利用计轴设备实现半自动闭塞电路光电转换的研究.pdf

科技论坛 利用计轴设备实现半自动闭塞电路光电转换的研究 韩 飞 1 董士伟 1 闻天阳 2 （1、 黑龙江瑞兴科技股份有限公司， 黑龙江 哈尔滨 1500302、 浙江大学， 浙江 杭州 310000） 1 项目背景 目前，哈尔滨铁路局管内有 2/3 的车站采用半自动闭塞制式， 占营业里程的 50%左右。 即使在今后一部分单线区段改造为双线区 段， 单线铁路也仍将占我局管辖的较大比重。单线区段站间普遍采 用半自动闭塞制式， 而半自动闭塞系统站间是通过架空明线 （或电 缆） 来传输安全控制信息， 虽然电路构成比较简单， 但是由于架空明 线大多是采用铁线， 存在着线路电阻大、 易受雷击、 断线、 混线等问 题， 影响闭塞系统的正常使用， 对行车安全影响很大， 严重干扰运输 秩序。 随着铁路新技术的跨越式发展， 合理运用新技术新设备， 淘汰 老旧设备运作方式开发研制新型设备已成为必然。 在数字通信传输 广泛应用的今天， 利用数字通信传输技术代替原始的架空明线传输 或电缆模拟信号传输， 将成为技术改造的必然趋势。 2 设计原则 利用光通道实现半自动闭塞控制信息的传输， 必须遵循以下原 则： 2.1 应满足半自动闭塞的技术条件的要求。 2.2 应保持半自动闭塞的办理方式不变。 2.3 应满足原铁道部 基于光通信的站间安全信息传输系统应 用技术条件 （暂行） 的要求。 2.4 应满足 铁路信号通信安全协议 -I （RSSP-I） 的要求。 3 系统总体方案 3.1 系统结构及工作原理。 3.1.1 系统结构 传输设备实现方案采取以下方式： 见图 1 所示， 系统主要由传 输设备、 通信接口设备及传输通道构成， 传输设备硬件采用已铁路 上成熟运用多年的 “JWJ-C2 型微机计轴设备” 中的运算器。传输设 备采用双机热备冗余结构， 系统的主机与备机并行输出， 共同驱动 输出继电器； 站间传输通道采用冗余的专用光纤通道或专用 2M 通 道， 提高系统的可用性； 单套传输设备采用双 CPU 硬件结构、 输出 驱动源采用动态脉冲， 并按 “二取二” 原则输出、 驱动执行单元采用 “安全与” 硬件电路等措施保证设备故障导向安全； 传输设备具备自 诊断与辅助维护功能， 可实时将驱动采集状态信息、 设备工作状态 信息及报警信息发送给监测设备，其监测内容符合运基信号2006 317 号中的相关要求。 图 1 系统结构框图 3.1.2 传输设备的工作原理 对于安全信息传输系统而言，整个系统工作过程可以简述为： 通过继电器接口或通信接口采集本地继电器条件， 通过站间通道传 输信息到对方站， 同时接收对方站信息， 并通过继电器接口或通信 接口输出接收到信息。也就是说由于光纤传输通道传送是光信号， 64D 半自动闭塞站间控制信息要实现数字化传输， 必须把其站间传 输模拟信号转化成数字信号才能实现光传输， 首先需要将 64D 半自 动闭塞的站间控制信息从模拟量转换为开关量， 由安全信息传输设 备采集开关量信息， 并把采集的开关量信息转化成数字信号， 同时 安全信息传输设备对此数字信号进行编码处理， 然后通过站间通道 传送到邻站， 经过邻站安全信息传输设备进行译码后驱动相应的继 电器动作。 3.2 系统硬件实现方案。 3.2.1 系统与半自动闭塞电路的结合 系统与半自动闭塞电路的结合见图 2 所示， 只涉及到线路继电 器电路。将半自动闭塞站间传输通道由架空明线 （或电缆） 改为 2M 通道 （或独立光纤通道） ， 利用传输设备， 在站间传递 64D 的正负电 条件， 从而保证 64D 半自动闭塞系统在采用数字通道时的继电逻辑 和时序关系保持不变。 图 2 系统实现示意图 3.2.2 系统与半自动闭塞电路结合实现方式。 系统与半自动闭塞电路结合实现方式如图 3 所示， 半自动闭塞 线路继电器电路中的正线继电器 ZXJ 和负线继电器 FXJ 仍保留， ZXJ 和 FXJ 励磁由安全信息传输设备驱动， 安全信息传输设备外部 输入接口条件的采集是由系统自身产生动态脉冲， 分别采集 ZDJ 和 FDJ 两组前接点条件， 通过相应继电器的接点 （采集双接点） 构成回 路， 当采集双接点状态一致时， 确定状态有效， 依此判断继电器动作 状态， 满足故障安全。 而且为了保证设备驱动及结果一致性， 增加驱 动回采功能。 图 3 系统与半自动闭塞电路结合实现方式示意图 3.3 传输设备通信软件采取的防御技术。 站间安全信息传输是基于站间光通信通道进行数据通信， 铁路 提供的站间光通道属于铁路专用网络范畴，根据 EN50159-1 中的 规定铁路提供站间光通道属于封闭式网络传输， 封闭式网络在 摘要： 随着铁路光缆网络的普及， 以及铁路信号安全信息传输技术标准的出台， 利用光通道通信技术代替原始的架空明线或电缆 模拟信号传输， 将成为技术改造的必然趋势。 关键词： 站间安全信息传输； 光纤通信； 安全防御技术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 作者简介： 韩飞， 黑龙江瑞兴科技股份有限公司， 工程师。 9 科技论坛 GB/T24339.1 中定义为： 连接的设备数量固定或最大数量固定， 有已 知且固定的特性的传输系统，对于此系统可以忽略非法访问的危 险。 站间安全信息传输需要远远高于用于一般目的的信息传输系统 所需要的差错防护机制。 为实现在铁路信号工作条件下的安全信息 传输安全性， 需要了解传输差错发生的条件和失效的形态。安全信 息传输要求在错误发生时， 传输系统必须按照 “故障安全” 原则转 移到预定的安全状态。 3.3.1 封闭式传输系统中通信可能发生的问题： 数据帧重复； 数据帧丢失； 数据帧插入； 数据帧次序混乱； 数据帧错误； 数据帧传输超时。 3.3.2 接收方设计的保护算法必须对接收到的信息作出以下检 查： 发送方的身份信息 （真实性） 信息帧的正确性 （完整性） 信息帧的时效性 （时限性） 信息帧序列的正确性 （次序性） 3.3.3 采用的安全防御技术： 采用时间戳技术 超时检查措施 源标识符 SID 识别技术 接收错误时反馈消息 32 位 CRC 循环冗余校验码和 32 位系统检测字双重校验措施 每种安全防御措施可防护的威胁见表 1： 表 1 威胁 / 防御矩阵 3.3.4 软件的主要算法 通信数据有 3 种数据帧格式，分别是实时安全数据帧 （RSD） 、 时序校正请求帧 （SSE） 和时序校正应答帧 （SSR） 。正常通信时， 收发 双方时间计数器同步， 发送方只发送 RSD。 通信出错时， 接收方发送 SSE 请求同步， 发送方启动 SSR 应答， 收发双方重新同步。 见图 4 所示， 实时安全数据帧 （RSD） 由帧头、 数据体和 16 位 CRC 循环冗余校验码组成。 图 4 实时安全数据帧结构图 （1） 见图 5 所示， 帧头由交互类别、 帧类型、 通信设备源地址和 目的地址构成。 图 5 帧头结构图 （2） 见图 6 所示， 数据体由本地时间计数器、 安全数据的长度、 通道 1 改进的 32 位 CRC 循环冗余校验码、通道 2 改进的 32 位 CRC 循环冗余校验码和应用数据构成。 图 6 数据体的构成 （3） 16 位 CRC 循环冗余校验码 （采用多项式 x16+x11+x4+1） 。 应用数据是通信传输过程中需要保证安全的数据， 必须经过严 格的计算和校验才能确认所传输数据的可靠性和安全性。 发送方首 先要进行发送方通道 1 的 32 位 CRC 循环冗余校验码 （采用多项式 x32+x28+x19+x18+x16+x14+x11+x10+x9+x7+x6+x+1） 计算、 发送方通道 2 的 32 位CRC循环冗余校验码（ 采用多项式 x32+x31+x27+x26+x23+x22+x21+x18+x16+x14+x13+x4+1） 计算、 发送方 16 位 CRC 循环冗余校验码 （采用多项式 x16+x11+x4+1） 计算、 发送方通道 1 系统 校 验 字 （0 xAE390B5A） 运 算 、 发 送 方 通 道 2 系 统 校 验 字 （0 xC103589C） 运算、 发送方通道 1 源标识符运算、 发送方通道 2 源 标 识 符 运 算 、 发 送 方 通 道 1 时 间 戳 （ 采 用 多 项 式 x32+x27+x26+x25+x24+x23+x22+x17+x13+x11+x10+x9+x8+x7+x2+x+1）增量计算和 发送方通道2时间戳（采用多项式 x32+x31+x30+x25+x24+x23+x22+x21+x19+x15+x10+x9+x8+x7+x6+x5+1）增量计算， 将计算结果打包至实时安全数据帧 （RSD） 后发送； 接收方收到数据 后，需要进行通道 1 的 32 位 CRC 循环冗余校验码（采用多项式 x32+x28+x19+x18+x16+x14+x11+x10+x9+x7+x6+x+1） 计算、 通道 2 的 32 位 CRC 循环冗余校验码（采用多项式 x32+x31+x27+x26+x23+x22+x21+x18+x16+x14+x13+x4+1） 计算、 16 位 CRC 循环冗 余校验码 （采用多项式 x16+x11+x4+1） 计算、 通道 1 同步校验值 （去除 了时间戳、 系统校验字和发送方源标识符， 只与节点标识有关） 计算 并等于接收方通道 1 同步校验初值、 通道 2 同步校验值计算并等于 接收方通道 2 同步校验初值， 并保持接收方与发送方时间计数器同 步。在满足以上全部条件时， 应用数据才能认为是安全的。 4 结论 该项目通过铁道部质检中心产品检验和系统功能测试， 满足运 基信号2010537 号 基于光通信的站间安全信息传输系统应用技 术条件 （暂行） 中的所有要求及规定， 允许上道运用。 传输设备在我们铁路信号系统站间信息传输方面的运用前景 很可观。 基于光通信技术取代传统以电缆及继电器联锁方式实现两 站间的闭塞站联信息的传输， 是信号技术发展