防灾安全监控系统数据承载网组网方案应用探讨.doc

解决方案防灾安全监控系统数据承载网 组网方案应用探讨作者：吴桦林， （中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘要：本文介绍了铁路防灾安全监控系统的各子系统组成、结构和应用，以武广客运专线为例分析了该系统各子系统数据流量以及对通信传输通道的需求。结合铁路通信网络的建设情况，提出了防灾安全监控系统的传输接口和网络结构建议，供今后铁路建设参考。关键词：防灾安全监控系统（safety monitoring system for railway disaster） 数据传输带宽（traffic bandwidth） 承载网络结构（network structure）概述目前高速铁路建设正如火如荼。为确保安全运行，铁路系统各专业采取了各类以预警、防灾、减灾为目的的措施，尤其近年来引入铁路的防灾安全监控系统（safety monitoring system for railway disaster），通过监视铁路风雨雪天气、异物侵限等环境因素，生成实时监测报警、预警信息，做为行车调度指挥列车安全运行、工务维护部门开展基础设施的巡检、抢险及维修养护工作的指导和参考，达到灾前预警、灾后控制损失的目的，并通过对灾害数据的积累和分析，进一步指导铁路安全运营的各项工作。已建成的京津城际、郑西、武广、成灌、福厦、海南东环等高速铁路已基本形成较为固定的铁路防灾安全监控系统建设模式。但笔者注意到，由于专业的限制，各线的防灾安全监控系统虽然着力在系统方案上做出了较深入的研究，但在数据传送方式及基础承载网络结构的选择上还存在较大差异，本文根据笔者工程经验，结合工程实际需求，提出数据传送方式及基础承载网络选择的建议。数据传送需求分析从近期各铁路线情况看，现阶段防灾安全监控系统主要包括风监测子系统、雨量监测子系统、雪深监测子系统以及异物侵限监控子系统的建设。防灾安全监控系统由风、雨、雪以及异物侵限现场监测设备、现场监控单元、监控数据处理设备、调度中心设备以及配套的传输及网络设备等组成。现场监测设备一般设置在现场监测点，现场监控单元设置在车站、GSM-R基站或电气化所亭内，监控数据处理设备则根据管辖范围、设备处理能力设置在综合维修段、工区或邻近车站内。1、风监测子系统风监测子系统的监测对象主要有风速、风向、气压、气温等信息，后台数据处理并形成报警信息的方式主要有实时告警和推演预警两种。风监测子系统的数据流向为：监测设备将采集到的现场数据发送到现场监控单元，现场监控单元对现场数据进行初步分析和处理，再经过承载网络，上传到监控数据处理设备。风监测子系统现场监测设备上传的数据包括风速、风向、气压、气温等信息，当采样间隔为每秒1次时，数据上传的速率要求小于1 kb/s。2、雨监测子系统雨监测子系统的监测对象主要是降雨量信息，一般采用24小时降雨量小时降雨量判定的告警方式。雨监测子系统的数据流向与风监测子系统相同。雨监测子系统现场监测设备上传的数据为降雨量信息，当采样间隔为每分钟1次时，速率要求小于1kb/s。3、雪监测子系统雪监测子系统的监测对象是积雪深度信息，采用积雪深度门限值告警的方式。雪监测子系统的数据流向与风监测子系统相同。雪监测子系统现场监测设备上传的数据为积雪深度信息，当采样间隔为每分钟1次时，速率要求小于1kb/s。4、异物侵限监控系统现场控制器接收并分析来自防护监测网的信号，根据监测网的检知结果，驱动GSM-R 基站监控单元的继电器，再通过继电电路控制车站列控系统落物表示继电器。现阶段的异物侵限监控系统主要传送通断状态，有部分设备状态数据和出现异物侵限时记录数据，基本可以忽略不计。5、现场监控单元到数据处理设备现场监控单元到数据处理设备主要传送的是业务数据和系统数据。业务数据主要是指风、雨、雪、落物监测传感器以及监控单元UPS采集到的环境监测数据；系统数据主要是指数据处理设备对辖区内现场监控单元的状态判断、轮询响应、数据协商等产生的通信数据。现场监控单元产生的数据构成复杂，且与该单元配置的监控模块情况密切相关，为简化分析，本文采用数据抽样对现场监控单元产生的数据进行定性分析。（1）以武广线为例，某现场监控单元业务数据的典型通信流量统计如图1所示：。 图1 某现场监控单元业务数据的典型通信流量统计图1中的通信数据流量为单个数据采集处理主机在“1风1雨”的监控模块配置时的历史数据，极限数据量在10kb/s以下，如果扩展到“1风1雨1落物2UPS”规模，在极端情况下（所有的设备都产生报警）则会产生25kb/s的持续数据传送。（2）系统数据以下图2为例：（观测点为数据处理设备）。 图 中数据量计量单位为：Byte 图2 监控现场采集数据流量图上图2数据是在27个现场监控单元、54台数据采集主机的情况下获得，数据处理设备的系统数据流量峰值约在258=200kb/s，每台采集主机的流量平均为5 kb/s，峰值估计为10 kb/s。综上所述，现场监控单元内单个数据采集处理主机的峰值流量需求为25 kb/s（业务数据）+10 kb/s（系统数据）=35 kb/s。三、主流数据通信技术介绍防灾安全监控系统需要通过各类传送手段，完成监测数据从现场监测设备到现场监控单元、现场监控单元到监控数据处理设备的传输，同时还要完成监控数据处理设备对调度所、综合维修段/工区监控终端的接入。本节对可能涉及到的一些通信传输技术做简要介绍。1、SDH和MSTPSDH全称为（Synchronous Digital Hierarchy，）即同步数字系列。，MSTP全称为（Multi-Service Transfer Platform，）为基于SDH的多业务传送平台。现阶段各铁路线通信系统的建设中，均采用MSTP做为基础通信平台，具有MSTP技术接入业务类型多样、网络覆盖范围广，尤其对IP数据类业务广泛支持的特点。2、xDSLxDSL是各类基于数字用户链路（Digital Subscriber Line）技术的统称，通常包括ADSL、RADSL、VDSL、SDSL、IDSL和HDSL等等。铁路系统中经常使用的HDSL技术在2对0.5mm线径的铜缆中传送数据一般能达到2Mb/s，传输距离3km左右。3、RS-232/422/485 RS-232最高传输速率为20kb/s，一般用于20米内的点对点数据通信。RS-422/485的最高传输速率均为10Mb/s，传输速率为100kb/s时能达到最大传输距离1200米，都支持点对多点的通信，通过降低传输速率、增加电缆线径和增加中继器等措施还可延长传输距离。RS-422与 RS-485区别在于RS-422链路需要4线，而RS-485则可以工作在2线（半双工）和4线两种环境下。同时RS-485允许1点对32点通信，多于RS-422的1点对10点。实际工程中，防灾监控系统的现场监测点到现场监控单元的距离经常出现超过1200米的情况，一般可采用增加中继器的方法，将传送距离增加到3000米甚至5000米。中继器的位置可根据选用产品的特性，部署在发端、中部和收端，但根据工程经验RS-485链路中的中继器一般不超过8个。四、防灾安全监控系统数据承载网组网方案根据防灾安全监控各子系统的数据流向，防灾安全监控数据的传送主要集中在现场监测设备到现场监控单元、现场监控单元到数据处理设备、各类监控终端到数据处理设备的数据链路上。各类监控终端到数据处理设备的数据链路通过铁路IP数据网完成，本文不做论述。1、现场监测设备到现场监控单元由前文介绍可知，现场监测设备到现场监控单元的数据流分为以风、雨、雪监测为代表的环境数据信息和异物侵限监控系统为代表的通断信息。风、雨、雪现场监测点到现场监控单元的数据一般为调制后的数字信号，带宽需求不超过10kb/s。从工程投资控制及已建、在建项目的情况看，现场监测点一般不会有通信专业设置的传输设备，而“以太网+光纤收发器”来延长传送距离的方式由于对现场供电要求增加，且光纤收发器是非网管设备，工作状态不可控，增加了故障点等原因不适应工程需要，通常采用电缆来完成数据的传送和对现场监测设备的馈电，由防灾安全监控系统敷设现场监测点到所属的GSM-R基站间的信号电缆。现场监测点到现场监控单元的数据在使用电缆做为传输介质的条件下，可以选择xDSL或RS-422/485技术来传送。两种技术在传送距离和带宽需求上均能满足防灾安全监控系统的要求，但xDSL技术需要增加专用的调制解调设备（MODEM），且xDSL技术载波频率相对较高，容易受到电气化铁路影响，所以在现场多采用RS-422/485接口完成数据的远程传送。通断信息的传送不需要经过调制，只要线路电平满足对继电器的驱动即可，主要的限制条件在线路上对电平的衰减上，接口类型在本文不做讨论。2、现场监控单元到数据处理设备（1）接口类型选择现场监控单元上传的数据适合于以太网传输，现场监控单元所在点都有通信系统提供的MSTP设备，所以现场监控单元采用以太网接口，经SDH （MSTP）网络接入到数据处理设备的方案。（2）组网方案现场监控单元到数据处理设备间数据流向逻辑上是点对点的，但由前面的分析可知由前面分析可知，现场监控单元单采集主机的流量需求为35kb/s，而工程应用中SDH最小传送颗粒为通常为2Mb/s（理论上SDH在信道化的E1接口中能提供最小64kb/s的业务通道，但需配置专用的低速率板卡或增加数字复用/解复用设备，增加投资的同时也引入了多余的故障点），即使在峰值情况下，点对点模式的通道利用率也是非常低的。MSTP平台在开启二层交换功能的情况下，能以总线方式共享通道带宽，即数个节点接入到总线中，共享1个2Mb/s通道的带宽。MSTP中以太网业务的点对点透传方式、二层交换方式的区别在于：点对点透传是单纯的将以太网业务封装到SDH的STM帧结构中，进行透明的传输，逻辑上可以理解为一根连接两端、长度无限的网线；而工作在二层交换方式的SDH网络，在数据封装前进行二层功能的处理，逻辑上可以理解为一台交换机。二层交换方式下，理论上可以有50个现场监控单元共享1个2Mb/s通道接入数据处理设备。但在铁路工程应用中，由于SDH系统一般是在站间成环，过多的节点组成的总线会带来大量的跨环业务调度和数据配置；同时，开启二层共享功能对SDH设备的要求较高，尤其在参与节点多、分布在不同保护环时，可能带来VLAN配置复杂、容易产生网络风暴等不利情况，影响网络安全和稳定。建议共享通道的节点不超过15个点，或控制在同一个SDH保护环内。3、结论建议的网络结构如下图3所示：。5图3 建议的防灾安全监控系统网络结构图（图3看不清楚的地方太多，已喊作者修改，好了再置换）7参考文献：1.1铁运2010【2