现场总线及其安全技术在铁路通信系统中的应用

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摘 要：针对目前我国高速铁路快速发展的现状，分析了CAN总线和ProfiBus总线等现场总线及其安全技术在铁路通信系统中的应用情况，对提高我国铁路通信的安全性具有一定的现实指导意义。

关键词：现场总线 安全技术 铁路通信 应用

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0013-02

铁路系统需要各种工业技术的支持，几乎所有工业技术在铁路系统中都有所应用。目前随着我国高速铁路大规模建设，列车运行速度不断提高，必然对信息的安全、可靠传输提出更严格的要求。因此，为了提高铁路通信系统的安全通信能力，对铁路安全数据传输的理论和技术进行研究，已经成为世界各国铁路关注和加大投入力度的共同趋势，尤其是现场总线通信技术，已经成为保障铁路系统特别是高速铁路系统安全运行的基础。

1 现场总线及安全技术的相关标准

1.1 现场总线的定义

所谓现场总线就是指利用一根总线把各种仪器设备联接在一起，构成一个完整的控制网络。因此，现场总线属于系统技术，它综合了信息技术、电子技术以及计算机技术等各种现代工程技术。

1.2 目前主要的现场总线及安全技术标准

国际电工委员会制定的IEC61158标准是目前主要的现场总线及安全技术标准。IEC61158主要包括：IEC/TR61158-1总论与导则、IEC/TR61158-2物理层规范和服务定义、IEC/TR61158-3数据链路层服务定义、IEC/TR61158-4数据链据层协议规范、IEC/TR61158-5应用层服务定义、IEC/TR61158-6应用层协议规范[1]。其中，现场总线物理层采取的本质安全（简称本安）技术在IEC61158-2中做了详细的解释和规定。本安技术己经获得世界大部分国家的认可，其国际标准化程度很高。利用本质安全技术，可以对现场总线进行带电调整和在线测量，允许系统运转时进行设备拆换[2]，能够防止电气设备与易燃易爆气体接触后可能发生的危险。为了保障安全服务，必须采取具体的安全措施。针对可能受到的威胁，系统必须具备鉴别功能、访问控制、数据完整性和数据保密性等相应的安全保障机制，即在系统模型的各个层次上，采取对应的安全服务和安全措施，以满足不同层次的安全需求。建立点-点通信是链路层的功能之一，为了保障通信安全，可采用链路加密措施实现。而流量的路由控制由网络层完成，可用IP加密传输信道技术实现网络节点间透明的安全加密信道。由传输层负责实现端到端进程通信，可采用安全套接字层SSL （Secure Sockets Layer）技术保障进程间的信息安全。利用各种中间件技术，应用层可以实现数据保密、身份鉴别、访问控制和数据完整性等安全服务，从而保障通信安全。

2 铁路系统中应用的现场总线及其安全技术

在铁路通信领域，目前应用最广泛的现场总线是CAN总线。随着铁路的发展，ProfiBus等总线逐渐在我国铁路中得以应用。下面针对CAN总线和ProfiBus总线在铁路系统中的应用及其用的安全技术进行讨论研究。

2.1 CAN总线

CAN（Controller Area Network）总线是串行通信总线，基于CS-MA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）机制，是目前国际上应用最广泛的现场总线系统[3]，且早在1993年就成为国际标准。其突出特征可概括如下[4]：

（1）CAN网络任意时刻任意节点都可任意向网络上其它节点传输数据，可实现点对点、一点对多点以及全局广播等方式收发数据；（2）CAN网络节点在报文标识符上分成不同的优先级，当网络出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出，最高优先级的节点可继续传输数据，不受任何影响；（3）CAN网络数据传输率可达1 Mb/s，直接通信距离可达10 km；（4）CAN网络数据帧为短帧结构，抗干扰强，数据传输每帧信息都采用CRC校验，检错效果好，数据出错率低。由于CAN总线具有上述优点，因此，已经广泛应用于我国的铁路系统中，比如基于CAN总线的铁路信号微机监控系统、基于CAN总线的铁路变电站远程监控系统以及基于CAN总线的铁路车站电气火灾监控系统等等。现代高速铁路需要大容量的数据传输，而CAN总线的数据传输速率最高仅能达到1 Mb/s，另外由于CAN总线本身并不具备故障-安全特性，因此，CAN总线不适合现代高速铁路通信要求。如果要在对于数据传输率和安全性要求不是特别高的铁路通信系统中采用CAN总线构建通信网络，必须进行以下的安全改进设计。

（1）采用冗余网络结构。

如果采用CAN构建一个要求具备故障-安全性能的通信网络，可以将网络结构设计成冗余结构。采用这样的冗余网络结构，当一个回路出现通信故障时，另一个回路的使用不会受到干扰和影响，通信数据传输的可靠性、稳定性和实时性从而得到有效的保障。

（2）报文传输安全设计。

为了保障安全传输报文数据，对于CAN总线构建的故障-安全通信网络，可以采用以下设计方案：

①报文按顺序编号：对每一个运算周期内的报文进行顺序编号，不同周期内的报文编号不同。假如本周期内收到的报文编号和上周期的不同，则证明网络正常；反之，如果在规定时间内接收不到报文或连续收到编号相同的报文，则证明网络出现问题，系统应转入故障-安全状态。②报文周期传输：发送方在固定周期内连续向接收方传输报文数据，接收方对接收到的报文反复进行对比、检查，发现问题自动抛弃。报文按周期传输可以有效地减少报文延误和丢失，从而保证通信网络报文数据传输的安全性和实时性。③报文冗余校验：目前通常采用CRC循环码对报文安全数据传输进行校验，CRC循环码具有检错率高、编码简单等优点。报文添加校验码后进行发送，接收方对收到的报文采用CRC进行校验，如果添加在报文中的校验码和新产生的校验码相同，则证明报文内容无误；如果不同，就应该对报相应的故障-安全处置。④报文冗余编码：把所有的报文数据的位信息都扩展到字节信息进行发送，采用码距最大的两个字节来表示“0”和“1”两个位信息。报文冗余编码的应用，极大地提高了报文数据传输的抗干扰性能。⑤报文正、反码发送：正、反码编码规则如下―― 当信息位有奇数个“1”时，冗余校验位重复信息位；当信息位有偶数个“1”时，冗余校验位是信息位的反码。在每一帧报文数据中都设置正、反码，收到报文数据后进行解码对比，如果发现正反码校验不相同，则认为报文有误，应转入故障-安全状态。

如果接收到的报文数据能够通过以上检验要求，则可认为基于CAN构建的通信系统符合故障-安全的需求。

2.2 ProfiBus总线

目前ProfiBus总线己经被纳入国际标准IEC61158和IEC61784中，在此基础上进行消化吸收，我国制定了行业标准JB/T10308.3-2001（测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线第3部分：Profibus规范）。在所有的现场总线中，ProfiBus总线是一种不依赖于设备生产商的、国际化的、开放的现场总线，而且在欧洲工业界得到了广泛应用，ProfiBus的基本特征简述如下[5]：

（1）ProfiBus总线由OSI标准模型中的物理层、数据链路层、应用层构成，采用主从通信方式，采用故障-安全模式通信接口；（2）ProfiBus总线以EN50170标准为基础，分为通用性自动化（FMS）、工厂自动化（DP）和过程控制自动化（PA）三个部分；其中FMS和DP采用RS485接口标准，PA采用IEC1158-2接口标准；（3）ProfiBus总线采用中继器连接不同的区段，每一区段最多可以连接32个设备；（4）ProfiBus数据传输率最高可以达到12 Mb/s，报文格式为244B。

由于链路层基于IEEE802标准的令牌控制方式，ProfiBus是目前现场总线中唯一通过权威安全机构认证的总线，因此，ProfiBus在铁路系统特别是高速铁路系统中得到了广泛的应用。目前ProfiBus总线在铁路通信领域中的应用具体体现在ProfiBus-DP模块上，而且据此我国制订了国家标准GB/Z20830-2007（基于PROFIBUS DP和PROFINET IO的功能安全通信行规―― PROFIsafe）。按照IEC61508标准，PROFIsafe是唯一达到SIL3级的安全系统―― 拥有安全技术解决方案V1.30，通过了BGIA、UL、TV等权威安全机构的认证，能够满足过程工业和制造业自动化故障-安全要求。PROFIsafe的主要特征表现为[6]：

（1）PROFIsafe采用同一根电缆可以实现两个信道通信―― 安全通信和标准通信，由于在单信道通信系统上可以实现故障-安全性，因此，不需要设置冗余电缆；（2）PROFIsafe采用了具有高安全性的专利SIL监视器，而且故障-安全措施和技术被用在F-Master、F-Slave等终端模块上，因此，故障-安全等级最高能够达到SIL3级。

通信系统中的故障包括硬件故障、软件故障以及由于电磁干扰所引起的传输信道上的随机失效等，PROFIsafe的安全功能能够及时发现可能进入正常传输系统的所有危险，使通信系统的故障概率降至最低。

总之，面对我国“十二五”高速铁路规划的宏伟蓝图，铁路人必将迎来大规模开工建设的伟大时刻。要保证现代高速铁路安全运行，利用现代工业技术，特别是先进的信息技术和计算机技术建立安全可靠的通信网络势在必行，现场总线及其安全技术必将在高速铁路建设工程中有着广阔的用武之地。

3 结语

目前，我国铁路通信系统的研究开发工作在如何保证通信信号系统的高安全性方面缺乏一个完善、规范的标准和评估体系，在铁路通信系统安全数据传输方面的研究工作力度很不足，对发达国家的先进铁路安全技术的引进、消化、吸收多集中在车载设备和自动防护系统方面，权威机构对于国产铁路通信系统进行的安全技术认证严重缺乏，远远满足不了当前高速铁路快速发展的需求。

因此，在研究相关的安全评估认证体系和国际安全标准的基础上，结合中国高速铁路发展的现状，建立中国自己的铁路通信信号系统的国家安全标准己经刻不容缓。基于现场总线在铁路系统中广泛应用的现状，进一步研究、讨论现场总线的安全通信技术及相关标准，对于采用现场总线构建高速铁路安全数据传输网络，实现故障-安全通信，保障当前和今后我国高速铁路交通安全具有重大的现实意义。

参考文献

[1] 李开成.现代铁路信号中的通信技术[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2] 狄利明.基金会现场总线的本质安全技术[J].化工自动化及仪表，2001，28（6）.

[3] 陈洁，李哲英.现场总线技术及其在铁路系统中的应用第一讲现场总线技术的基本概念与内容[J].铁道通信信号，1997（7）.

[4] 陈洁，李哲英.现场总线技术及其在铁路系统中的应用第二讲总线与系统简介[J].铁道通信信号，1999（8）.

[5] 杨景蓝.ProfiBus安全协议的研究[D].北京交通大学，2007.

[6] 孙向群.高铁通信系统CTCS列控安全数据传输研究[D].西南交通大学，2011.