高速铁路信号系统中数据通信平台的研究与实现

贺京阳 上海和旭电子科技有限公司

当今中国高速铁路正在不断刷新着自己创造的速度记录，350 km/h、400 km/h、486 km/h，每一次刷新速度的记录，都对信号系统数据通信平台的实时性、安全性、可靠性提出了更高要求。

由于高速铁路站间距扩大、传输信息量增大、信号安全设备数量增多等特点，中国既有线的信号系统数据通信平台从设备性能到设计理念和长时间高负荷工作的稳定性上，均无法满足中国高速铁路对目前数据通信平台的需求和未来发展，而数据通信平台如工作状态不稳定，甚至会出现交通隐患。目前既有线的数据通信平台制约成为高速铁路发展的瓶颈，所以在高速铁路信号通信系统中必须采用高级别的数据通信平台来满足这些要求。

1 高速铁路信号系统数据通信平台分析

伴随着中国铁路正在向高速化、智能化、数字化方向发展，使用高可靠性、安全性的以太网数据通信平台来替换既有线的传统数据通信平台势在必行。而传统的以太网的网络结构在接合高速铁路数据通信平台的需求时，却存在冗余性差（树形、总线型）、无法实现布线（星型）、自愈时间过长（RSTP环型）的缺点。但传统网络结构的制约不会影响中国高速铁路发展的脚步，一种对安全性、可靠性、实时性有着高要求的各行业广泛应用的工业级以太网设备组成的环形网络（以下简称环形网络），在结合中国高速铁路的发展需求后，被引入了高速铁路信号系统数据通信平台中。其中工业级一台网设备还有如下优势：

（1）工业级以太网设备环境适应性（耐振动、耐冲击）、气候环境适应性（工作温度要求为－20～+85℃，并要耐腐蚀、防尘、防水）、电磁兼容性EMC符合EN 50081-2、EN 50082-2、EN 50082-3、EN 50082-4、FCC、GB/T17626、IEC61000 等标准。

（2）工业级以太网设备产品适应工业控制现场的恶劣环境、可通过IEC61000-4-5、GB/T17626.5 等标准进行浪涌测试，通过IEC61000-4-8、GB/T17626.8等标准进行工频磁场抗扰度测试，通过 IEC61000-4-9、GB/T17626.9 等标准进行脉冲磁场抗扰度测试，可按标准 IEC61000-4-11、GB/T17626.11 等进行电压变化抗扰度测试。

（3）工业级以太网设备使用宽电压设计，工作电压18 VDC～36 VDC，220 VA、220 VDC、110 VDC等，可直接使用信号安全设备电源。

（4）工业级以太网设备电源为冗余双电源设计，防止单电源错误导致网络节点瘫痪。

（5）工业级以太网设备安装方式为DIN导轨式或标准机架式，可直接安装在信号安全设备的机柜中，方便布线与管理。

（6）工业级以太网设备散热方式无风扇外壳散热，在长时间不间断工作的环境下，不会因为散热问题导致温度过高而出现故障。

（7）工业级以太网设备链路自愈恢复时间＜50 ms。符合安全数据网要求的网络自愈时间。

于是决定使用工业级以太网设备组建环形网络应用在高速铁路信号通信平台中。

图1 环形网络结构图

环形网络结构如图1所示车站A、车站B、车站C、中继器均为工业级网络交换机，三个车站与中继器之间通过传输速率为1000 Mb/s的专线光纤连接成一个环形网络环网A。由于交换机基于MAC地址表进行ARP寻址的工作特性，虽然环形网络在物理上组成环形，但如果简单的在物理上组成环形网络，会产生单播帧拷贝、MAC地址表不稳定，最终产生广播风暴导致全网瘫痪，所以必须在逻辑上阻塞一条链路（图1中虚线部分），使网络在逻辑上工作在总线型网络结构下，而网络中的其他黑色实线链路中的某一条一旦发生故障，那么阻塞链路会立即从阻塞状态切换为传输状态，使网络依然可以正常传输数据。

环形网络具体的工作方式如图1中剪头指示方向所示：车站A、车站B之间、车站B与车站A和车站C之间、车站C与车站B和中继器之间如图中箭头指示方向实现全双工双向通信，而中继器与车站A之间的红色链路，在网络运行正常的情况下，互相不传输任何数据。而当网络中的某一条链路由于某种因素出现通信故障，如图2所示虚线链路。

图2 网络中的某一条链路出现通信故障示意图

车站A与中继器之间的链路会快速（小于50 ms）切换为全双工双向通信，使车站B需要发给车站C的数据可通过车站A、中继器继续发给车站C，而当图2中所示的车站B与车站C之间的链路通信恢复，车站A与中继器之间又重新回到逻辑阻塞状态，如图1中所示红色虚线链路，来满足车站间通信保持最短路径，高速铁路信号系统数据通信平台对实时性、安全性、可靠性的要求。

虽然环型网络构建高速铁路信号系统数据通信平台可提高实时性、安全性、可靠性，但会因为单点故障影响行车。

图3 车站B交换机无法与

如图3中，车站B交换机因重启、死机、外界病毒影响等原因造成某一时间段内无法与车站A与车站C之间传输数据，导致信号安全设备的数据无法于邻站相通信，不但会影响车辆整点运行，更是极大的安全隐患。

所以在设计环形网络构建高速铁路信号系统数据通信平台时，为了更突出高速铁路安全数据平台的安全性、可靠性、实时性，设计使用两套相同设备组建一个高速铁路信号系统数据通信平台，在高速铁路信号系统数据通信平台中，同时运行两个完全独立的环形网络：环网A与环网B，两个环网中的数据独立传输，如图4。

图4 两个完全独立的环形网络运行情况

在高速铁路信号系统数据通信平台中，同时使用两个完全独立的环形网络：环网A与环网B，环网A与环网B分别连接两套独立的信号安全设备中传输相同的数据，即使当一个网络的多台交换机同时出现故障，如图5。在环网B两个站的交换机同时出现故障，环网B网络瘫痪时，环网A依然可正常运行，使车站间的信号安全设备依然可正常工作，保证车辆运行。

图5 环网B两个站的交换机同时出现故障时，环网A依然正常运行情况

目前由双环型网络组成的高速铁路信号系统数据通信平台，通过多种冗余的方式，完全满足高速铁路信号安全设备对数据通信平台可靠性、安全性、实时性的要求。

2 中国高速铁路中的成功实现

目前此套应用方案已经成功实现在武（汉）广（州）高铁、沪（上海）宁（南京）高铁、沪（上海）杭（州）高铁、广（洲）珠（海）等已经运行的客运专线和正在建设的京（北京）沪（上海）、哈（尔滨）大（连）等客运专线上，并且客运专线均运行稳定，未因任何由双环型网络构建的高速铁路信号系统数据通信平台故障导致列车延误事件发生，完全满足中国高速铁路快速发展而对数据通信平台提出的高要求。随着中国高速铁路的全面建设，高速铁路信号系统数据通信平台将会为列车控制系统信号设备提供稳定高效的传输通道。

图6 车站的信号安全设备均同时连接到环网A与环网B

以目前已经开通运行的沪（上海）杭（州）客运专线为例，如图6，所有车站的信号安全设备均同时连接到环网A与环网B中，其中环网A的桐乡中继器与金山北中继器中间为逻辑阻塞链路，B网中的嘉兴南中继器与松江南中继器之间为逻辑阻塞链路，使正线车站见信号安全设备使用最短路径通信，提高传输效率。

3 中国高速铁路发展背后上海和旭

速度创造奇迹，运营速度达到时速350 km，创造了世界高速铁路之最，中国用4年跑出令世界惊叹的"中国速度"，着实吃惊不小，我们同样可以领先世界！历史铭刻奋斗的艰辛，实践闪耀发展的光芒。中国铁路以世界前所未有的发展势头和卓尔不凡的成效，引领世界铁路发展的潮流。这是中国铁路建设者肩负国家和民族使命，自强不息、励精图治、勇创佳绩所谱写的壮丽篇章。在这些兢兢业业、执着奉献的建设者中间上海和旭承载着重要并艰辛的任务。

回首中国高速铁路建设过程，从数量少、布局偏、标准杂、质量差的铁路烂摊子发展到"四纵四横"为骨架的全国快速客运网，以北京为中心到全国绝大部分省会城市的1 h至8 h交通圈；以上海、郑州、武汉、广州、西安、成都、沈阳等中心城市与周边城市0.5 h～1 h的交通圈。

上海和旭抓住中国高速铁路快速发展的机遇，结合多年自身的技术积累，给予了中国高速铁路核心技术发展最强有力的支撑，当然过程中也有许多的曲折和困难。

2007年，经过了国外技术引进和几年的消化吸收，中国高速铁路在技术上已经具备了一定的实施条件，但是由于以往没有完整的、系统的项目实施经验，在项目进入具体实施阶段出现了配套服务不完善的情况，由于系统集成商繁琐并且没有头绪的工作严重影响了工程的实施进度。上海和旭此时根据多年的系统实施经验发现了问题的所在：这么大的系统集成没有专业的基础配套服务支持是不能够顺利完成的。几经周折上海和旭终于接触到了负责系统集成的指挥者，经过多次沟通交流，上海和旭拿到了高速铁路中最为核心技术的项目基础服务和技术支持。

2008年，在上海和旭和高铁建设系统集成单位的精诚合作下，国内首条350 km/h的高速铁路顺利开通，在国内首条高速铁路顺利并安全的运营的基础上，国内各大高铁系统集成单位也吸取了该项目成功的经验，纷纷与上海和旭达成合作意向，上海和旭的旗帜遍布中国高速铁路织成的钢铁长城。

截止2010年，上海和旭提供的专业基础服务和技术支持覆盖了中国高速铁路90%的线路，累计超过5 000 km。预计2015年将达到12 000 km。