基于无线通信系统铁路信号安全信息传输的应用研究

1.欧阳焯 2.秦 涛

1.中铁二院集团有限公司 2.中铁八局集团电务工程有限公司

基于无线通信系统铁路信号安全信息传输的应用研究

1.欧阳焯 2.秦 涛

1.中铁二院集团有限公司 2.中铁八局集团电务工程有限公司

中国铁路的发展对信号传输系统提出了更高要求。结合中国铁路通信信号发展的实际情况，建立中国铁路无线通信信号系统的安全评估和认证体系势在必行。论述了如何实现铁路信号传输系统的故障一安全，分析了开放通信系统的威胁和安全性设计原则。

铁路信号；通信系统；故障-安全信息传输

随着当代铁路的发展，铁路通信信号技术发生了重大变化，车站、区间和列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。鉴于此背景，对基于无线通信系统的铁路信号安全信息传输进行研究，并探讨其应用的可能性，有着重要的现实意义。

1 新型列车运行控制系统的特点分析

1.1 传输可靠性高

轨道电路中的信号传输是开环的，即发送者发送端只管发送，并不能确切知道认接收端者是否真正接收到可靠接收信息。另外由于轨道电路信号系统的传输媒质是铁轨钢轨，很容易受到外界的影响干扰，因此信号传输可靠性非常差，不能满足高速列车控制需求。而在CBTC系统中能做到双向通信，并且还可以使用多种保证技术(如各类冗余技术、反馈纠错技术等)来提高可靠性，从而使可以保证铁路信号的通过通信网络安全和实时有效的传输。

1.2 运输效率高

采用通信方式传送铁路信号能够实现移动自动闭塞。移动自动闭塞分区长度可变，而且闭塞分区随列车运行而移动。它是通过无线车载设备系统接收与前方列车或车站距离等信息来实现控车，无线车载设备系统接收信息具有较高的实时性和准确性，即使在列车运行速度很高的情况下，也能划分出较短的移动闭塞区段。因此，可以在保证运行安全的条件下，极大地提高列车运行效率。

1.3 传输信息量大

传统的轨道电路系统由于在钢轨上传输信号，因此速度慢、数据量小。随着列车运行速度和密度越来越高，要求列控的信息量也随之增多。而通信网络能提供大量的信息传输，因此能满足列车控制对信号传输的要求。除此之外，还能提供铁路信号的其他信息，如媒体信息，并且能提供车一地之间的双向通信。

2 铁路信号信息传输故障—安全设计

要建立基于通信系统的铁路信号安全信息传输系统，必然要大量使用计算机为核心的控制系统。而计算机在铁路信号应用的困难就在于电子元件不具有“非对称故障模式”，当元件故障时，其可以是短路、断路或者老化。对于包含大量集成电路的复杂系统来说，如果不能分析全部可能的故障及后果，便不可能检测它们并采取措施，从而不能使系统导向到限制状态。可以通过设计铁路信号安全信息传输的容错系统来实现故障—安全。即运用冗余技术满足铁路信号信息传输的安全性要求。

2.1 信号信息传输的故障——安全原则

铁路信号故障——安全原则可以用下述方法描述：当信号设备发生故障时，应以特殊的方式做出反应并导向安全。信号信息传输系统也必须满足故障——安全原则。一个故障——安全系统本身应能检查自身的错误，且当这种错误发生时，系统能使自己处于更加限制的状态，而不会导致任何更加危险状况的出现。考虑到计算机系统硬件故障的复杂性和软件故障的潜在性，解决计算机系统的故障——安全问题，要突破传统的故障——安全观点的局限，从新的相对安全的概念出发认识故障——安全问题。在承认危险侧故障存在的情况下，运用各种安全性和可靠性技术，降低系统发生故障的概率。

2.2 铁路信号信息传输故障——容错系统的建立

实现容错的方法有硬件冗余、软件冗余、时间冗余等。冗余可以在最低一级的元器件上，也可以放在功能部件甚至计算机核心部件一级。元器件的冗余设计可以保证系统的高可靠性，但大量元器件的复杂连线会提高系统的造价，因而通常只能有选择地进行元器件一级的冗余。硬件冗余包括静态冗余、动态冗余、混合冗余三种方式。

软件冗余是采用不同的方式将给定的程序规范执行。针对个版本给出相同的输入值，然后对个版本产生的结果进行比较。如果认为该结果有效，将该结果传到计算机输出。可以在分立的计算机上并行的运行这个版本的程序。同样，个版本的程序也可在同一计算机上运行，然后对其结果进行内部表决。可以根据应用要求针对个版本的程序使用不同的表决策略。如果系统具有安全状态，那么可以要求完全一致表决同意，否则系统导向故障—安全侧。

时间冗余通常用于检出和纠正暂时故障引起的错误。它包括在故障检出后立即进行指令的复执，以及程序段和整个程序的卷回。卷回操作要求某一程序从上面最后的检查点再次启动执行，在此检查点处保存着该检查点之前程序正确运行得到的全部信息。如果故障是暂时的，程序卷回到检查点定能成功地恢复。但是，若故障是永久性的，则故障检出机构将再次动作，并试用其它恢复方法。

综上所述，系统的安全性是由传输可靠性和故障安全性共同作用来决定的。传输系统故障分可测和不可测两种。但实际上，现场情况是极其复杂的，存在大量的不可测故障。运用故障安全技术，尽可能列出网络的各组成部分能设想的一切故障模式及干扰。对影响进行评价，并采取措施将故障及时检测出来，使系统维持安全状态，或促使系统向安全状态转移。因此实现通信网络相关软硬件的安全设计和实现冗余是最为基础和关键的因素。

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