CN113055092A - 一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备和方法，该方法包括：在各信号设备间处于正常通信期间，对消息传输的误码率进行实时监控，以获取可供运维人员在检查时使用的信号设备运行环境信息。本发明增设了误码率实时监控功能，提供了信号设备运行环境的信息，可供运维人员检查设备时使用。本发明无需对信号设备的系统软件进行修改，在硬件上仅将连接线改为塑料光纤，设备改造的成本低，实施和运维工作简单容易上手。由于光纤使用可见光传输，不受电磁干扰的影响，可降低传输过程的误码率，从而提高信号设备的可靠性。本发明可以提升信号设备的安全性，使其能够符合EN50159：2010对安全传输系统失效率的定量计算指标。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通领域，具体涉及一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备和方法。
背景技术
城市轨道交通从1969年首次进入中国，经过几十年的稳步发展，至今已经成为人们主要的出行选择，在中国城市化发展中扮演了重要的角色。信号设备作为城市轨道交通重要的组成部分，承担着保证列车运行安全的责任。然而，由于部分既有信号设备老旧，运行时间长，有些线路上的设备甚至已经达到了20多年的使用年限。这些设备经过多年的使用，逐渐暴露出各式各样的问题，很多信号产品也面临着更新换代的需求，且为了满足信号设备的平滑升级过渡要求，信号产品需要进行部分信号系统的修改，或者信号系统分阶段分步骤分布完成修改升级。
请参阅图1，图1为现有的两个信号设备的结构示意图，该图1具体示出了两个信号设备之间的连接关系。在信号设备升级换代的过程中，当新的信号系统集成既有信号设备，需兼容既有信号设备的对外接口时，一种既有的通过RS485口经由绝缘双绞线进行通信传输、且传输协议的安全层仅为简单的31位CRC(其英文全称为cyclic redundancy check，其中文释义为循环冗余校验码)防护的传输方式已经无法满足EN50159：2010中关于安全通信的定量要求。对此，常规的解决方案是修改传输协议、加强通信协议的防护力度，如增加双通道CRC防护等。但是，这类方案需要新增设备和既有信号设备均按照加强协议要求进行软件开发和更新，对既有设备影响太大，并可能带来既有设备的开发工期要求以及系统可靠性的不确定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备和方法，在传输设备上以及软件功能上对既有信号设备的安全性进行提升。在传输设备方面，修改信号设备之间消息的传输介质，降低传输过程受到电磁干扰的影响；在软件功能方面，增加传输误码率的实时监控，一旦发现传输环境中存在不可接受的干扰时，向现场运行和维护人员发送误码率超限的报警，以提醒相关人员介入改善。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种提高既有信号设备通信传输安全性的方法，该方法包括：
在各信号设备间处于正常通信期间，对消息传输的误码率进行实时监控，以获取可供运维人员在检查时使用的信号设备运行环境信息。
可选地，所述实时监控具体包括：
S1、判断是否接收到新消息，若是，进行步骤S2，若否，重复步骤S1；
S2、解析消息包并计算该消息包的误码率；
S3、判断所述消息包的误码率是否超过预设误码率阈值，若是，发送误码率超限的报警，若否，重复步骤S1。
可选地，所述步骤S2具体包括：
S201、解析所述消息包，获取该消息包中的应用数据Data_rec、CRC码CRC_rec和消息长度Length_rec；
S202、根据应用数据Data_rec和CRC码CRC_rec分别计算得到应用数据计算值Data_cal和CRC码计算值CRC_cal；
S203、计算应用数据Data_rec和应用数据计算值Data_cal相差的个数Dir_data以及CRC CRC_rec和CRC计算值CRC_cal相差的个数Dir_crc，比较后选取二者中的较小值作为该消息包的误码数BE_new；
S204、分别根据误码数BE_new和该消息包中的消息长度Length_rec更新总误码数BE和接收消息总长度Length；
S205、判断接收消息总长度Length是否超过预设长度阈值，若是，接收消息总长度Length减去储存的历史消息中最旧的消息包长度Length_bottom，总误码数BE减去历史消息中最旧的消息包误码数BE_bottom，然后再计算消息传输的误码率BER，具体通过如下公式进行计算：BER＝(BE-BE_bottom)/(Length-Length_bottom)，若否，直接计算消息传输的误码率BER，具体通过如下公式进行计算：BER＝BE/Length；
S206、判断该误码率BER是否大于预设误码率阈值，若是，发送误码率超限的报警，若否，重复步骤S201。
可选地，各信号设备间通过光纤通信。
另一方面，本发明还公开了一种维护终端，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
再一方面，本发明还公开了一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备，该设备包括：
第一EMC模块，其安装在一既有信号设备的机柜上；
第二EMC模块，其安装在另一既有信号设备的机柜上；
光纤，其两端分别与所述第一EMC模块和所述第二EMC模块连接。
可选地，所述第一EMC模块为串口转光纤模块，和/或，所述第二EMC模块为光纤转串口模块。
可选地，所述光纤为塑料光纤。
其他方面，本发明还公开了一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备，该设备包括如上述的维护终端。
可选地，该设备包括：
第一EMC模块，其安装在一既有信号设备的机柜上；
第二EMC模块，其安装在另一既有信号设备的机柜上；
光纤，其两端分别与所述第一EMC模块和所述第二EMC模块连接。
可选地，所述第一EMC模块为串口转光纤模块，和/或，所述第二EMC模块为光纤转串口模块。
可选地，所述光纤为塑料光纤。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：
本发明可以提升信号设备的安全性，使其能够符合EN50159：2010对安全传输系统失效率的定量计算指标。
本发明增设了误码率实时监控功能，提供了信号设备运行环境的信息，可供运维人员检查设备时使用。
本发明无需对信号设备的系统软件进行修改，在硬件上仅将连接线改为塑料光纤，设备改造的成本低，实施和运维工作简单容易上手。由于光纤使用可见光传输，不受电磁干扰的影响，可降低传输过程的误码率，从而提高信号设备的可靠性。
附图说明
图1为现有技术中两个信号设备的结构示意图；
图2为本发明一实施例中两个信号设备的结构示意图；
图3为本发明一实施例中实时监控的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图1～3和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、提高既有信号设备通信传输安全性的设备和方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、提高既有信号设备通信传输安全性的设备和方法、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、提高既有信号设备通信传输安全性的设备和方法、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。
本实施例提供的一种提高既有信号设备通信传输安全性的方法，该方法包括：在各信号设备间处于正常通信期间，对消息传输的误码率进行实时监控，以获取可供运维人员在检查时使用的信号设备运行环境信息。
本实施例中，所述实时监控的功能独立于信号系统(即轨道交通信号系统的简称)的正常通信功能，不影响通信功能的执行逻辑。
请参阅图3，图3为本实施例中实时监控的流程图，所述实时监控具体包括：
S1、维护终端判断是否接收到新消息，若是，进行步骤S2，若否，重复步骤S1；
S2、维护终端解析消息包并计算该消息包的误码率；
S3、维护终端判断所述消息包的误码率是否超过预设误码率阈值，若是，向所述维护终端发送误码率超限的报警，若否，重复步骤S1。
本实施例中，所述步骤S2具体包括：
S201、维护终端解析所述消息包，获取该消息包中的应用数据Data_rec、CRC码CRC_rec和消息长度Length_rec；
S202、维护终端根据应用数据Data_rec和CRC码CRC_rec，基于多项式除法分别计算得到应用数据计算值Data_cal和CRC码计算值CRC_cal；
S203、维护终端计算应用数据Data_rec和应用数据计算值Data_cal相差的个数Dir_data以及CRC码CRC_rec和CRC码计算值CRC_cal相差的个数Dir_crc，比较后选取Dir_data和Dir_crc二者中的较小值作为该消息包的误码数(Bit Error)BE_new；
其中，若Dir_data＝Dir_crc＝0时表示当前消息没有误码，否则，最小值取Dir_data时，表示误码存在于应用消息，最小值取Dir_crc时，表示误码存在于CRC码；
需要注意的是，本方法得到的误码数为估算值，以假设每包消息不会在应用数据和CRC中同时存在误码为前提。因为实际使用中传输误码在10e-4以下，应用数据和CRC中同时存在误码的概率极低，可忽略不计；
S204、维护终端分别根据误码数BE_new和该消息包中的消息长度Length_rec更新总误码数BE和接收消息总长度Length，即BE＝BE+BE_new，Length＝Length+Length_rec；
S205、维护终端判断接收消息总长度Length是否超过预设长度阈值1e8，若是，接收消息总长度Length减去储存的历史消息中最旧的消息包长度Length_bottom，总误码数BE减去历史消息中最旧的消息包误码数BE_bottom，然后再计算消息传输误码率BER，具体通过如下公式进行计算：BER＝(BE-BE_bottom)/(Length-Length_bottom)，若否，直接计算消息传输误码率BER，具体通过如下公式进行计算：BER＝BE/Length，同时储存相关变量BE、Length、BE_new和Length_rec；
S206、维护终端判断该误码率BER是否大于预设误码率阈值1e-4，若是，维护终端发送误码率超限的报警，若否，重复步骤S201。
其中，多项式除法所应用的多项式是预存的或根据预存的生成规则生成的。本实施例中，对于具体的多项式形式以及具体的多项式生成规则不作具体限定，只要能计算得到对应的应用数据计算值Data_cal和CRC码计算值CRC_cal即可。
本实施例中，各信号设备间通过光纤通信，所述光纤为塑料光纤。
需要强调的是，本实施例中的消息包是通过光纤这一媒介进行消息传输的，由于光纤使用可见光通信，不受雷电和电磁的干扰，弥补了双绞线传输抗电磁干扰能力不足的缺陷，可以降低消息传输过程中电磁干扰所产生的误码率，进而提升实时监控的准确率。
另外，现有信号设备之间基本上采用双绞线这一媒介进行消息传输，可以减少甚至消除两根RS485通信线之间产生的分布电容和通讯线圈周围产生的共模干扰，且，在信号设备升级换代的过程中，常规的解决方案是修改传输协议或加强通信协议的防护力度(城市轨道交通发展至今，一直都是在软件层面对信号系统进行更新换代，本领域技术人员难以获得在媒介或维护终端上进行改进以使既有信号设备平稳更新换代的动机)，因此既有信号设备需按照加强协议要求进行软件开发和更新，对既有设备影响太大。本实施例可以有效解决上述的问题，对消息传输误码率进行实时监控是在维护终端上增加的功能，将消息传输的媒介替换为光纤也仅仅需要增加对应的EMC模块(其英文全称为ElectroMagneticCompatibility，其中文释义为电磁兼容模块)，无需对信号设备进行大幅改动。
基于同一发明构思，本实施例还公开了一种维护终端，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现如上述的方法。
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备，该设备包括：
串口转光纤模块(即EMC模块)，其安装在一既有信号设备的机柜上；
光纤转串口模块(即EMC模块)，其安装在另一既有信号设备的机柜上；
光纤，其一端与所述串口转光纤模块的输出端连接，其另一端与所述光纤转串口模块的输入端连接。
请参阅图2所示，图2为本实施例中两个信号设备的结构示意图，该图2示出了本实施例中两个信号设备之间的连接关系。
本实施例中，将既有信号设备之间的通信连接线由原来的绝缘双绞线替换为光纤，并在既有信号设备的机柜上配置有与该光纤相匹配的串口转光纤模块和光纤转串口模块，数据通过串口转光纤模块和光纤从一既有信号设备传出，然后通过光纤转串口模块接入另一既有信号设备。由于光纤使用可见光通信，不受雷电和电磁的干扰，弥补了双绞线传输抗电磁干扰能力不足的缺陷，可以降低消息传输过程中电磁干扰所产生的误码率。在提供了信号设备安全性的同时，降低误码率也使设备的可靠性得到了提升。
本实施例中，所述光纤为塑料光纤。
在其他实施例中，一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备包括如上所述的维护终端、串口转光纤模块、光纤转串口模块和光纤；串口转光纤模块安装在一既有信号设备的机柜上；光纤转串口模块安装在另一既有信号设备的机柜上；光纤的一端与所述串口转光纤模块的输出端连接，其另一端与所述光纤转串口模块的输入端连接。其中，所述光纤为塑料光纤。
安全通信标准EN50159:2010中定义了传输系统受EMI(英文全称为Electromagnetic Interference，中文释义为电磁干扰)影响下的失效模型，绝缘双绞线满足该标准的最差情况下的通信误码率一般为1e-4，并且31位CRC可达到的错误不可检出率为4.66e-10，综合以上数据可得到该既有信号设备消息传输过程中最终EMI失效率为4.24e-8，此失效率无法达到标准EN50129：2018中对信号设备的失效率要求。
其中，计算过程如下表所示：
上表中，Bit和Fm的值为应用举例，可根据实际应用场景调整。
通过分析可得，造成上述最终EMI失效率不达标的关键指标有两个，分别是误码率和CRC错误不可检出率。其中，提升CRC错误不可检出率需要增加CRC的强度，如在消息包中采用双通道CRC等措施，需要对系统软件进行修改，设计变更内容多，成本高。因此，本实施例通过降低传输误码率，来提升既有信号设备的安全性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (12)
1.一种提高既有信号设备通信传输安全性的方法，其特征在于，该方法包括：
在各信号设备间处于正常通信期间，对消息传输的误码率进行实时监控，以获取可供运维人员在检查时使用的信号设备运行环境信息。
2.如权利要求1所述的提高既有信号设备通信传输安全性的方法，其特征在于，所述实时监控具体包括：
S1、判断是否接收到新消息，若是，进行步骤S2，若否，重复步骤S1；
S2、解析消息包并计算该消息包的误码率；
S3、判断所述消息包的误码率是否超过预设误码率阈值，若是，发送误码率超限的报警，若否，重复步骤S1。
3.如权利要求2所述的提高既有信号设备通信传输安全性的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S201、解析所述消息包，获取该消息包中的应用数据Data_rec、CRC码CRC_rec和消息长度Length_rec；
S202、根据应用数据Data_rec和CRC码CRC_rec分别计算得到应用数据计算值Data_cal和CRC码计算值CRC_cal；
S203、计算应用数据Data_rec和应用数据计算值Data_cal相差的个数Dir_data以及CRC码CRC_rec和CRC计算值CRC_cal相差的个数Dir_crc，比较后选取二者中的较小值作为该消息包的误码数BE_new；
S204、分别根据误码数BE_new和该消息包中的消息长度Length_rec更新总误码数BE和接收消息总长度Length；
S205、判断接收消息总长度Length是否超过预设长度阈值，若是，接收消息总长度Length减去储存的历史消息中最旧的消息包长度Length_bottom，总误码数BE减去历史消息中最旧的消息包误码数BE_bottom，然后再计算消息传输的误码率BER，具体通过如下公式进行计算：BER＝(BE-BE_bottom)/(Length-Length_bottom)，若否，直接计算消息传输的误码率BER，具体通过如下公式进行计算：BER＝BE/Length；
S206、判断该误码率BER是否大于预设误码率阈值，若是，发送误码率超限的报警，若否，重复步骤S201。
4.如权利要求1所述的提高既有信号设备通信传输安全性的方法，其特征在于，各信号设备间通过光纤通信。
5.一种维护终端，包括处理器和计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。
6.一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备，其特征在于，该设备包括：
第一EMC模块，其安装在一既有信号设备的机柜上；
第二EMC模块，其安装在另一既有信号设备的机柜上；
光纤，其两端分别与所述第一EMC模块和所述第二EMC模块连接。
7.如权利要求6所述的提高既有信号设备通信传输安全性的设备，其特征在于，所述第一EMC模块为串口转光纤模块，和/或，所述第二EMC模块为光纤转串口模块。
8.如权利要求6所述的提高既有信号设备通信传输安全性的设备，其特征在于，所述光纤为塑料光纤。
9.一种提高既有信号设备通信传输安全性的设备，其特征在于，该设备包括如权利要求5所述的维护终端。
10.如权利要求9所述的提高既有信号设备通信传输安全性的设备，其特征在于，该设备包括：
第一EMC模块，其安装在一既有信号设备的机柜上；
第二EMC模块，其安装在另一既有信号设备的机柜上；
光纤，其两端分别与所述第一EMC模块和所述第二EMC模块连接。
11.如权利要求10所述的提高既有信号设备通信传输安全性的设备，其特征在于，所述第一EMC模块为串口转光纤模块，和/或，所述第二EMC模块为光纤转串口模块。
12.如权利要求10所述的提高既有信号设备通信传输安全性的设备，其特征在于，所述光纤为塑料光纤。
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