區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與站間安全信息傳輸一體化研究

張利峰 佘曉麗 張樂平

(北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院，北京 100073)

1 概述

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是控制鐵路車站信號和道岔，保障行車安全的基礎(chǔ)信號系統(tǒng)[1]。區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是在車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)和安全信息傳輸技術(shù)，將整個(gè)控制區(qū)域視為1個(gè)車站，使用1套聯(lián)鎖機(jī)完成區(qū)域內(nèi)多個(gè)車站的聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算和集中控制，實(shí)現(xiàn)車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞和站間聯(lián)系一體化控制的系統(tǒng)[2-3]。北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院已先后在臨沂北、新豐鎮(zhèn)編組站和集二線集賁（集寧到賁紅）段開通了區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

站間安全信息傳輸是車站之間通過安全傳輸通道，實(shí)現(xiàn)站間閉塞信息和相鄰站信號設(shè)備狀態(tài)信息的傳輸。國內(nèi)站間安全信息傳輸技術(shù)已有成熟應(yīng)用，如合寧、合武客運(yùn)專線中，車站列控中心通過站間安全信息傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)中心站、中繼站間控制信息的連續(xù)傳輸，完成區(qū)間自動閉塞控制，保證列車的運(yùn)輸安全。

在國內(nèi)，區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和站間安全信息傳輸網(wǎng)絡(luò)通常需要分別單獨(dú)架設(shè)，使用不同的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)安全信息的傳輸。隨著鐵路信號系統(tǒng)集中控制、指揮、調(diào)度一體化的深入發(fā)展，兼具區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和站間安全信息傳輸功能的控制系統(tǒng)將成為信號系統(tǒng)的發(fā)展方向，而架設(shè)不同的專用網(wǎng)會大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和建設(shè)成本。針對這樣的需求，北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院開發(fā)了區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與站間安全信息傳輸一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于設(shè)計(jì)院自主研發(fā)的二乘二取二安全計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用高速冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了易于配置和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用數(shù)字復(fù)接－分接通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于同一通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與站間安全信息傳輸一體化系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與站間安全信息傳輸一體化系統(tǒng)以二乘二取二結(jié)構(gòu)的DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為核心，以抗干擾性強(qiáng)的光纖為傳輸媒介，構(gòu)建可供中心聯(lián)鎖相互通信，以及中心聯(lián)鎖與遠(yuǎn)程受控站相連接的冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、站間安全信息傳輸一體化傳輸。

2.1 DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是由北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院研制的新一代故障-安全信號平臺。系統(tǒng)按照歐標(biāo)EN 50126標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，安全完整度等級達(dá)到SIL4級，并已成功應(yīng)用于路內(nèi)外多個(gè)車站。

DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)基于二乘二取二結(jié)構(gòu)，由人機(jī)交互（MMI）子系統(tǒng)，聯(lián)鎖（CIL）子系統(tǒng)、輸入/輸出（I/O）子系統(tǒng)組成。每個(gè)子系統(tǒng)均設(shè)計(jì)為雙重冗余結(jié)構(gòu)，3個(gè)子系統(tǒng)通過冗余通信網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性和可用性。對于安全相關(guān)的CIL子系統(tǒng)和I/O子系統(tǒng)，每一個(gè)冗余模塊內(nèi)部均采用二取二結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高安全性。

DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)

遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)是為了實(shí)現(xiàn)DS6-60中心聯(lián)鎖站間或中心聯(lián)鎖與遠(yuǎn)程受控站I/O系統(tǒng)通信而構(gòu)建的高速光通信網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以配置為DS6-60中心聯(lián)鎖系統(tǒng)或遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)。各節(jié)點(diǎn)通過遠(yuǎn)程光通信接口接入高速光通信網(wǎng)絡(luò)，各相鄰節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程光通信接口的接收和發(fā)送端首尾連接，組成1個(gè)環(huán)形高速光通信網(wǎng)絡(luò)，本文稱這樣的1個(gè)環(huán)形網(wǎng)為1個(gè)“域”。不同域之間可通過遠(yuǎn)程光通信接口互聯(lián)，連接示意如圖2所示。

為提高遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕咚侪h(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)為雙重冗余網(wǎng)絡(luò)，分別連接各節(jié)點(diǎn)的I系和II系裝置。高速環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，可通過域之間的通信進(jìn)行擴(kuò)展，是實(shí)現(xiàn)站間安全信息傳輸及區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖一體化可靠通信的基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)程光通信接口采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，將本地節(jié)點(diǎn)的下發(fā)數(shù)據(jù)復(fù)接到高速環(huán)網(wǎng)中。由于所有的遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)在本域內(nèi)均可見，遠(yuǎn)程光通信接口接收數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)上層節(jié)點(diǎn)的配置對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取篩選。遠(yuǎn)程通信接口采取了數(shù)據(jù)分接處理和數(shù)據(jù)截取設(shè)計(jì)，根據(jù)配置提取上層節(jié)點(diǎn)需要的數(shù)據(jù)，并利用物理分隔的低速光通道，將單一類型的有效數(shù)據(jù)經(jīng)不同低速光通道傳送到上層節(jié)點(diǎn)。

遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)不同類型的數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)接，在高速環(huán)網(wǎng)中可靠傳輸，由遠(yuǎn)程光通信接口為本地節(jié)點(diǎn)提取可用數(shù)據(jù)，再分別經(jīng)不同的低速通道傳送有效數(shù)據(jù)，本文稱這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為高速復(fù)接－低速分接（HMLS）網(wǎng)絡(luò)。HMLS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)高速率、高可靠性的傳輸，同時(shí)將上層節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜度降至最低。

3 HMLS傳輸網(wǎng)絡(luò)原理

3.1 遠(yuǎn)程光通信接口結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程光通信接口由遠(yuǎn)程通信單元、低速光通道和通信接口板組成。遠(yuǎn)程通信單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)接－分接功能，并與低速光通道協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的提取和分類。通信接口板實(shí)現(xiàn)對不同上層節(jié)點(diǎn)的接口支持，完成與上層節(jié)點(diǎn)CPU板的數(shù)據(jù)交互。

1個(gè)遠(yuǎn)程通信單元通過低速光通道可與1個(gè)聯(lián)鎖通信接口板連接，或同時(shí)最多與8個(gè)I/O通信接口板連接。低速光通道采用UART格式通信，通信速率為2 Mbit/s。圖3是中心聯(lián)鎖節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程I/O節(jié)點(diǎn)的單系遠(yuǎn)程光通信接口示意圖。

3.2 數(shù)字復(fù)接－分接技術(shù)

數(shù)字復(fù)接－分接由遠(yuǎn)程通信單元實(shí)現(xiàn)，目的是將每個(gè)上層節(jié)點(diǎn)經(jīng)由多路低速光通道發(fā)送的數(shù)據(jù)重新打包，利用時(shí)分復(fù)用的思想，通過高速環(huán)網(wǎng)可靠地發(fā)送到指定的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，并提取高速環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成多路單一類型的低速數(shù)據(jù)，發(fā)送到上層節(jié)點(diǎn)。

遠(yuǎn)程通信單元設(shè)計(jì)有8路低速光通道接口和2路高速接口，在硬件設(shè)計(jì)上采用大規(guī)模可編程邏輯器件（FPGA）與專用接口芯片的設(shè)計(jì)方案，包括低速光電轉(zhuǎn)換模塊、FPGA、高速SER/DES接口芯片、高速光電轉(zhuǎn)換等模塊。復(fù)接與分接的實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)截取和篩選設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的篩選和截取功能由遠(yuǎn)程通信單元實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)遠(yuǎn)程通信單元都設(shè)計(jì)硬件撥碼，用來設(shè)置本節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)地址ID和屏蔽地址ID。遠(yuǎn)程通信單元根據(jù)硬件撥碼的設(shè)置，對高速網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的附屬信息進(jìn)行判別，對來自不同域、不同站的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，使得只有本站需要接收的數(shù)據(jù)才能進(jìn)入本節(jié)點(diǎn)的存儲區(qū)域。

通過遠(yuǎn)程通信單元篩選的數(shù)據(jù)由低速光通道發(fā)送到上層節(jié)點(diǎn)的通信接口板。由于高速通道和低速通道數(shù)據(jù)通信傳輸速率存在差異，如果從高速通道接收到的所有有效數(shù)據(jù)都經(jīng)1個(gè)低速光通道發(fā)送到通信接口板，則低速光通道網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生嚴(yán)重堵塞，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性無法得到保證。因此在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，把同一節(jié)點(diǎn)不同類型的數(shù)據(jù)分散到不同的低速光通道并行發(fā)送。遠(yuǎn)程通信單元根據(jù)接收數(shù)據(jù)附屬的低速光通道信息，再把數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)的低速光通道，使得各低速光通道能夠均衡分配數(shù)據(jù)流量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由高速通道到低速通道傳輸?shù)倪B續(xù)性和實(shí)時(shí)性。

高速環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理之后，在每個(gè)控制周期，上層節(jié)點(diǎn)CPU僅能收到發(fā)送至該節(jié)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置技術(shù)

HMLS網(wǎng)絡(luò)包括高速環(huán)網(wǎng)和低速光通道2部分，其中低速光通道是網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量瓶頸。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置技術(shù)根據(jù)通信需求（如節(jié)點(diǎn)數(shù)量、各節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)量等），動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配置各低速通道的傳輸對象，達(dá)到合理利用HMLS網(wǎng)絡(luò)帶寬的目的。

用戶通過輔助配置軟件界面輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)量和類型、中心站之間的傳輸數(shù)據(jù)量、遠(yuǎn)程站I/O控制規(guī)模等信息，可得到域內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)流的總集。選擇已利用的低速光通道數(shù)量作為優(yōu)化目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置轉(zhuǎn)化為帶約束的最優(yōu)集合劃分問題。本文采用了工程上對這類問題常用的貪心法求解，利用最小的計(jì)算量得到較優(yōu)的劃分結(jié)果，進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)上層節(jié)點(diǎn)的低速光通道連接方案。

4 技術(shù)特性

基于DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)平臺的HMLS一體化傳輸網(wǎng)絡(luò)具有以下技術(shù)特性。

（1）實(shí)現(xiàn)了站間安全信息傳輸與區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖一體化信息傳輸。與單一的站間安全信息傳輸網(wǎng)絡(luò)或區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，一體化系統(tǒng)使得站間安全信息傳輸和區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖可在1個(gè)網(wǎng)內(nèi)并行工作，并可自由選擇區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和站間安全信息傳輸?shù)姆秶沟脜^(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、多點(diǎn)的站間安全信息傳輸設(shè)計(jì)、以及與其他系統(tǒng)的通信都有了更大的靈活性。

（2）實(shí)現(xiàn)了高速率的可靠通信。HMLS網(wǎng)絡(luò)以結(jié)構(gòu)簡單可靠的冗余高速光纖環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字復(fù)接－分接技術(shù)，輔以信息截取技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)配置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速率、高可靠性的數(shù)據(jù)通信。

（3）具有良好的區(qū)域可擴(kuò)展性。HMLS網(wǎng)絡(luò)每個(gè)高速環(huán)網(wǎng)可容納16個(gè)節(jié)點(diǎn)，支持多個(gè)域互聯(lián)，可滿足區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制和站間安全信息傳輸?shù)囊话阈枨蟆?/p>

（4）對不同的應(yīng)用具有良好的適應(yīng)性。由于對上層應(yīng)用節(jié)點(diǎn)屏蔽了通信細(xì)節(jié)，所有信息傳輸?shù)募?xì)節(jié)都封裝在HMLS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，上層節(jié)點(diǎn)可當(dāng)作點(diǎn)對點(diǎn)通信處理。此外，可根據(jù)需求自由指定傳輸數(shù)據(jù)類型以適應(yīng)不同的應(yīng)用范圍，也可設(shè)計(jì)不同類型的通信接口板以適應(yīng)不同的上層應(yīng)用節(jié)點(diǎn)。

5 總結(jié)

基于DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制平臺的區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與站間安全信息傳輸一體化系統(tǒng)的研制成功，改變了傳統(tǒng)的區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和站間安全信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，減少工程投資，降低施工的復(fù)雜度。區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與站間安全信息傳輸一體化系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢將進(jìn)一步促進(jìn)DS6-60計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在城市軌道交通、國有鐵路和地方鐵路的推廣應(yīng)用。

[1] 趙志熙．計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)[M]．北京：中國鐵道出版社，2004.

[2] 黃衛(wèi)中．區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]．鐵道通信信號，2005，41(9)：6-10.

[3] 王軍，吳芳美．區(qū)域聯(lián)鎖傳輸通道的安全性問題及仿真[J]．城市軌道交通研究，2002， 5(4)：52-55.