基于 TCP/IP协议的信号集中监测与 CTCS-3级列控系统各子系统连接架构分析

刘人鹏 汪 涛

CTCS-3级列控系统正在全国大范围应用。我国先后开通的武广 (武汉—广州)和郑西 (郑州—西安)2条高速铁路,均采用了 CTCS-3级列控系统,今后还将开通广深港、京沪 (北京—上海)和哈大 (哈尔滨—大连)等高速铁路。

CTCS-3级列控系统地面设备由无线闭塞中心、临时限速服务器、列控中心、ZPW-2000系列轨道电路、LEU/应答器等设备组成。信号集中监测系统监测 CTCS-3级列控系统地面设备及其他信号设备 (如计算机联锁)的安全态和故障态,并把所有监测记录及时反馈给技术人员,在最短的时间里分析各子系统的状态,最终实现整体系统的零故障状态修。

信号集中监测 CSM(Centralized Signaling Monitoring)系统如何有效地实现同步监测其他各控制子系统的安全态和故障态,其相互间的连接及数据同步就成了一个崭新的技术问题。经过反复论证和验证,在 CTCS-3级列控系统中建立了基于 TCP/IP现代网络技术为基础的更加着重安全的网络接口协议,实现 CSM与各子系统的连接,有条件地接收并分析各子系统所控的设备状态信息,并把分析出来的安全态和故障态数据迅速呈现给维修人员。为此,CSM子系统与其他子系统之间的网络连接有别于各控制子系统间的相互连接,既要安全又要简捷迅速。

1 连接架构

1.1 TCP/IP网络结构

传统 TCP/IP网络协议是 4层体系结构,即应用层、传输层、网际层和网络接口层,如图 1所示。其中,传输层包含 2个协议:用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)和传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)。UDP提供面向无连接的服务,只在 IP数据报服务之上加了少许功能,即端口功能和差错检测功能。因此,UDP在某些情况下是最有效的工作方式,其明显的优点是发送数据前无需建立连接,使用 UDP协议的主机不需维持复杂的连接状态表,而且网络拥塞时也不会使主机的发送速率降低,即发送端可以连续地以固定速率发送数据。TCP是提供面向连接的服务,即提供可靠的传输服务,但比 UDP庞大许多的首部需要大量额外开销,占用许多处理机资源,且不提供广播或多播服务。应用层协议使用的是客户机-服务器方式。CSM子系统在网络层面上需要快速实时地获取其他各控制子系统的信息,这样合理的网络应用层配置方式是 CSM子系统作为客户端,其他子系统作为服务器来工作。

图1 TCP/IP网络协议结构图

CSM与 CTCS-3级列控系统各控制子系统的连接协议,是在 TCP/IP网络协议基础上开发出来的,更加适合 CTCS-3级列控系统专门在铁路上应用的网络协议。通过比较 TCP和 UDP协议的优缺点可知,CSM与其他各控制子系统连接时,传输层选择 UDP协议更为适用,这是区别于其他各控制子系统间连接的显著特点。在传输层上采用UDP工作方式,是源于CSM不参与CTCS-3级列控系统的控制运算,而只是作为客户端更多地接收各子系统的数据信息和设备状态信息。因此,下面重点阐述 CSM与无线闭塞中心 RBC(Radio Block Center)、与临时限速服务器 TSRS(Temporary Speed Restriction Sever)间的连接架构和设计思路。

1.2 CSM与 RBC连接架构

RBC是整个 CTCS-3级列控系统地面设备的核心子系统,根据进路和轨道电路状态,负责生成列车的行车许可,并发送给相应列车的车载设备,所以,CSM需要准确全面地捕捉RBC各种设备的工作状态,并正确地反映给各级技术人员监测。

1.2.1 CSM与 RBC接口连接结构

CSM与 RBC子系统之间采用标准以太网(Ethernet网)连接,其物理接口采用双绞线方式,网络通道采用双套冗余设计,实现无缝切换,即使在网络切换过程中也能保证采集到实时信息。CSM与 RBC子系统间网络连接如图 2所示。CSM子系统通过 CSM端配置的 CSM-RBC接口服务器和 RBC子系统中的多用途接口适配器 VIA(Various Interface Adapter)进行通信。图 2中所有设备的网络连接都是冗余方式,其中每个 RBC的 2个 VIA是主备工作模式。VIA主机和备机通过发送 “连接状态”信息向 CSM告知其自身的工作模式,主备区别在于 VIA主机需要发送应用数据信息,而备机不发。各个 RBC子系统的信息通过各自的 VIA服务器采用 UDP协议广播到公共网络上,再通过左右交换机集中到一个 CSM子系统。

1.2.2 CSM-RBC接口网络协议结构

CSM-RBC接口网络协议在 TCP/IP四层网络的应用层和传输层中间新增了应用适配层和安全层,着重加强网络传输的安全性和可靠性。如图 3所示,其接口层次自上而下分别为应用层、应用适配层、安全层和传输层。其中,应用层定义了 CSM和 RBC之间消息内容、格式和功能;应用适配层定义了发送者和接收者,应用数据类型和长度;安全层通过使用安全协议保证信息传送的可靠性、正确性、完整性、顺序性和时效性等;传输层协议使用 TCP/IP协议簇中的 UDP协议;没有图示出来的网络层采用标准的 IP报文分组交付;物理层则采用工业用 Ethernet网、双绞线接口进行物理传输。

图 2 CSM和RBC网络连接图

1.2.3 CSM-RBC接口实现过程

CSM和 RBC二子系统协议的各层需要保持在相同连接状态,CSM-RBC接口任一层连接的建立需以其下一层的连接为基础,交互信息发送时自上而下传递,并最终发送到远端接收方;接收时自下而上传递用户数据并通过逐层解析,实现应用层消息的读取。

1.应用层。CSM和 RBC子系统间应用层连接成功,标志着 2个子系统可以正常工作。

1)连接建立:当应用适配层连接已经建立,同时应用层收到了对方的应用层信息,则认为与对方的应用层连接已经建立。

2)超时检测:这种连接建立是有时限限制的,不能无限等待对方的响应,所以,CSM子系统设有超时检测机制。当双方建立连接后,CSM定期检测收到的 RBC消息,如果在规定的时间内没有收到 RBC的消息,需要断开并重新连接。连接建立后,RBC根据 CSM系统发送的连接检查信息类别,发送 VIA自身状态信息或 RBC内部全部表示信息。

2.应用适配层。这是不同于传统 TCP/IP网络协议而新增的网络协议层。该层主要对应用层数据进行封装,使各层更加独立、完整,具有明确的界限。同时,该层接收者标识号和发送者标识号由CSM和 RBC共同约定,保证内部传送信息的来源,防止外来信息的侵入,从而,确保了所传信息的惟一确定性。

3.安全层。该层主要实现以下安全相关的传输功能,即消息的真实性 (源地址和目的地址)、序列完整性、时效性和完整性;安全错误报告;配置管理 (安全设备间的安全通信协议栈)及访问保护。通过安全层的封装与隔离,增强了 CTCS-3级列控系统内各子系统间数据传输的安全性与可靠性。

4.传输层和网络接口层。CSM-RBC之间传输层选择使用了基于 TCP/IP协议族的 UDP协议,专用端口为 3500/3501;网络接口层采用TCP/IP协议族中相应协议,实现数据的无连接分组交付服务及接口间传输。

CSM与 RBC间的网络连接是重点,

为确保 CSM能准确监测到 RBC的各种状态信息非常重要,因此,在网络架构上采用了跟各控制子系统之间相近的网络协议结构及个别不同的网络协议,从而最大限度地降低出错率,提高数据分析的准确率。

1.3 CSM与 TSRS连接架构

1.CSM-TSRS接口连接。TSRS通过与 CSM子系统的 CSM-TSRS接口服务器,隔离 CSM子系统与控制子系统 TSRS间的直连,不允许 CSM子系统参与控制运算。TSRS与 CSM系统之间采用 RJ45以太网接口连接,传输层数据传输也采用 TCP传输协议中的 UDP协议。CSM和 TSRS网络连接如图 4所示。

图 4 CSM和TSRS网络连接示意图

2.CSM-TSRS接口网络协议。该协议只采用传统的 TCP/IP分层结构实现,去掉了在 CSM与 RBC间新增的应用适配层和安全层。其中,应用层定义了 TSRS和 CSM之间消息内容、应用数据类型、长度、格式和功能;传输层仍旧使用 TCP/IP协议中的 UDP协议。之所以舍去了在应用层和传输层之间新增的 2层网络,主要是由于接收 TSRS的报警信息相对不如接收 RBC的信息那么重要。采用TCP/IP协议即可解决信息传输质量,以节省网络资源,网际层和网络接口层也按传统的 TCP/IP协议实现。

3.CSM-TSRS接口连接实现。TSRS和 CSM子系统的应用层在系统正常工作过程中应保持相互连接的状态。当一方的应用层收到了对方的应用层信息时,则认为与对方的应用层连接已经建立。同时,相互间也增加超时检测机制。当双方建立连接后,CSM和 TSRS子系统要互相定期检测收到的对方消息,如果CSM或者 TSRS在规定的时间没有收到对方消息,均需断开与对方的连接,CSM-TSRS间信息流程图如图 5所示。

图 5 CSM-TSRS间信息流程图

平时,如果没有数据传送,为证实网络畅通,通信双方应当每隔 1 s发送一次 “心跳”信息,以表明自己运行正常和网络畅通;如果 CSM在 5 s内没有接收到心跳信息,CSM应当关闭此连接并重新打开连接。不同的是如果 TSRS在 5 s内无法接收到心跳消息,本次连接只关闭不再打开,即打开连接只有客户端一方完成。

工作时,每当CSM定时请求 TSRS工作状态信息时,TSRS应立即发送其工作状态信息响应,此时,TSRS如果产生应通知 CSM系统的报警,应发送报警信息给 CSM;而当 TSRS产生应通知 CSM系统的 TSRS内部或 TSRS和其他设备通信数据内容时,TSRS发送重要记录信息给 CSM系统。图 5中表明,心跳信息和工作状态信息是重要等级,二子系统相互呼应发送的,而报警信息和重要记录信息不需相互呼应,TSRS需要发送时直接发送。

图 6 信号监测数据通信以太网

4.CSM网络连接。信号集中监测系统的数据通信以太网采用通信数据网提供的 2 Mb/s专用数字通道,用于微机监测系统的信息传输。组网方案如图 6所示,图中 CSM不仅监测 CTCS-3级列控系统内各子系统的工作态,还要其他非 CTCS-3级列控系统的相关重要设备的工作态,具体包括综合维修段、车站、综合维修工区和调度所的监测终端所采用的局域网以及车站间、综合维修段与抽头站间、终端与车站间所采用的 2 Mb/s专用数字通道等。上述各局部监测网络融合在一起汇聚成信号集中监测,通过信号集中监测可以监测到整条线路(如武广线)上各子系统的工作态和故障态,一方面为状态修奠定了坚实的基础;另一方面在故障态时,有利于集中优势技术资源对故障进行快速判断与集中分析。

2 小结与建议

本文系统地阐述了 CSM与 RBC、TSRS间有典型特征的网络架构,另有 CSM与计算机联锁 CBI(Computer based Inter-Locking)、CTC、列车控制中心TCC(Train Control Center)等子系统间也需要基于 TCP/IP网络协议的网络连接实现数据传送,在此不再一一表述。CTCS-3级列控系统内部各子系统间协调工作非常重要,其中有一个子系统出现故障态,都将影响动车在 C3级列控系统下正常运行的环境,导致降级为 C2级列控系统运行,从而降低动车运行效率。为此,通过 CSM来集中监测各子系统的工作态和故障态,为维护人员提供准确可靠的分析数据尤为重要,从而实现所有设备的状态修,最大程度上降低系统故障出现的概率。

通过梳理系统的网络结构,在此建议 2点供商酌:①CSM与其他各子系统间的网络协议均采用 CSM与 RBC的网络协议来传输数据,将更加安全、可靠、准确,但这样传输的数据量要相应增大;②物理层目前采用双绞线接口的普通网线传输数据,如果改用计算机联锁系统的光纤传输方式,也就解决了采用 CSM与其他各子系统间增加 2层安全协议引起的传输数据量增加问题,同时也就避免网络阻塞的可能。以上 2点建议都是需要在增加软硬件成本的前提下才能实现,因此,需要在确保安全可靠的前提下考究成本与效率的合理性、可行性搭配,为今后的 CTCS-3级列控系统发展中选择更优方案,进一步提高整体系统的安全性和可靠性,实现整体系统零故障率,并兼顾高效舒适性做一个可行性的铺垫。

[1] 科技运 [2008]34号.CTCS-3级列控系统总体技术方案(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铁道应用:封闭式传输系统中安全通信要求.

[3] EN-50159-2:2001.Railway applications-Communication,signalingand Processing systems-Part2:Safety-related communication in open transmission systems铁道应用:开放式传输系统中安全通信要求.

(责任编辑:温志红)