CTC/TDCS系統(tǒng)局間信息共享優(yōu)化方案研究

曹 楨，宋鵬飛，張 濤，楊 濤

分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)（Centralized Traffic Control System，CTC） 和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)（Train Dispatching and Commanding System，TDCS）廣泛應(yīng)用于鐵路信號控制領(lǐng)域，輔助調(diào)度人員對全線列車進(jìn)行管理，實現(xiàn)列車運行監(jiān)督和控制［1-2］。在CTC/TDCS 系統(tǒng)內(nèi)，各鐵路局相鄰線路之間設(shè)置接口服務(wù)器，用于信息共享，主要包括站場表示信息、車次號信息、調(diào)度命令和報點信息等。隨著鐵路行車密度持續(xù)增加、追蹤間隔不斷壓縮和多方向交路等新情況涌現(xiàn)，對局間信息共享的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。

目前，既有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障、外界因素干擾和數(shù)據(jù)傳輸方式存在缺陷等，都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信故障，從而影響局間接口信息共享。為此，基于現(xiàn)有通信技術(shù)和雙網(wǎng)雙通道模式，對現(xiàn)有局間信息共享方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可避免在復(fù)雜傳輸環(huán)節(jié)中的單點設(shè)備故障對信息傳輸造成影響［3-8］。

1 現(xiàn)狀及背景

1.1 現(xiàn)有局間信息共享方式

網(wǎng)絡(luò)層面：CTC/TDCS 局間接口網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)；路局與路局之間分別設(shè)置2 套路由器互聯(lián)；局內(nèi)路由器與交換機(jī)交叉互聯(lián)，局間設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過路由計算選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。局間信息共享的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

軟件層面：CTC/TDCS 接口服務(wù)器采用IBM WebSphere MQ 中間件方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)有MQ數(shù)據(jù)傳輸方式見圖2。

圖2 現(xiàn)有MQ數(shù)據(jù)傳輸方式

1.2 現(xiàn)有局間信息共享方式缺陷

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)層面

雖然相鄰路局CTC/TDCS 中心之間網(wǎng)絡(luò)有2 條物理通道，但實際只會在1 條路由最優(yōu)路徑的物理通道上傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)。現(xiàn)場應(yīng)用中，廣域網(wǎng)通道環(huán)節(jié)涉及設(shè)備繁多，路由器端口、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、防雷器件、同軸/光纖接頭等任一傳輸設(shè)備工作不正常或受到電磁干擾時，均會導(dǎo)致通道質(zhì)量誤碼，從而影響接口數(shù)據(jù)正常傳輸［3-5］。

網(wǎng)絡(luò)層面信息共享缺陷主要表現(xiàn)在2 個方面：一是正在傳輸數(shù)據(jù)的物理鏈路發(fā)生中斷會導(dǎo)致路由重新計算，底層路由器進(jìn)行鏈路切換，通道出現(xiàn)短時間中斷，相應(yīng)的邏輯通道重建較慢；二是數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)通道質(zhì)量誤碼導(dǎo)致通道時不時閃斷，路由不斷的重新計算選路，影響局間信息共享［9-10］。

1.2.2 軟件層面

目前局間信息共享通過MQ中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，實現(xiàn)本局與鄰局之間的信息交互［2］。MQ 是一款消息傳遞中間件，它使用消息和隊列來支持應(yīng)用程序、系統(tǒng)、服務(wù)和文件之間的信息交換。MQ消息一旦進(jìn)入隊列，若遇到通信線路不通或應(yīng)用軟件停止取數(shù)據(jù)等故障時，數(shù)據(jù)會留在傳輸隊列中，直到被成功的取出。

軟件層面信息共享缺陷主要表現(xiàn)在3 個方面：一是通道中斷后，大量超時數(shù)據(jù)殘留在隊列里面，通信恢復(fù)后會瞬時批量發(fā)送和接收過時的數(shù)據(jù)，這一部分?jǐn)?shù)據(jù)全部是過時的；二是MQ中間件運行在服務(wù)器上，通過群集管理器實現(xiàn)服務(wù)器主備機(jī)切換，但正在運行的MQ應(yīng)用軟件只能單個運行，無法做到雙機(jī)熱備；三是現(xiàn)有局間信息只發(fā)送一份，無冗余數(shù)據(jù)。

2 局間信息共享優(yōu)化設(shè)計方案

為了解決現(xiàn)有局間信息共享存在的缺陷，可針對網(wǎng)絡(luò)和軟件2 個層面優(yōu)化局間信息共享，通過優(yōu)化CTC/TDCS 系統(tǒng)局間雙通信鏈路的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，解決網(wǎng)絡(luò)層面的缺陷；設(shè)計雙通道冗余方式傳輸數(shù)據(jù)軟件處理邏輯，解決軟件層面的不足，從而實現(xiàn)局間數(shù)據(jù)的冗余傳輸［3-8］。具體優(yōu)化設(shè)計方案包括以下2個方面。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在局間接口組網(wǎng)時，雙網(wǎng)獨立，不再交叉連接，局間設(shè)置網(wǎng)閘等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，調(diào)整后的局間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖3。

通過硬件組網(wǎng)調(diào)整及路由設(shè)定，局間的A 網(wǎng)、B 網(wǎng)完全獨立，數(shù)據(jù)傳輸保證A 局局間接口服務(wù)器1 的網(wǎng)卡A（或者接口服務(wù)器2 的網(wǎng)卡A）要與B局局間接口服務(wù)器1的網(wǎng)卡A（或者接口服務(wù)器2的網(wǎng)卡A）通信，只能通過兩局交換機(jī)S1、網(wǎng)閘W1和路由器R1 等A 網(wǎng)設(shè)備，從而選擇廣域網(wǎng)A（圖中藍(lán)色標(biāo)識的鏈路）；A局局間接口服務(wù)器1的網(wǎng)卡B（或者接口服務(wù)器2的網(wǎng)卡B）要與B局局間接口服務(wù)器1的網(wǎng)卡B（或者接口服務(wù)器2的網(wǎng)卡B）通信，只能通過交換機(jī)S2、網(wǎng)閘W2 和路由器R2 等B 網(wǎng)設(shè)備，從而選擇廣域網(wǎng)B（圖中紅色標(biāo)識的鏈路），具體見圖3所示的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸流向標(biāo)識。

圖3 局間網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計

2.2 軟件處理邏輯設(shè)計

2.2.1 通信層邏輯通道建立方式

軟件層，不再使用MQ中轉(zhuǎn)方式，局間接口服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)Socket直聯(lián)。建立2條端與端之間的邏輯通道（例如A局每臺局間接口服務(wù)器與B局每臺局間接口服務(wù)器之間），并且強(qiáng)制綁定通道關(guān)聯(lián)IP 地址（本地IP 地址及對端IP 地址）。由于A/B網(wǎng)段的隔離，對一條邏輯通道，確定本地IP 資源、對方服務(wù)器IP 資源，會唯一確定一條廣域網(wǎng)鏈路，即唯一確定了該邏輯通道由哪條鏈路承載（是由藍(lán)色的2M 鏈路還是紅色的2M 鏈路）。應(yīng)用層軟件在2 條邏輯通道上傳輸2 份完全相同的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸冗余。軟件邏輯結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 通信層邏輯通道示意

2.2.2 增加雙通道冗余處理邏輯

通過通信層邏輯通道建立的方式，所有的應(yīng)用數(shù)據(jù)包會在2 條鏈路上傳輸，此時應(yīng)用層軟件增加邏輯，數(shù)據(jù)接收方需對2 條通道收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余處理，做到雙通道正常時數(shù)據(jù)冗余重復(fù)過濾，相同的數(shù)據(jù)只處理一份，單條通道故障的情況下使用正常通道的有效數(shù)據(jù)。基于數(shù)據(jù)接收方的角度，設(shè)計保護(hù)算法，實現(xiàn)信息幀的合法性、正確性、有效性、時限性、次序性檢查。主要流程如下。

1）角色的登錄和驗證交互。A局局間接口服務(wù)器與B局局間接口服務(wù)器建立了邏輯通道之后，首先進(jìn)行角色登錄及驗證交互，以完成身份的合法性檢查。以A 局局間接口服務(wù)器為申請端，B 局局間接口服務(wù)器為校驗端為例說明，流程見圖5。

圖5 通信建立過程流程

邏輯通道建立后，由A 局局間接口服務(wù)器發(fā)出申請登錄消息（LoginReq Msg），B 局局間接口服務(wù)器收到此消息后，根據(jù)登錄的用戶名、密碼、設(shè)備實體ID 等進(jìn)行相應(yīng)檢查，檢查通過后，向A 局局間接口服務(wù)器反饋認(rèn)證成功消息（LoginAuthen Msg）。之后雙方均向?qū)Ψ桨l(fā)送本地實體的主備狀態(tài)及設(shè)備信息（RSR Msg），嘗試建立安全冗余連接，收到對方的RSR 消息后，主動向?qū)Ψ桨l(fā)送RSR 確認(rèn)消息（RSR-Confirm Msg）。TLogintimout 秒之內(nèi)未收到對方的RSR-Confirm消息，視為此次驗證失敗，通信的雙方均進(jìn)行重置，重新開始邏輯通道的建立及初始化過程。TLogintimout 為登錄驗證超時檢查時間，一般設(shè)置為2 s。邏輯通道經(jīng)過登錄認(rèn)證之后，通信雙方視為安全冗余連接（Safety Link）建立成功，可進(jìn)行應(yīng)用層的數(shù)據(jù)發(fā)送。邏輯通道的雙方以THearttime 秒定時發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，以維持安全冗余連接的狀態(tài)。THearttime 為心跳定時時間，一般設(shè)置為5 s。通過登錄申請、登錄認(rèn)證等過程，確定安全冗余連接的建立，并以心跳信息進(jìn)行定時探測，維持該安全冗余連接。

2）應(yīng)用數(shù)據(jù)的雙通道邏輯檢查。處理數(shù)據(jù)時，按照接收方的角度設(shè)計算法，應(yīng)用數(shù)據(jù)增加序號控制及檢查邏輯，實現(xiàn)雙通道下的數(shù)據(jù)冗余傳輸、過濾、校驗、使用。基本邏輯如下。

首先，通過序號控制，實現(xiàn)雙通道冗余傳輸數(shù)據(jù)檢查。每包應(yīng)用數(shù)據(jù)增加SN 序號字段，SN 序號范圍為［0，65535］。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)時，需填寫本端發(fā)送方的SN 序號，記為SN_send。每包應(yīng)用數(shù)據(jù)增加發(fā)送方的設(shè)備實體ID、系統(tǒng)當(dāng)前時間字段，由發(fā)送方在發(fā)送該應(yīng)用數(shù)據(jù)時填寫。在安全冗余連接初次建立、每一次重置時，發(fā)送方均須將SN_send序號初始化為0。

其次，發(fā)送方對相同的接收方發(fā)送數(shù)據(jù)時，2 包數(shù)據(jù)的SN 序號須相同。為此發(fā)送方維護(hù)一個＜SN_send，OppRecvDevID＞的Map映射列表，其中SN_send 為發(fā)送方的SN 序號，OppRecvDevID為對端接收方的設(shè)備實體ID。發(fā)送方每向接收方發(fā)送一包數(shù)據(jù)，需更新本地下一次發(fā)送數(shù)據(jù)時的SN 序號 SN_next，在 SN_send＜65535 時，SN_next為此次SN_send 順序加1，若SN_send 等于65535時，SN_next變?yōu)?。

最后，接收方需要對接收到的每一包應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行時間檢查。接收方比較當(dāng)前時間與數(shù)據(jù)包內(nèi)部的發(fā)送時間，根據(jù)最大的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時，判斷數(shù)據(jù)是否有效。接收方需要對接收到的每一包應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行序號控制檢查。接收方需要緩存記錄上一次從該發(fā)送方設(shè)備實體ID 接收到的數(shù)據(jù)包序號SN，記為＜SN_last，OppSendDevID＞Map 映射列 表，其中SN_last 為上一次有效數(shù)據(jù)包的序號，OppSendDevID為對端發(fā)送方設(shè)備實體ID。接收方收到序號為0 的數(shù)據(jù)時，不再進(jìn)行后續(xù)序號控制檢查，視此數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，并重置該發(fā)送方設(shè)備實體ID 的SN_last。接收方對之前收到數(shù)據(jù)的SN 序號、發(fā)送方設(shè)備實體ID 做緩存，記為＜SN_recv，OppSendDevID＞Map映射列表，緩存TPackvalidtime秒。其中SN_recv 為接收到的數(shù)據(jù)包序號，TPackvalidtime 為數(shù)據(jù)最大緩存時間。接收方對新收到數(shù)據(jù)中的＜SN_recv，OppSendDevID＞進(jìn)行緩存匹配檢查，如果緩存中已經(jīng)存在相同的＜SN_recv，OppSendDevID＞，則視為冗余數(shù)據(jù)，不處理此包數(shù)據(jù)；否則需要繼續(xù)檢查處理。接收方檢查此次數(shù)據(jù)包的SN_recv，比較上一次從該發(fā)送方設(shè)備實體ID收到的SN_last，如果滿足SN_recv-SN_Last＞0 或 SN_recv∈［1，SNLostThreshold］且SN_Last∈［65535-SNLostThreshold，65535］，則視為有效的合法數(shù)據(jù)，并更新SN_last值；否則視為無效數(shù)據(jù)，拋棄不處理。其中SNLostThreshold是一個最大丟包容忍閾值。接收方超過TPackDelta秒沒有收到有效應(yīng)用數(shù)據(jù)時，需重置邏輯通道及安全冗余連接。當(dāng)接收方超過TPackDelta秒仍未收到一包經(jīng)過雙通道冗余檢查的有效應(yīng)用數(shù)據(jù)時，視為通道異常，需要重置該通道。

2.3 優(yōu)化效果分析

通過對局間信息共享的優(yōu)化設(shè)計，能夠在以下3 種情況下確保不丟失局間應(yīng)用數(shù)據(jù)，不影響CTC/TDCS 系統(tǒng)局間的信息傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序性、完整性、時限性：

1）本地某一網(wǎng)卡、網(wǎng)線故障；

2）本地某一交換機(jī)、路由器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、通信接口等單點故障；

3）某一條廣域網(wǎng)2 M 鏈路網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收到干擾出現(xiàn)誤碼、丟包、傳輸延時、中斷等。

3 結(jié)語

基于目前CTC/TDCS 系統(tǒng)局間接口設(shè)備現(xiàn)狀，本設(shè)計方案通過優(yōu)化局間雙通道網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，設(shè)計與實現(xiàn)基本的安全通信協(xié)議功能和雙通道冗余方式傳輸數(shù)據(jù)的軟件處理邏輯，保證了信息冗余傳輸，能達(dá)到即使某一條鏈路或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障也不會丟失應(yīng)用數(shù)據(jù)，從而明顯提高了局間CTC/TDCS信息共享的穩(wěn)定性和可靠性。