CBTC系統(tǒng)中現(xiàn)地工作站合設(shè)方案研究

王民安，程歡慶，張艷秋

（湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司 北京分公司，北京 100079）

0 引言

目前，基于通信的列車控制系統(tǒng)(communication based train control system，CBTC)已成為現(xiàn)代城市軌道交通非常重要的信號(hào)系統(tǒng)，其主要包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（computer interlocking, CI）、列車自動(dòng)防護(hù)或運(yùn)行（automatic train protection/automatic train operation, ATP/ATO）和列車自動(dòng)監(jiān)控（automatic train supervision,ATS）3個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)互相配合工作，保護(hù)列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行[1]。其中ATS系統(tǒng)承擔(dān)著聯(lián)鎖信號(hào)監(jiān)控、調(diào)度命令控制、列車識(shí)別和追蹤、自動(dòng)進(jìn)路觸發(fā)、運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整等功能[2]；CI系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和安全邏輯控制。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CI系統(tǒng)會(huì)提供一套獨(dú)立的上位機(jī)用于ATS故障或聯(lián)鎖控制下信號(hào)的監(jiān)視和操作；ATS系統(tǒng)也會(huì)提供一套豐富且友好的人機(jī)交互終端，其基本囊括了CI上位機(jī)的主要功能。CI系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)在顯示風(fēng)格、操作習(xí)慣以及安全等級(jí)要求上有很大的不同，但卻面對(duì)相同的使用者，特別是在對(duì)自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高的集中站，運(yùn)營(yíng)方提出了兩個(gè)終端合并的需求。為此，本文在分析了兩個(gè)終端特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了3種新的合設(shè)方案，并對(duì)3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)做了具體的分析，為后續(xù)現(xiàn)地一體化工程應(yīng)用提供了可行的方案。

1 聯(lián)鎖上位機(jī)和ATS值班工作站

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)架構(gòu)中，ATS系統(tǒng)和CI系統(tǒng)分別承擔(dān)不同的功能；子系統(tǒng)間除接口協(xié)議規(guī)定的功能外，鮮有其他信息和技術(shù)的共享，每個(gè)子系統(tǒng)分別衍生出匹配各自系統(tǒng)的獨(dú)立操作終端。CI系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制命令下達(dá)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視；ATS系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)命令輸入及下達(dá)和信息狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能[3]。

1.1 CI上位機(jī)

CI上位機(jī)又稱操表機(jī)、控顯機(jī)，其處于CI系統(tǒng)的上層, 可以監(jiān)視和控制某個(gè)聯(lián)鎖區(qū)站場(chǎng)設(shè)備及報(bào)警提示信息等，一般被部署于集中站信號(hào)設(shè)備室內(nèi)[4]。CI下位機(jī)處于聯(lián)鎖系統(tǒng)的下層, 可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖安全邏輯運(yùn)算等[5]，安全等級(jí)為SIL4。CI上位機(jī)僅具備站場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控功能，不具備列車標(biāo)識(shí)、追蹤和調(diào)整等能力，其作為CI下位機(jī)的輔助設(shè)備，安全等級(jí)一般不做要求。

傳統(tǒng)方案中，CI上位機(jī)僅與ATS車站服務(wù)器相互通信，實(shí)現(xiàn) ATS系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖命令的下達(dá)以及站場(chǎng)實(shí)時(shí)信息、命令執(zhí)行結(jié)果的反饋等功能。此時(shí)上位機(jī)是CI子系統(tǒng)與ATS子系統(tǒng)通信的唯一中介，且僅在聯(lián)鎖控制模式下才能接受用戶的命令輸入。ATS車站服務(wù)器與CI上位機(jī)接口示意如圖1所示[6]。

圖1 ATS車站服務(wù)器與CI上位機(jī)接口示意Fig.1 Interface between ATS and CI

1.2 ATS系統(tǒng)車站值班工作站

ATS車站值班工作站被部署在集中站值班室，其不僅要提供其管轄范圍內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備信號(hào)監(jiān)控和報(bào)警提示功能，還要具備ATS系統(tǒng)獨(dú)有的列車識(shí)別和追蹤、自動(dòng)進(jìn)路觸發(fā)、用戶管理、行車監(jiān)督等功能，安全等級(jí)為SIL2。用戶的輸入命令僅在ATS控制模式下才有效；聯(lián)鎖控制模式下，ATS值班工作站僅具備監(jiān)視權(quán)，卻無(wú)控制權(quán)。值班工作站與其他ATS終端（調(diào)度終端、監(jiān)視終端、維護(hù)終端）顯示風(fēng)格統(tǒng)一，僅操作命令權(quán)限不同。

傳統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，ATS車站值班工作站僅與ATS車站服務(wù)器連接通信，其接口示意如圖2所示。

圖2 ATS值班工作站與ATS服務(wù)器接口Fig.2 Interface between ATS local server and workstations

2 一體化合設(shè)需求分析

CI上位機(jī)和ATS值班工作站兩個(gè)子系統(tǒng)都具備人機(jī)交互功能的基本要求，但由于兩者功能定位有很大差異，且相對(duì)封閉的設(shè)計(jì)、演化決定了兩個(gè)子系統(tǒng)在人機(jī)界面上的顯示風(fēng)格、操作方式、功能分配和安全等級(jí)上有很大區(qū)別，因此有必要在方案設(shè)計(jì)前進(jìn)行差異分析。

2.1 主要功能差異

CI系統(tǒng)主要安全功能邏輯在下位機(jī)上實(shí)現(xiàn)，對(duì)聯(lián)鎖上位機(jī)要求并不高，只要能夠滿足基本的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和信號(hào)控制命令下達(dá)即可，所以在顯示方案和操作上簡(jiǎn)單直接。相反，友好的人機(jī)體驗(yàn)是ATS的一項(xiàng)重要功能，是用戶直接面對(duì)和長(zhǎng)時(shí)間使用的終端，人性化要求更高，安全級(jí)別也更高。此外，ATS還承擔(dān)許多上位機(jī)以外的功能，比如與DMS臨時(shí)限速操作/顯示、列車標(biāo)識(shí)和追蹤、用戶管理、列車運(yùn)行調(diào)整等功能。

2.2 界面顯示和操作方式分析

CI上位機(jī)遵循相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)相應(yīng)的設(shè)備圖元和操作[7]，ATS則無(wú)相應(yīng)要求。

（1）設(shè)備元素和狀態(tài)顯示。聯(lián)鎖常用設(shè)備包括信號(hào)機(jī)、區(qū)段、道岔、站臺(tái)、報(bào)警燈及按鈕等，設(shè)備類型少且較為固定，有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可依[8]。ATS除所有聯(lián)鎖設(shè)備元素外，還有車次窗、ATP臨時(shí)限速、供電臂的帶電狀態(tài)、列車詳細(xì)信息、精確位置及移動(dòng)授權(quán)等狀態(tài)信息。ATS顯示元素更為復(fù)雜和多樣，且無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依。

（2）設(shè)備操作方式。CI系統(tǒng)主要提供右鍵選擇操作、一次密碼確認(rèn)、按鈕操作等功能，有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可依[9]。ATS除滿足聯(lián)鎖操作方式外，還需支持一次協(xié)議確認(rèn)、二次協(xié)議確認(rèn)、菜單的激活/禁用、單/多屏、查看信息、懸浮、設(shè)備定位、車次窗放大/縮小、大量的報(bào)警等功能，且無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依。

ATS要為所有站場(chǎng)設(shè)備提供狀態(tài)顯示方案和操作方式，所以在進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵從相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和行業(yè)成規(guī)。

2.3 控制模式

CI上位機(jī)一些特有操作需要在獲得聯(lián)鎖控制模式下方可實(shí)現(xiàn)：

（1）控制模式與操作功能

聯(lián)鎖有些功能要求只能在聯(lián)鎖控制模式下才允許操作，例如引導(dǎo)總鎖。當(dāng)且僅當(dāng)切換到聯(lián)鎖控制模式下現(xiàn)地工作站才會(huì)激活此命令菜單；當(dāng)切換到ATS控制模式時(shí)，此命令菜單應(yīng)被禁用。

（2）控制模式轉(zhuǎn)換方式

傳統(tǒng)獲取聯(lián)鎖控制模式的方式有兩種，一是CI上位機(jī)向ATS申請(qǐng)控制權(quán)，ATS同意后可獲得聯(lián)鎖控制權(quán)；二是聯(lián)鎖無(wú)需向ATS申請(qǐng)，直接搶奪控制權(quán)。一體化合設(shè)后ATS現(xiàn)地工作站必須提供對(duì)應(yīng)模式轉(zhuǎn)換操作菜單，以便在不同控制模式下實(shí)現(xiàn)控制權(quán)的切換。

（3）控制模式轉(zhuǎn)換條件

當(dāng)控制模式轉(zhuǎn)換請(qǐng)求發(fā)生后，ATS需要對(duì)轉(zhuǎn)換條件是否滿足進(jìn)行判斷。當(dāng)不滿足轉(zhuǎn)換條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)提示控制權(quán)轉(zhuǎn)換失敗。比如聯(lián)鎖控制模式下提供的CI進(jìn)路自動(dòng)觸發(fā)與ATS控制模式下提供的ATS進(jìn)路自動(dòng)觸發(fā)互斥，同一時(shí)刻應(yīng)有且只有一種觸發(fā)策略。

一體化合設(shè)要求上位機(jī)功能必須統(tǒng)一到ATS操作終端上來(lái)，ATS必須遵循規(guī)范兼容現(xiàn)有聯(lián)鎖上位機(jī)的所有圖元顯示和操作方式，提供聯(lián)鎖控制模式下的所有功能，并保證不與ATS現(xiàn)有功能發(fā)生沖突。

3 一體化合設(shè)方案研究

聯(lián)鎖上位機(jī)和ATS值班工作站合設(shè)后統(tǒng)一稱之為現(xiàn)地工作站。根據(jù)上述一體化合設(shè)需求分析，本文提出了3種不同的合設(shè)方案。

3.1 合設(shè)方案一

在不改變現(xiàn)有架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)額外增加兩臺(tái)值班工作站機(jī)并在每個(gè)工作站機(jī)上增加一套上位機(jī)，來(lái)達(dá)到與值班工作站一體化合設(shè)的目的（圖3）。該方案具備以下特點(diǎn)：

圖3 現(xiàn)地控制工作站合設(shè)方案一Fig.3 The first architecture of terminal-integration

（1） 4個(gè)聯(lián)鎖上位機(jī)分別被獨(dú)立部署在4臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，每個(gè)上位機(jī)采用A/B網(wǎng)與ATS通信，同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)冗余和4路通道冗余，較傳統(tǒng)的雙機(jī)兩通道冗余設(shè)計(jì)，可靠性顯著增強(qiáng)。

（2） ATS現(xiàn)地控制工作站提供聯(lián)鎖控制和ATS控制模式轉(zhuǎn)換操作。在聯(lián)鎖控制模式下，除提供聯(lián)鎖上位機(jī)所有功能外，額外提供ATS列車標(biāo)識(shí)和跟蹤以及與其他無(wú)差別的顯示功能。在ATS控制模式下，ATS功能保持不變。合設(shè)的現(xiàn)地控制工作站實(shí)現(xiàn)了界面風(fēng)格和操作方式的統(tǒng)一。

（3）聯(lián)鎖上位機(jī)通常被隱藏于后臺(tái)，當(dāng)用戶想單獨(dú)進(jìn)行聯(lián)鎖功能調(diào)試或者ATS宕機(jī)時(shí)，可隨時(shí)打開(kāi)上位機(jī)操作界面，登錄后進(jìn)行相關(guān)操作。

（4）值班工作站采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，相比普通PC機(jī)，可靠性增加，但成本也相應(yīng)增加。另外，由于現(xiàn)地控制工作站被部署在值班室，因此噪音較大。

此方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不涉及聯(lián)鎖下位機(jī)的功能和網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)，不僅能基本滿足一體化合設(shè)的功能需求，而且還能提供額外的冗余并提高了系統(tǒng)的可靠性，因此可作為一種合設(shè)的基本方案。

3.2 合設(shè)方案二

通過(guò)減少方案一中工作站機(jī)上兩套聯(lián)鎖上位機(jī)軟件并采用網(wǎng)絡(luò)交叉互聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和通道冗余，從而達(dá)到聯(lián)鎖上位機(jī)與ATS值班工作站一體化合設(shè)的目的（圖4）。該方案具備以下特點(diǎn)：

圖4 現(xiàn)地控制工作站合設(shè)方案二Fig.4 The second architecture of terminal-integration

（1）一體化合設(shè)功能上與方案一沒(méi)有區(qū)別。

（2）現(xiàn)地工作站可采用普通的PC機(jī)代替，不僅減少了采購(gòu)成本，同時(shí)可降低值班室噪音。

（3）上位機(jī)軟件的部署位置可依據(jù)業(yè)主要求共享車站服務(wù)器或者獨(dú)立部署，而部署在車站服務(wù)器上則可節(jié)省一套設(shè)備的費(fèi)用。

方案二相比方案一減少了一套上位機(jī)，且不涉及聯(lián)鎖下位機(jī)的改動(dòng)，同時(shí)也能滿足一體化合設(shè)的接口冗余需求；但若獨(dú)立部署上位機(jī)，將增加額外成本，因此該方案可作為一種過(guò)渡部署方案。

3.3 合設(shè)方案三

ATS車站服務(wù)器和現(xiàn)地工作站直接與聯(lián)鎖下位機(jī)交互通信，并采用交叉互聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和通道冗余（圖5）。

圖5 現(xiàn)地控制工作站合設(shè)方案三Fig.5 The third architecture of terminal-integration

此方案減少了聯(lián)鎖上位機(jī)軟件環(huán)節(jié)，真正達(dá)到了一體化合設(shè)的目標(biāo)；但由于涉及聯(lián)鎖下位機(jī)的改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在一定的難度，同時(shí)對(duì)ATS軟件的可靠性以及4路通道的協(xié)作要求也相應(yīng)提高。此方案的應(yīng)用也應(yīng)同時(shí)考慮業(yè)主的接受程度。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)CBTC系統(tǒng)中聯(lián)鎖上位機(jī)和ATS值班工作站進(jìn)行一體化合設(shè)，本文所提方案不僅覆蓋現(xiàn)有操作和監(jiān)視功能，同時(shí)也由于為用戶提供了統(tǒng)一的終端界面風(fēng)格和操作方式，減少了用戶在兩套終端上由于系統(tǒng)差異帶來(lái)的不便或誤操作。

本文所提3種合設(shè)方案均能滿足現(xiàn)地工作站一體化合設(shè)的需求。目前方案一已被成功應(yīng)用在長(zhǎng)沙市軌道交通3號(hào)線和4號(hào)線上。其中4號(hào)線于2019年5月開(kāi)通，截至現(xiàn)在已安全運(yùn)營(yíng)20個(gè)月，3號(hào)線于2020年6月開(kāi)通，截至現(xiàn)在已安全運(yùn)營(yíng)7個(gè)月。實(shí)踐證明方案一可行且安全有效。方案二和方案三是在方案一的架構(gòu)基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)方案，目前這兩個(gè)方案尚未實(shí)際應(yīng)用，其可行性還需進(jìn)一步市場(chǎng)化驗(yàn)證。