城軌通信網(wǎng)的可靠性設計

賈賢業(yè)

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

通信系統(tǒng)在整個城軌系統(tǒng)中所起的作用相當于人體的神經(jīng)系統(tǒng)，其重要性和運行的可靠性不言而喻。本文將著重從系統(tǒng)及設備選型的角度來闡述和分析城軌通信系統(tǒng)的可靠性設計。

通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡層次可以分為系統(tǒng)和網(wǎng)絡、子系統(tǒng)、設備、電路板等層面?？煽啃缘谋ＷC可以從各個層面來體現(xiàn)。

1 系統(tǒng)和網(wǎng)絡層面

確保傳輸、專用通信和專用無線通信“三大系統(tǒng)”的可靠性；保持有互補作用的系統(tǒng)獨立性；輔助系統(tǒng)（ 其他子系統(tǒng)和集中網(wǎng)管系統(tǒng)）可幫助應對特殊情況，提高整個系統(tǒng)的可靠性。具體考慮內(nèi)容如下。

（1）根據(jù)系統(tǒng)的重要程度確定不同系統(tǒng)對“冗余”可靠性的要求，如表1所示。

（2）在地鐵系統(tǒng)中重點保證傳輸、專用通信和專用無線通信“三大系統(tǒng)”的安全可靠性?！皼]有單點故障”是對子系統(tǒng)“冗余”可靠性的最高要求。

通信子系統(tǒng)之間的相互補充，可彌補單個系統(tǒng)可靠性不足的問題，保證關鍵業(yè)務的可用性且保持有互補作用的系統(tǒng)獨立性，有利于這種互補功能的發(fā)揮。

公務通信系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)和專用無線通信系統(tǒng)的配合確保話音業(yè)務的提供，特別是行車電話的提供?；谙到y(tǒng)間的互補關系，可以基于各子系統(tǒng)的可靠性計算某個業(yè)務的可用性。

表1 主要子系統(tǒng)設計的冗余思路

地鐵各子系統(tǒng)的配合和集中網(wǎng)管，可以為地鐵環(huán)境提供高可靠性和安全性，全方位監(jiān)控地鐵環(huán)境，應對特殊情況的通信要求。通過視頻和音頻監(jiān)控， 可及時發(fā)現(xiàn)車站和車輛段的異常情況，及時處理可能影響通信系統(tǒng)的隱患。存在恐怖襲擊威脅時，CCTV和廣播系統(tǒng)有助于公安、消防等人員快速反應。戰(zhàn)爭情況下，地鐵作為臨時防空設施，可提供地鐵內(nèi)部的通信，以及利用廣播系統(tǒng)組織人員在其中活動。集中網(wǎng)管系統(tǒng)有利于及時發(fā)現(xiàn)故障并快速修復，保證業(yè)務的連續(xù)性或縮短MTTR時間，提高系統(tǒng)的可用性。

2 子系統(tǒng)層面

對于子系統(tǒng)可靠性的保證主要采取以下措施：關鍵子系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的選擇、系統(tǒng)的冗余機制及“故障弱化”機制的建立。

（1）關鍵子系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇

*傳輸網(wǎng)絡采用雙環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)，具備自愈功能。

*專用通信網(wǎng)絡采用點到點的拓撲結(jié)構(gòu)，可滿足設備的故障隔離要求。

（2）冗余機制

建立冗余機制后，當某個設備或設備的某個模塊發(fā)生故障時，可以采用備份的設備或模塊替代。因而備份設備/模塊與網(wǎng)絡的設備/模塊之間從可靠性的角度來看是并聯(lián)關系。只有當他們同時故障時才會導致系統(tǒng)的故障。例如：2個可用性為99.9%的設備備份時，總的可用性可達1-(1-99.9%)2=99.9999%，因此，可用性呈數(shù)量級提高。

模塊化設計保證了設備備份的可能性。目前備份采用的手段主要有熱備份和冷備份方式。采用熱備份時，主用設備和備用設備同時工作，并保證數(shù)據(jù)的同步，當主用設備/模塊故障時，切換到備用設備工作，切換時間短，并保證業(yè)務不中斷，但運營成本較高。采用冷備份時，備用設備平時不工作，當主用設備/模塊故障時，將備用設備/模塊連入系統(tǒng)，切換時間較長，業(yè)務可能短時中斷，但運營成本較低。備份設備和模塊可以支持熱插拔功能，保證替換時不影響系統(tǒng)其他部分的工作。設備的備品備件也可以作為一種冷備份。主要子系統(tǒng)冗余機制如表2所示。

表2 子系統(tǒng)的冗余機制

續(xù)表

(3)“故障弱化”機制

“故障弱化”可以使系統(tǒng)發(fā)生故障時使用“功能后退”運行方式，減少通信系統(tǒng)故障造成的影響。許多“故障弱化”機制也可以認為是一種冗余機制。故障弱化措施如表3所示。

當控制中心故障時，基于TETRA的專用無線通信系統(tǒng)可以在基站范圍內(nèi)工作，以及采用直通模式工作，行車調(diào)度電話可通過電纜回線連接。由此保證系統(tǒng)以“功能后退” 方式運行。此時，車站時鐘、廣播、電視監(jiān)視等系統(tǒng)仍能在車站范圍內(nèi)工作。

表3 故障弱化措施

3 設備層面

在設備選型過程中，應關注設備的如下情況：運營業(yè)績良好；對于有互通要求的設備，盡可能選擇同一廠家的產(chǎn)品；設備具有模塊化和標準化的特點；嚴格符合行業(yè)技術(shù)標準及規(guī)范；設備滿足冗余和降額設計要求；特殊設備利用軟件算法來提高可靠性；選擇具有高可靠性的軟件等。

下面只從技術(shù)角度討論可靠性的保證措施。

（1）良好的運營業(yè)績

選擇的產(chǎn)品要有良好的運營業(yè)績，保證24 h運行并具有地鐵方面的運營案例。

（2）模塊化和標準化設計

便于提高故障分離系數(shù)，降低單個模塊故障對系統(tǒng)總體可靠性的影響程度。便于擴大供應商的選擇范圍，降低對設備和供應商的依賴性。便于將故障限制在模塊內(nèi)部，并易于提供冗余備份模塊，當單個模塊故障時，利用備份模塊可保證系統(tǒng)的正常運行，基于模塊化結(jié)構(gòu)，也便于實現(xiàn)熱插拔，在不中斷業(yè)務的情況下完成系統(tǒng)故障的維修。

（3）冗余及降額設計

對于特別關鍵的系統(tǒng)采用冗余設計,如采用兩路電源供電，避免電源故障的影響。針對設備不同的位置，提出不同的環(huán)境要求，選擇設備時確保其滿足相關環(huán)境條件的要求，甚至高于環(huán)境條件的要求。

（4）利用軟件算法提高可靠性

在地鐵環(huán)境中工作的設備，容易受到外來的干擾，因此，在控制、測量和通信等軟件設計時采用各種軟件算法（如CRC校驗、中值、濾波和平滑），確保控制、測量和通信的準確性。同時軟件具有對外界突發(fā)性干擾等因素造成運行失常的探測、控制和處理能力。

（5）軟件自身的可靠性

由于軟件規(guī)模和復雜性不斷擴大以及其廣泛應用，軟件的可靠性問題也隨之日益突出，并受到人們的重視，目前軟件可靠性的研究仍是一個新興學科。

軟件可靠性表述的3個概念：軟件本身的缺陷，軟件運行中由于軟件缺陷產(chǎn)生的故障以及最終導致系統(tǒng)的失效。由于軟件不存在損耗性故障， 軟件故障是由于在運行過程中，缺陷被激發(fā)而產(chǎn)生的。軟件的缺陷被糾正之后， 將不再存在（ 除非引入新的缺陷）。因此，軟件故障率的分布不像硬件是一個“浴盆曲線”， 理想的軟件故障率分布將逐步遞減至穩(wěn)定狀態(tài)。實際情況下，由于軟件維護（糾正）過程中引入的新缺陷，軟件的實際故障率曲線存在退化問題，因此采用較新版本的成熟軟件有利于提高軟件的可靠性。

4 電路板層面

提高電路板設計水平有助于提高設備的環(huán)境適應能力，降低模塊的故障率。這些性能可以在設備層面反映出來。選擇設備供應商時，電路板工藝的觀察有助于電路板可靠性的判斷，較好的設計要求如下。

（1）盡量提高硬件集成度。減少元器件的數(shù)量可以提高可靠性。

（2）充分考慮電磁兼容性的要求。大小信號分開，模數(shù)分開，防止信號互相干擾等。

5 總結(jié)

從上面對各層面可靠性分析的結(jié)果，可提取出一些適用于城軌通信系統(tǒng)設計及設備選型的原則，并在工程設計及安裝過程使用，將大大提高城軌通信系統(tǒng)的可靠性。

[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社， 2006.