地鐵全自動運行控制中心信號系統(tǒng)冗余設(shè)計方案

劉 濤

城市軌道交通信號系統(tǒng)是保證行車安全、運輸效率的重要系統(tǒng)，其各子系統(tǒng)的整體可用性、安全性、可維護性和可靠性需得到充分的滿足，并能實現(xiàn)故障導(dǎo)向安全［1］。目前主要由ATS 子系統(tǒng)、ATO 子系統(tǒng)、ATP 子系統(tǒng)和聯(lián)鎖子系統(tǒng)構(gòu)成的基于無線的CBTC 信號系統(tǒng)，作為軌道交通自動運行控制系統(tǒng)的主流技術(shù)，其系統(tǒng)架構(gòu)在多年的運營過程中證實是成熟可靠的，其中主要應(yīng)用了三取二、二取二和二乘二取二等冗余技術(shù)。城市軌道交通全自動運行信號系統(tǒng)是在既有CBTC 系統(tǒng)上進行延伸拓展，由于無人駕駛，系統(tǒng)的整體可用性需進一步提高，避免由于單系統(tǒng)故障影響運營［2-3］。

1 信號系統(tǒng)冗余配置需求

目前，國內(nèi)各大城市紛紛開始城市軌道交通全自動運行技術(shù)的探索，上海10 號線和北京燕房線是首批開通運營的全自動運行線路，上海、北京、南京、武漢、成都等城市在既有技術(shù)基礎(chǔ)上，開始全自動運行技術(shù)進一步的研究和建設(shè)。為更科學(xué)、高效地指導(dǎo)全自動運行技術(shù)的應(yīng)用，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了一系列如《城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)規(guī)范第1 部分：需求》《中國城市軌道交通全自動運行技術(shù)指南》等團體標準和技術(shù)指南。其中明確信號系統(tǒng)的可用性、安全性需進一步提高，GoA2和GoA4自動化等級線路指標對比見表1。

表1 GoA2和GoA4自動化等級線路MTBF指標要求 h

可靠性和可維修性的提高必然會提高單設(shè)備的可用性和安全性，但可用性與安全性在單套系統(tǒng)運用上存在一定的對立關(guān)系，通過增強冗余配置可以有效進行平衡［4-5］。

同時，全自動運行場景也要求提升冗余配置。由于全自動運行列車上沒有司機，在一些系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障時，需保證列車繼續(xù)運行或者運行至故障處理點（如站臺、存車線），以提高系統(tǒng)可用性。全自動運行對于信號系統(tǒng)的要求主要有：①控制中心ATS 子系統(tǒng)單點故障不影響運營指揮；②單控制中心癱瘓不影響運營指揮；③車載控制子系統(tǒng)單點故障不影響列車繼續(xù)行駛［6］；④車載控制子系統(tǒng)與車輛接口故障確保運行至故障處理點；⑤車地?zé)o線通信單鏈路故障不影響數(shù)據(jù)傳輸。本文著重討論控制中心信號設(shè)備的冗余配置方案。

2 控制中心信號設(shè)備冗余配置及切換方案

控制中心分為主用和備用，二者總體功能需求保持一致，備用控制中心處于熱備狀態(tài)，常態(tài)無運營人員值守。控制中心信號設(shè)備主要包含ATS 子系統(tǒng)和LTE 子系統(tǒng)。ATS 子系統(tǒng)是行車指揮、保障高效運營的關(guān)鍵系統(tǒng)；LTE 系統(tǒng)承載車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，傳輸控制指令及維護關(guān)鍵信息。

2.1 ATS子系統(tǒng)冗余配置及切換設(shè)計方案

ATS 子系統(tǒng)的主要功能是編制、管理列車運行計劃，實現(xiàn)對全線列車的自動監(jiān)控和列車運行的自動管理［7］。

對于全自動運行線路，控制中心行車指揮及應(yīng)急事件處理是運營需求的核心內(nèi)容，其整體可用性和靈活性是保障運營的關(guān)鍵。結(jié)合全自動運行需求和RAMS 指標要求，控制中心ATS 子系統(tǒng)冗余配置方案見圖1。

圖1 控制中心ATS子系統(tǒng)冗余配置

主用控制中心ATS子系統(tǒng)配備行車調(diào)度終端，各調(diào)度終端分管線路不同的控制區(qū)域，同時互為冗余配置［8］；配備ATS 運行圖編輯服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及與外專業(yè)接口設(shè)備等。備用控制中心ATS 子系統(tǒng)配備同等功能及數(shù)量的調(diào)度終端及服務(wù)器，并與主用控制中心互為熱備冗余。ATS 子系統(tǒng)與外部信息交換為雙通道，信息同步收發(fā)。通信傳輸系統(tǒng)為雙控制中心的ATS子系統(tǒng)，提供可靠的冗余數(shù)據(jù)傳輸通道。

雙控制中心ATS 切換設(shè)計見表2。在主用和備用控制中心ATS子系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障的場景下，單控制中心整體癱瘓均不影響控制中心的調(diào)度指揮功能。由于備用控制中心常態(tài)無人值守，在極端情況下，需要主用控制中心人員趕往備用控制中心，進行全線運營指揮［9］。

表2 雙控制中心ATS切換設(shè)計

配合雙控制中心冗余切換設(shè)計，圖2 為雙控制中心服務(wù)器之間以及與外部接口設(shè)備交互的基本數(shù)據(jù)流示意。正常工作情況下，主用與備用控制中心保持數(shù)據(jù)交互，互查心跳信息以及同步數(shù)據(jù)信息，與外部接口設(shè)備同步交互數(shù)據(jù)；當(dāng)主用控制中心服務(wù)器異?；驍?shù)據(jù)校驗錯誤，則停止與外部接口設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，啟用備用控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，不影響控制中心整體ATS子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)和應(yīng)用。

圖2 基本數(shù)據(jù)流示意

從應(yīng)用軟件角度，進程輸出業(yè)務(wù)交互信息時，分為主用進程和備用進程。當(dāng)主用進程故障時，總線消息通信模塊會通知相應(yīng)的備用進程轉(zhuǎn)為主用，并向故障進程發(fā)送強制轉(zhuǎn)為備用的指令，從而實現(xiàn)進程級的熱備冗余。總線消息通信模塊會監(jiān)測每一條心跳線以及與外部設(shè)備通信的雙網(wǎng)狀態(tài)，為避免“單點故障”提供實時信號監(jiān)測依據(jù)。因此雙機冗余系統(tǒng)中，所有應(yīng)用軟件進程的主用進程有可能分布在2 臺設(shè)備上，既提高了硬件設(shè)備的資源利用率，同時降低了每臺設(shè)備的運行負載，也使維護工作的顆粒度縮小至以軟件進程為單位，從而提高了故障或問題定位的準確度，尤其是應(yīng)用軟件故障的定位更準確。

2.2 LTE子系統(tǒng)冗余配置及切換設(shè)計方案

車地?zé)o線傳輸采用LTE 通信技術(shù)是軌道交通行業(yè)的發(fā)展趨勢［10-11］，通常采用綜合承載的方式承載各個專業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，包括信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)等。

在傳統(tǒng)項目中，信號系統(tǒng)是控制列車運行的關(guān)鍵，車地?zé)o線組網(wǎng)一般采用A/B 網(wǎng)雙網(wǎng)冗余方式，其中A 網(wǎng)單獨承載信號業(yè)務(wù)，為信號提供獨立通道，傳輸線路數(shù)據(jù)及控制信息，確保信號系統(tǒng)的整體可用性，其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為單獨B網(wǎng)綜合承載。業(yè)務(wù)組網(wǎng)方式見圖3。

圖3 業(yè)務(wù)組網(wǎng)方式

由于全自動無人駕駛在運營過程中，B 網(wǎng)綜合承載業(yè)務(wù)是輔助控制中心調(diào)度人員判斷列車環(huán)境和運行情況的主要手段，配合雙控制中心各系統(tǒng)的冗余配置，圖3 所示組網(wǎng)方式已無法滿足全自動無人駕駛系統(tǒng)整體可用性和RAMS 指標要求。為提高B 網(wǎng)綜合承載業(yè)務(wù)的整體可用性，并滿足信號系統(tǒng)A 網(wǎng)的獨立通道，LTE 子系統(tǒng)配置為圖4所示的方案。在主用控制中心部署LTE-B 網(wǎng)設(shè)備，綜合承載地鐵系統(tǒng)全部無線業(yè)務(wù)，并與外部系統(tǒng)接口，通過通信傳輸系統(tǒng)與備用控制中心保持信息同步；在備用控制中心部署LTE-B 備網(wǎng)設(shè)備和LTE-A 網(wǎng)設(shè)備，LTE-A 網(wǎng)單獨承載信號系統(tǒng)業(yè)務(wù)，LTE-B備網(wǎng)冗余承載除去信號系統(tǒng)外的B 網(wǎng)業(yè)務(wù)，并與B網(wǎng)BBU設(shè)備組網(wǎng)。

圖4 控制中心LTE子系統(tǒng)冗余配置

通過上述配置可實現(xiàn)雙控制中心LTE 切換設(shè)計，見表3，同時節(jié)約建設(shè)成本，LTE 子系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障時均不影響整體系統(tǒng)的可用性及車地?zé)o線通信。

表3 雙控制中心LTE切換設(shè)計

3 結(jié)束語

全自動運行技術(shù)的發(fā)展對機電系統(tǒng)的可用性和安全性提出了新的要求。本文結(jié)合實際工程項目、全自動運營需求和行業(yè)規(guī)范要求，對控制中心信號系統(tǒng)核心設(shè)備的配置方案進行了探討。該方案已應(yīng)用于南京地鐵7 號線工程，可為城市軌道交通其他線路的建設(shè)提供一些研究思路，有助于系統(tǒng)設(shè)備的開發(fā)與完善。