城軌通信網的可靠性設計

賈賢業

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

通信系統在整個城軌系統中所起的作用相當于人體的神經系統，其重要性和運行的可靠性不言而喻。本文將著重從系統及設備選型的角度來闡述和分析城軌通信系統的可靠性設計。

通信系統的網絡層次可以分為系統和網絡、子系統、設備、電路板等層面。可靠性的保證可以從各個層面來體現。

1 系統和網絡層面

確保傳輸、專用通信和專用無線通信“三大系統”的可靠性；保持有互補作用的系統獨立性；輔助系統（ 其他子系統和集中網管系統）可幫助應對特殊情況，提高整個系統的可靠性。具體考慮內容如下。

（1）根據系統的重要程度確定不同系統對“冗余”可靠性的要求，如表1所示。

（2）在地鐵系統中重點保證傳輸、專用通信和專用無線通信“三大系統”的安全可靠性。“沒有單點故障”是對子系統“冗余”可靠性的最高要求。

通信子系統之間的相互補充，可彌補單個系統可靠性不足的問題，保證關鍵業務的可用性且保持有互補作用的系統獨立性，有利于這種互補功能的發揮。

公務通信系統、專用通信系統和專用無線通信系統的配合確保話音業務的提供，特別是行車電話的提供。基于系統間的互補關系，可以基于各子系統的可靠性計算某個業務的可用性。

表1 主要子系統設計的冗余思路

地鐵各子系統的配合和集中網管，可以為地鐵環境提供高可靠性和安全性，全方位監控地鐵環境，應對特殊情況的通信要求。通過視頻和音頻監控， 可及時發現車站和車輛段的異常情況，及時處理可能影響通信系統的隱患。存在恐怖襲擊威脅時，CCTV和廣播系統有助于公安、消防等人員快速反應。戰爭情況下，地鐵作為臨時防空設施，可提供地鐵內部的通信，以及利用廣播系統組織人員在其中活動。集中網管系統有利于及時發現故障并快速修復，保證業務的連續性或縮短MTTR時間，提高系統的可用性。

2 子系統層面

對于子系統可靠性的保證主要采取以下措施：關鍵子系統網絡拓撲結構的選擇、系統的冗余機制及“故障弱化”機制的建立。

（1）關鍵子系統拓撲結構的選擇

*傳輸網絡采用雙環型拓撲結構，具備自愈功能。

*專用通信網絡采用點到點的拓撲結構，可滿足設備的故障隔離要求。

（2）冗余機制

建立冗余機制后，當某個設備或設備的某個模塊發生故障時，可以采用備份的設備或模塊替代。因而備份設備/模塊與網絡的設備/模塊之間從可靠性的角度來看是并聯關系。只有當他們同時故障時才會導致系統的故障。例如：2個可用性為99.9%的設備備份時，總的可用性可達1-(1-99.9%)2=99.9999%，因此，可用性呈數量級提高。

模塊化設計保證了設備備份的可能性。目前備份采用的手段主要有熱備份和冷備份方式。采用熱備份時，主用設備和備用設備同時工作，并保證數據的同步，當主用設備/模塊故障時，切換到備用設備工作，切換時間短，并保證業務不中斷，但運營成本較高。采用冷備份時，備用設備平時不工作，當主用設備/模塊故障時，將備用設備/模塊連入系統，切換時間較長，業務可能短時中斷，但運營成本較低。備份設備和模塊可以支持熱插拔功能，保證替換時不影響系統其他部分的工作。設備的備品備件也可以作為一種冷備份。主要子系統冗余機制如表2所示。

表2 子系統的冗余機制

續表

(3)“故障弱化”機制

“故障弱化”可以使系統發生故障時使用“功能后退”運行方式，減少通信系統故障造成的影響。許多“故障弱化”機制也可以認為是一種冗余機制。故障弱化措施如表3所示。

當控制中心故障時，基于TETRA的專用無線通信系統可以在基站范圍內工作，以及采用直通模式工作，行車調度電話可通過電纜回線連接。由此保證系統以“功能后退” 方式運行。此時，車站時鐘、廣播、電視監視等系統仍能在車站范圍內工作。

表3 故障弱化措施

3 設備層面

在設備選型過程中，應關注設備的如下情況：運營業績良好；對于有互通要求的設備，盡可能選擇同一廠家的產品；設備具有模塊化和標準化的特點；嚴格符合行業技術標準及規范；設備滿足冗余和降額設計要求；特殊設備利用軟件算法來提高可靠性；選擇具有高可靠性的軟件等。

下面只從技術角度討論可靠性的保證措施。

（1）良好的運營業績

選擇的產品要有良好的運營業績，保證24 h運行并具有地鐵方面的運營案例。

（2）模塊化和標準化設計

便于提高故障分離系數，降低單個模塊故障對系統總體可靠性的影響程度。便于擴大供應商的選擇范圍，降低對設備和供應商的依賴性。便于將故障限制在模塊內部，并易于提供冗余備份模塊，當單個模塊故障時，利用備份模塊可保證系統的正常運行，基于模塊化結構，也便于實現熱插拔，在不中斷業務的情況下完成系統故障的維修。

（3）冗余及降額設計

對于特別關鍵的系統采用冗余設計,如采用兩路電源供電，避免電源故障的影響。針對設備不同的位置，提出不同的環境要求，選擇設備時確保其滿足相關環境條件的要求，甚至高于環境條件的要求。

（4）利用軟件算法提高可靠性

在地鐵環境中工作的設備，容易受到外來的干擾，因此，在控制、測量和通信等軟件設計時采用各種軟件算法（如CRC校驗、中值、濾波和平滑），確保控制、測量和通信的準確性。同時軟件具有對外界突發性干擾等因素造成運行失常的探測、控制和處理能力。

（5）軟件自身的可靠性

由于軟件規模和復雜性不斷擴大以及其廣泛應用，軟件的可靠性問題也隨之日益突出，并受到人們的重視，目前軟件可靠性的研究仍是一個新興學科。

軟件可靠性表述的3個概念：軟件本身的缺陷，軟件運行中由于軟件缺陷產生的故障以及最終導致系統的失效。由于軟件不存在損耗性故障， 軟件故障是由于在運行過程中，缺陷被激發而產生的。軟件的缺陷被糾正之后， 將不再存在（ 除非引入新的缺陷）。因此，軟件故障率的分布不像硬件是一個“浴盆曲線”， 理想的軟件故障率分布將逐步遞減至穩定狀態。實際情況下，由于軟件維護（糾正）過程中引入的新缺陷，軟件的實際故障率曲線存在退化問題，因此采用較新版本的成熟軟件有利于提高軟件的可靠性。

4 電路板層面

提高電路板設計水平有助于提高設備的環境適應能力，降低模塊的故障率。這些性能可以在設備層面反映出來。選擇設備供應商時，電路板工藝的觀察有助于電路板可靠性的判斷，較好的設計要求如下。

（1）盡量提高硬件集成度。減少元器件的數量可以提高可靠性。

（2）充分考慮電磁兼容性的要求。大小信號分開，模數分開，防止信號互相干擾等。

5 總結

從上面對各層面可靠性分析的結果，可提取出一些適用于城軌通信系統設計及設備選型的原則，并在工程設計及安裝過程使用，將大大提高城軌通信系統的可靠性。

[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路技術管理規程[S].北京：中國鐵道出版社， 2006.