1.歐陽焯 2.秦 濤

1.中鐵二院集團有限公司 2.中鐵八局集團電務(wù)工程有限公司

基于無線通信系統(tǒng)鐵路信號安全信息傳輸?shù)膽?yīng)用研究

1.歐陽焯 2.秦 濤

1.中鐵二院集團有限公司 2.中鐵八局集團電務(wù)工程有限公司

中國鐵路的發(fā)展對信號傳輸系統(tǒng)提出了更高要求。結(jié)合中國鐵路通信信號發(fā)展的實際情況，建立中國鐵路無線通信信號系統(tǒng)的安全評估和認證體系勢在必行。論述了如何實現(xiàn)鐵路信號傳輸系統(tǒng)的故障一安全，分析了開放通信系統(tǒng)的威脅和安全性設(shè)計原則。

鐵路信號；通信系統(tǒng)；故障-安全信息傳輸

隨著當(dāng)代鐵路的發(fā)展，鐵路通信信號技術(shù)發(fā)生了重大變化，車站、區(qū)間和列車控制的一體化，鐵路通信信號技術(shù)的相互融合，以及行車調(diào)度指揮自動化等技術(shù)，沖破了功能單一、控制分散、通信信號相對獨立的傳統(tǒng)技術(shù)理念，推動了鐵路通信信號技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和一體化的方向發(fā)展。鑒于此背景，對基于無線通信系統(tǒng)的鐵路信號安全信息傳輸進行研究，并探討其應(yīng)用的可能性，有著重要的現(xiàn)實意義。

1 新型列車運行控制系統(tǒng)的特點分析

1.1 傳輸可靠性高

軌道電路中的信號傳輸是開環(huán)的，即發(fā)送者發(fā)送端只管發(fā)送，并不能確切知道認接收端者是否真正接收到可靠接收信息。另外由于軌道電路信號系統(tǒng)的傳輸媒質(zhì)是鐵軌鋼軌，很容易受到外界的影響干擾，因此信號傳輸可靠性非常差，不能滿足高速列車控制需求。而在CBTC系統(tǒng)中能做到雙向通信，并且還可以使用多種保證技術(shù)(如各類冗余技術(shù)、反饋糾錯技術(shù)等)來提高可靠性，從而使可以保證鐵路信號的通過通信網(wǎng)絡(luò)安全和實時有效的傳輸。

1.2 運輸效率高

采用通信方式傳送鐵路信號能夠?qū)崿F(xiàn)移動自動閉塞。移動自動閉塞分區(qū)長度可變，而且閉塞分區(qū)隨列車運行而移動。它是通過無線車載設(shè)備系統(tǒng)接收與前方列車或車站距離等信息來實現(xiàn)控車，無線車載設(shè)備系統(tǒng)接收信息具有較高的實時性和準確性，即使在列車運行速度很高的情況下，也能劃分出較短的移動閉塞區(qū)段。因此，可以在保證運行安全的條件下，極大地提高列車運行效率。

1.3 傳輸信息量大

傳統(tǒng)的軌道電路系統(tǒng)由于在鋼軌上傳輸信號，因此速度慢、數(shù)據(jù)量小。隨著列車運行速度和密度越來越高，要求列控的信息量也隨之增多。而通信網(wǎng)絡(luò)能提供大量的信息傳輸，因此能滿足列車控制對信號傳輸?shù)囊?。除此之外，還能提供鐵路信號的其他信息，如媒體信息，并且能提供車一地之間的雙向通信。

2 鐵路信號信息傳輸故障—安全設(shè)計

要建立基于通信系統(tǒng)的鐵路信號安全信息傳輸系統(tǒng)，必然要大量使用計算機為核心的控制系統(tǒng)。而計算機在鐵路信號應(yīng)用的困難就在于電子元件不具有“非對稱故障模式”，當(dāng)元件故障時，其可以是短路、斷路或者老化。對于包含大量集成電路的復(fù)雜系統(tǒng)來說，如果不能分析全部可能的故障及后果，便不可能檢測它們并采取措施，從而不能使系統(tǒng)導(dǎo)向到限制狀態(tài)?？梢酝ㄟ^設(shè)計鐵路信號安全信息傳輸?shù)娜蒎e系統(tǒng)來實現(xiàn)故障—安全。即運用冗余技術(shù)滿足鐵路信號信息傳輸?shù)陌踩砸蟆?/p>

2.1 信號信息傳輸?shù)墓收稀踩瓌t

鐵路信號故障——安全原則可以用下述方法描述：當(dāng)信號設(shè)備發(fā)生故障時，應(yīng)以特殊的方式做出反應(yīng)并導(dǎo)向安全。信號信息傳輸系統(tǒng)也必須滿足故障——安全原則。一個故障——安全系統(tǒng)本身應(yīng)能檢查自身的錯誤，且當(dāng)這種錯誤發(fā)生時，系統(tǒng)能使自己處于更加限制的狀態(tài)，而不會導(dǎo)致任何更加危險狀況的出現(xiàn)?？紤]到計算機系統(tǒng)硬件故障的復(fù)雜性和軟件故障的潛在性，解決計算機系統(tǒng)的故障——安全問題，要突破傳統(tǒng)的故障——安全觀點的局限，從新的相對安全的概念出發(fā)認識故障——安全問題。在承認危險側(cè)故障存在的情況下，運用各種安全性和可靠性技術(shù)，降低系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。

2.2 鐵路信號信息傳輸故障——容錯系統(tǒng)的建立

實現(xiàn)容錯的方法有硬件冗余、軟件冗余、時間冗余等。冗余可以在最低一級的元器件上，也可以放在功能部件甚至計算機核心部件一級。元器件的冗余設(shè)計可以保證系統(tǒng)的高可靠性，但大量元器件的復(fù)雜連線會提高系統(tǒng)的造價，因而通常只能有選擇地進行元器件一級的冗余。硬件冗余包括靜態(tài)冗余、動態(tài)冗余、混合冗余三種方式。

軟件冗余是采用不同的方式將給定的程序規(guī)范執(zhí)行。針對個版本給出相同的輸入值，然后對個版本產(chǎn)生的結(jié)果進行比較。如果認為該結(jié)果有效，將該結(jié)果傳到計算機輸出。可以在分立的計算機上并行的運行這個版本的程序。同樣，個版本的程序也可在同一計算機上運行，然后對其結(jié)果進行內(nèi)部表決。可以根據(jù)應(yīng)用要求針對個版本的程序使用不同的表決策略。如果系統(tǒng)具有安全狀態(tài)，那么可以要求完全一致表決同意，否則系統(tǒng)導(dǎo)向故障—安全側(cè)。

時間冗余通常用于檢出和糾正暫時故障引起的錯誤。它包括在故障檢出后立即進行指令的復(fù)執(zhí)，以及程序段和整個程序的卷回。卷回操作要求某一程序從上面最后的檢查點再次啟動執(zhí)行，在此檢查點處保存著該檢查點之前程序正確運行得到的全部信息。如果故障是暫時的，程序卷回到檢查點定能成功地恢復(fù)。但是，若故障是永久性的，則故障檢出機構(gòu)將再次動作，并試用其它恢復(fù)方法。

綜上所述，系統(tǒng)的安全性是由傳輸可靠性和故障安全性共同作用來決定的。傳輸系統(tǒng)故障分可測和不可測兩種。但實際上，現(xiàn)場情況是極其復(fù)雜的，存在大量的不可測故障。運用故障安全技術(shù)，盡可能列出網(wǎng)絡(luò)的各組成部分能設(shè)想的一切故障模式及干擾。對影響進行評價，并采取措施將故障及時檢測出來，使系統(tǒng)維持安全狀態(tài)，或促使系統(tǒng)向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)移。因此實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)軟硬件的安全設(shè)計和實現(xiàn)冗余是最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的因素。

[1]和晟姣.RSSP-2協(xié)議安全性建模及鐵路信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性分析[D].北京交通大學(xué)，2016.

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