鐵路調(diào)度集中系統(tǒng)運(yùn)輸指揮信息數(shù)據(jù)雙路傳輸研究

王振一，曹 楨，宋曉麗

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 北京市華鐵信息技術(shù)開(kāi)發(fā)總公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

調(diào)度集中(CTC)系統(tǒng)是在列車調(diào)度指揮管理系統(tǒng)(TDCS)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的、滿足我國(guó)高速鐵路運(yùn)輸組織需要的新一代行車調(diào)度指揮自動(dòng)化系統(tǒng)。CTC是綜合各種先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行遠(yuǎn)程集中控制的高度自動(dòng)化、智能化調(diào)度指揮系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速鐵路的運(yùn)輸安全生產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)服務(wù)起到至關(guān)重要的作用[1-3]。與普通鐵路相比，高速鐵路發(fā)生故障的危害性和社會(huì)影響更大，要求調(diào)度指揮系統(tǒng)的可靠性更高[4]。大量CTC系統(tǒng)的故障資料顯示，CTC系統(tǒng)故障的主要原因之一是網(wǎng)絡(luò)通信缺陷，這其中既有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和外界因素干擾的問(wèn)題，也有環(huán)路組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸方式的問(wèn)題[5-6]。因此，基于現(xiàn)有通信技術(shù)，在設(shè)備可靠性難以提高的前提下，利用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的雙通道模式，提出運(yùn)輸指揮數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p路模式，以避免復(fù)雜傳輸環(huán)節(jié)中的單點(diǎn)鐵路設(shè)備故障對(duì)高速鐵路調(diào)度指揮的影響，從而提高CTC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 CTC系統(tǒng)運(yùn)輸指揮信息數(shù)據(jù)雙路傳輸分析

1.1 信息數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CTC系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)調(diào)度所對(duì)所轄范圍內(nèi)車站進(jìn)行集中指揮的設(shè)備。CTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由調(diào)度所之間的網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度所與車站之間網(wǎng)絡(luò)組成。其中，不同高速鐵路調(diào)度所之間、高速鐵路調(diào)度所與普速線調(diào)度所之間、高速鐵路調(diào)度所與車站之間、車站與車站之間均采用雙通道連接，將雙通道分別接入了互為冗余的不同的2套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[7]。

CTC車站與車站間，以及車站與中心間通道主要采用專用傳輸系統(tǒng)的2M通道，組成廣域網(wǎng)絡(luò)。調(diào)度所與車站之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般采用雙通道環(huán)形結(jié)構(gòu)，組成環(huán)形廣域網(wǎng)，環(huán)形結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸起到冗余作用。環(huán)內(nèi)首尾端車站連接至調(diào)度所中心路由設(shè)備，每個(gè)環(huán)車站數(shù)一般為3 ～ 10個(gè)。環(huán)與環(huán)之間相對(duì)獨(dú)立，僅通過(guò)中心進(jìn)行路由交換。調(diào)度中心與車站之間的通道結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交換如圖1所示。

圖1 調(diào)度中心與車站之間的通道結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交換Fig.1 Channel structure and data exchange between the traffic control center and stations

目前，CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)為單路傳輸方式，廣域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備通過(guò)交叉方式連接在一起，成為一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)。CTC系統(tǒng)廣域網(wǎng)主要采用商用路由器構(gòu)成，路由協(xié)議廣泛采用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，路由器之間根據(jù)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議規(guī)則計(jì)算出一條最優(yōu)路徑。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變時(shí)，路由器會(huì)進(jìn)行重新計(jì)算，形成新的最優(yōu)路徑。CTC系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)，無(wú)論中心與車站之間，還是車站與車站之間，均按照它們之間的一條最優(yōu)路徑進(jìn)行傳輸。因此，雖然網(wǎng)絡(luò)為雙通道結(jié)構(gòu)，但信息數(shù)據(jù)仍然為單路傳輸方式。

1.2 CTC 系統(tǒng)運(yùn)輸指揮信息數(shù)據(jù)傳輸分析

安裝在各個(gè)車站的CTC設(shè)備之間，以及車站設(shè)備與中心設(shè)備之間必須保持緊密的數(shù)據(jù)聯(lián)系，才能滿足運(yùn)行監(jiān)視和自動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性[8]。CTC系統(tǒng)運(yùn)輸指揮信息數(shù)據(jù)傳輸如表1所示。

表1 CTC系統(tǒng)運(yùn)輸指揮信息數(shù)據(jù)傳輸Tab.1 Transport dispatching information data transmission of CTC system

在CTC系統(tǒng)運(yùn)輸指揮信息數(shù)據(jù)中，車站與調(diào)度所之間的實(shí)時(shí)表示信息，以及站間傳遞的實(shí)時(shí)采集信息(含站內(nèi)、區(qū)間)和車次跟蹤信息的數(shù)據(jù)傳輸密度最大，對(duì)實(shí)時(shí)性要求最高，因而最容易受到網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)節(jié)影響[9]。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸不良時(shí)，主要故障表現(xiàn)為：鄰站間自律機(jī)碼位丟失、延時(shí)導(dǎo)致車次滯留、占用丟失誤報(bào)警、站場(chǎng)表示中斷或者延時(shí)。另外，CTC應(yīng)用層通信協(xié)議采用了時(shí)間戳檢查機(jī)制，這對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收方判斷應(yīng)用數(shù)據(jù)包傳輸延時(shí)超過(guò)10 s時(shí)，將認(rèn)為是無(wú)效數(shù)據(jù)并丟棄。因此，當(dāng)信息數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)較大時(shí)，故障有時(shí)表現(xiàn)為數(shù)據(jù)丟失或通信中斷。

1.3 既有信息數(shù)據(jù)傳輸常見(jiàn)通信故障分析

通信故障是CTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ?jiàn)故障。CTC系統(tǒng)的通道環(huán)節(jié)較多，當(dāng)路由器端口、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、防雷器件、同軸/光纖接頭、傳輸設(shè)備等任一部分存在不良時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致CTC系統(tǒng)的通道誤碼或者中斷[10]。通信故障分析如表2所示。

2 CTC 系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)雙路傳輸研究

2.1 CTC 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸方案比較分析

利用雙通道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙路傳輸改造，是克服通信故障影響的有效方案。既有CTC系統(tǒng)的信息傳輸方式存在調(diào)度指揮數(shù)據(jù)丟失、表示信息延時(shí)或通信中斷等故障現(xiàn)象。因此，在通道發(fā)生單點(diǎn)故障情況下，為了不影響CTC系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，提出利用雙環(huán)通道的信息數(shù)據(jù)雙路傳輸方案，即在雙通道(環(huán))內(nèi)同時(shí)傳輸2份相同的信息數(shù)據(jù)，保證在不同的通道環(huán)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)互不影響，同時(shí)數(shù)據(jù)接收方不同通道環(huán)內(nèi)傳輸?shù)南嗤瑪?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理，這樣可以保證單通道有不穩(wěn)定的情況下不再會(huì)影響到另一路數(shù)據(jù)的傳輸。CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸方案比較如表3所示。

表2 通信故障分析Tab.2 Communication failure analysis

表3 CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸方案比較Tab.3 Comparison of data transmission schemes of the CTC system

2.2 CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)雙路傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

結(jié)合CTC系統(tǒng)特點(diǎn)及列控安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)雙路傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，所有設(shè)備均配置2塊獨(dú)立網(wǎng)卡分別連接至雙網(wǎng)，雙網(wǎng)采用完全不同的IP地址和路由協(xié)議，并且不存在任何公用物理設(shè)備；所有子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸均分別通過(guò)雙網(wǎng)冗余傳輸，發(fā)送方通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中設(shè)置惟一的標(biāo)簽(數(shù)字簽名)以確保對(duì)方可有效判斷重復(fù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通信采用安全通信協(xié)議相關(guān)技術(shù)，采用序號(hào)、時(shí)間戳、多重加密字等技術(shù)手段，確保數(shù)據(jù)可靠、無(wú)誤傳輸。

CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)雙路傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①車站基層網(wǎng)采用獨(dú)立雙環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖A環(huán)、B環(huán)；②中心與車站之間、車站與車站之間均同時(shí)通過(guò)A環(huán)、B環(huán)發(fā)送2份冗余數(shù)據(jù)；③中心A網(wǎng)通信前置服務(wù)器將A環(huán)數(shù)據(jù)發(fā)送到實(shí)時(shí)處理服務(wù)器A和B，中心B網(wǎng)通信前置服務(wù)器也將B環(huán)數(shù)據(jù)發(fā)送到實(shí)時(shí)處理服務(wù)器A和B；④實(shí)時(shí)處理服務(wù)器A和B均對(duì)2份冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，調(diào)度臺(tái)以及其他應(yīng)用服務(wù)可以識(shí)別實(shí)時(shí)處理服務(wù)器A和B的數(shù)據(jù)，以獲取可靠的車站信息。

這種雙路傳輸改造方案，實(shí)現(xiàn)了雙份相同的應(yīng)用信息數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸，雙份數(shù)據(jù)互為備份。2個(gè)獨(dú)立的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)傳輸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)另一個(gè)傳輸網(wǎng)仍可以正常工作，解決了通信故障可能影響多個(gè)車站數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。雙路傳輸與既有單路傳輸相比，充分利用了通信設(shè)備的能力，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿摺?/p>

圖2 CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)雙路傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Dual channel information data transmission structure of the CTC system

2.3 CTC 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)雙路傳輸試點(diǎn)分析

中國(guó)鐵路濟(jì)南局有限公司青榮城際鐵路(青島北—榮城)于2014年12月28日正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，按照CTC系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)雙路傳輸方案進(jìn)行了試點(diǎn)工作。截至2015年9月15日，匯總了通信工區(qū)、CTC工區(qū)的故障登記記錄，未發(fā)現(xiàn)CTC系統(tǒng)通信中斷的故障記錄。

根據(jù)通信工區(qū)的登記記錄顯示，通信傳輸?shù)母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)故障(如A車站的通信機(jī)房到B車站的通信機(jī)房)，但從通信機(jī)房到信號(hào)機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如出現(xiàn)故障，也會(huì)造成通信中斷的問(wèn)題(如A車站的通信機(jī)房到信號(hào)機(jī)房)。根據(jù)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，在既有CTC線路上出現(xiàn)此類故障時(shí)，調(diào)度臺(tái)調(diào)監(jiān)顯示、車務(wù)終端功能都會(huì)受到影響，表現(xiàn)出調(diào)監(jiān)灰屏、調(diào)度命令無(wú)法下達(dá)/接收等問(wèn)題，調(diào)度臺(tái)會(huì)通知CTC工區(qū)對(duì)故障進(jìn)行登記。

青榮城際鐵路實(shí)施雙路傳輸后，單側(cè)通道的閃斷并不會(huì)對(duì)CTC系統(tǒng)造成影響。經(jīng)調(diào)度臺(tái)調(diào)監(jiān)顯示回放，通道閃斷發(fā)生時(shí)也并未影響CTC各項(xiàng)業(yè)務(wù)(調(diào)監(jiān)顯示、鄰站信息交互、計(jì)劃下達(dá))，從而驗(yàn)證了雙路傳輸功能可以有效緩解通信不穩(wěn)定造成的各類問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CTC系統(tǒng)進(jìn)行雙路傳輸改造，可以大幅度減少通信故障的不良影響。隨著CTC系統(tǒng)雙路傳輸方式優(yōu)點(diǎn)的逐步顯現(xiàn)，有利于減少運(yùn)輸指揮的中斷次數(shù)和時(shí)間，對(duì)鐵路運(yùn)輸指揮信息數(shù)據(jù)傳輸方式的研究有一定參考價(jià)值。通過(guò)青榮城際鐵路的信息數(shù)據(jù)雙路傳輸試點(diǎn)表明：在雙環(huán)結(jié)構(gòu)都完好的情況下，自律機(jī)和通信前置機(jī)和鄰站自律機(jī)實(shí)現(xiàn)了雙網(wǎng)獨(dú)立，雙網(wǎng)分別建立了連接，獨(dú)立進(jìn)行調(diào)度指揮數(shù)據(jù)傳輸；在雙環(huán)中一個(gè)環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障對(duì)另一個(gè)環(huán)網(wǎng)的連接沒(méi)有任何影響，對(duì)另一個(gè)環(huán)網(wǎng)的調(diào)度指揮數(shù)據(jù)傳輸也沒(méi)有影響；在雙環(huán)中一個(gè)環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)了故障，出現(xiàn)故障的環(huán)網(wǎng)不會(huì)通過(guò)另一個(gè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接，確保了雙路數(shù)據(jù)不會(huì)走一個(gè)環(huán)網(wǎng)的情況出現(xiàn)。