環(huán)網(wǎng)B中光中繼器設(shè)備故障時(shí)，均對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸無任何影響。對網(wǎng)絡(luò)的影響范圍和鏈路收斂時(shí)間無影響。

（2）單臺光纖交換機(jī)故障

當(dāng)環(huán)網(wǎng)中某一車站節(jié)點(diǎn)光纖交換機(jī)設(shè)備故障，此時(shí)該環(huán)中其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸不會中斷，僅引起交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的改變，不會造成終端網(wǎng)卡切換。而該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用數(shù)據(jù)會尋址到另一環(huán)網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的設(shè)備終端網(wǎng)卡也會自動(dòng)切換。

在此情況下，對于無故障節(jié)點(diǎn)的影響范圍無影響，鏈路收斂時(shí)間小于50 ms；對于故障節(jié)點(diǎn)的影響范圍為網(wǎng)絡(luò)切換，鏈路收斂時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測周期和系統(tǒng)終端網(wǎng)卡的切換。

（3）同一站點(diǎn)2臺光纖交換機(jī)故障

當(dāng)環(huán)網(wǎng)A或環(huán)網(wǎng)B中，在某一車站節(jié)點(diǎn)的2臺光纖交換機(jī)設(shè)備同時(shí)故障，此時(shí)故障站點(diǎn)的通信中斷，但其他無故障節(jié)點(diǎn)的信息傳輸不會中斷，僅引起交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的改變，不會造成終端網(wǎng)卡切換。

在此情況下，對于無故障節(jié)點(diǎn)的影響范圍無影響，鏈路收斂時(shí)間小于50 ms；對于故障節(jié)點(diǎn)的影響范圍為通信中斷。

2.1.2.3 站點(diǎn)封鎖

站點(diǎn)封鎖指的是車站、中繼站節(jié)點(diǎn)因特殊原因（如停電、臨時(shí)檢修等），車站封鎖屏蔽，但不影響列車正常運(yùn)行的情況。

通常在中繼站節(jié)點(diǎn)封鎖或檢修時(shí)，對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸無任何影響。此種情況與上述光中繼器故障類似。

在某一車站節(jié)點(diǎn)封鎖時(shí)，該站點(diǎn)的通信中斷，但不影響其他站點(diǎn)的信息傳輸。此種情況與上述同站臺2臺光纖交換機(jī)的故障類似。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與可靠性的關(guān)系

從上述分析可得出，鄭西客運(yùn)專線的信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)可適應(yīng)多種故障情況，其中關(guān)鍵點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)冗余結(jié)構(gòu)。每個(gè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備通過組成一個(gè)機(jī)群，機(jī)群內(nèi)部單點(diǎn)故障后自動(dòng)熱切換到備用設(shè)備，對外實(shí)際上表現(xiàn)為一個(gè)可靠的機(jī)群；機(jī)群出現(xiàn)故障時(shí)，對外實(shí)際上表現(xiàn)為切換到另外一個(gè)機(jī)群，這樣可以大大提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，保證了各站點(diǎn)信息安全傳輸?shù)目煽俊?/p>

網(wǎng)絡(luò)可靠性主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，在鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)方案制定中，重點(diǎn)研究的也是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過了反復(fù)論證和審核。

2.2 網(wǎng)絡(luò)安全性

網(wǎng)絡(luò)安全性分為設(shè)備安全性、數(shù)據(jù)安全性和管理安全性。由于傳送的是影響列車控制的至關(guān)重要的安全信息，信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)必須部署嚴(yán)密的安全策略，提高網(wǎng)絡(luò)安全性。

2.2.1 設(shè)備安全性

設(shè)備自身安全性指的是選用高可靠性硬件設(shè)備，提高物理設(shè)備單機(jī)的安全性。鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的設(shè)備技術(shù)規(guī)格書，對光纖交換機(jī)、光中繼器設(shè)備做出明確要求。

（1）采用目前國際、國內(nèi)的主流產(chǎn)品，設(shè)備無故障工作時(shí)間（MTBF）值應(yīng)在20年以上。

（2）滿足SIL4相關(guān)安全設(shè)備的應(yīng)用需求，符合EN 50159-1標(biāo)準(zhǔn)。

（3）采用模塊化設(shè)計(jì)，配置冗余負(fù)載均衡的電源模塊、冗余通信端口等。

（4）設(shè)備應(yīng)遵循相關(guān)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)等。

2.2.2 數(shù)據(jù)安全性

數(shù)據(jù)安全性主要指防止非法用戶接入、非授權(quán)用戶訪問。鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)在保障數(shù)據(jù)安全性方面提出以下措施。

（1）利用設(shè)備的端口安全策略，關(guān)閉閑置端口，并通過網(wǎng)絡(luò)端口與固定IP地址或固定MAC地址綁定的方法，來限制使用交換機(jī)端口的終端設(shè)備。從根本上切斷非法用戶的訪問渠道。

（2）通過交換機(jī)本身的密碼保護(hù)機(jī)制對交換機(jī)進(jìn)行設(shè)置，以保護(hù)交換機(jī)本身的安全。防止非授權(quán)用戶通過網(wǎng)絡(luò)、Web、CONCOLE接口等各種方式對設(shè)備進(jìn)行配置修改、安全設(shè)定修改。

2.2.3 管理安全性

管理安全性針對設(shè)備的管理，防止非授權(quán)用戶對設(shè)備進(jìn)行配置修改、安全設(shè)定修改，設(shè)定授權(quán)專用的管理工作站，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行設(shè)定和管理。

2.3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性

網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性主要是分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間，即數(shù)據(jù)從開始發(fā)送至目的端口之間的時(shí)間。鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，根據(jù)光纖交換機(jī)的工作原理，從數(shù)據(jù)源到目的地址的全路徑延遲計(jì)算公式為：

LTotal=［LSF+LSW+LWL+LQ］×NSWITCHES

其中，LSF表示存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，LSW表示交換機(jī)設(shè)備延時(shí)，LWL表示傳輸光纖延時(shí)，LQ表示隊(duì)列延遲（網(wǎng)絡(luò)負(fù)載）延時(shí)，NSWITCHES表示交換機(jī)數(shù)量。

2.3.1 無鏈路故障情況

當(dāng)環(huán)網(wǎng)中無鏈路故障時(shí)，以最長TCP/IP數(shù)據(jù)包在最遠(yuǎn)傳輸距離（鄭州局調(diào)度所—西安北動(dòng)車所）上傳輸為原則，引起的時(shí)延計(jì)算為LTotal。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)鏈路故障

若網(wǎng)絡(luò)中存在單鏈路故障，最不利的條件為鄭州局調(diào)度所—滎陽南的連接鏈路故障，以最長TCP/IP數(shù)據(jù)包在最遠(yuǎn)傳輸距離（鄭州局調(diào)度所-環(huán)回-滎陽南）上傳輸為原則，引起的時(shí)延計(jì)算為LTotal。

根據(jù)以上兩種情況得出，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的單節(jié)點(diǎn)信息傳輸時(shí)延，在正常工作情況下均不大于10 ms。

2.4 網(wǎng)絡(luò)可管理性

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮網(wǎng)絡(luò)的可管理性，全網(wǎng)設(shè)備應(yīng)能進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)管，配置的網(wǎng)管軟件應(yīng)能支持配置管理、性能管理、故障管理和安全管理等基本功能。

鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，在鄭州局調(diào)度所設(shè)1套網(wǎng)管服務(wù)器系統(tǒng)，各電務(wù)段設(shè)網(wǎng)管終端，提供拓?fù)涔芾?、配置管理、故障管理、性能監(jiān)測與分析、流量采集與分析等功能，為網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理提供良好平臺。

3 總結(jié)

通過分析，可以得出鄭西客運(yùn)專線信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)具有高可靠性，滿足CTCS-3級列控系統(tǒng)信息傳輸?shù)男枨?。鄭西客運(yùn)專線是國內(nèi)第一批采用CTCS-3級列控系統(tǒng)的高速鐵路之一，在總體設(shè)計(jì)方案的研究和制定中尚無相關(guān)規(guī)范和開通實(shí)例可參考，同時(shí)本文分析的相關(guān)結(jié)論還有待于在工程實(shí)施中驗(yàn)證，因此不足之處，望廣大同仁提出寶貴意見，以便共同探討。

[1] 科技運(yùn)[2008]34號 CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[S].

[2] IEC 62280-1-2002 （EN 50159-1）Railway applications.Communication, signalling and processing systems. Safety related communication in closed transmission systems[S].

[3] 運(yùn)基信號[2009]223號 關(guān)于印發(fā)《客運(yùn)專線信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)技術(shù)方案V1.0》的通知[S].