京通铁路通信冗余组网方案设计与应用

周立

（中铁通信信号勘测设计院有限公司通信信息所，北京 100036）

0 引言

铁路业务主要采用传统的MSTP传输、IP数据通信网等技术组建通信承载网络。其中传输系统承载着对时延敏感、与行车直接相关的安全性及可靠性要求高的关键和核心业务，组网的安全可靠直接影响着铁路核心业务的可靠性和稳定性。数据通信网系统承载着运输生产中对时延相对不敏感的远动、监测以及大流量数据业务，组网的冗余安全对于铁路业务的运营维护有着重要意义。目前许多铁路重要业务均是以单平面承载网络传输，存在单套设备故障影响业务的情况。为进一步保障铁路运输的安全可靠，需要对京通铁路重要业务及其通信组网进行梳理和优化设计［1］。

1 承载网现状及问题分析

1.1 承载网现状

1.1.1 传输系统

京通铁路既有老传输平面和基础网传输平面，均采用MSTP技术组建。既有基础网传输平面分为汇聚层+车站接入层，汇聚层在沿线通信站各设置1套MSTP STM-64传输设备，通过OTN提供的波道组建10 Gbit/s 4芯RMSP保护环；车站接入层传输系统在沿线各车站设置1套MSTP STM-16传输设备，组建2.5 Gbit/s 2芯RMSP保护环。京通铁路老传输平面也分为汇聚层+车站接入层，汇聚层在沿线通信站各设置1套MSTP STM-4传输设备，组建622 Mbit/s 1+1复用段保护（Multiplex Section Protection，MSP）保护链；车站接入层在沿线各车站设置1套MSTP STM-1传输设备，组建155 Mbit/s 2芯RMSP保护环。

1.1.2 数据通信网系统

京通铁路数据通信网分为3层架构，由区域网络核心节点、线路汇聚节点、车站接入节点组成，各节点分别设置2套A、B平面路由器设备，构建“口”字形环状保护网。A、B平面接入层节点分别通过GE口上联至汇聚层节点，A、B平面汇聚层节点分别通过N×GE或10GE口上联至核心层节点。采用MPLS VPN技术提供业务系统隔离和QoS保证。

各车站既有1套GPON OLT设备，通过GE口双上联至A、B平面路由器，站段、车间和各班组各设有GPON ONU设备，通过PON口上联至就近GPON OLT设备，为各处提供办公网等数据通道。

1.2 承载业务现状

目前铁路通信承载网提供的业务通道主要包括：

（1）行车组织相关的有线调度通信系统、GSM-R系统、TDCS/CTC系统等。

（2）铁路牵引供电远动、综合自动化、牵引变电所辅助监控、电力远动、供电6C、车辆5T等各类安全监控系统。

（3）其他铁路运输生产服务的语音、数据、图像等基本业务，以及铁路客货营销、经营开发、企业管理、安全管理相关的业务等。

1.3 问题分析

与行车相关的有线调度通信系统、GSM-R系统、TDCS/CTC调度集中系统均由既有传输系统承载，但每种业务均只通过其中1个平面的传输系统提供2.048 Mbit/s（简称2M）通道组建环网。存在单套平面传输设备故障情况下单节点业务丢失的风险。

铁路牵引供电远动、综合自动化、牵引变电所辅助监控、电力远动、车辆5T等远动、监测类业务均通过数据网系统提供以太网通道。但牵引变电所/开闭所、接触网开关远动控制站、电力配电所、电力箱变、车辆5T探测站等处均未设置数据网路由器设备，是利用单平面传输设备的专线透传与汇聚功能，将数据传输到车站路由器处实现数据业务的汇聚、接入。此种方式在单平面传输设备故障情况下，所承载的车辆、电牵、电力等业务即全部受阻，并且既有传输系统难以满足监测类业务高带宽的增长需求。

2 需求分析

2.1 业务安全需求分析

上述各类业务中有线调度通信、GSM-R移动通信、TDCS/CTC等行车相关系统，需要更低时延以及绝对可靠，考虑采用传输系统提供单独硬管道承载。牵引供电远动、牵引变电所辅助监控、电力远动、车辆5T等业务需要较低时延以及大容量带宽，考虑采用数据通信网系统承载。上述业务均直接涉及运行调度指挥、车辆性能、列车供电能力等，牵涉运输生产、行车控制、运用维护等铁路运营核心、关键业务的可靠性和稳定性，属于安全性、可靠性要求最高的业务，需要特别考虑业务通道组网的可靠安全［2］。

2.2 运维管理需求分析

京通铁路穿过崇山峻岭的燕山山脉，作为中国铁路北京局集团有限公司管内最长的山区线路，地质构造复杂，山多桥多隧道长，去往很多无人值守的通信机房路途遥远，交通不便。故障情况下维护人员难以及时赶到现场，维护检修难度大。一旦单平面的通信承载网络出现问题，极易导致承载业务质量受损，长时间影响铁路运营。

2.3 建设投资需求分析

通信承载网系统设备涉及业务众多，范围广泛，从各级机关、调度所、站段、车间、工区到各综合维修基地、电气化所亭、电力所亭、车辆探测站等均需配置设备，所需数量庞大。工程建设应充分利用既有设备设施，节约投资。

2.4 分析结论

通过上述分析可知：一方面，在高敏感时期，避免由于通信通道失效使得各业务系统中断、瘫痪导致影响行车，造成严重社会影响；另一方面，通信承载网系统设备涉及范围广泛，升级改造投资巨大。因此，1套安全冗余、先进可靠、易于维护、经济实用的通信组网设计方案十分重要。

3 设计原则

通过需求分析，得出以下设计原则：

（1）采用双平面传输网或数据通信网来承载重要业务，避免既有单平面失效风险。

（2）充分考虑系统的冗余性、可靠性和安全性，便于降低维护难度，满足运营安全和维护管理要求。

（3）充分利用既有条件，尽量利用既有的传输、数据网、GPON等系统设备设施资源，采用新设与既有系统互联互通的配套设备，以此控制新设数量，合理降低工程投资。

4 冗余组网设计方案

4.1 通信承载网

4.1.1 传输系统

将基础网传输平面作为车站接入层A平面，老传输平面作为车站接入层B平面，共同组建双平面冗余传输系统，共同承载关键业务以提升承载网的安全性［3］。

传输系统冗余组网示意见图1。

图1 传输系统冗余组网示意图

4.1.2 数据通信网系统

各车站既有1套GPON OLT设备，分别通过2个GE（O）接口接入本站A、B平面路由器设备。各站新设1∶16分光器1套，通过长途光缆的1芯将各站下行站GPON OLT的PON口接引至本站，结合既有GPON OLT的PON口即实现了各站GPON OLT PON口业务的设备级冗余。此方案相比各站均设2套GPON OLT减少了50%的设备设置，不仅极大节约了设备投资，也间接减少了长期运行的电量消耗，更通过分光器节约了宝贵的长途光缆资源，仅通过1芯即可实现单节点多个GPON业务的冗余组网，增加了数据通信网组网安全性［4］。

车辆5T探测站、牵引变电所/开闭所、供电车间、接触网工区、接触网开关远动控制站、电力配电所、电力箱变等处分别设置A、B平面GPON ONU设备，分别接入2套GPON OLT设备，其中1套为本站GPON OLT设备，另1套通过新设的分光器接入下行站的GPON OLT设备，实现业务“端到端”的全链路双平面冗余组网［5］。

数据通信网系统冗余组网示意见图2。

图2 数据通信网系统冗余组网示意图

4.2 有线调度通信系统

有线调度通信系统承担着列调、电调、货调等重要运输业务，直接影响调度员指挥行车。调度所调度交换机与各车站调度交换机之间传统组网方式为各节点调度交换机通过单套传输设备与上下行2个方向的调度交换机组建2M环网通信，如果该套传输设备故障，不影响其他节点通信，但该节点业务中断，影响调度指挥及行车运输安全［6］。

通过使用冗余组网方案，调度所调度交换机与各车站调度交换机之间仍组建2M环网进行通信，但各车站调度交换机上、下行分别接入本站A、B平面2套传输设备，通过不同传输设备分别传送至邻站调度交换机，以此实现有线调度业务承载在A、B两套传输平面。当1套传输设备故障情况下，只影响1个方向的通信，调度业务可通过另1套传输2M通道迂回至调度所调度交换机，调度业务不受影响。

有线调度通信系统冗余组网示意见图3。

图3 有线调度通信系统冗余组网示意图

4.3 GSM-R系统

GSM-R系统主要承载无线调度通信、车次号、调度命令、列尾信息传送、调车机车信号等重要业务。GSM-R系统基站控制器BSC设备与各节点基站BTS/BBU设备之间传统组网方式同有线调度通信系统类似，各车站及区间节点均通过单套传输设备提供的2M通道组建环网，如果该套传输设备故障，不影响其他节点通信，但该节点业务中断，影响无线调度指挥及运营安全。

尤其京通铁路区间基站设备很多位于交通不便的山区，故障情况下维护人员难以及时赶到现场抢修。设计方案考虑区间基站节点在通常设置1套传输设备的情况下，额外增设1套传输设备，形成车站、区间全接入层的双平面配置，为GSM-R系统提供车站、区间全线路冗余传输通道。在沿线各区间基站机房分别设置2套MSTP STM-4传输设备，利用既有异径路2条光缆的各2芯开通622 Mbit/s 2芯RMSP保护环。

京通铁路基站控制器BSC与各节点基站BTS/BBU之间组建2M环网进行通信。各基站设备上、下行分别接入本节点A、B平面传输设备，通过不同平面传输设备传送至BSC，以此实现GSM-R业务承载在A、B两套传输平面。当1套传输设备故障情况下，只影响1个方向的通信，GSM-R业务可通过另1套传输2M通道迂回至BSC，GSM-R业务不受影响。

GSM-R系统冗余组网示意见图4。

图4 GSM-R系统冗余组网示意图

4.4 信号TDCS/CTC系统

信号TDCS/CTC系统实现铁路各级运输调度对列车运行实行透明指挥、实时调整、集中控制。TDCS/CTC系统传统组网方式同有线调度通信系统类似，调度所主机至各分机设备之间均通过传输设备提供的主备2M通道组建环网，虽然是主备通道，但均通过单套传输设备承载，如果该套传输设备故障，则该节点业务仍然中断。

设计TDCS/CTC系统通过传输系统提供组网通道，保障端到端时延小于200 ms，通信速率不低于2 Mbit/s。信号TDCS/CTC调度所中心与车站之间、车站与车站之间的广域网均采用双通道环形组网，并且双通道分别承载在互为冗余的A、B两套传输平面。环与环之间相对独立，仅通过调度所中心设备进行路由交换。因铁路局集团公司调度所既有TDCS/CTC中心设备不满足光口接入条件，因此各环内首尾站连接调度所时采用光电转换设备将以太网光通道转换为2M电通道，其余各站间均采用双光纤通道。

TDCS/CTC系统冗余组网示意见图5。

图5 信号TDCS/CTC系统冗余组网示意图

4.5 牵引供电远动及综合自动化系统、牵引变电所辅助监控系统

牵引供电远动及综合自动化系统可以实现电力调度员统一指挥牵引供电系统运行，集中管理沿线变电所、分区所、开闭所和网开关站的电力设备。牵引变电所辅助监控系统能够实现对变电所亭视频监控、环境信息监测、安全防范、火灾报警、动力照明控制、设备巡检等功能的高度集成和一体化监控。冗余可靠的通信信道决定了整个牵引供电及综合自动化系统以及辅助监控系统的安全稳定，从而实现中国国家铁路集团有限公司推动铁路电力牵引供电设施无人值守的目标，达到减员增效［7］。

牵引供电远动及综合自动化系统、牵引变电所辅助监控系统以往通过传输系统将数据传输到车站路由器后转接至数据网系统，各业务节点处的单套传输设备如果故障，则该节点业务中断。

设计考虑牵引供电远动系统、综合自动化系统、牵引变电所辅助监控系统通道改用主备数据通信网系统承载。牵引供电远动系统、综合自动化系统通信速率不低于2 Mbit/s，牵引变电所辅助监控系统通信速率不低于20 Mbit/s，业务划分独立的VLAN，保证数据安全。在各牵引变电所亭、各接触网开关远动控制站分别设置2套GPON ONU设备，分别接入就近车站和下行站的2套GPON OLT设备（通过下行站延伸过来的分光器接入下行站GPON OLT设备，后同），最终通过双平面路由器设备接入数据通信网，将各处远动、监测数据传送至北京铁路局集团公司牵引供电调度所及供电段等处［8］。

牵引供电远动及综合自动化系统、辅助监控系统冗余组网示意见图6。

图6 牵引供电远动、综合自动化、辅助监控系统冗余组网示意图

4.6 电力远动系统

铁路电力远动控制技术的应用，可以对铁路配电所、电力线路、电力电源等运行状态进行实时监测控制，及时发现问题并消除事故隐患，提高故障处理效率，保障铁路设施设备供电可靠性及稳定性。

设计考虑该业务对时延相对不敏感，通过数据通信网系统提供组网通道，通信速率不低于2 Mbit/s，为电力远动业务划分独立的VLAN，保证数据安全。各车站通信机房A、B平面路由器设备直接为车站箱变RTU处提供主备光通道，通过数据网传送至供电段远动控制主站。各配电所设置主备2套GPON ONU设备，分别接入就近车站和下行站的2套GPON OLT设备接入数据通信网，将远动数据传送至供电段［9］。

电力远动系统冗余组网示意见图7。

图7 电力远动系统冗余组网示意图

4.7 车辆5T系统

车辆5T系统承担着铁路车辆安全防范预警，对车轮、轴承、轴温、货车故障、货物超偏载、客车部件的技术与安全状态进行监测和故障信息预报。设置冗余的车辆系统数据通道，是保障车辆运行安全、解决运输畅通与安全相互制约的有效手段。

车辆5T系统以往通过单传输平面提供组网通道，存在单套设备故障导致单节点业务中断风险。设计考虑该业务对时延相对不敏感，通过数据通信网系统提供速率不低于2 Mbits/s的以太网通道，为车辆5T业务划分独立的VLAN，保证数据安全。在各5T探测站节点设置2套GPON ONU设备，通过各5T探测站车辆UPS供电。2套GPON ONU设备分别接入就近车站和下行站的2套GPON OLT设备接入数据通信网，将各监测站采集数据传送至车辆段、铁路局集团公司服务器等［10］。

车辆5T系统冗余组网示意见图8。

图8 车辆5T系统冗余组网示意图

5 结束语

由以上分析可知，在充分利用既有承载网设备的前提下，双套传输、数据网平面的冗余设置能极大地提高承载运输生产、行车控制等铁路运营核心、关键业务的可靠性和稳定性，避免单套设备故障情况下影响铁路运输。

现代智慧铁路系统高度依赖新一代信息通信技术赋能赋智，铁路通信承载网作为智慧铁路系统的关键基础设施，采用安全可靠的冗余组网方案，能更安全可靠地满足运输生产、行车控制、运用维护、经营管理等铁路全专业的需要，实现减员、提质、增效，推进铁路运营管理水平迅速提升。

随着铁路5G-R专网、数据中心和通信云等新型基础设施的建设，现有承载网逐渐难以满足各专业新技术发展要求，在新的需求驱动下，有必要深入研究通信承载网相关技术，为铁路下一代承载网以及各业务组网规划、建设和运行管理提供技术支撑。