程學(xué)慶，鄧一維，唐于，宋筱茜

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

?

基于GSM-R的列控通信系統(tǒng)安全防控

程學(xué)慶1,2，鄧一維1，唐于1，宋筱茜1

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

摘要:為適應(yīng)我國(guó)高速鐵路列車(chē)通信的要求，我國(guó)采用全球領(lǐng)先的GSM-R通信系統(tǒng)作為高速鐵路列車(chē)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。但由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和自身開(kāi)發(fā)平臺(tái)等的一些制約，GSM-R本身存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單分析GSM-R通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和工作原理，并針對(duì)GSM-R系統(tǒng)可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)從人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素4個(gè)方面應(yīng)用事故樹(shù)分析的方法得出安全風(fēng)險(xiǎn)的重要度并對(duì)每個(gè)重要度從高到低進(jìn)行排序，最后對(duì)相應(yīng)的危險(xiǎn)因素提出風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

關(guān)鍵詞：GSM-R；通信傳輸；風(fēng)險(xiǎn)分析；風(fēng)險(xiǎn)控制

為適應(yīng)高速鐵路列車(chē)最高速度350 km/h的要求，原鐵道部正式確定將GSM-R(Global System for Mobile Communication-Railway)系統(tǒng)(鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng))作為我國(guó)鐵路移動(dòng)通信的發(fā)展方向。正是隨著我國(guó)高速鐵路和客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的修建，使GSM-R系統(tǒng)作為鐵路專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)得到了更好的發(fā)展與應(yīng)用，它基于GSM，但兩者又有不同。GSM是ETSI(歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織)提出的數(shù)字蜂窩抵用通信標(biāo)準(zhǔn)，其業(yè)務(wù)主要有用戶(hù)終端業(yè)務(wù)、承載業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。而GSM-R系統(tǒng)在業(yè)務(wù)方面增加了廣播呼叫(VBS)、組呼(VGCS)、多優(yōu)先級(jí)強(qiáng)插與搶占(eMLPP)等這些專(zhuān)業(yè)性更強(qiáng)的業(yè)務(wù)來(lái)完成一整套調(diào)度語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)，讓GSM-R系統(tǒng)可以提供鐵路行車(chē)調(diào)度與列車(chē)控制數(shù)據(jù)傳輸、列車(chē)無(wú)線(xiàn)調(diào)度電話(huà)、區(qū)間及樞紐公務(wù)移動(dòng)通信、應(yīng)急搶險(xiǎn)通信和旅客服務(wù)信息傳送等服務(wù)功能[1-4]，符合高速車(chē)-地通信技術(shù)的需要。在歐洲，隨著高速鐵路在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家迅速修建，歐洲各國(guó)急需解決列車(chē)在高速運(yùn)行中的穩(wěn)定可靠的語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸。由于GSM-R成本相對(duì)較低，運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，并且專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)性更強(qiáng)等特點(diǎn)，GSM-R系統(tǒng)在歐洲得到了廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，2002年以來(lái)原鐵道部決定將GSM-R系統(tǒng)引入中國(guó)作為鐵路專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)，并在試點(diǎn)線(xiàn)路青藏線(xiàn)、大秦線(xiàn)和膠濟(jì)線(xiàn)取得成功?，F(xiàn)在GSM-R已經(jīng)在如京津城際等客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上發(fā)揮巨大作用。今后GSM-R系統(tǒng)將逐漸構(gòu)建相關(guān)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)接口，從而最終覆蓋整個(gè)中國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)。GSM-R雖然比傳統(tǒng)鐵路通信設(shè)施有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于GSM系統(tǒng)在安全設(shè)計(jì)上并不完善，在運(yùn)行中也隨之暴露了一些安全問(wèn)題，對(duì)高速鐵路行車(chē)安全也產(chǎn)生了一定的影響。

1GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及工作原理

1.1　GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包括移動(dòng)臺(tái)(MS)、基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)和操作與維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)4部分，如圖1所示。

圖1　GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of GSM-R system network

移動(dòng)臺(tái)(MS)包括了移動(dòng)端和終端設(shè)備，通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口Um接入到GSM-R系統(tǒng);基站子系統(tǒng)(BSS)主要包括基站控制器(BSC)、基站發(fā)收信機(jī)(BTS)和編碼速率適配單元(TRAU)組成；BTS與BSC之間由Abis接口實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)連接，并且移動(dòng)終端中的GSM-R車(chē)載電臺(tái)通過(guò)Um接口與BTS相連，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)-地之間的通信[5];網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)的主要作用是完成網(wǎng)絡(luò)的交換功能，管理用戶(hù)、移動(dòng)臺(tái)和固網(wǎng)(PSTN)的接口，它的組成部分包括了語(yǔ)音組呼與廣播寄存器(GCR)、訪(fǎng)問(wèn)位置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器(HLR)和移動(dòng)設(shè)備識(shí)別器(EIR)等[6]。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)建立在移動(dòng)交換中心(MSC)上，負(fù)責(zé)端到端的呼叫、用戶(hù)數(shù)據(jù)管理、移動(dòng)性管理和與固定網(wǎng)絡(luò)的連接。 NSS 通過(guò)A接口連接 BSS，與固定網(wǎng)絡(luò)的接口決定于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的類(lèi)型[7];操作和維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)是相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，其主要功能是移動(dòng)用戶(hù)管理、移動(dòng)設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)操作和控制。這些功能主要是通過(guò)操作維護(hù)中心來(lái)完成的，其中OMC-R負(fù)責(zé)管理基站子系統(tǒng)，OMC-S負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)[8];外部網(wǎng)絡(luò)主要包括公共交換電話(huà)網(wǎng)絡(luò)(PSTN)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)、分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)(PSDN)等。其主要功能是實(shí)現(xiàn)與外部固定網(wǎng)絡(luò)之間的鏈接與通信[9]。

1.2　GSM-R系統(tǒng)的工作原理

GSM-R系統(tǒng)主要包括了以下3個(gè)部分：車(chē)載設(shè)備、地面設(shè)備以及車(chē)地之間無(wú)線(xiàn)通信傳輸設(shè)備。其地面設(shè)備主要包括地面車(chē)載主控主機(jī)、通信接口、信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)接口等；車(chē)載設(shè)備主要有車(chē)載主機(jī)、GPS定位系統(tǒng)、列車(chē)運(yùn)行安全監(jiān)控記錄裝置通信接口和查詢(xún)器等[10-11]。如圖2所示，當(dāng)高速鐵路列車(chē)進(jìn)入GSM-R系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，地面設(shè)備將采集到的行車(chē)信息，包括行車(chē)許可、空閑閉塞分區(qū)數(shù)量、道岔限速、線(xiàn)路長(zhǎng)度和列車(chē)定位等，經(jīng)過(guò)安全編碼處理后，通過(guò)車(chē)地之間的無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備發(fā)送給列車(chē)，列車(chē)工作人員可通過(guò)列車(chē)上的車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備接收到的行車(chē)信息，利用車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備自動(dòng)生成防護(hù)曲線(xiàn)可判斷列車(chē)行駛是否正常，若列車(chē)行駛不正常，列車(chē)員可通過(guò)無(wú)線(xiàn)設(shè)備通知指揮列車(chē)安全運(yùn)行[12]。目前，GSM-R系統(tǒng)在高速鐵路列車(chē)上已得到了廣泛應(yīng)用，并在專(zhuān)業(yè)性上得到了認(rèn)可。但由于GSM系統(tǒng)存在的安全隱患GSM-R系統(tǒng)中同樣也存在，同時(shí)由于GSM-R的網(wǎng)絡(luò)特殊性，它可能還存在其他的安全隱患。這些安全隱患可能出現(xiàn)在通信接口，導(dǎo)致地面設(shè)備無(wú)法與車(chē)載設(shè)備同步，也可能是黑客侵入信號(hào)微機(jī)監(jiān)控接口，導(dǎo)致傳輸信號(hào)外泄，或者是車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備出現(xiàn)故障，導(dǎo)致地面工作人員無(wú)法知道列車(chē)運(yùn)行情況。這些隱患，都將可能導(dǎo)致高速鐵路列車(chē)運(yùn)行出現(xiàn)危險(xiǎn)。

圖2　GSM-R工作原理圖Fig.2 GSM-R working principle diagram

2GSM-R系統(tǒng)的安全影響因素分析

2.1　人為因素

在利用GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行通信傳輸運(yùn)作過(guò)程中會(huì)遇到許多人為因素造成的問(wèn)題，主要分為工作人員失誤和人為攻擊系統(tǒng)。工作人員錯(cuò)誤:1)未嚴(yán)格遵守安全準(zhǔn)則。在日常行車(chē)、維護(hù)過(guò)程中，由于圖方便省事，有些鐵路工作人員沒(méi)有嚴(yán)格遵守安全準(zhǔn)則，甚至違規(guī)操作，這樣做常常會(huì)存在安全隱患，久而久之，這些問(wèn)題積累而又沒(méi)有引起重視可能會(huì)導(dǎo)致安全事故。2)工作人員操作失誤。在日常行車(chē)、維護(hù)過(guò)程中，由于有些工作人員剛上崗位對(duì)工作流程、業(yè)務(wù)不熟悉或個(gè)人生理原因可能造成高速鐵路列車(chē)通信出現(xiàn)安全隱患，并對(duì)出現(xiàn)的這些安全隱患存在僥幸心理，沒(méi)有向上級(jí)匯報(bào)，直到發(fā)生安全事故，在緊急情況下驚慌失措，猶豫不決導(dǎo)致更大的列車(chē)安全事故。3)部分職工素質(zhì)不高。職工的素質(zhì)高低是作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平高低的關(guān)鍵和前提，高水平的職工素質(zhì)能夠引導(dǎo)其他職工標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，二者成因果關(guān)系。目前，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中沒(méi)有得到足夠的重視，不能在職工中很好地貫徹執(zhí)行，很多一線(xiàn)職工特別是年輕職工對(duì)業(yè)務(wù)知識(shí)只是停留在熟練的基礎(chǔ)上，認(rèn)為車(chē)站的工作大多是熟練工，無(wú)較深的理論知識(shí)，在設(shè)備維護(hù)上出現(xiàn)瓶頸，導(dǎo)致在通信上容易出現(xiàn)安全隱患。

人為攻擊系統(tǒng):1)利用無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行攻擊。由于與GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，在GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，移動(dòng)基站和固定網(wǎng)絡(luò)斷之間的所有通信都只能依靠無(wú)線(xiàn)接口來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。但無(wú)線(xiàn)接口是開(kāi)放的，任何擁有適當(dāng)無(wú)線(xiàn)設(shè)備的人員都可以通過(guò)此無(wú)線(xiàn)接口來(lái)竊聽(tīng)無(wú)線(xiàn)信道從而獲得其中的傳輸信息，所以GSM-R系統(tǒng)存在來(lái)自無(wú)線(xiàn)接口的網(wǎng)絡(luò)攻擊，其攻擊方式主要包括無(wú)線(xiàn)竊聽(tīng)、假冒身份和篡改數(shù)據(jù)，攻擊類(lèi)型主要分為非授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)、非授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)和威脅數(shù)據(jù)完整性，如表1所示。2)利用網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行攻擊。GSM-R系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)端的組成比較復(fù)雜，不僅包括各種功能單元，而且不同單元之間的通信媒質(zhì)也不盡相同。因此，由于網(wǎng)絡(luò)端結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，攻擊者可以利用無(wú)線(xiàn)竊聽(tīng)、假冒身份、篡改數(shù)據(jù)和服務(wù)抵賴(lài)等方式進(jìn)行攻擊。根據(jù)其攻擊類(lèi)型也可分為非授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)、非授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、威脅數(shù)據(jù)完整性和服務(wù)后抵賴(lài)，如表2所示[13]。3)利用移動(dòng)端進(jìn)行攻擊。用戶(hù)的手持式移動(dòng)設(shè)備如果丟失，有可能被黑客利用，從而獲取信息。

表1　無(wú)線(xiàn)接口攻擊方式

表2　網(wǎng)絡(luò)端攻擊方式

人員管理力度不足:1)激勵(lì)機(jī)制不到位。由于缺乏適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)和懲罰機(jī)制，當(dāng)前，車(chē)間對(duì)上級(jí)的檢查通報(bào)，雖然都能及時(shí)在廣大職工中傳達(dá)學(xué)習(xí)并提出整改措施，，防止同樣問(wèn)題重發(fā)發(fā)生，但缺少獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰措施，同樣的問(wèn)題容易重復(fù)發(fā)生。2)三級(jí)安全教育不足。對(duì)新入職員工進(jìn)行三級(jí)教育時(shí)，由于管理的疏忽和對(duì)三級(jí)安全教育的不重視，容易產(chǎn)生教育程序不明，教育級(jí)別不全，教育實(shí)踐不夠，教育內(nèi)容陳舊，教育形式單一，教育走過(guò)場(chǎng)等現(xiàn)象，讓職工對(duì)安全不夠重視，忽視安全的重要性，在遇到突發(fā)事故時(shí)難以及時(shí)處理造成安全隱患。3)防護(hù)制度不足。沒(méi)有建立嚴(yán)格的防護(hù)制度，辦公與維護(hù)若共用計(jì)算機(jī)網(wǎng)，易受到病毒和黑客攻擊。某些工作人員在維護(hù)用計(jì)算機(jī)上辦公或做一些與維護(hù)無(wú)關(guān)的工作也易受到攻擊。維護(hù)用計(jì)算機(jī)還應(yīng)取消使用常用外接接口，避免外部存儲(chǔ)介質(zhì)與計(jì)算機(jī)接觸[14]。4)防護(hù)技術(shù)不足。沒(méi)有專(zhuān)業(yè)技術(shù)工程師，提供技術(shù)支持。沒(méi)有在計(jì)算機(jī)維護(hù)終端上安裝殺毒軟件、定期升級(jí)操作系統(tǒng)的補(bǔ)丁軟件和在網(wǎng)絡(luò)上安裝防火墻使通信系統(tǒng)存在安全漏洞。對(duì)于不通過(guò)防火墻的網(wǎng)絡(luò)連接，沒(méi)有安裝如入侵檢測(cè)系統(tǒng)(IDS)等系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，預(yù)警黑客可能的攻擊，使通信系統(tǒng)存在潛在的安全隱患。

2.2　設(shè)備因素

通信設(shè)施是GSM-R系統(tǒng)通信傳輸中的基礎(chǔ)設(shè)備，其設(shè)備好壞將影響信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。高速鐵路的特點(diǎn)是路線(xiàn)長(zhǎng)，設(shè)備多且較分散，線(xiàn)路分歧點(diǎn)多。若通信設(shè)備質(zhì)量不過(guò)關(guān)，無(wú)法保證安全傳輸信息的要求[15]。1)線(xiàn)路自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)水平不高。GSM-R系統(tǒng)中基站與交換機(jī)、交換機(jī)之間為有線(xiàn)連接，部分地區(qū)基站與交換機(jī)、交換機(jī)之間過(guò)長(zhǎng)，如果在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中其中一點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，或線(xiàn)路有所破損?，F(xiàn)在的通信檢測(cè)技術(shù)難以在短時(shí)間內(nèi)找到出現(xiàn)問(wèn)題的具體位置。在確定具體位置的過(guò)程中，高速鐵路的通信隨即受到了影響，可能會(huì)給整個(gè)高速鐵路運(yùn)輸受到損失[16]。2)信號(hào)可靠性不高。高速鐵路通信是沿鐵路沿線(xiàn)建設(shè)，鐵路沿線(xiàn)不僅只有高速鐵路通信線(xiàn)路，在不同地區(qū)也會(huì)有不同信號(hào)源，而GSM-R通信與其他通信傳輸一樣屬開(kāi)放信號(hào)，這樣難免會(huì)出現(xiàn)信號(hào)相互交雜的混雜現(xiàn)象[17]。加之鐵路沿線(xiàn)設(shè)備多且分散難以管理，或遇惡劣天氣，這些因素的疊加可能影響整個(gè)沿線(xiàn)信號(hào)的可靠性[18]。3)對(duì)設(shè)備的日常防護(hù)不足。由于GSM-R通信系統(tǒng)地面設(shè)備多且分布在鐵路沿線(xiàn)，對(duì)于日常維護(hù)是一個(gè)難題，常常因?yàn)榫S護(hù)人員自身原因或突發(fā)狀況，產(chǎn)生維護(hù)不到位的情況，使高速鐵路通信出現(xiàn)問(wèn)題，帶來(lái)安全隱患[19]。

2.3　雷害因素

高速鐵路通信安全還應(yīng)注意防雷擊。我國(guó)由于地緣遼闊，氣候復(fù)雜，某些地區(qū)屬易發(fā)生雷害區(qū)域，GSM-R系統(tǒng)一旦受到雷擊影響可能會(huì)對(duì)鐵路通信產(chǎn)生重大影響。在溫州“7.23”中，雷擊致使溫州南站軌道電路4個(gè)發(fā)送盒損壞，造成軌道電路與列控中心信號(hào)傳輸?shù)腃AN總線(xiàn)阻抗下降，導(dǎo)致5829AG軌道電路發(fā)送器與列控中心通信故障，從而引發(fā)該事故。所以應(yīng)有效防止雷害對(duì)高速鐵路通信的影響。

2.4　應(yīng)急預(yù)案

若由于以上原因?qū)SM-R通信系統(tǒng)產(chǎn)通信產(chǎn)生了重大影響，從而可能對(duì)高速鐵路列車(chē)行車(chē)產(chǎn)生重大安全隱患的，應(yīng)有相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急方案，來(lái)有效控制、減少安全隱患。

3GSM-R安全風(fēng)險(xiǎn)分析及控制

3.1　GSM-R安全風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1.1事故樹(shù)分析

利用事故樹(shù)對(duì)GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。事故樹(shù)又稱(chēng)故障樹(shù)，是一種演繹的系統(tǒng)安全分析方法。它是從要分析的特定事故或故障開(kāi)始層層分析其發(fā)生原因，一直分析到不能再分解位置。將特定的事故和各層原因之間用邏輯門(mén)符號(hào)鏈接起來(lái)，得到形象、簡(jiǎn)介地表達(dá)其邏輯關(guān)系的邏輯樹(shù)圖形[20]。根據(jù)上節(jié)對(duì)GSM-R各安全因素的分析，便可繪制其頂上事件及其有關(guān)的所有之間原因和各種因素。其事故樹(shù)如圖3所示。

圖3　GSM-R系統(tǒng)安全事故樹(shù)Fig.3 Fault tree analysis of GSM-R system

3.1.2結(jié)構(gòu)重要度分析

依據(jù)GSM-R系統(tǒng)安全事故事故樹(shù)可以求出最小割集。該事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)式為：

T=(A1+A2+X1)X14

T=X14B1B2+X14A2+X1X14

=X14(C1+C2)(X2+X3+X4+X5)+X14X15(X6+X7)+X1X14

=X14(X8+X9+X10+X11+X12+X13)(X2+X3+X4+X5)+X6X14X15+X7X14X15+X1X14

=X2X8X14+X3X8X14+X4X8X14+X5X8X14+X2X9X14+X3X9X14+X4X9X14+X5X9X14

=X2X10X14+X3X10X14+X4X10X14+X5X10X14+X2X11X14+X3X11X14+X4X11X14+X5X11X14

=X2X12X14+X3X12X14+X4X12X14+X5X12X14+X2X13X14+X3X13X14+X4X13X14+X5X13X14

=X6X14X15+X7X14X15+X1X14

得出最小割集共計(jì)27個(gè)最小割集。然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析，由式(1)算得結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。

(1)

I(1)=I(15)=0.5

I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=1.5

I(6)=I(7)=0.33

I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=1

I(14)=7

結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)?/p>

I(14)>I(2)=I(3)=I(4)=I(5)>I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)>I(1)=I(15)>I(6)=I(7)

通過(guò)分析可知該事故樹(shù)有27個(gè)最小割集，其中任何一個(gè)發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致頂上事件的發(fā)生。通過(guò)分析可知出臺(tái)有效的危險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案是防止GSM-R系統(tǒng)安全事故的最重要的環(huán)節(jié)，其次是落實(shí)激勵(lì)機(jī)制，嚴(yán)格進(jìn)行三級(jí)安全教育，建立有效的防護(hù)制度并保障合理的防護(hù)技術(shù)。另外，應(yīng)嚴(yán)格遵守安全準(zhǔn)則，杜絕工作人員操作失誤，提高部分職工素質(zhì)等措施也是減少GSM-R通信事故的重要方法。

3.2　GSM-R系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)控制

3.2.1對(duì)人為因素的控制

1)對(duì)工作人員的控制。深化教育，注重安全意識(shí)的培養(yǎng)。通過(guò)各種形式，如崗前培訓(xùn)、崗中帶班、崗后總結(jié)、專(zhuān)題培訓(xùn)等來(lái)提高員工的安全責(zé)任意識(shí)，形成嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化、遵規(guī)守紀(jì)常態(tài)化的隊(duì)伍。2)對(duì)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊者的控制。GSM-R系統(tǒng)對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)身份進(jìn)行認(rèn)證，采用與其他開(kāi)放信號(hào)和固定網(wǎng)絡(luò)不通的算法，當(dāng)信令失敗時(shí)需要保證系統(tǒng)能夠自我恢復(fù)以減少網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn);GSM-R系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)身份、信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行加密是為了防止網(wǎng)絡(luò)攻擊者盜取合法用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源。

3.2.2對(duì)設(shè)備因素的控制

1)建立安全監(jiān)測(cè)機(jī)制。由于高速鐵路通信的特殊性，為更好地保障通信安全，應(yīng)建立全方位安全監(jiān)測(cè)機(jī)制。構(gòu)建鐵路通信安全監(jiān)測(cè)機(jī)制為了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)站點(diǎn)安全狀況，并及時(shí)提醒維護(hù)人員所存在安全隱患;2)合理選擇通信方式。無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞匠杀据^低，信息傳輸容量也較大，但抗干擾能力不足，而光纖傳輸具有抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，在特殊地區(qū)可使用光纖傳輸彌補(bǔ)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)牟蛔恪?/p>

3.2.3對(duì)雷害的控制

在高速鐵路全路段都應(yīng)裝備鐵路防雷系統(tǒng)。鐵路防雷系統(tǒng)是雷擊發(fā)生時(shí)，雷擊放電誘發(fā)雷擊電磁脈沖過(guò)電壓和過(guò)電流，經(jīng)站場(chǎng)電源系統(tǒng)、通信信號(hào)傳輸通道、接地系統(tǒng)及建筑物直擊的雷防護(hù)系統(tǒng)，要求必須在車(chē)站的供電系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機(jī)房接地系統(tǒng)等進(jìn)行可靠有效的防護(hù)，在攔截、分流、均衡、接地、布線(xiàn)、布局等方面作完整的，多層次的綜合防護(hù)。

3.2.4應(yīng)急預(yù)案

針對(duì)可能出現(xiàn)的不同的安全隱患，應(yīng)及時(shí)出臺(tái)不同的危險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，以減少當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)帶來(lái)的傷害。1)GPRS系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案:若SGSN、GGSN設(shè)備掉電或宕機(jī)，GPRS業(yè)務(wù)將全部中斷。此時(shí)，應(yīng)首先通知調(diào)度員，同時(shí)快速定位故障點(diǎn)，進(jìn)行故障排查，定位故障原因并處理，聯(lián)系廠(chǎng)家工程師進(jìn)行技術(shù)支持，恢復(fù)后進(jìn)行業(yè)務(wù)的恢復(fù)確認(rèn)。2)MSC系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)急預(yù)案:當(dāng)MSC宕機(jī)時(shí)，應(yīng)首先檢查供電情況，如無(wú)異狀再根據(jù)故障現(xiàn)象定位故障點(diǎn)，采用主備主控板切換、軟復(fù)位和再啟動(dòng)、更換板卡等方法排除故障，同時(shí)聯(lián)系廠(chǎng)家進(jìn)行技術(shù)支持;當(dāng)MSC與調(diào)度交換系統(tǒng)全部中繼阻斷時(shí)，應(yīng)通知列車(chē)調(diào)度員或車(chē)站值班員采用自動(dòng)電話(huà)、GSM-R手持終端等方式保持與司機(jī)的應(yīng)急聯(lián)絡(luò);當(dāng)MSC與BSC(TRAU)通信中斷時(shí)，應(yīng)先判別故障點(diǎn)，再采取相應(yīng)措施排除故障。3)無(wú)線(xiàn)子系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)急預(yù)案:當(dāng)BSC、編譯碼和TRAU故障時(shí)，應(yīng)對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行排查，定位故障點(diǎn)并處理;當(dāng)BTS或區(qū)間直放站故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)鎖閉故障基站，在天窗點(diǎn)內(nèi)要點(diǎn)處理。4)機(jī)車(chē)綜合無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備(CIR)應(yīng)急預(yù)案:當(dāng)CIR故障時(shí)，工作人員應(yīng)判斷終端語(yǔ)音、數(shù)據(jù)模塊工作情況，可通過(guò)司機(jī)GSM-R手持終端聯(lián)絡(luò)司機(jī)，指導(dǎo)復(fù)位CIR設(shè)備;當(dāng)CIR語(yǔ)音模塊故障不能通過(guò)復(fù)位恢復(fù)時(shí)，列車(chē)調(diào)度員和司機(jī)間可通過(guò)司機(jī)GSM-R手持終端進(jìn)行語(yǔ)音聯(lián)絡(luò);當(dāng)CIR數(shù)據(jù)模塊故障不能通過(guò)復(fù)位恢復(fù)時(shí)，應(yīng)及時(shí)在調(diào)度所的《行車(chē)設(shè)備檢查登記簿》內(nèi)登記停用，動(dòng)車(chē)組入庫(kù)后處理。

4結(jié)論

1)GSM-R通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)鐵路通信系統(tǒng)相比在可靠性和效率性上得到了相當(dāng)大的提升，極大滿(mǎn)足了高速鐵路列車(chē)的通信需求。

2)GSM-R通信系統(tǒng)是基于GSM系統(tǒng)平臺(tái)建立，由于GSM自身平臺(tái)和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不完善，可能造成高速鐵路安全隱患。

3)利用事故樹(shù)分析法從人為因素、設(shè)備因素、雷害因素和管理因素四個(gè)方面分析了容易產(chǎn)生安全隱患的行為，并計(jì)算出了各行為的危險(xiǎn)重要度。出臺(tái)及時(shí)有效的應(yīng)急預(yù)案是避免或減少危險(xiǎn)的重要舉措。鐵路通信部門(mén)應(yīng)對(duì)各個(gè)可能發(fā)生的安全隱患做好充分準(zhǔn)備，制定有針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案將危險(xiǎn)降至最小。

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(編輯蔣學(xué)東)

Safety analysis of communication system in train control system based on GSM-R

CHENG Xueqing1,2,DENG Yiwei1,TANG Yu1,SONG Xiaoqian1

(1.School of Transportation and Logistics, SouthwestJiaotong University, Chengdu 610031, China;

2.National United Engineering Laboratory of Integrated and Intelligent Transportation, SouthwestJiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:In order to meet the requirements of China's high-speed railway train communication,our country adopts the GSM-Ras the mobile communication system of high-speed railway.But GSM-R itself has some certain safety factors, because of some restricting network structure and its development platform.This paper briefly described the network composition and working principle of the GSM-R system.From the aspects of human factors, equipment factors, environmental factors, and management factors, the possible security risks were also analyzed.This paper used method of fault tree the security risk and importance of each important degree from high to low ranking.Finally to analyze the risk control measures for the corresponding risk factors were put forward.

Key words：GSM-R; communication transmission; risk analysis; risk control

通訊作者：程學(xué)慶(1978-)，男，江蘇連云港人，副教授，博士，從事交通運(yùn)輸安全理論及技術(shù)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)決策與優(yōu)化、智能交通理論與應(yīng)用技術(shù)研究；E-mail: cxq@swjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2014D001-B)；鄭州鐵路局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014Q1)

收稿日期：2015-04-12

中圖分類(lèi)號(hào)：U285.21+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)06-1289-07