基于 TCP/IP協(xié)議的信號集中監(jiān)測與 CTCS-3級列控系統(tǒng)各子系統(tǒng)連接架構分析

劉人鵬 汪 濤

CTCS-3級列控系統(tǒng)正在全國大范圍應用。我國先后開通的武廣 (武漢—廣州)和鄭西 (鄭州—西安)2條高速鐵路,均采用了 CTCS-3級列控系統(tǒng),今后還將開通廣深港、京滬 (北京—上海)和哈大 (哈爾濱—大連)等高速鐵路。

CTCS-3級列控系統(tǒng)地面設備由無線閉塞中心、臨時限速服務器、列控中心、ZPW-2000系列軌道電路、LEU/應答器等設備組成。信號集中監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測 CTCS-3級列控系統(tǒng)地面設備及其他信號設備 (如計算機聯(lián)鎖)的安全態(tài)和故障態(tài),并把所有監(jiān)測記錄及時反饋給技術人員,在最短的時間里分析各子系統(tǒng)的狀態(tài),最終實現(xiàn)整體系統(tǒng)的零故障狀態(tài)修。

信號集中監(jiān)測 CSM(Centralized Signaling Monitoring)系統(tǒng)如何有效地實現(xiàn)同步監(jiān)測其他各控制子系統(tǒng)的安全態(tài)和故障態(tài),其相互間的連接及數(shù)據(jù)同步就成了一個嶄新的技術問題。經(jīng)過反復論證和驗證,在 CTCS-3級列控系統(tǒng)中建立了基于 TCP/IP現(xiàn)代網(wǎng)絡技術為基礎的更加著重安全的網(wǎng)絡接口協(xié)議,實現(xiàn) CSM與各子系統(tǒng)的連接,有條件地接收并分析各子系統(tǒng)所控的設備狀態(tài)信息,并把分析出來的安全態(tài)和故障態(tài)數(shù)據(jù)迅速呈現(xiàn)給維修人員。為此,CSM子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡連接有別于各控制子系統(tǒng)間的相互連接,既要安全又要簡捷迅速。

1 連接架構

1.1 TCP/IP網(wǎng)絡結構

傳統(tǒng) TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議是 4層體系結構,即應用層、傳輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡接口層,如圖 1所示。其中,傳輸層包含 2個協(xié)議:用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)和傳輸控制協(xié)議 TCP(Transmission Control Protocol)。UDP提供面向無連接的服務,只在 IP數(shù)據(jù)報服務之上加了少許功能,即端口功能和差錯檢測功能。因此,UDP在某些情況下是最有效的工作方式,其明顯的優(yōu)點是發(fā)送數(shù)據(jù)前無需建立連接,使用 UDP協(xié)議的主機不需維持復雜的連接狀態(tài)表,而且網(wǎng)絡擁塞時也不會使主機的發(fā)送速率降低,即發(fā)送端可以連續(xù)地以固定速率發(fā)送數(shù)據(jù)。TCP是提供面向連接的服務,即提供可靠的傳輸服務,但比 UDP龐大許多的首部需要大量額外開銷,占用許多處理機資源,且不提供廣播或多播服務。應用層協(xié)議使用的是客戶機-服務器方式。CSM子系統(tǒng)在網(wǎng)絡層面上需要快速實時地獲取其他各控制子系統(tǒng)的信息,這樣合理的網(wǎng)絡應用層配置方式是 CSM子系統(tǒng)作為客戶端,其他子系統(tǒng)作為服務器來工作。

圖1 TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議結構圖

CSM與 CTCS-3級列控系統(tǒng)各控制子系統(tǒng)的連接協(xié)議,是在 TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議基礎上開發(fā)出來的,更加適合 CTCS-3級列控系統(tǒng)專門在鐵路上應用的網(wǎng)絡協(xié)議。通過比較 TCP和 UDP協(xié)議的優(yōu)缺點可知,CSM與其他各控制子系統(tǒng)連接時,傳輸層選擇 UDP協(xié)議更為適用,這是區(qū)別于其他各控制子系統(tǒng)間連接的顯著特點。在傳輸層上采用UDP工作方式,是源于CSM不參與CTCS-3級列控系統(tǒng)的控制運算,而只是作為客戶端更多地接收各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息和設備狀態(tài)信息。因此,下面重點闡述 CSM與無線閉塞中心 RBC(Radio Block Center)、與臨時限速服務器 TSRS(Temporary Speed Restriction Sever)間的連接架構和設計思路。

1.2 CSM與 RBC連接架構

RBC是整個 CTCS-3級列控系統(tǒng)地面設備的核心子系統(tǒng),根據(jù)進路和軌道電路狀態(tài),負責生成列車的行車許可,并發(fā)送給相應列車的車載設備,所以,CSM需要準確全面地捕捉RBC各種設備的工作狀態(tài),并正確地反映給各級技術人員監(jiān)測。

1.2.1 CSM與 RBC接口連接結構

CSM與 RBC子系統(tǒng)之間采用標準以太網(wǎng)(Ethernet網(wǎng))連接,其物理接口采用雙絞線方式,網(wǎng)絡通道采用雙套冗余設計,實現(xiàn)無縫切換,即使在網(wǎng)絡切換過程中也能保證采集到實時信息。CSM與 RBC子系統(tǒng)間網(wǎng)絡連接如圖 2所示。CSM子系統(tǒng)通過 CSM端配置的 CSM-RBC接口服務器和 RBC子系統(tǒng)中的多用途接口適配器 VIA(Various Interface Adapter)進行通信。圖 2中所有設備的網(wǎng)絡連接都是冗余方式,其中每個 RBC的 2個 VIA是主備工作模式。VIA主機和備機通過發(fā)送 “連接狀態(tài)”信息向 CSM告知其自身的工作模式,主備區(qū)別在于 VIA主機需要發(fā)送應用數(shù)據(jù)信息,而備機不發(fā)。各個 RBC子系統(tǒng)的信息通過各自的 VIA服務器采用 UDP協(xié)議廣播到公共網(wǎng)絡上,再通過左右交換機集中到一個 CSM子系統(tǒng)。

1.2.2 CSM-RBC接口網(wǎng)絡協(xié)議結構

CSM-RBC接口網(wǎng)絡協(xié)議在 TCP/IP四層網(wǎng)絡的應用層和傳輸層中間新增了應用適配層和安全層,著重加強網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴Ｈ鐖D 3所示,其接口層次自上而下分別為應用層、應用適配層、安全層和傳輸層。其中,應用層定義了 CSM和 RBC之間消息內(nèi)容、格式和功能;應用適配層定義了發(fā)送者和接收者,應用數(shù)據(jù)類型和長度;安全層通過使用安全協(xié)議保證信息傳送的可靠性、正確性、完整性、順序性和時效性等;傳輸層協(xié)議使用 TCP/IP協(xié)議簇中的 UDP協(xié)議;沒有圖示出來的網(wǎng)絡層采用標準的 IP報文分組交付;物理層則采用工業(yè)用 Ethernet網(wǎng)、雙絞線接口進行物理傳輸。

圖 2 CSM和RBC網(wǎng)絡連接圖

1.2.3 CSM-RBC接口實現(xiàn)過程

CSM和 RBC二子系統(tǒng)協(xié)議的各層需要保持在相同連接狀態(tài),CSM-RBC接口任一層連接的建立需以其下一層的連接為基礎,交互信息發(fā)送時自上而下傳遞,并最終發(fā)送到遠端接收方;接收時自下而上傳遞用戶數(shù)據(jù)并通過逐層解析,實現(xiàn)應用層消息的讀取。

1.應用層。CSM和 RBC子系統(tǒng)間應用層連接成功,標志著 2個子系統(tǒng)可以正常工作。

1)連接建立:當應用適配層連接已經(jīng)建立,同時應用層收到了對方的應用層信息,則認為與對方的應用層連接已經(jīng)建立。

2)超時檢測:這種連接建立是有時限限制的,不能無限等待對方的響應,所以,CSM子系統(tǒng)設有超時檢測機制。當雙方建立連接后,CSM定期檢測收到的 RBC消息,如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到 RBC的消息,需要斷開并重新連接。連接建立后,RBC根據(jù) CSM系統(tǒng)發(fā)送的連接檢查信息類別,發(fā)送 VIA自身狀態(tài)信息或 RBC內(nèi)部全部表示信息。

2.應用適配層。這是不同于傳統(tǒng) TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議而新增的網(wǎng)絡協(xié)議層。該層主要對應用層數(shù)據(jù)進行封裝,使各層更加獨立、完整,具有明確的界限。同時,該層接收者標識號和發(fā)送者標識號由CSM和 RBC共同約定,保證內(nèi)部傳送信息的來源,防止外來信息的侵入,從而,確保了所傳信息的惟一確定性。

3.安全層。該層主要實現(xiàn)以下安全相關的傳輸功能,即消息的真實性 (源地址和目的地址)、序列完整性、時效性和完整性;安全錯誤報告;配置管理 (安全設備間的安全通信協(xié)議棧)及訪問保護。通過安全層的封裝與隔離,增強了 CTCS-3級列控系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。

4.傳輸層和網(wǎng)絡接口層。CSM-RBC之間傳輸層選擇使用了基于 TCP/IP協(xié)議族的 UDP協(xié)議,專用端口為 3500/3501;網(wǎng)絡接口層采用TCP/IP協(xié)議族中相應協(xié)議,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無連接分組交付服務及接口間傳輸。

CSM與 RBC間的網(wǎng)絡連接是重點,

為確保 CSM能準確監(jiān)測到 RBC的各種狀態(tài)信息非常重要,因此,在網(wǎng)絡架構上采用了跟各控制子系統(tǒng)之間相近的網(wǎng)絡協(xié)議結構及個別不同的網(wǎng)絡協(xié)議,從而最大限度地降低出錯率,提高數(shù)據(jù)分析的準確率。

1.3 CSM與 TSRS連接架構

1.CSM-TSRS接口連接。TSRS通過與 CSM子系統(tǒng)的 CSM-TSRS接口服務器,隔離 CSM子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng) TSRS間的直連,不允許 CSM子系統(tǒng)參與控制運算。TSRS與 CSM系統(tǒng)之間采用 RJ45以太網(wǎng)接口連接,傳輸層數(shù)據(jù)傳輸也采用 TCP傳輸協(xié)議中的 UDP協(xié)議。CSM和 TSRS網(wǎng)絡連接如圖 4所示。

圖 4 CSM和TSRS網(wǎng)絡連接示意圖

2.CSM-TSRS接口網(wǎng)絡協(xié)議。該協(xié)議只采用傳統(tǒng)的 TCP/IP分層結構實現(xiàn),去掉了在 CSM與 RBC間新增的應用適配層和安全層。其中,應用層定義了 TSRS和 CSM之間消息內(nèi)容、應用數(shù)據(jù)類型、長度、格式和功能;傳輸層仍舊使用 TCP/IP協(xié)議中的 UDP協(xié)議。之所以舍去了在應用層和傳輸層之間新增的 2層網(wǎng)絡,主要是由于接收 TSRS的報警信息相對不如接收 RBC的信息那么重要。采用TCP/IP協(xié)議即可解決信息傳輸質量,以節(jié)省網(wǎng)絡資源,網(wǎng)際層和網(wǎng)絡接口層也按傳統(tǒng)的 TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)。

3.CSM-TSRS接口連接實現(xiàn)。TSRS和 CSM子系統(tǒng)的應用層在系統(tǒng)正常工作過程中應保持相互連接的狀態(tài)。當一方的應用層收到了對方的應用層信息時,則認為與對方的應用層連接已經(jīng)建立。同時,相互間也增加超時檢測機制。當雙方建立連接后,CSM和 TSRS子系統(tǒng)要互相定期檢測收到的對方消息,如果CSM或者 TSRS在規(guī)定的時間沒有收到對方消息,均需斷開與對方的連接,CSM-TSRS間信息流程圖如圖 5所示。

圖 5 CSM-TSRS間信息流程圖

平時,如果沒有數(shù)據(jù)傳送,為證實網(wǎng)絡暢通,通信雙方應當每隔 1 s發(fā)送一次 “心跳”信息,以表明自己運行正常和網(wǎng)絡暢通;如果 CSM在 5 s內(nèi)沒有接收到心跳信息,CSM應當關閉此連接并重新打開連接。不同的是如果 TSRS在 5 s內(nèi)無法接收到心跳消息,本次連接只關閉不再打開,即打開連接只有客戶端一方完成。

工作時,每當CSM定時請求 TSRS工作狀態(tài)信息時,TSRS應立即發(fā)送其工作狀態(tài)信息響應,此時,TSRS如果產(chǎn)生應通知 CSM系統(tǒng)的報警,應發(fā)送報警信息給 CSM;而當 TSRS產(chǎn)生應通知 CSM系統(tǒng)的 TSRS內(nèi)部或 TSRS和其他設備通信數(shù)據(jù)內(nèi)容時,TSRS發(fā)送重要記錄信息給 CSM系統(tǒng)。圖 5中表明,心跳信息和工作狀態(tài)信息是重要等級,二子系統(tǒng)相互呼應發(fā)送的,而報警信息和重要記錄信息不需相互呼應,TSRS需要發(fā)送時直接發(fā)送。

圖 6 信號監(jiān)測數(shù)據(jù)通信以太網(wǎng)

4.CSM網(wǎng)絡連接。信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信以太網(wǎng)采用通信數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的 2 Mb/s專用數(shù)字通道,用于微機監(jiān)測系統(tǒng)的信息傳輸。組網(wǎng)方案如圖 6所示,圖中 CSM不僅監(jiān)測 CTCS-3級列控系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的工作態(tài),還要其他非 CTCS-3級列控系統(tǒng)的相關重要設備的工作態(tài),具體包括綜合維修段、車站、綜合維修工區(qū)和調(diào)度所的監(jiān)測終端所采用的局域網(wǎng)以及車站間、綜合維修段與抽頭站間、終端與車站間所采用的 2 Mb/s專用數(shù)字通道等。上述各局部監(jiān)測網(wǎng)絡融合在一起匯聚成信號集中監(jiān)測,通過信號集中監(jiān)測可以監(jiān)測到整條線路(如武廣線)上各子系統(tǒng)的工作態(tài)和故障態(tài),一方面為狀態(tài)修奠定了堅實的基礎;另一方面在故障態(tài)時,有利于集中優(yōu)勢技術資源對故障進行快速判斷與集中分析。

2 小結與建議

本文系統(tǒng)地闡述了 CSM與 RBC、TSRS間有典型特征的網(wǎng)絡架構,另有 CSM與計算機聯(lián)鎖 CBI(Computer based Inter-Locking)、CTC、列車控制中心TCC(Train Control Center)等子系統(tǒng)間也需要基于 TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)絡連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送,在此不再一一表述。CTCS-3級列控系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)工作非常重要,其中有一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障態(tài),都將影響動車在 C3級列控系統(tǒng)下正常運行的環(huán)境,導致降級為 C2級列控系統(tǒng)運行,從而降低動車運行效率。為此,通過 CSM來集中監(jiān)測各子系統(tǒng)的工作態(tài)和故障態(tài),為維護人員提供準確可靠的分析數(shù)據(jù)尤為重要,從而實現(xiàn)所有設備的狀態(tài)修,最大程度上降低系統(tǒng)故障出現(xiàn)的概率。

通過梳理系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構,在此建議 2點供商酌:①CSM與其他各子系統(tǒng)間的網(wǎng)絡協(xié)議均采用 CSM與 RBC的網(wǎng)絡協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù),將更加安全、可靠、準確,但這樣傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要相應增大;②物理層目前采用雙絞線接口的普通網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù),如果改用計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的光纖傳輸方式,也就解決了采用 CSM與其他各子系統(tǒng)間增加 2層安全協(xié)議引起的傳輸數(shù)據(jù)量增加問題,同時也就避免網(wǎng)絡阻塞的可能。以上 2點建議都是需要在增加軟硬件成本的前提下才能實現(xiàn),因此,需要在確保安全可靠的前提下考究成本與效率的合理性、可行性搭配,為今后的 CTCS-3級列控系統(tǒng)發(fā)展中選擇更優(yōu)方案,進一步提高整體系統(tǒng)的安全性和可靠性,實現(xiàn)整體系統(tǒng)零故障率,并兼顧高效舒適性做一個可行性的鋪墊。

[1] 科技運 [2008]34號.CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術方案(V 1.0).

[2] EN-50159-1:2001.Railway app lications-Communication,signaling and Processing systems-Part1:Safety-related communication in closed transm ission systems鐵道應用:封閉式傳輸系統(tǒng)中安全通信要求.

[3] EN-50159-2:2001.Railway applications-Communication,signalingand Processing systems-Part2:Safety-related communication in open transmission systems鐵道應用:開放式傳輸系統(tǒng)中安全通信要求.

(責任編輯:溫志紅)