北京調度所高鐵調度集中系統工程設計創新

武長海

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

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北京調度所高鐵調度集中系統工程設計創新

武長海

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

摘要：介紹我國高鐵CTC系統建設運營的概況，重點對于北京調度所工程設計中的創新點進行介紹，從總體技術框架、網絡架構、統一應用軟件、信息安全等級保護、工程集成設計、綜合運營維護管理等六個方面進行說明，最后對高鐵CTC系統工程設計技術的未來簡要展望。

關鍵詞：高鐵；調度集中；工程設計

Abstract:This paper introduces a general situation of the construction and operation of the CTC system for Chinese high-speed railways, and focuses on the engineering design innovation of Beijing railway bureau dispatching center from the following six aspects: general technological framework, network architecture, uni fi ed application software, protection of information security classes, integrated engineering design and integrated management of operation and maintenance. Finally, it presents the future prospect of designing the CTC system for high-speed railways.

Keywords:high-speed railway; centralized traf fi c control; engineering design

1　概述

至2015年6月底我國開行旅客列車2 447對，其中動車組1 330對；至2015年底約1.9萬km高速鐵路投入運營，2020年預計全國高鐵將達2.4萬km里以上，是世界上規模最大、效率最高的高速鐵路網。高鐵時速200～350 km，列車運行3 min間隔，原有的調度指揮系統難以適應我國高鐵高速度、高密度的運輸特點，難以滿足調度指揮自動化、集成化、綜合化、信息化和智能化的發展需要。

高鐵調度集中（簡稱CTC系統）是高鐵調度指揮的核心，為實現高速鐵路網運輸高效、快捷、舒適、安全和正點，經過7年左右的方案研究和工程設計，對高鐵CTC系統工程設計技術進行了系統性研究，包括系統架構、功能、接口及設備配置等，并通過與列控、運調管理等多個系統集成實現了全部功能；設計成果在2013年首次應用于北京調度所工程中，新建的高鐵CTC系統在系統規模、復雜程度、運用里程、需求分析、功能設計、設備配置、智能水平、監控能力、安全程度、維護手段等方面均有突破性發展，開創了該領域成套系統設計及工程應用的先河。截至2015年，設計成果已應用于鐵路總公司、北京、上海、武漢、廣州、成都等多個調度中心并將在全國各高鐵調度中心應用，其應用全面提升了高鐵運輸安全保障能力，創新了運營維護管理水平，對全國運營、在建以及規劃的高速鐵路、城際鐵路調度指揮系統的建設提供了有力支撐，成果達到了國際領先水平。北京調度所調度指揮中心如圖1所示。

2　設計創新簡介

2.1首次提出了適應路局級高鐵CTC系統需求的總體技術框架

高速鐵路運輸特點概括為：高速度、高密度、高可靠、高舒適度、安全正點，經過研究提出了高鐵CTC系統主要需求如下：路網規模大、系統智能化、高密度行車（追蹤間隔3 min）、運輸計劃調整及安全正點、與列控系統結合更加緊密（與C2、C3系統銜接密切）、總公司與路局調度中心間調度指揮權變換的需求、更高的系統配置需求（局級中心控制不小于3 000 km高鐵線路）等。

國內高鐵CTC系統是由既有線CTC基礎上發展而來，既有系統結構及功能相對簡單，軟硬件配置較低，安全性、可靠性均落后于IT技術發展主流；國外鐵路行車密度不高、路網結構及運輸作業較我國簡單，調度指揮綜合性和復雜性比我國要求低。因此，研究提出了北京調度所高鐵CTC系統總體架構、總體功能及組網方案、設備配置、接口方案等，并結合路網規劃、系統特點及工程需求，設計實施了新型集成化系統軟硬件平臺。

1）系統結構

北京調度所高鐵CTC中心控制3 000 km以上高鐵線路，調度所設備與所管轄的線路和車站范圍行車指揮密切關聯，CTC系統需要直接控制車站聯鎖系統，進路控制命令和信號機的點燈開關等都與列車運行效率及安全密切相關，鐵路局高鐵CTC中心、普速TDCS/CTC系統分別擔負的功能需求有所不同，因此，工程中高鐵CTC中心與普速TDCS/CTC系統分別組網建設；同時，明確了系統成套設備配置需求及技術指標包括數據庫服務器、應用服務器、通信服務器及各種接口服務器、調度臺、網絡信息安全、通信監督、配套設備等；確定了新系統架構下光纖局域網及存儲設備配置需求；并經過KVM多方案比選確定了調度臺前置配置原則。系統總體結構如圖2所示。

2）系統功能

為滿足高鐵調度指揮需求，工程中明確了路局高鐵CTC中心應具備基本的列車運行宏觀顯示、信號設備顯示狀態的實時監視、運行圖管理、調度命令管理、列車動態跟蹤、數據統計分析及預測等功能；同時還需新增加點燈/滅燈控制、與列車運行控制系統結合、高鐵列車運行監視及站場增強顯示等功能；并對基本圖、調整圖、施工信息、調度命令、統計信息、站存車服務、仿真培訓、數據驗證及程序測試等方面功能有所加強。

2.2首次明確系統廣域網整體解決方案，同時首次在高鐵CTC中心局域網中應用了萬兆核心交換機

1）首次采用155 Mbit/s光纖實現車站接入中心系統

高鐵CTC系統廣域網骨干網由總公司調度中心與路局調度所中心節點組成，基層網由路局調度所及基層站段等節點組成。鐵路局高鐵廣域網至少包含3個層次：調度所至車站間，總公司與路局調度所間，調度所與GSM-R、RBC、TSRS等其他系統間。

原有CTC中心至通信系統以2 M數字通道為主，2M數字通道導致專業間接口線纜過多，機房間綜合布線困難，增加了配套設備數量，日后維護不便。北京調度所工程中首次實施以STM信道化155 Mbit/s（相當于63個2 Mbit/s）代替2 M通道，可達到大量減少機房布線以及維護的目的，提升了系統的可用性、可維護性、可擴展性。

2）首次應用以萬兆核心交換機為中心的高鐵CTC系統局域網新架構

此前國內CTC中心局域網核心層采用1 000 Mbit/s、接入層/用戶層采用100 Mbit/s以太網，系統終端用戶較多時，系統響應速度變慢，這與高速鐵路CTC系統要求極不適應。高鐵調度指揮系統具有系統接口多（與列控、聯鎖、防災監控、運營調度系統等）、用戶終端多、實時性要求高等特點，對系統的響應速度要求更高（延時不大于3 s），為此，在北京調度所工程中局域網核心層采用了10 000 Mbit/s的高速網絡、接入層采用1 000 Mbit/s以太網方案，解決了調度所終端用戶過多時系統響應速度慢的缺陷，實現了傳輸數據量大、實時性好、工作效率更高的目標。系統結構如圖3所示。

2.3 系統性提出高鐵CTC系統統一應用軟件的要求

我國從2008年7月膠濟客專開始至今開通了數十條高速鐵路/客運專線，高鐵CTC系統是運輸人員不可缺少的行車指揮裝備，但原有的CTC系統軟件功能和用戶界面不統一，造成不同廠商的系統設備不能互控，不同路局或同一路局不同調度臺的調度人員不能互換的難題；為了規范CTC系統的建設、運營和維護管理，滿足運輸調度指揮人員對系統功能、操作界面統一和調度臺管轄范圍靈活調整的要求，與系統供應商配合深入研究CTC系統軟件統一的問題；通過定義統一應用軟件平臺的需求，結合軟件開發單位的研發，解決了高鐵CTC中心與車站間不同供貨商系統設備間的交叉互控難題，實現各個路局調度所和車站終端采用同一種操作界面及應用程序，最終給運輸部門提供統一的操作方式，對于調度人員而言，實現統一的調度界面，為調度人員輪崗、輪臺甚至是異地接管等提供了技術保障。

統一軟件的范圍是CTC系統所涉及的所有應用軟件（包括調度所、車站車務終端、自律機等各個子系統）和相關的輔助開發軟件，全路使用同一個軟件版本和源代碼程序，實現CTC系統軟件功能模塊劃分、內部功能、邏輯處理流程、系統內部數據流程、功能操作流程等各方面的軟件全面統一；CTC軟件統一的功能主要包括：運行圖與運行調整計劃管理、調度命令管理、綜合維護和施工管理、臨時限速、進路自動控制與人工控制、列車動態跟蹤與列車車次號管理、實時信息采集與監視、調車作業管理、CTCS-3級區段特殊操作、統計分析、列車編組管理、系統維護、外部信息接口、仿真培訓和模擬測試、可靠性和災備支持等。同時CTC系統的專用硬件車站自律機也要按照統一軟件進行適應性改進。

2.4首次應用國家信息安全等級保護四級的信息安全技術

CTC系統是鐵路內唯一被要求采用信息系統安全等級四級的具有控制功能的系統?！缎畔踩夹g信息系統安全等級保護基本要求》（GB/T22239-2008）定義了四級安全保護能力，要求系統“應能夠在統一安全策略下防護系統免受來自國家級別的、敵對組織的、擁有豐富資源的威脅源發起的惡意攻擊、嚴重的自然災難、以及其他相當危害程度的威脅所造成的資源損害，能夠發現安全漏洞和安全事件，在系統遭到損害后，能夠迅速恢復所有功能”，由此可見，CTC系統信息安全的要求之高。

原有的CTC系統僅部署了防火墻、身份認證、防病毒、漏洞評估四項安全裝備，安全組件發揮各自作用但不具備整體聯動能力，不可能達到等級保護四級的要求；主要弊病在于：在防御方式方面屬于被動防御；在防御技術方面只能實現網絡層協議過濾；在集中管理方面，集中監測組件僅用于監測設備的資源使用情況，與等級保護四級要求差異較大。北京調度所工程研究并應用了新的信息安全系統，系統按照總公司、鐵路局、車站三級構建信息安全體系，三者之間均部署安全區域邊界，并對各區域實施安全防護，具有整體防御能力。北京調度所CTC系統在安全管理中心統一管理下，以計算環境安全、區域邊界安全、通信網絡安全所組成的“一個中心、三重防護”體系實現CTC系統信息安全的縱深、整體防御。系統結構如圖4所示。

2.5系統集成創新設計

1）應用A級機房標準，實現系統與土建環境的融合

原有CTC系統中心機房標準等級較低，高鐵CTC中心系統大規模運用高等級服務器及高等級網絡設備，極大地提升系統運用效能，同時對系統運用環境提出極高要求。北京調度所首次采用最高等級A級機房標準建設，系統運用環境體系內的房屋、電源、暖通、電磁兼容及防雷系統的設置方案及成套技術要求均較高，工程中采用以下方案：CTC系統房屋需合理分配功能區域（包括主機房、調度大廳、維護室、仿真室、備品備件室、值班室、工區、電源及UPS室等）；機房按下走線的方式（地板距地面750 mm）；機房溫度：23±1℃（C級為18℃～28℃）；機房濕度：40%～55%（C級為35%～75%）;系統設備要求雙路不間斷供電（不小于30 min），每路電源要求配備UPS及電池組，UPS要求采用2×（N+1）方式；實現了高鐵CTC系統與樓宇綜合監控、樓宇布線、房、暖、電等的外部保障系統整體有機結合，最終形成系統運用環境成套技術方案。高鐵CTC主機房機柜布置如圖5所示。

2）采用以列頭交換機、列頭電源柜等為骨架的、適應IT行業最高技術標準的綜合布線技術，實現系統自身網絡的硬件集約

高鐵CTC系統中機柜種類、數量眾多，布線種類、數量大，以總配線柜、列頭網絡柜等構成網絡布線骨架的局域網綜合布線系統，與以往鐵路CTC機房的布線相比較，其特點在于：

*從機房全局角度考慮平面布局，系統布線結構和層次更清晰；

*以列頭網絡柜、列頭電源柜、總配線柜構成布線系統骨架；

*以光纜布線作為系統局域網和樓層間布線的主要方式；

*以超六類線取代五類線，對系統傳輸的質量更有保障；

*一次性考慮機房的布線需求，避免了每次工程接入時的干擾；

*綜合布線統籌考慮防靜電地板、暖通冷暖氣流、用電量分配等。

原有CTC系統規模較?。?0余個機柜），新的高鐵CTC系統局域網網絡規模龐大，北京調度所高鐵CTC系統單個主機房面積最大的近700 m2，可布機柜數量達到150個以上，各類服務器、網絡設備、信息安全設備、綜合布線機柜等數量龐雜，我們通過研究提出了高鐵CTC系統與調度大樓、調度大廳層、各查詢終端所在樓層的布線關系；提出了以列頭交換機、列頭電源柜等為骨架，以光纜、超六類線、同軸纜多種線纜組成的綜合布線系統設計原則及實施方案，較傳統的分散系統供電、點對點通信連接方式等，其系統性和功能性更強，方案更合理優化。高鐵CTC機柜排列及綜合布線如圖6、7所示。

3）實現路局級高鐵CTC系統與其他相關系統的有機結合

北京調度所工程中通過設置CTC-RBC、CTC-TSRS接口服務器并采取安全邊界，實現了高鐵CTC系統與無線閉塞中心、臨時限速服務器等列車運行控制系統設備間信息對接技術，實現了中心調度員對高鐵網絡列車的在線監控和限速等指令下達，有效地保障了高鐵運行安全。

高鐵CTC系統通過系統內軟硬件的集成實現了系統自身的功能，通過與信號各系統的集成完成信號系統控制、指揮功能，通過與整個通信、信息、供電等電子信息系統集成，實現與列車計劃子系統、動車底調度子系統、旅客向導子系統和綜合維修子系統信息和數據的共享，向鐵路管理部門、組織部門和實施部門提供列車運行的所有關鍵數據，實現了運輸信息管理、運輸組織決策的高度統一協調。

2.6首次應用綜合運營維護管理平臺

原有CTC系統的維護管理僅限于網絡管理等初級水平，隨著機房規模和設備數量的急劇增多，為保障系統充分滿足高鐵正點、安全、舒適等運輸要求；同時，在系統不穩定甚至出現故障狀態下，系統應保證及時報警提示、維修維護人員快速響應、快速分析并處理故障，保證CTC系統故障發生、解除時間段最短，將對行車運營的干擾降至最低。北京調度所高鐵CTC系統工程中首次應用綜合運營維護管理平臺，將機房綜合監控設備、數字化IT設備管理、通道質量監督、網絡管理及軟件管理等五部分采用先進的數字化IT技術集成于同一平臺，利用在線監控技術手段，實現對CTC系統運行狀態的有效監控和故障處理，實現了大規模高鐵CTC系統運營維護平臺的開創性設計，構建了在線實時監控及智能分析診斷技術平臺。

3　小結

隨著我國高鐵路網的建成和發展，結合信號列控系統技術的進步，兼顧通信、信息等技術發展，高鐵CTC系統也必將向更安全、更實時、自動化、免維護、標準化的方向發展；系統的工程設計技術也必將進一步完善和深化，在此作一簡要展望。

*系統硬件處理能力、可靠性、安全性將進一步發展，將應用計算機技術、信息技術、通信技術、IT技術的最新成果。

*系統軟件功能更強大、更透明，系統自動化程度更加提高，人工介入越來越少；系統向自動化、信息化、可視化發展。

*系統信息安全裝備和管理技術深化發展，技術和產品選擇進一步豐富，真正實現信息安全等級保護四級的全部要求。

*與信息系統等外部系統更融合，為滿足高鐵運營高密度、高可靠、高舒適度、安全正點的要求，CTC系統與計劃、客服等系統更深入結合。

*系統維護管理功能標準化、多樣化：機房維護管理平臺逐步將網絡、硬件、軟件、環境、視頻、布線、通道等各類維護終端實現集成整合，逐步實現故障無線通知、三維可視、智能布線、現場救援支援等擴展功能，及時有效發現、報告、調查、排除故障，對故障的全生命周期進行跟蹤和管理。

參考文獻

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收稿日期：（2015-11-14）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.002