城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)展方向探討

宿秀元

近年來，城市軌道交通的發(fā)展日新月異，CBTC 系統(tǒng)作為目前城市軌道交通的主流信號系統(tǒng)得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。隨著對CBTC 系統(tǒng)認(rèn)識的逐步深入，既有CBTC 系統(tǒng)本身存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外圍接口多、信息互通性低、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差的缺陷和不足也越來越明顯［1］。為此，本文將對城軌信號系統(tǒng)新的技術(shù)發(fā)展趨勢做詳細(xì)的探討，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于云技術(shù)的城軌列車運(yùn)行控制系統(tǒng)——云信號系統(tǒng)。

1 既有CBTC 系統(tǒng)

1.1 既有CBTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

既有CBTC 系統(tǒng)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)見圖1。地鐵調(diào)度中心設(shè)置中心ATS，用于調(diào)度、管理整條線路的列車運(yùn)營；每個設(shè)備集中區(qū)設(shè)置信號設(shè)備室，配置本集中區(qū)的聯(lián)鎖設(shè)備、ZC（區(qū)域控制中心）設(shè)備、ATS 分機(jī)設(shè)備，以及計軸設(shè)備、接口柜和組合架等，共同實(shí)現(xiàn)單一設(shè)備集中站的設(shè)備控制和運(yùn)營管理；車載設(shè)備通過車地?zé)o線通信方式與軌旁設(shè)備進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)列車安全運(yùn)行；軌旁設(shè)置信號機(jī)、道岔、應(yīng)答器、屏蔽門、緊急關(guān)閉等信號設(shè)備，通過繼電器接口、數(shù)據(jù)接口與室內(nèi)相關(guān)采驅(qū)設(shè)備相連，發(fā)送軌旁設(shè)備狀態(tài)，執(zhí)行來自設(shè)備室的控制命令。

1.2 既有CBTC 系統(tǒng)的局限性

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜和精細(xì)。既有CBTC 技術(shù)將車輛、軌旁、車站、控制中心等不同層級的多個子系統(tǒng)整合成一個統(tǒng)一的整體，各個子系統(tǒng)彼此之間的依賴非常嚴(yán)重，各種通信協(xié)議的數(shù)據(jù)接口也極為復(fù)雜［2］。

2）通信量大。如聯(lián)鎖、ZC 設(shè)備雖然都設(shè)置在信號設(shè)備室，但卻是各自獨(dú)立的系統(tǒng)，因聯(lián)鎖與ZC 之間的通信接口導(dǎo)致系統(tǒng)間通信延時加大，限制系統(tǒng)性能的提高。

圖1 既有CBTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3）外圍設(shè)備接口多樣，信息傳輸環(huán)節(jié)多。以聯(lián)鎖為例，聯(lián)鎖子系統(tǒng)外圍接口包括：①與道岔、區(qū)段、信號機(jī)、緊急關(guān)閉、站臺門、防淹門等軌旁設(shè)備通過繼電接口連接；②與ZC、相鄰聯(lián)鎖采用以太網(wǎng)接口進(jìn)行信息交互；③與車載ATP 通過無線網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行信息交互；④與LEU 采用RS-422串行接口進(jìn)行信息交互。

4） 信息孤立。為了系統(tǒng)的運(yùn)營安全，既有CBTC 系統(tǒng)將自身打造為一個不容易受外界干擾的封閉系統(tǒng)，信息孤島現(xiàn)象極為嚴(yán)重，大量的工業(yè)數(shù)據(jù)只能在自身系統(tǒng)內(nèi)使用，而無法與其他系統(tǒng)共享。同時，每個產(chǎn)品都有各自的監(jiān)測系統(tǒng)，多套監(jiān)測系統(tǒng)造成設(shè)備多而雜，占用空間資源。

5） 系統(tǒng)的擴(kuò)展能力有限。既有系統(tǒng)在線路確定后，自然就確定了系統(tǒng)的容量和性能；如果站型擴(kuò)大，既有設(shè)備的性能和容量很難滿足要求，系統(tǒng)也很難進(jìn)行性能的提升。

2 城軌交通列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

2.1 軌旁控制電子化

既有軌旁設(shè)備，例如信號機(jī)、道岔、區(qū)段、防淹門、車庫門、洗車機(jī)、SPKS 等，采用繼電接口，需要在信號室設(shè)置繼電器組合架、接口架等進(jìn)行柜內(nèi)及柜間的組合配線，現(xiàn)場配線量大、出錯概率高、實(shí)施難度大；安裝繼電器接口架等設(shè)備占用信號室大量面積，增加了工程的投資成本；同時，維護(hù)人員需要定期檢查繼電器工作狀態(tài)，分析出現(xiàn)問題的過程也很繁雜，對人員能力要求較高。

隨著全電子執(zhí)行單元的成熟，且越來越被用戶所接受，笨重繁雜的繼電接口電路逐漸被取代，不僅減少了大量的繼電器及組合柜，節(jié)約成本而且減少維護(hù)量。全電子執(zhí)行單元包括交/直流信號機(jī)模塊、交/直流道岔模塊、軌道電路模塊、道口控制模塊、通用輸入和輸出模塊等，每個全電子模塊具備專門的監(jiān)測信息，可發(fā)送給聯(lián)鎖監(jiān)測設(shè)備，向維護(hù)人員提供設(shè)備狀態(tài)信息及設(shè)備維護(hù)建議［3-5］。同時，在采用全電子執(zhí)行單元的前提下，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、調(diào)試工廠化、現(xiàn)場插接化的工程化要求。

2.2 地面控制一體化

地面控制一體化（聯(lián)鎖與ZC 合并設(shè)置）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它給整個系統(tǒng)帶來了以下變化。

1）系統(tǒng)延時優(yōu)化。聯(lián)鎖與ZC 一體化設(shè)置后，區(qū)段狀態(tài)、列車位置信息可在一個設(shè)備中同時接收處理，減少了聯(lián)鎖向ZC 發(fā)送區(qū)段占用狀態(tài)，ZC 向聯(lián)鎖發(fā)送列車位置信息所容忍的通信延時時間，雙方向延時至少縮短3s，可以明顯提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性。在其他設(shè)備性能不變更的前提下，僅延時減少就可以適應(yīng)列車最高速度達(dá)到200 km/h 以上的控制要求。

圖2 地面控制一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2）系統(tǒng)內(nèi)部接口減少，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單化，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。聯(lián)鎖、ZC 一體化設(shè)置后，車載設(shè)備對地面的無線通信接口減少50%，無重復(fù)信息，結(jié)構(gòu)更緊湊；ATS 與地面設(shè)備的接口融合，減少信息冗余，系統(tǒng)變?yōu)榈孛嬖O(shè)備、車載設(shè)備、中心設(shè)備，信息流更順暢，結(jié)構(gòu)更簡單，系統(tǒng)更穩(wěn)定。

3）降低建設(shè)、維護(hù)成本。聯(lián)鎖、ZC 一體化設(shè)置后，地面設(shè)備減少50%，監(jiān)測設(shè)備減少50%，維護(hù)人員的工作量減少、勞動強(qiáng)度降低；機(jī)柜數(shù)量減少，信號室占用面積減少，使信號系統(tǒng)的建設(shè)成本大幅度降低。

2.3 安全平臺通用化

信號系統(tǒng)的硬件平臺，尤其是安全系統(tǒng)平臺多是嵌入式的安全計算機(jī)系統(tǒng)，屬于信號專有的安全計算機(jī)平臺，每個子系統(tǒng)對平臺功能和性能的要求各具特色，從而形成安全平臺的多樣化（聯(lián)鎖、ZC、車載使用不同的安全硬件平臺）。這就造成了設(shè)備的差異性維護(hù)要求，增加了設(shè)備的維護(hù)難度，不利于統(tǒng)一、規(guī)范化的管理［6-7］。

隨著通用性計算機(jī)的發(fā)展，其設(shè)備穩(wěn)定性有了大幅度的提高。針對信號系統(tǒng)的要求，滿足工業(yè)化要求的計算機(jī)硬件設(shè)備，已經(jīng)在安全控制系統(tǒng)中有了成熟應(yīng)用（例如龐巴迪的RBC 系統(tǒng)、美國USS的聯(lián)鎖系統(tǒng)就是用服務(wù)器搭建的）。基于此，提出構(gòu)建基于通用性計算機(jī)的信號硬件平臺，使?jié)M足SIL4 級要求的信號系統(tǒng)運(yùn)行在通用性計算機(jī)上，方便后續(xù)設(shè)備維護(hù)工作的開展。通用性計算機(jī)的互換性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)。當(dāng)元器件停產(chǎn)情況發(fā)生時，可以快速找到替換產(chǎn)品，支撐產(chǎn)品能夠長期獲得維護(hù)和升級的硬件需求；同時方便滿足后續(xù)線路延長或設(shè)備增多對平臺性能提升的要求。

當(dāng)然，通用性計算機(jī)若要達(dá)到信號系統(tǒng)SIL4級要求，需要攻克以下技術(shù)難點(diǎn)：①所搭建的信號硬件平臺，需實(shí)現(xiàn)二乘二取二安全軟件架構(gòu)的開發(fā)［8］；②可實(shí)現(xiàn)安全實(shí)時操作系統(tǒng)的功能移植。

2.4 通信接口網(wǎng)絡(luò)化

1）與軌旁信號設(shè)備的接口，由原來的繼電接口變?yōu)槿娮訄?zhí)行單元的以太網(wǎng)接口。

2）與LEU 的通信，由RS-422 串行通信變?yōu)椴捎脴?biāo)準(zhǔn)RSSP-I 協(xié)議的以太網(wǎng)通信。

3）與計軸設(shè)備的接口，由原來的繼電接口變?yōu)椴捎脴?biāo)準(zhǔn)RSSP-I 協(xié)議的以太網(wǎng)接口。

4）各個子系統(tǒng)之間，子系統(tǒng)與監(jiān)測設(shè)備之間采用滿足安全協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求的以太網(wǎng)通信。

2.5 維護(hù)監(jiān)測集中化

1）既有監(jiān)測包括聯(lián)鎖監(jiān)測、ZC 監(jiān)測、車載監(jiān)測、ATS 監(jiān)測、信號集中監(jiān)測等，均納入統(tǒng)一的維護(hù)監(jiān)測平臺。

2）維護(hù)監(jiān)測平臺實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備性能監(jiān)測、信號設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督、維護(hù)診斷信息統(tǒng)計，并與大數(shù)據(jù)、智能診斷平臺具備接口功能。

軌旁控制電子化、地面控制一體化、安全平臺通用化、通信接口網(wǎng)絡(luò)化、維護(hù)監(jiān)測集中化等，城軌列控系統(tǒng)的這些發(fā)展趨勢，與云計算的技術(shù)特點(diǎn)有很高的切合度，用云技術(shù)實(shí)現(xiàn)城軌列控系統(tǒng)——云信號系統(tǒng)，成為未來城軌信號系統(tǒng)一種可行的選擇。

3 云信號系統(tǒng)

3.1 云信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

云信號系統(tǒng)是對信號設(shè)備元件的充分?jǐn)?shù)字化，并利用現(xiàn)代信息技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高度集成，簡化設(shè)備部署和現(xiàn)場施工維護(hù)等工作。強(qiáng)大的云計算和通信能力，將賦能軌旁控制單元的數(shù)字化、智能化，實(shí)現(xiàn)云端應(yīng)用對末端單元的直接控制，而原來分布在車站層面的設(shè)備都可以通過上行到云端或下行到軌旁末端而省減，在大大節(jié)省信號系統(tǒng)土建投資、施工、人力、物力的同時，還將提升整個系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化運(yùn)維水平［9-10］。云信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 云信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 云信號系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

1）安全云處理與隔離：①安全云處理來自軌旁設(shè)備、車輛接口、測速測距的相關(guān)信息，在云平臺進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出給外圍設(shè)備接口，從而對設(shè)備進(jìn)行控制；②安全云與調(diào)度指揮、運(yùn)營維護(hù)、設(shè)備診斷功能所在的云進(jìn)行物理隔離，保證安全云的平臺隔離；③與維護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行單向通信，用于維護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲與顯示；④與調(diào)度指揮系統(tǒng)云進(jìn)行雙向通信，兩云之間做網(wǎng)絡(luò)安全隔離。

2）介質(zhì)綁定、資源獨(dú)享：①對于安全云，在云平臺設(shè)置時便與硬件平臺綁定，保證安全云服務(wù)器硬件獨(dú)立于其他云的硬件載體；②綁定的硬件平臺由安全云上的安全應(yīng)用系統(tǒng)獨(dú)享所有資源，保證運(yùn)算過程的獨(dú)立性。

3）云平臺安全冗余控制技術(shù)：①在云平臺實(shí)現(xiàn)二乘二取二的安全冗余結(jié)構(gòu)；②實(shí)現(xiàn)實(shí)時安全操作系統(tǒng)的移植。

3.3 云信號系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)管轄范圍、設(shè)備布置位置等，云信號系統(tǒng)的部署可以分為分布式和集中式2 種。

3.3.1 分布式云信號系統(tǒng)

分布式云信號系統(tǒng)按照集中站區(qū)域部署，每個集中站配置邊緣云平臺，用于控制集中區(qū)的所有軌旁設(shè)備。軌旁全電子執(zhí)行單元通過以太網(wǎng)與集中區(qū)的邊緣云平臺進(jìn)行信息交互；同時，邊緣云平臺通過網(wǎng)絡(luò)與云機(jī)房內(nèi)設(shè)備接口。

分布式云信號系統(tǒng)與既有信號設(shè)備的配置類似，便于既有運(yùn)營維護(hù)的承接；同時，地面信號系統(tǒng)安全平臺統(tǒng)一，減少了設(shè)備維護(hù)的工作量；云平臺的硬件可以擴(kuò)展，便于系統(tǒng)擴(kuò)容。其缺點(diǎn)是，信號室仍然保留地面邊緣云平臺設(shè)備。分布式部署方式見圖4。

3.3.2 集中式云信號系統(tǒng)

集中式云信號系統(tǒng)部署方式如圖5 所示，地面列控設(shè)備僅在線路控制中心設(shè)置中心云平臺，用于整條地鐵線路的列車安全運(yùn)行的邏輯運(yùn)算，整條線路的調(diào)度指揮，監(jiān)測線路的地面軌旁設(shè)備。設(shè)備集中區(qū)僅保留全電子單元和集中區(qū)ATS 分機(jī)設(shè)備。全電子執(zhí)行單元用于控制軌旁設(shè)備，接收來自云平臺的控制命令，并將地面設(shè)備狀態(tài)及監(jiān)測信息發(fā)送給云平臺。

中心云平臺與設(shè)備集中區(qū)的全電子執(zhí)行單元通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。

4 結(jié)語

綜上所述，城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)作為城市軌道交通的核心安全系統(tǒng)，正朝著軌旁設(shè)備離散化、邏輯運(yùn)算集中化、中心設(shè)備云端化、客戶服務(wù)定制化的方向發(fā)展。未來云信號系統(tǒng)必將具有更廣泛的應(yīng)用前景，必將對城市軌道交通的建設(shè)管理、調(diào)度指揮、運(yùn)營維護(hù)等整個產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生積極的影響。

圖4 分布式部署方式

圖5 集中式部署方式