基于GSM-R的列控通信系統安全防控

程學慶，鄧一維，唐于，宋筱茜

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 610031)

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基于GSM-R的列控通信系統安全防控

程學慶1,2，鄧一維1，唐于1，宋筱茜1

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 610031)

摘要:為適應我國高速鐵路列車通信的要求，我國采用全球領先的GSM-R通信系統作為高速鐵路列車的移動通信系統。但由于網絡結構和自身開發平臺等的一些制約，GSM-R本身存在一定的安全風險。經過簡單分析GSM-R通信系統的網絡構成和工作原理，并針對GSM-R系統可能存在的安全風險從人為因素、設備因素、環境因素和管理因素4個方面應用事故樹分析的方法得出安全風險的重要度并對每個重要度從高到低進行排序，最后對相應的危險因素提出風險控制措施。

關鍵詞：GSM-R；通信傳輸；風險分析；風險控制

為適應高速鐵路列車最高速度350 km/h的要求，原鐵道部正式確定將GSM-R(Global System for Mobile Communication-Railway)系統(鐵路綜合數字移動通信系統)作為我國鐵路移動通信的發展方向。正是隨著我國高速鐵路和客運專線的修建，使GSM-R系統作為鐵路專用無線通信系統得到了更好的發展與應用，它基于GSM，但兩者又有不同。GSM是ETSI(歐洲標準化組織)提出的數字蜂窩抵用通信標準，其業務主要有用戶終端業務、承載業務和補充業務。而GSM-R系統在業務方面增加了廣播呼叫(VBS)、組呼(VGCS)、多優先級強插與搶占(eMLPP)等這些專業性更強的業務來完成一整套調度語音通信業務，讓GSM-R系統可以提供鐵路行車調度與列車控制數據傳輸、列車無線調度電話、區間及樞紐公務移動通信、應急搶險通信和旅客服務信息傳送等服務功能[1-4]，符合高速車-地通信技術的需要。在歐洲，隨著高速鐵路在歐洲發達國家迅速修建，歐洲各國急需解決列車在高速運行中的穩定可靠的語音數據傳輸。由于GSM-R成本相對較低，運行性能穩定可靠，并且專業業務性更強等特點，GSM-R系統在歐洲得到了廣泛應用。在我國，2002年以來原鐵道部決定將GSM-R系統引入中國作為鐵路專用移動通信系統，并在試點線路青藏線、大秦線和膠濟線取得成功。現在GSM-R已經在如京津城際等客運專線上發揮巨大作用。今后GSM-R系統將逐漸構建相關無線接入網絡接口，從而最終覆蓋整個中國鐵路網絡。GSM-R雖然比傳統鐵路通信設施有明顯的優勢，但是由于GSM系統在安全設計上并不完善，在運行中也隨之暴露了一些安全問題，對高速鐵路行車安全也產生了一定的影響。

1GSM-R系統網絡構成及工作原理

1.1　GSM-R系統網絡構成

GSM-R系統網絡主要包括移動臺(MS)、基站子系統(BSS)、網絡子系統(NSS)和操作與維護子系統(OSS)4部分，如圖1所示。

圖1　GSM-R系統網絡結構Fig.1 Structure of GSM-R system network

移動臺(MS)包括了移動端和終端設備，通過無線接口Um接入到GSM-R系統;基站子系統(BSS)主要包括基站控制器(BSC)、基站發收信機(BTS)和編碼速率適配單元(TRAU)組成；BTS與BSC之間由Abis接口實現無線連接，并且移動終端中的GSM-R車載電臺通過Um接口與BTS相連，從而實現車-地之間的通信[5];網絡子系統(NSS)的主要作用是完成網絡的交換功能，管理用戶、移動臺和固網(PSTN)的接口，它的組成部分包括了語音組呼與廣播寄存器(GCR)、訪問位置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器(HLR)和移動設備識別器(EIR)等[6]。網絡子系統(NSS)建立在移動交換中心(MSC)上，負責端到端的呼叫、用戶數據管理、移動性管理和與固定網絡的連接。 NSS 通過A接口連接 BSS，與固定網絡的接口決定于互聯網絡的類型[7];操作和維護子系統(OSS)是相對獨立的子系統，其主要功能是移動用戶管理、移動設備管理、網絡操作和控制。這些功能主要是通過操作維護中心來完成的，其中OMC-R負責管理基站子系統，OMC-S負責管理網絡子系統[8];外部網絡主要包括公共交換電話網絡(PSTN)、綜合業務數字網(ISDN)、分組交換數據網(PSDN)等。其主要功能是實現與外部固定網絡之間的鏈接與通信[9]。

1.2　GSM-R系統的工作原理

GSM-R系統主要包括了以下3個部分：車載設備、地面設備以及車地之間無線通信傳輸設備。其地面設備主要包括地面車載主控主機、通信接口、信號微機監測接口等；車載設備主要有車載主機、GPS定位系統、列車運行安全監控記錄裝置通信接口和查詢器等[10-11]。如圖2所示，當高速鐵路列車進入GSM-R系統無線場強覆蓋范圍內時，地面設備將采集到的行車信息，包括行車許可、空閑閉塞分區數量、道岔限速、線路長度和列車定位等，經過安全編碼處理后，通過車地之間的無線傳輸設備發送給列車，列車工作人員可通過列車上的車載無線通信設備接收到的行車信息，利用車載無線通信設備自動生成防護曲線可判斷列車行駛是否正常，若列車行駛不正常，列車員可通過無線設備通知指揮列車安全運行[12]。目前，GSM-R系統在高速鐵路列車上已得到了廣泛應用，并在專業性上得到了認可。但由于GSM系統存在的安全隱患GSM-R系統中同樣也存在，同時由于GSM-R的網絡特殊性，它可能還存在其他的安全隱患。這些安全隱患可能出現在通信接口，導致地面設備無法與車載設備同步，也可能是黑客侵入信號微機監控接口，導致傳輸信號外泄，或者是車載無線通信設備出現故障，導致地面工作人員無法知道列車運行情況。這些隱患，都將可能導致高速鐵路列車運行出現危險。

圖2　GSM-R工作原理圖Fig.2 GSM-R working principle diagram

2GSM-R系統的安全影響因素分析

2.1　人為因素

在利用GSM-R系統進行通信傳輸運作過程中會遇到許多人為因素造成的問題，主要分為工作人員失誤和人為攻擊系統。工作人員錯誤:1)未嚴格遵守安全準則。在日常行車、維護過程中，由于圖方便省事，有些鐵路工作人員沒有嚴格遵守安全準則，甚至違規操作，這樣做常常會存在安全隱患，久而久之，這些問題積累而又沒有引起重視可能會導致安全事故。2)工作人員操作失誤。在日常行車、維護過程中，由于有些工作人員剛上崗位對工作流程、業務不熟悉或個人生理原因可能造成高速鐵路列車通信出現安全隱患，并對出現的這些安全隱患存在僥幸心理，沒有向上級匯報，直到發生安全事故，在緊急情況下驚慌失措，猶豫不決導致更大的列車安全事故。3)部分職工素質不高。職工的素質高低是作業標準化水平高低的關鍵和前提，高水平的職工素質能夠引導其他職工標準化作業，二者成因果關系。目前，作業標準化在現場作業中沒有得到足夠的重視，不能在職工中很好地貫徹執行，很多一線職工特別是年輕職工對業務知識只是停留在熟練的基礎上，認為車站的工作大多是熟練工，無較深的理論知識，在設備維護上出現瓶頸，導致在通信上容易出現安全隱患。

人為攻擊系統:1)利用無線接口進行攻擊。由于與GSM系統結構相同，在GSM-R系統網絡傳輸過程中，移動基站和固定網絡斷之間的所有通信都只能依靠無線接口來傳輸數據。但無線接口是開放的，任何擁有適當無線設備的人員都可以通過此無線接口來竊聽無線信道從而獲得其中的傳輸信息，所以GSM-R系統存在來自無線接口的網絡攻擊，其攻擊方式主要包括無線竊聽、假冒身份和篡改數據，攻擊類型主要分為非授權訪問數據、非授權訪問網絡和威脅數據完整性，如表1所示。2)利用網絡端進行攻擊。GSM-R系統中，網絡端的組成比較復雜，不僅包括各種功能單元，而且不同單元之間的通信媒質也不盡相同。因此，由于網絡端結構組成復雜，攻擊者可以利用無線竊聽、假冒身份、篡改數據和服務抵賴等方式進行攻擊。根據其攻擊類型也可分為非授權訪問數據、非授權訪問網絡服務、威脅數據完整性和服務后抵賴，如表2所示[13]。3)利用移動端進行攻擊。用戶的手持式移動設備如果丟失，有可能被黑客利用，從而獲取信息。

表1　無線接口攻擊方式

表2　網絡端攻擊方式

人員管理力度不足:1)激勵機制不到位。由于缺乏適當的獎勵和懲罰機制，當前，車間對上級的檢查通報，雖然都能及時在廣大職工中傳達學習并提出整改措施，，防止同樣問題重發發生，但缺少獎勵和懲罰措施，同樣的問題容易重復發生。2)三級安全教育不足。對新入職員工進行三級教育時，由于管理的疏忽和對三級安全教育的不重視，容易產生教育程序不明，教育級別不全，教育實踐不夠，教育內容陳舊，教育形式單一，教育走過場等現象，讓職工對安全不夠重視，忽視安全的重要性，在遇到突發事故時難以及時處理造成安全隱患。3)防護制度不足。沒有建立嚴格的防護制度，辦公與維護若共用計算機網，易受到病毒和黑客攻擊。某些工作人員在維護用計算機上辦公或做一些與維護無關的工作也易受到攻擊。維護用計算機還應取消使用常用外接接口，避免外部存儲介質與計算機接觸[14]。4)防護技術不足。沒有專業技術工程師，提供技術支持。沒有在計算機維護終端上安裝殺毒軟件、定期升級操作系統的補丁軟件和在網絡上安裝防火墻使通信系統存在安全漏洞。對于不通過防火墻的網絡連接，沒有安裝如入侵檢測系統(IDS)等系統，對系統進行動態監測，預警黑客可能的攻擊，使通信系統存在潛在的安全隱患。

2.2　設備因素

通信設施是GSM-R系統通信傳輸中的基礎設備，其設備好壞將影響信息傳輸的質量。高速鐵路的特點是路線長，設備多且較分散，線路分歧點多。若通信設備質量不過關，無法保證安全傳輸信息的要求[15]。1)線路自動檢測技術水平不高。GSM-R系統中基站與交換機、交換機之間為有線連接，部分地區基站與交換機、交換機之間過長，如果在長距離傳輸過程中其中一點出現問題，或線路有所破損。現在的通信檢測技術難以在短時間內找到出現問題的具體位置。在確定具體位置的過程中，高速鐵路的通信隨即受到了影響，可能會給整個高速鐵路運輸受到損失[16]。2)信號可靠性不高。高速鐵路通信是沿鐵路沿線建設，鐵路沿線不僅只有高速鐵路通信線路，在不同地區也會有不同信號源，而GSM-R通信與其他通信傳輸一樣屬開放信號，這樣難免會出現信號相互交雜的混雜現象[17]。加之鐵路沿線設備多且分散難以管理，或遇惡劣天氣，這些因素的疊加可能影響整個沿線信號的可靠性[18]。3)對設備的日常防護不足。由于GSM-R通信系統地面設備多且分布在鐵路沿線，對于日常維護是一個難題，常常因為維護人員自身原因或突發狀況，產生維護不到位的情況，使高速鐵路通信出現問題，帶來安全隱患[19]。

2.3　雷害因素

高速鐵路通信安全還應注意防雷擊。我國由于地緣遼闊，氣候復雜，某些地區屬易發生雷害區域，GSM-R系統一旦受到雷擊影響可能會對鐵路通信產生重大影響。在溫州“7.23”中，雷擊致使溫州南站軌道電路4個發送盒損壞，造成軌道電路與列控中心信號傳輸的CAN總線阻抗下降，導致5829AG軌道電路發送器與列控中心通信故障，從而引發該事故。所以應有效防止雷害對高速鐵路通信的影響。

2.4　應急預案

若由于以上原因對GSM-R通信系統產通信產生了重大影響，從而可能對高速鐵路列車行車產生重大安全隱患的，應有相對應的應急方案，來有效控制、減少安全隱患。

3GSM-R安全風險分析及控制

3.1　GSM-R安全風險分析

3.1.1事故樹分析

利用事故樹對GSM-R系統進行風險分析。事故樹又稱故障樹，是一種演繹的系統安全分析方法。它是從要分析的特定事故或故障開始層層分析其發生原因，一直分析到不能再分解位置。將特定的事故和各層原因之間用邏輯門符號鏈接起來，得到形象、簡介地表達其邏輯關系的邏輯樹圖形[20]。根據上節對GSM-R各安全因素的分析，便可繪制其頂上事件及其有關的所有之間原因和各種因素。其事故樹如圖3所示。

圖3　GSM-R系統安全事故樹Fig.3 Fault tree analysis of GSM-R system

3.1.2結構重要度分析

依據GSM-R系統安全事故事故樹可以求出最小割集。該事故樹的結構函數式為：

T=(A1+A2+X1)X14

T=X14B1B2+X14A2+X1X14

=X14(C1+C2)(X2+X3+X4+X5)+X14X15(X6+X7)+X1X14

=X14(X8+X9+X10+X11+X12+X13)(X2+X3+X4+X5)+X6X14X15+X7X14X15+X1X14

=X2X8X14+X3X8X14+X4X8X14+X5X8X14+X2X9X14+X3X9X14+X4X9X14+X5X9X14

=X2X10X14+X3X10X14+X4X10X14+X5X10X14+X2X11X14+X3X11X14+X4X11X14+X5X11X14

=X2X12X14+X3X12X14+X4X12X14+X5X12X14+X2X13X14+X3X13X14+X4X13X14+X5X13X14

=X6X14X15+X7X14X15+X1X14

得出最小割集共計27個最小割集。然后進行結構重要度分析，由式(1)算得結構重要度系數。

(1)

I(1)=I(15)=0.5

I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=1.5

I(6)=I(7)=0.33

I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=1

I(14)=7

結構重要度順序為

I(14)>I(2)=I(3)=I(4)=I(5)>I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)>I(1)=I(15)>I(6)=I(7)

通過分析可知該事故樹有27個最小割集，其中任何一個發生都會導致頂上事件的發生。通過分析可知出臺有效的危險應急預案是防止GSM-R系統安全事故的最重要的環節，其次是落實激勵機制，嚴格進行三級安全教育，建立有效的防護制度并保障合理的防護技術。另外，應嚴格遵守安全準則，杜絕工作人員操作失誤，提高部分職工素質等措施也是減少GSM-R通信事故的重要方法。

3.2　GSM-R系統安全風險控制

3.2.1對人為因素的控制

1)對工作人員的控制。深化教育，注重安全意識的培養。通過各種形式，如崗前培訓、崗中帶班、崗后總結、專題培訓等來提高員工的安全責任意識，形成嚴格標準化、遵規守紀常態化的隊伍。2)對GSM-R系統網絡攻擊者的控制。GSM-R系統對接入網絡的用戶身份進行認證，采用與其他開放信號和固定網絡不通的算法，當信令失敗時需要保證系統能夠自我恢復以減少網絡的運行風險;GSM-R系統對用戶身份、信息和數據進行加密是為了防止網絡攻擊者盜取合法用戶的無線網絡資源。

3.2.2對設備因素的控制

1)建立安全監測機制。由于高速鐵路通信的特殊性，為更好地保障通信安全，應建立全方位安全監測機制。構建鐵路通信安全監測機制為了遠程實時監控各個站點安全狀況，并及時提醒維護人員所存在安全隱患;2)合理選擇通信方式。無線傳輸的方式成本較低，信息傳輸容量也較大，但抗干擾能力不足，而光纖傳輸具有抗干擾能力強，信號傳輸質量高等優勢，在特殊地區可使用光纖傳輸彌補無線傳輸的不足。

3.2.3對雷害的控制

在高速鐵路全路段都應裝備鐵路防雷系統。鐵路防雷系統是雷擊發生時，雷擊放電誘發雷擊電磁脈沖過電壓和過電流，經站場電源系統、通信信號傳輸通道、接地系統及建筑物直擊的雷防護系統，要求必須在車站的供電系統、天饋系統、信號采集傳輸系統、程控交換系統、計算機網絡系統、機房接地系統等進行可靠有效的防護，在攔截、分流、均衡、接地、布線、布局等方面作完整的，多層次的綜合防護。

3.2.4應急預案

針對可能出現的不同的安全隱患，應及時出臺不同的危險應急預案，以減少當危險發生時帶來的傷害。1)GPRS系統應急預案:若SGSN、GGSN設備掉電或宕機，GPRS業務將全部中斷。此時，應首先通知調度員，同時快速定位故障點，進行故障排查，定位故障原因并處理，聯系廠家工程師進行技術支持，恢復后進行業務的恢復確認。2)MSC系統技術應急預案:當MSC宕機時，應首先檢查供電情況，如無異狀再根據故障現象定位故障點，采用主備主控板切換、軟復位和再啟動、更換板卡等方法排除故障，同時聯系廠家進行技術支持;當MSC與調度交換系統全部中繼阻斷時，應通知列車調度員或車站值班員采用自動電話、GSM-R手持終端等方式保持與司機的應急聯絡;當MSC與BSC(TRAU)通信中斷時，應先判別故障點，再采取相應措施排除故障。3)無線子系統技術應急預案:當BSC、編譯碼和TRAU故障時，應對其系統進行排查，定位故障點并處理;當BTS或區間直放站故障時，應及時鎖閉故障基站，在天窗點內要點處理。4)機車綜合無線通信設備(CIR)應急預案:當CIR故障時，工作人員應判斷終端語音、數據模塊工作情況，可通過司機GSM-R手持終端聯絡司機，指導復位CIR設備;當CIR語音模塊故障不能通過復位恢復時，列車調度員和司機間可通過司機GSM-R手持終端進行語音聯絡;當CIR數據模塊故障不能通過復位恢復時，應及時在調度所的《行車設備檢查登記簿》內登記停用，動車組入庫后處理。

4結論

1)GSM-R通信系統與傳統鐵路通信系統相比在可靠性和效率性上得到了相當大的提升，極大滿足了高速鐵路列車的通信需求。

2)GSM-R通信系統是基于GSM系統平臺建立，由于GSM自身平臺和設計網絡結構的不完善，可能造成高速鐵路安全隱患。

3)利用事故樹分析法從人為因素、設備因素、雷害因素和管理因素四個方面分析了容易產生安全隱患的行為，并計算出了各行為的危險重要度。出臺及時有效的應急預案是避免或減少危險的重要舉措。鐵路通信部門應對各個可能發生的安全隱患做好充分準備，制定有針對性的應急預案將危險降至最小。

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(編輯蔣學東)

Safety analysis of communication system in train control system based on GSM-R

CHENG Xueqing1,2,DENG Yiwei1,TANG Yu1,SONG Xiaoqian1

(1.School of Transportation and Logistics, SouthwestJiaotong University, Chengdu 610031, China;

2.National United Engineering Laboratory of Integrated and Intelligent Transportation, SouthwestJiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:In order to meet the requirements of China's high-speed railway train communication,our country adopts the GSM-Ras the mobile communication system of high-speed railway.But GSM-R itself has some certain safety factors, because of some restricting network structure and its development platform.This paper briefly described the network composition and working principle of the GSM-R system.From the aspects of human factors, equipment factors, environmental factors, and management factors, the possible security risks were also analyzed.This paper used method of fault tree the security risk and importance of each important degree from high to low ranking.Finally to analyze the risk control measures for the corresponding risk factors were put forward.

Key words：GSM-R; communication transmission; risk analysis; risk control

通訊作者：程學慶(1978-)，男，江蘇連云港人，副教授，博士，從事交通運輸安全理論及技術、交通運輸系統決策與優化、智能交通理論與應用技術研究；E-mail: cxq@swjtu.edu.cn

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點資助項目(2014D001-B)；鄭州鐵路局科技計劃資助項目(2014Q1)

收稿日期：2015-04-12

中圖分類號：U285.21+1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1289-07