铁路调度集中系统运输指挥信息数据双路传输研究

王振一，曹 桢，宋晓丽

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京市华铁信息技术开发总公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081）

调度集中(CTC)系统是在列车调度指挥管理系统(TDCS)基础上发展起来的、满足我国高速铁路运输组织需要的新一代行车调度指挥自动化系统。CTC是综合各种先进计算机技术、网络通信技术、数据挖掘技术和现代控制技术，实现列车运行远程集中控制的高度自动化、智能化调度指挥系统，对实现高速铁路的运输安全生产和优质服务起到至关重要的作用[1-3]。与普通铁路相比，高速铁路发生故障的危害性和社会影响更大，要求调度指挥系统的可靠性更高[4]。大量CTC系统的故障资料显示，CTC系统故障的主要原因之一是网络通信缺陷，这其中既有网络设备和外界因素干扰的问题，也有环路组网和数据传输方式的问题[5-6]。因此，基于现有通信技术，在设备可靠性难以提高的前提下，利用环网结构中的双通道模式，提出运输指挥数据传输的双路模式，以避免复杂传输环节中的单点铁路设备故障对高速铁路调度指挥的影响，从而提高CTC系统的稳定性。

1 CTC系统运输指挥信息数据双路传输分析

1.1 信息数据传输网络结构

CTC系统是实现调度所对所辖范围内车站进行集中指挥的设备。CTC系统网络由调度所之间的网络、调度所与车站之间网络组成。其中，不同高速铁路调度所之间、高速铁路调度所与普速线调度所之间、高速铁路调度所与车站之间、车站与车站之间均采用双通道连接，将双通道分别接入了互为冗余的不同的2套网络设备[7]。

CTC车站与车站间，以及车站与中心间通道主要采用专用传输系统的2M通道，组成广域网络。调度所与车站之间的网络设备一般采用双通道环形结构，组成环形广域网，环形结构对数据传输起到冗余作用。环内首尾端车站连接至调度所中心路由设备，每个环车站数一般为3 ～ 10个。环与环之间相对独立，仅通过中心进行路由交换。调度中心与车站之间的通道结构和数据交换如图1所示。

图1 调度中心与车站之间的通道结构和数据交换Fig.1 Channel structure and data exchange between the traffic control center and stations

目前，CTC系统信息数据为单路传输方式，广域网络内的设备通过交叉方式连接在一起，成为一个整体网络。CTC系统广域网主要采用商用路由器构成，路由协议广泛采用动态路由协议，路由器之间根据动态路由协议规则计算出一条最优路径。当网络发生改变时，路由器会进行重新计算，形成新的最优路径。CTC系统的信息数据，无论中心与车站之间，还是车站与车站之间，均按照它们之间的一条最优路径进行传输。因此，虽然网络为双通道结构，但信息数据仍然为单路传输方式。

1.2 CTC 系统运输指挥信息数据传输分析

安装在各个车站的CTC设备之间，以及车站设备与中心设备之间必须保持紧密的数据联系，才能满足运行监视和自动控制的实时性[8]。CTC系统运输指挥信息数据传输如表1所示。

表1 CTC系统运输指挥信息数据传输Tab.1 Transport dispatching information data transmission of CTC system

在CTC系统运输指挥信息数据中，车站与调度所之间的实时表示信息，以及站间传递的实时采集信息(含站内、区间)和车次跟踪信息的数据传输密度最大，对实时性要求最高，因而最容易受到网络通信环节影响[9]。当数据传输不良时，主要故障表现为：邻站间自律机码位丢失、延时导致车次滞留、占用丢失误报警、站场表示中断或者延时。另外，CTC应用层通信协议采用了时间戳检查机制，这对于实时数据来说，当数据接收方判断应用数据包传输延时超过10 s时，将认为是无效数据并丢弃。因此，当信息数据传输延时较大时，故障有时表现为数据丢失或通信中断。

1.3 既有信息数据传输常见通信故障分析

通信故障是CTC系统数据传输的常见故障。CTC系统的通道环节较多，当路由器端口、协议转换器、防雷器件、同轴/光纤接头、传输设备等任一部分存在不良时，均会导致CTC系统的通道误码或者中断[10]。通信故障分析如表2所示。

2 CTC 系统的信息数据双路传输研究

2.1 CTC 系统信息数据传输方案比较分析

利用双通道网络进行双路传输改造，是克服通信故障影响的有效方案。既有CTC系统的信息传输方式存在调度指挥数据丢失、表示信息延时或通信中断等故障现象。因此，在通道发生单点故障情况下，为了不影响CTC系统的功能实现，提出利用双环通道的信息数据双路传输方案，即在双通道(环)内同时传输2份相同的信息数据，保证在不同的通道环内传输的数据互不影响，同时数据接收方不同通道环内传输的相同数据进行过滤处理，这样可以保证单通道有不稳定的情况下不再会影响到另一路数据的传输。CTC系统信息数据传输方案比较如表3所示。

表2 通信故障分析Tab.2 Communication failure analysis

表3 CTC系统信息数据传输方案比较Tab.3 Comparison of data transmission schemes of the CTC system

2.2 CTC系统信息数据双路传输网络结构

结合CTC系统特点及列控安全数据网的经验，CTC系统信息数据双路传输网络结构如图2所示。其中，所有设备均配置2块独立网卡分别连接至双网，双网采用完全不同的IP地址和路由协议，并且不存在任何公用物理设备；所有子系统之间的数据传输均分别通过双网冗余传输，发送方通过对数据中设置惟一的标签(数字签名)以确保对方可有效判断重复数据；数据通信采用安全通信协议相关技术，采用序号、时间戳、多重加密字等技术手段，确保数据可靠、无误传输。

CTC系统信息数据双路传输网络结构具有以下特点：①车站基层网采用独立双环结构，如图A环、B环；②中心与车站之间、车站与车站之间均同时通过A环、B环发送2份冗余数据；③中心A网通信前置服务器将A环数据发送到实时处理服务器A和B，中心B网通信前置服务器也将B环数据发送到实时处理服务器A和B；④实时处理服务器A和B均对2份冗余数据进行比较，调度台以及其他应用服务可以识别实时处理服务器A和B的数据，以获取可靠的车站信息。

这种双路传输改造方案，实现了双份相同的应用信息数据的同时传输，双份数据互为备份。2个独立的传输网络中，一个传输网发生故障时另一个传输网仍可以正常工作，解决了通信故障可能影响多个车站数据传输的问题。双路传输与既有单路传输相比，充分利用了通信设备的能力，数据传输的可靠性更高。

图2 CTC系统信息数据双路传输网络结构Fig.2 Dual channel information data transmission structure of the CTC system

2.3 CTC 系统信息数据双路传输试点分析

中国铁路济南局有限公司青荣城际铁路(青岛北—荣城)于2014年12月28日正式开通运营，按照CTC系统信息数据双路传输方案进行了试点工作。截至2015年9月15日，汇总了通信工区、CTC工区的故障登记记录，未发现CTC系统通信中断的故障记录。

根据通信工区的登记记录显示，通信传输的各个节点没有出现过故障(如A车站的通信机房到B车站的通信机房)，但从通信机房到信号机房的网络设备如出现故障，也会造成通信中断的问题(如A车站的通信机房到信号机房)。根据试点经验，在既有CTC线路上出现此类故障时，调度台调监显示、车务终端功能都会受到影响，表现出调监灰屏、调度命令无法下达/接收等问题，调度台会通知CTC工区对故障进行登记。

青荣城际铁路实施双路传输后，单侧通道的闪断并不会对CTC系统造成影响。经调度台调监显示回放，通道闪断发生时也并未影响CTC各项业务(调监显示、邻站信息交互、计划下达)，从而验证了双路传输功能可以有效缓解通信不稳定造成的各类问题。

3 结束语

通过对CTC系统进行双路传输改造，可以大幅度减少通信故障的不良影响。随着CTC系统双路传输方式优点的逐步显现，有利于减少运输指挥的中断次数和时间，对铁路运输指挥信息数据传输方式的研究有一定参考价值。通过青荣城际铁路的信息数据双路传输试点表明：在双环结构都完好的情况下，自律机和通信前置机和邻站自律机实现了双网独立，双网分别建立了连接，独立进行调度指挥数据传输；在双环中一个环网出现故障对另一个环网的连接没有任何影响，对另一个环网的调度指挥数据传输也没有影响；在双环中一个环网出现了故障，出现故障的环网不会通过另一个环网进行连接，确保了双路数据不会走一个环网的情况出现。