高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

賀京陽 上海和旭電子科技有限公司

當(dāng)今中國高速鐵路正在不斷刷新著自己創(chuàng)造的速度記錄，350 km/h、400 km/h、486 km/h，每一次刷新速度的記錄，都對(duì)信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性提出了更高要求。

由于高速鐵路站間距擴(kuò)大、傳輸信息量增大、信號(hào)安全設(shè)備數(shù)量增多等特點(diǎn)，中國既有線的信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)從設(shè)備性能到設(shè)計(jì)理念和長時(shí)間高負(fù)荷工作的穩(wěn)定性上，均無法滿足中國高速鐵路對(duì)目前數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的需求和未來發(fā)展，而數(shù)據(jù)通信平臺(tái)如工作狀態(tài)不穩(wěn)定，甚至?xí)霈F(xiàn)交通隱患。目前既有線的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)制約成為高速鐵路發(fā)展的瓶頸，所以在高速鐵路信號(hào)通信系統(tǒng)中必須采用高級(jí)別的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)來滿足這些要求。

1 高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)分析

伴隨著中國鐵路正在向高速化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，使用高可靠性、安全性的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)來替換既有線的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)勢在必行。而傳統(tǒng)的以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在接合高速鐵路數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的需求時(shí)，卻存在冗余性差（樹形、總線型）、無法實(shí)現(xiàn)布線（星型）、自愈時(shí)間過長（RSTP環(huán)型）的缺點(diǎn)。但傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的制約不會(huì)影響中國高速鐵路發(fā)展的腳步，一種對(duì)安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性有著高要求的各行業(yè)廣泛應(yīng)用的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱環(huán)形網(wǎng)絡(luò)），在結(jié)合中國高速鐵路的發(fā)展需求后，被引入了高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)中。其中工業(yè)級(jí)一臺(tái)網(wǎng)設(shè)備還有如下優(yōu)勢：

（1）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性（耐振動(dòng)、耐沖擊）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（工作溫度要求為－20～+85℃，并要耐腐蝕、防塵、防水）、電磁兼容性EMC符合EN 50081-2、EN 50082-2、EN 50082-3、EN 50082-4、FCC、GB/T17626、IEC61000 等標(biāo)準(zhǔn)。

（2）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)品適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境、可通過IEC61000-4-5、GB/T17626.5 等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浪涌測試，通過IEC61000-4-8、GB/T17626.8等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工頻磁場抗擾度測試，通過 IEC61000-4-9、GB/T17626.9 等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行脈沖磁場抗擾度測試，可按標(biāo)準(zhǔn) IEC61000-4-11、GB/T17626.11 等進(jìn)行電壓變化抗擾度測試。

（3）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備使用寬電壓設(shè)計(jì)，工作電壓18 VDC～36 VDC，220 VA、220 VDC、110 VDC等，可直接使用信號(hào)安全設(shè)備電源。

（4）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備電源為冗余雙電源設(shè)計(jì)，防止單電源錯(cuò)誤導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)癱瘓。

（5）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備安裝方式為DIN導(dǎo)軌式或標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式，可直接安裝在信號(hào)安全設(shè)備的機(jī)柜中，方便布線與管理。

（6）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備散熱方式無風(fēng)扇外殼散熱，在長時(shí)間不間斷工作的環(huán)境下，不會(huì)因?yàn)樯釂栴}導(dǎo)致溫度過高而出現(xiàn)故障。

（7）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備鏈路自愈恢復(fù)時(shí)間＜50 ms。符合安全數(shù)據(jù)網(wǎng)要求的網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間。

于是決定使用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)設(shè)備組建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在高速鐵路信號(hào)通信平臺(tái)中。

圖1 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示車站A、車站B、車站C、中繼器均為工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，三個(gè)車站與中繼器之間通過傳輸速率為1000 Mb/s的專線光纖連接成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)A。由于交換機(jī)基于MAC地址表進(jìn)行ARP尋址的工作特性，雖然環(huán)形網(wǎng)絡(luò)在物理上組成環(huán)形，但如果簡單的在物理上組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，會(huì)產(chǎn)生單播幀拷貝、MAC地址表不穩(wěn)定，最終產(chǎn)生廣播風(fēng)暴導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓，所以必須在邏輯上阻塞一條鏈路（圖1中虛線部分），使網(wǎng)絡(luò)在邏輯上工作在總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，而網(wǎng)絡(luò)中的其他黑色實(shí)線鏈路中的某一條一旦發(fā)生故障，那么阻塞鏈路會(huì)立即從阻塞狀態(tài)切換為傳輸狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)依然可以正常傳輸數(shù)據(jù)。

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)具體的工作方式如圖1中剪頭指示方向所示：車站A、車站B之間、車站B與車站A和車站C之間、車站C與車站B和中繼器之間如圖中箭頭指示方向?qū)崿F(xiàn)全雙工雙向通信，而中繼器與車站A之間的紅色鏈路，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常的情況下，互相不傳輸任何數(shù)據(jù)。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一條鏈路由于某種因素出現(xiàn)通信故障，如圖2所示虛線鏈路。

圖2 網(wǎng)絡(luò)中的某一條鏈路出現(xiàn)通信故障示意圖

車站A與中繼器之間的鏈路會(huì)快速（小于50 ms）切換為全雙工雙向通信，使車站B需要發(fā)給車站C的數(shù)據(jù)可通過車站A、中繼器繼續(xù)發(fā)給車站C，而當(dāng)圖2中所示的車站B與車站C之間的鏈路通信恢復(fù)，車站A與中繼器之間又重新回到邏輯阻塞狀態(tài)，如圖1中所示紅色虛線鏈路，來滿足車站間通信保持最短路徑，高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性的要求。

雖然環(huán)型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)可提高實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性，但會(huì)因?yàn)閱吸c(diǎn)故障影響行車。

圖3 車站B交換機(jī)無法與

如圖3中，車站B交換機(jī)因重啟、死機(jī)、外界病毒影響等原因造成某一時(shí)間段內(nèi)無法與車站A與車站C之間傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致信號(hào)安全設(shè)備的數(shù)據(jù)無法于鄰站相通信，不但會(huì)影響車輛整點(diǎn)運(yùn)行，更是極大的安全隱患。

所以在設(shè)計(jì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)時(shí)，為了更突出高速鐵路安全數(shù)據(jù)平臺(tái)的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)使用兩套相同設(shè)備組建一個(gè)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，在高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)中，同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)完全獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)：環(huán)網(wǎng)A與環(huán)網(wǎng)B，兩個(gè)環(huán)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)獨(dú)立傳輸，如圖4。

圖4 兩個(gè)完全獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況

在高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)中，同時(shí)使用兩個(gè)完全獨(dú)立的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)：環(huán)網(wǎng)A與環(huán)網(wǎng)B，環(huán)網(wǎng)A與環(huán)網(wǎng)B分別連接兩套獨(dú)立的信號(hào)安全設(shè)備中傳輸相同的數(shù)據(jù)，即使當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多臺(tái)交換機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障，如圖5。在環(huán)網(wǎng)B兩個(gè)站的交換機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障，環(huán)網(wǎng)B網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，環(huán)網(wǎng)A依然可正常運(yùn)行，使車站間的信號(hào)安全設(shè)備依然可正常工作，保證車輛運(yùn)行。

圖5 環(huán)網(wǎng)B兩個(gè)站的交換機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)A依然正常運(yùn)行情況

目前由雙環(huán)型網(wǎng)絡(luò)組成的高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，通過多種冗余的方式，完全滿足高速鐵路信號(hào)安全設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性的要求。

2 中國高速鐵路中的成功實(shí)現(xiàn)

目前此套應(yīng)用方案已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)在武（漢）廣（州）高鐵、滬（上海）寧（南京）高鐵、滬（上海）杭（州）高鐵、廣（洲）珠（海）等已經(jīng)運(yùn)行的客運(yùn)專線和正在建設(shè)的京（北京）滬（上海）、哈（爾濱）大（連）等客運(yùn)專線上，并且客運(yùn)專線均運(yùn)行穩(wěn)定，未因任何由雙環(huán)型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)故障導(dǎo)致列車延誤事件發(fā)生，完全滿足中國高速鐵路快速發(fā)展而對(duì)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)提出的高要求。隨著中國高速鐵路的全面建設(shè)，高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)將會(huì)為列車控制系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備提供穩(wěn)定高效的傳輸通道。

圖6 車站的信號(hào)安全設(shè)備均同時(shí)連接到環(huán)網(wǎng)A與環(huán)網(wǎng)B

以目前已經(jīng)開通運(yùn)行的滬（上海）杭（州）客運(yùn)專線為例，如圖6，所有車站的信號(hào)安全設(shè)備均同時(shí)連接到環(huán)網(wǎng)A與環(huán)網(wǎng)B中，其中環(huán)網(wǎng)A的桐鄉(xiāng)中繼器與金山北中繼器中間為邏輯阻塞鏈路，B網(wǎng)中的嘉興南中繼器與松江南中繼器之間為邏輯阻塞鏈路，使正線車站見信號(hào)安全設(shè)備使用最短路徑通信，提高傳輸效率。

3 中國高速鐵路發(fā)展背后上海和旭

速度創(chuàng)造奇跡，運(yùn)營速度達(dá)到時(shí)速350 km，創(chuàng)造了世界高速鐵路之最，中國用4年跑出令世界驚嘆的"中國速度"，著實(shí)吃驚不小，我們同樣可以領(lǐng)先世界！歷史銘刻奮斗的艱辛，實(shí)踐閃耀發(fā)展的光芒。中國鐵路以世界前所未有的發(fā)展勢頭和卓爾不凡的成效，引領(lǐng)世界鐵路發(fā)展的潮流。這是中國鐵路建設(shè)者肩負(fù)國家和民族使命，自強(qiáng)不息、勵(lì)精圖治、勇創(chuàng)佳績所譜寫的壯麗篇章。在這些兢兢業(yè)業(yè)、執(zhí)著奉獻(xiàn)的建設(shè)者中間上海和旭承載著重要并艱辛的任務(wù)。

回首中國高速鐵路建設(shè)過程，從數(shù)量少、布局偏、標(biāo)準(zhǔn)雜、質(zhì)量差的鐵路爛攤子發(fā)展到"四縱四橫"為骨架的全國快速客運(yùn)網(wǎng)，以北京為中心到全國絕大部分省會(huì)城市的1 h至8 h交通圈；以上海、鄭州、武漢、廣州、西安、成都、沈陽等中心城市與周邊城市0.5 h～1 h的交通圈。

上海和旭抓住中國高速鐵路快速發(fā)展的機(jī)遇，結(jié)合多年自身的技術(shù)積累，給予了中國高速鐵路核心技術(shù)發(fā)展最強(qiáng)有力的支撐，當(dāng)然過程中也有許多的曲折和困難。

2007年，經(jīng)過了國外技術(shù)引進(jìn)和幾年的消化吸收，中國高速鐵路在技術(shù)上已經(jīng)具備了一定的實(shí)施條件，但是由于以往沒有完整的、系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，在項(xiàng)目進(jìn)入具體實(shí)施階段出現(xiàn)了配套服務(wù)不完善的情況，由于系統(tǒng)集成商繁瑣并且沒有頭緒的工作嚴(yán)重影響了工程的實(shí)施進(jìn)度。上海和旭此時(shí)根據(jù)多年的系統(tǒng)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了問題的所在：這么大的系統(tǒng)集成沒有專業(yè)的基礎(chǔ)配套服務(wù)支持是不能夠順利完成的。幾經(jīng)周折上海和旭終于接觸到了負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成的指揮者，經(jīng)過多次溝通交流，上海和旭拿到了高速鐵路中最為核心技術(shù)的項(xiàng)目基礎(chǔ)服務(wù)和技術(shù)支持。

2008年，在上海和旭和高鐵建設(shè)系統(tǒng)集成單位的精誠合作下，國內(nèi)首條350 km/h的高速鐵路順利開通，在國內(nèi)首條高速鐵路順利并安全的運(yùn)營的基礎(chǔ)上，國內(nèi)各大高鐵系統(tǒng)集成單位也吸取了該項(xiàng)目成功的經(jīng)驗(yàn)，紛紛與上海和旭達(dá)成合作意向，上海和旭的旗幟遍布中國高速鐵路織成的鋼鐵長城。

截止2010年，上海和旭提供的專業(yè)基礎(chǔ)服務(wù)和技術(shù)支持覆蓋了中國高速鐵路90%的線路，累計(jì)超過5 000 km。預(yù)計(jì)2015年將達(dá)到12 000 km。