基于無線通信系統鐵路信號安全信息傳輸的應用研究

1.歐陽焯 2.秦 濤

1.中鐵二院集團有限公司 2.中鐵八局集團電務工程有限公司

基于無線通信系統鐵路信號安全信息傳輸的應用研究

1.歐陽焯 2.秦 濤

1.中鐵二院集團有限公司 2.中鐵八局集團電務工程有限公司

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

鐵路信號；通信系統；故障-安全信息傳輸

隨著當代鐵路的發展，鐵路通信信號技術發生了重大變化，車站、區間和列車控制的一體化，鐵路通信信號技術的相互融合，以及行車調度指揮自動化等技術，沖破了功能單一、控制分散、通信信號相對獨立的傳統技術理念，推動了鐵路通信信號技術向數字化、智能化、網絡化和一體化的方向發展。鑒于此背景，對基于無線通信系統的鐵路信號安全信息傳輸進行研究，并探討其應用的可能性，有著重要的現實意義。

1 新型列車運行控制系統的特點分析

1.1 傳輸可靠性高

軌道電路中的信號傳輸是開環的，即發送者發送端只管發送，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的傳輸媒質是鐵軌鋼軌，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系統中能做到雙向通信，并且還可以使用多種保證技術(如各類冗余技術、反饋糾錯技術等)來提高可靠性，從而使可以保證鐵路信號的通過通信網絡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實現移動自動閉塞。移動自動閉塞分區長度可變，而且閉塞分區隨列車運行而移動。它是通過無線車載設備系統接收與前方列車或車站距離等信息來實現控車，無線車載設備系統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

傳統的軌道電路系統由于在鋼軌上傳輸信號，因此速度慢、數據量小。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。而通信網絡能提供大量的信息傳輸，因此能滿足列車控制對信號傳輸的要求。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—安全設計

要建立基于通信系統的鐵路信號安全信息傳輸系統，必然要大量使用計算機為核心的控制系統。而計算機在鐵路信號應用的困難就在于電子元件不具有“非對稱故障模式”，當元件故障時，其可以是短路、斷路或者老化。對于包含大量集成電路的復雜系統來說，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，從而不能使系統導向到限制狀態。可以通過設計鐵路信號安全信息傳輸的容錯系統來實現故障—安全。即運用冗余技術滿足鐵路信號信息傳輸的安全性要求。

2.1 信號信息傳輸的故障——安全原則

鐵路信號故障——安全原則可以用下述方法描述：當信號設備發生故障時，應以特殊的方式做出反應并導向安全。信號信息傳輸系統也必須滿足故障——安全原則。一個故障——安全系統本身應能檢查自身的錯誤，且當這種錯誤發生時，系統能使自己處于更加限制的狀態，而不會導致任何更加危險狀況的出現。考慮到計算機系統硬件故障的復雜性和軟件故障的潛在性，解決計算機系統的故障——安全問題，要突破傳統的故障——安全觀點的局限，從新的相對安全的概念出發認識故障——安全問題。在承認危險側故障存在的情況下，運用各種安全性和可靠性技術，降低系統發生故障的概率。

2.2 鐵路信號信息傳輸故障——容錯系統的建立

實現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。元器件的冗余設計可以保證系統的高可靠性，但大量元器件的復雜連線會提高系統的造價，因而通常只能有選擇地進行元器件一級的冗余。硬件冗余包括靜態冗余、動態冗余、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范執行。針對個版本給出相同的輸入值，然后對個版本產生的結果進行比較。如果認為該結果有效，將該結果傳到計算機輸出?？梢栽诜至⒌挠嬎銠C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，然后對其結果進行內部表決?？梢愿鶕靡筢槍€版本的程序使用不同的表決策略。如果系統具有安全狀態，那么可以要求完全一致表決同意，否則系統導向故障—安全側。

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執，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。但是，若故障是永久性的，則故障檢出機構將再次動作，并試用其它恢復方法。

綜上所述，系統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。傳輸系統故障分可測和不可測兩種。但實際上，現場情況是極其復雜的，存在大量的不可測故障。運用故障安全技術，盡可能列出網絡的各組成部分能設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，使系統維持安全狀態，或促使系統向安全狀態轉移。因此實現通信網絡相關軟硬件的安全設計和實現冗余是最為基礎和關鍵的因素。

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