北京调度所高铁调度集中系统工程设计创新

2016-04-01武长海

铁路通信信号工程技术 2016年1期

关键词：工程设计高铁

武长海

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

北京调度所高铁调度集中系统工程设计创新

武长海

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

摘要：介绍我国高铁CTC系统建设运营的概况，重点对于北京调度所工程设计中的创新点进行介绍，从总体技术框架、网络架构、统一应用软件、信息安全等级保护、工程集成设计、综合运营维护管理等六个方面进行说明，最后对高铁CTC系统工程设计技术的未来简要展望。

关键词：高铁；调度集中；工程设计

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月底我国开行旅客列车2 447对，其中动车组1 330对；至2015年底约1.9万km高速铁路投入运营，2020年预计全国高铁将达2.4万km里以上，是世界上规模最大、效率最高的高速铁路网。高铁时速200～350 km，列车运行3 min间隔，原有的调度指挥系统难以适应我国高铁高速度、高密度的运输特点，难以满足调度指挥自动化、集成化、综合化、信息化和智能化的发展需要。

高铁调度集中（简称CTC系统）是高铁调度指挥的核心，为实现高速铁路网运输高效、快捷、舒适、安全和正点，经过7年左右的方案研究和工程设计，对高铁CTC系统工程设计技术进行了系统性研究，包括系统架构、功能、接口及设备配置等，并通过与列控、运调管理等多个系统集成实现了全部功能；设计成果在2013年首次应用于北京调度所工程中，新建的高铁CTC系统在系统规模、复杂程度、运用里程、需求分析、功能设计、设备配置、智能水平、监控能力、安全程度、维护手段等方面均有突破性发展，开创了该领域成套系统设计及工程应用的先河。截至2015年，设计成果已应用于铁路总公司、北京、上海、武汉、广州、成都等多个调度中心并将在全国各高铁调度中心应用，其应用全面提升了高铁运输安全保障能力，创新了运营维护管理水平，对全国运营、在建以及规划的高速铁路、城际铁路调度指挥系统的建设提供了有力支撑，成果达到了国际领先水平。北京调度所调度指挥中心如图1所示。

2　设计创新简介

2.1首次提出了适应路局级高铁CTC系统需求的总体技术框架

高速铁路运输特点概括为：高速度、高密度、高可靠、高舒适度、安全正点，经过研究提出了高铁CTC系统主要需求如下：路网规模大、系统智能化、高密度行车（追踪间隔3 min）、运输计划调整及安全正点、与列控系统结合更加紧密（与C2、C3系统衔接密切）、总公司与路局调度中心间调度指挥权变换的需求、更高的系统配置需求（局级中心控制不小于3 000 km高铁线路）等。

国内高铁CTC系统是由既有线CTC基础上发展而来，既有系统结构及功能相对简单，软硬件配置较低，安全性、可靠性均落后于IT技术发展主流；国外铁路行车密度不高、路网结构及运输作业较我国简单，调度指挥综合性和复杂性比我国要求低。因此，研究提出了北京调度所高铁CTC系统总体架构、总体功能及组网方案、设备配置、接口方案等，并结合路网规划、系统特点及工程需求，设计实施了新型集成化系统软硬件平台。

1）系统结构

北京调度所高铁CTC中心控制3 000 km以上高铁线路，调度所设备与所管辖的线路和车站范围行车指挥密切关联，CTC系统需要直接控制车站联锁系统，进路控制命令和信号机的点灯开关等都与列车运行效率及安全密切相关，铁路局高铁CTC中心、普速TDCS/CTC系统分别担负的功能需求有所不同，因此，工程中高铁CTC中心与普速TDCS/CTC系统分别组网建设；同时，明确了系统成套设备配置需求及技术指标包括数据库服务器、应用服务器、通信服务器及各种接口服务器、调度台、网络信息安全、通信监督、配套设备等；确定了新系统架构下光纤局域网及存储设备配置需求；并经过KVM多方案比选确定了调度台前置配置原则。系统总体结构如图2所示。

2）系统功能

为满足高铁调度指挥需求，工程中明确了路局高铁CTC中心应具备基本的列车运行宏观显示、信号设备显示状态的实时监视、运行图管理、调度命令管理、列车动态跟踪、数据统计分析及预测等功能；同时还需新增加点灯/灭灯控制、与列车运行控制系统结合、高铁列车运行监视及站场增强显示等功能；并对基本图、调整图、施工信息、调度命令、统计信息、站存车服务、仿真培训、数据验证及程序测试等方面功能有所加强。

2.2首次明确系统广域网整体解决方案，同时首次在高铁CTC中心局域网中应用了万兆核心交换机

1）首次采用155 Mbit/s光纤实现车站接入中心系统

高铁CTC系统广域网骨干网由总公司调度中心与路局调度所中心节点组成，基层网由路局调度所及基层站段等节点组成。铁路局高铁广域网至少包含3个层次：调度所至车站间，总公司与路局调度所间，调度所与GSM-R、RBC、TSRS等其他系统间。

原有CTC中心至通信系统以2 M数字通道为主，2M数字通道导致专业间接口线缆过多，机房间综合布线困难，增加了配套设备数量，日后维护不便。北京调度所工程中首次实施以STM信道化155 Mbit/s（相当于63个2 Mbit/s）代替2 M通道，可达到大量减少机房布线以及维护的目的，提升了系统的可用性、可维护性、可扩展性。

2）首次应用以万兆核心交换机为中心的高铁CTC系统局域网新架构

此前国内CTC中心局域网核心层采用1 000 Mbit/s、接入层/用户层采用100 Mbit/s以太网，系统终端用户较多时，系统响应速度变慢，这与高速铁路CTC系统要求极不适应。高铁调度指挥系统具有系统接口多（与列控、联锁、防灾监控、运营调度系统等）、用户终端多、实时性要求高等特点，对系统的响应速度要求更高（延时不大于3 s），为此，在北京调度所工程中局域网核心层采用了10 000 Mbit/s的高速网络、接入层采用1 000 Mbit/s以太网方案，解决了调度所终端用户过多时系统响应速度慢的缺陷，实现了传输数据量大、实时性好、工作效率更高的目标。系统结构如图3所示。

2.3 系统性提出高铁CTC系统统一应用软件的要求

我国从2008年7月胶济客专开始至今开通了数十条高速铁路/客运专线，高铁CTC系统是运输人员不可缺少的行车指挥装备，但原有的CTC系统软件功能和用户界面不统一，造成不同厂商的系统设备不能互控，不同路局或同一路局不同调度台的调度人员不能互换的难题；为了规范CTC系统的建设、运营和维护管理，满足运输调度指挥人员对系统功能、操作界面统一和调度台管辖范围灵活调整的要求，与系统供应商配合深入研究CTC系统软件统一的问题；通过定义统一应用软件平台的需求，结合软件开发单位的研发，解决了高铁CTC中心与车站间不同供货商系统设备间的交叉互控难题，实现各个路局调度所和车站终端采用同一种操作界面及应用程序，最终给运输部门提供统一的操作方式，对于调度人员而言，实现统一的调度界面，为调度人员轮岗、轮台甚至是异地接管等提供了技术保障。

统一软件的范围是CTC系统所涉及的所有应用软件（包括调度所、车站车务终端、自律机等各个子系统）和相关的辅助开发软件，全路使用同一个软件版本和源代码程序，实现CTC系统软件功能模块划分、内部功能、逻辑处理流程、系统内部数据流程、功能操作流程等各方面的软件全面统一；CTC软件统一的功能主要包括：运行图与运行调整计划管理、调度命令管理、综合维护和施工管理、临时限速、进路自动控制与人工控制、列车动态跟踪与列车车次号管理、实时信息采集与监视、调车作业管理、CTCS-3级区段特殊操作、统计分析、列车编组管理、系统维护、外部信息接口、仿真培训和模拟测试、可靠性和灾备支持等。同时CTC系统的专用硬件车站自律机也要按照统一软件进行适应性改进。

2.4首次应用国家信息安全等级保护四级的信息安全技术

CTC系统是铁路内唯一被要求采用信息系统安全等级四级的具有控制功能的系统。《信息安全技术信息系统安全等级保护基本要求》（GB/T22239-2008）定义了四级安全保护能力，要求系统“应能够在统一安全策略下防护系统免受来自国家级别的、敌对组织的、拥有丰富资源的威胁源发起的恶意攻击、严重的自然灾难、以及其他相当危害程度的威胁所造成的资源损害，能够发现安全漏洞和安全事件，在系统遭到损害后，能够迅速恢复所有功能”，由此可见，CTC系统信息安全的要求之高。

原有的CTC系统仅部署了防火墙、身份认证、防病毒、漏洞评估四项安全装备，安全组件发挥各自作用但不具备整体联动能力，不可能达到等级保护四级的要求；主要弊病在于：在防御方式方面属于被动防御；在防御技术方面只能实现网络层协议过滤；在集中管理方面，集中监测组件仅用于监测设备的资源使用情况，与等级保护四级要求差异较大。北京调度所工程研究并应用了新的信息安全系统，系统按照总公司、铁路局、车站三级构建信息安全体系，三者之间均部署安全区域边界，并对各区域实施安全防护，具有整体防御能力。北京调度所CTC系统在安全管理中心统一管理下，以计算环境安全、区域边界安全、通信网络安全所组成的“一个中心、三重防护”体系实现CTC系统信息安全的纵深、整体防御。系统结构如图4所示。

2.5系统集成创新设计

1）应用A级机房标准，实现系统与土建环境的融合

原有CTC系统中心机房标准等级较低，高铁CTC中心系统大规模运用高等级服务器及高等级网络设备，极大地提升系统运用效能，同时对系统运用环境提出极高要求。北京调度所首次采用最高等级A级机房标准建设，系统运用环境体系内的房屋、电源、暖通、电磁兼容及防雷系统的设置方案及成套技术要求均较高，工程中采用以下方案：CTC系统房屋需合理分配功能区域（包括主机房、调度大厅、维护室、仿真室、备品备件室、值班室、工区、电源及UPS室等）；机房按下走线的方式（地板距地面750 mm）；机房温度：23±1℃（C级为18℃～28℃）；机房湿度：40%～55%（C级为35%～75%）;系统设备要求双路不间断供电（不小于30 min），每路电源要求配备UPS及电池组，UPS要求采用2×（N+1）方式；实现了高铁CTC系统与楼宇综合监控、楼宇布线、房、暖、电等的外部保障系统整体有机结合，最终形成系统运用环境成套技术方案。高铁CTC主机房机柜布置如图5所示。

2）采用以列头交换机、列头电源柜等为骨架的、适应IT行业最高技术标准的综合布线技术，实现系统自身网络的硬件集约

高铁CTC系统中机柜种类、数量众多，布线种类、数量大，以总配线柜、列头网络柜等构成网络布线骨架的局域网综合布线系统，与以往铁路CTC机房的布线相比较，其特点在于：

*从机房全局角度考虑平面布局，系统布线结构和层次更清晰；

*以列头网络柜、列头电源柜、总配线柜构成布线系统骨架；

*以光缆布线作为系统局域网和楼层间布线的主要方式；

*以超六类线取代五类线，对系统传输的质量更有保障；

*一次性考虑机房的布线需求，避免了每次工程接入时的干扰；

*综合布线统筹考虑防静电地板、暖通冷暖气流、用电量分配等。

原有CTC系统规模较小（10余个机柜），新的高铁CTC系统局域网网络规模庞大，北京调度所高铁CTC系统单个主机房面积最大的近700 m2，可布机柜数量达到150个以上，各类服务器、网络设备、信息安全设备、综合布线机柜等数量庞杂，我们通过研究提出了高铁CTC系统与调度大楼、调度大厅层、各查询终端所在楼层的布线关系；提出了以列头交换机、列头电源柜等为骨架，以光缆、超六类线、同轴缆多种线缆组成的综合布线系统设计原则及实施方案，较传统的分散系统供电、点对点通信连接方式等，其系统性和功能性更强，方案更合理优化。高铁CTC机柜排列及综合布线如图6、7所示。

3）实现路局级高铁CTC系统与其他相关系统的有机结合

北京调度所工程中通过设置CTC-RBC、CTC-TSRS接口服务器并采取安全边界，实现了高铁CTC系统与无线闭塞中心、临时限速服务器等列车运行控制系统设备间信息对接技术，实现了中心调度员对高铁网络列车的在线监控和限速等指令下达，有效地保障了高铁运行安全。

高铁CTC系统通过系统内软硬件的集成实现了系统自身的功能，通过与信号各系统的集成完成信号系统控制、指挥功能，通过与整个通信、信息、供电等电子信息系统集成，实现与列车计划子系统、动车底调度子系统、旅客向导子系统和综合维修子系统信息和数据的共享，向铁路管理部门、组织部门和实施部门提供列车运行的所有关键数据，实现了运输信息管理、运输组织决策的高度统一协调。

2.6首次应用综合运营维护管理平台

原有CTC系统的维护管理仅限于网络管理等初级水平，随着机房规模和设备数量的急剧增多，为保障系统充分满足高铁正点、安全、舒适等运输要求；同时，在系统不稳定甚至出现故障状态下，系统应保证及时报警提示、维修维护人员快速响应、快速分析并处理故障，保证CTC系统故障发生、解除时间段最短，将对行车运营的干扰降至最低。北京调度所高铁CTC系统工程中首次应用综合运营维护管理平台，将机房综合监控设备、数字化IT设备管理、通道质量监督、网络管理及软件管理等五部分采用先进的数字化IT技术集成于同一平台，利用在线监控技术手段，实现对CTC系统运行状态的有效监控和故障处理，实现了大规模高铁CTC系统运营维护平台的开创性设计，构建了在线实时监控及智能分析诊断技术平台。