趨中心化FAOTS系統(tǒng)在香港南港島線的應用

張海鵬 劉靈

（卡斯柯信號有限公司 上海市 200071）

1 引言

香港南港島線地鐵項目（也稱SIL-E地鐵項目）全長7.2公里，全線設(shè)Admiralty車站（簡稱“ADM”站），Ocean Park 車站（簡稱“OCP”站），Wong Chuk Hang車站（簡稱“WCH”站），Lei Tung車站 （簡稱“LET”站）以及South Horizons車站 （簡稱“SOH”站）車站共計五座車站，一座車輛段，一處OCC，一處BOCC，一條試車線，并分別配備培訓中心和維修中心，全線配備15輛車，最高設(shè)計時速為80公里/時。該線路是為改善香港島南部地區(qū)交通和經(jīng)濟狀況，專門開通建設(shè)的一條中型地鐵線路，是香港第一條全自動無人駕駛地鐵，自動化等級達到最高的GOA4級。該項目于2016年12月28日正式開通運營，開通之時代表了香港地區(qū)最高信號技術(shù)水平，香港地鐵也由此實現(xiàn)了18個區(qū)的線路全覆蓋。其搭載的卡斯柯自主研發(fā)的FAOTS系統(tǒng)是目前卡斯柯該類產(chǎn)品中功能最為完備的，包含自動洗車、自動喚醒、自動休眠以及疏散區(qū)域控制等無人駕駛功能。

圖1為香港南港島線控制中心。

圖1：香港南港島線控制中心FAOTS

FAOTS系統(tǒng)是卡斯柯自主開發(fā)的一套自動列車監(jiān)控系統(tǒng)（英文全稱“Automatic Train Supervision System”，簡稱“ATS系統(tǒng)”），ATS系統(tǒng)與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、軌旁ATC系統(tǒng)、車載ATC系統(tǒng)等其他信號子系統(tǒng)系統(tǒng)一起工作，實現(xiàn)信號系統(tǒng)的集中監(jiān)控，控制列車按預先制定的運營計劃自動運行。ATS系統(tǒng)主要包括如下功能：線路運行管理、計劃管理、信號監(jiān)控、列車追蹤、模擬培訓、系統(tǒng)管理與維護，以及與外部系統(tǒng)實現(xiàn)必要接口等。

卡斯柯FAOTS系統(tǒng)的開發(fā)基于傳統(tǒng)模式的ATS系統(tǒng)，同時，針對香港南港島線業(yè)主的特定需求，并結(jié)合南港島線項目的實際情況做了適應性調(diào)整?？ㄋ箍翭AOTS系統(tǒng)首次采用了組態(tài)化工具，界面風格與大陸地區(qū)所使用的傳統(tǒng)ATS系統(tǒng)有較大區(qū)別。與傳統(tǒng)ATS系統(tǒng)界面顯示相比，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)的圖形元素更加豐富、形象，令人耳目一新。

圖2為香港南港島線FAOTS系統(tǒng)人界交互界面所顯示的站場圖。

圖2：香港南港島線ATS站場圖

2 FAOTS系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)ATS系統(tǒng)主要分為調(diào)度中心子系統(tǒng)和車站子系統(tǒng)兩大部分。其中，車站子系統(tǒng)按設(shè)備集中站和非設(shè)備集中站來劃分，在設(shè)備集中站需配備ATS站機（即車站服務(wù)器）用于和其他系統(tǒng)的接口及信息處理，屬于設(shè)備集中站的核心設(shè)備；在非設(shè)備集中站不設(shè)置ATS站機，相關(guān)功能由所被管轄的設(shè)備集中站ATS站機實現(xiàn)。

FAOTS系統(tǒng)則取消了傳統(tǒng)模式下ATS系統(tǒng)的車站服務(wù)器，在中心增設(shè)了具備全線管理功能的LATS子系統(tǒng)，使得整體架構(gòu)更加趨向于中心。按系統(tǒng)邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)分別組成如下。

2.1 FAOTS系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

按邏輯功能劃分，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)主要分為如下幾部分：CATS子系統(tǒng)、OCC Terminal子系統(tǒng)、Station Terminal子系統(tǒng)、LATS子系統(tǒng)、Gateway子系統(tǒng)、FEP子系統(tǒng)。

FAOTS系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖請詳見圖3。

圖3：FAOTS系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

（1）CATS子系統(tǒng)：即Central ATS, 中心的ATS后臺服務(wù)子系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應用服務(wù)器等中心核心后臺服務(wù)模塊。主要功能如下：

1.向OCC Terminal輸出顯示信息；

2.處理來自O(shè)CC Terminal的控制命令；

3.基于時刻表的正線列車自動調(diào)整；

4.基于等間隔的正線列車自動調(diào)整；

5.列車進路自動辦理；

6.列車運行命令自動生成；

7.列車自動出入庫管理；

8.列車自動休眠管理；

9.列車自動喚醒管理；

10.列車自動洗車管理；

11.故障聯(lián)動處理；

12.告警及事件管理；

13.歷史數(shù)據(jù)記錄及回放管理；

14.列車出入庫計劃管理；

15.服務(wù)器主備冗余管理。

（2）OCC Terminal子系統(tǒng)：中心ATS的終端子系統(tǒng)，包括調(diào)度員工作站、時刻表管理工作站、回放工作站及統(tǒng)計報告等功能模塊。主要功能如下：

1.向OCC終端用戶提供界面信息顯示；

2.處理OCC終端用戶的控制命令輸入；

3.提供時刻表顯示及修改功能；

4.提供歷史數(shù)據(jù)回放功能；

5.提供運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計及輸出功能。

（3）Station Terminal子系統(tǒng)：車站ATS終端功能模塊。主要功能如下：

1.向車站終端用戶提供界面信息顯示；

2.處理車站終端用戶的控制命令輸入；

3.提供歷史數(shù)據(jù)回放功能。

（4）LATS子系統(tǒng)：即Local ATS，南港島線的LATS是降級模式下的CATS，依然是中心化的服務(wù)器，而非傳統(tǒng)ATS系統(tǒng)中的車站ATS站機。LATS作為CATS的后備子系統(tǒng)，在常規(guī)操作模式下，LATS工作站可上線（登錄）用于系統(tǒng)監(jiān)控。在CATS子系統(tǒng)故障情況下，LATS子系統(tǒng)可提供基本的設(shè)備及列車監(jiān)控功能。主要功能如下：

1.向Station Terminal子系統(tǒng)輸出顯示信息；

2.處理來自Station Terminal子系統(tǒng)的控制命令；

3.基于等間隔的正線列車自動調(diào)整；

4.列車進路自動辦理；

5.列車運行命令自動生成；

6.列車自動洗車管理；

7.故障聯(lián)動處理；

8.告警及事件管理；

9.歷史數(shù)據(jù)記錄及回放管理；

10.服務(wù)器主備冗余管理。

（5）Gateway子系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)功能模塊，主要功能是負責與外部系統(tǒng)接口，實現(xiàn)ATS與外部系統(tǒng)之間的信息交換。主要接口包括：

1.MCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))接口；

2.PIDS(乘客信息系統(tǒng))接口；

3.RADIO(無線系統(tǒng))接口；

4.MIMIC(大屏系統(tǒng))接口。

（6）FEP子系統(tǒng)：Front-End Processor, 即通信前置機。主要功能是與信號系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)進行通訊，包括CBI（聯(lián)鎖系統(tǒng)）、ZC（區(qū)域控制單元）、CC（車載控制單元）、LC（線路控制單元）、MSS（維護支持系統(tǒng)）、TWU（列車喚醒單元）等。FEP子系統(tǒng)內(nèi)部又包含若干獨立的應用程序，分別負責內(nèi)部接口信息的接收、處理、格式化以及對外分發(fā)至CATS子系統(tǒng)和LATS子系統(tǒng)。

FEP子系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖4所示。

圖4：FEP子系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2.2 FAOTS系統(tǒng)物理架構(gòu)

基于香港南港島線的項目實際運用情況，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)按物理架構(gòu)可以劃分為如下幾部分：

（1）Central ATS：負責南港島線主干線和Wong Chuk Hang 車輛段(WCD)的運營控制。Central ATS物理架構(gòu)上包含如下幾部分核心設(shè)備：

1.Central ATS server（中心ATS應用服務(wù)器）；

2.Central ATS HMI（中心ATS工作站）；

3.Train Service Data Logger Server（ATS數(shù)據(jù)庫服務(wù)器）。

（2）Local ATS：作為Central ATS的后備系統(tǒng)，在CATS系統(tǒng)故障時對南港島線主干線和車輛段的運營進行控制。

Local ATS物理架構(gòu)上包含如下幾部分核心設(shè)備：

1.Local ATS server（本地ATS應用服務(wù)器）；

2.Local ATS HMI（車站ATS工作站）；

3.FEP（通信前置機）；

4.Gateway（網(wǎng)關(guān)）。

（3）Off-line ATS：執(zhí)行離線管理活動，如生成服務(wù)質(zhì)量統(tǒng)計報告、運營事件的事后分析(如存檔事件分析、運營場景回放等) 、離線時間表驗證等。

Off-line ATS物理架構(gòu)上包含如下幾部分設(shè)備：

1.ATS playback HMI(ATS回放工作站)；

2.ATS Report HMI(ATS統(tǒng)計報告工作站)；

3.Off-Line Graphical Timetable HMI(ATS時刻表編輯工作站)。

（4）Training Simulator：ATS培訓模擬系統(tǒng)，包括一套培訓模擬服務(wù)器，以及若干培訓工作站。

4.Training Simulator Server（ATS培訓模擬系統(tǒng)服務(wù)器）；

5.Training Simulator HMI（ATS培訓模擬系統(tǒng)工作站）。

3 FAOTS系統(tǒng)特點

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)的趨中心化

與傳統(tǒng)ATS系統(tǒng)架構(gòu)相比，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)最大的特點是取消了傳統(tǒng)模式下ATS系統(tǒng)的車站服務(wù)器，同時，在中心配置了具備全線管理功能的LATS子系統(tǒng)，作為CATS子系統(tǒng)故障情況下的降級模式控制系統(tǒng)，使整體系統(tǒng)架構(gòu)呈現(xiàn)趨中心化的特點。該系統(tǒng)架構(gòu)與特定區(qū)域的雇主需求更加貼合，方便不同運營模式下的使用及維護管理。

3.2 采用組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)ATS監(jiān)控界面

FAOTS系統(tǒng)在工作站界面中，首次采用組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)了信號系統(tǒng)的人機界面，從而能夠為用戶提供信息更加豐富、直觀的操控界面，提升了用戶的使用體驗。此外，組態(tài)圖形的設(shè)計首次面向觸屏方式進行大圖標顯示，通過彈出覆蓋圖標，自動隱藏等功能實現(xiàn)信號界面的全新的顯示和靈活的觸屏控制功能。

3.3 采用快捷的“PROTOBUF”技術(shù)，實現(xiàn)高效的節(jié)點間通訊

由于FAOTS是全新構(gòu)建的ATS系統(tǒng)，整個系統(tǒng)不同組件之間的消息采用“PROTOBUF”技術(shù)，實現(xiàn)消息的封裝和解析代碼自動生成，節(jié)省了大量的人力和集成調(diào)試時間。同時“PROTOBUF”支持多語言代碼的生成，從而實現(xiàn)與公司測試中心為ATP子系統(tǒng)測試集成平臺的平滑過渡，將該平臺快速引入香港南港島線的系統(tǒng)測試過程中。

3.4 外部接口網(wǎng)絡(luò)隔離引入了DMZ區(qū)域，實現(xiàn)信號設(shè)備與外網(wǎng)設(shè)備的完全隔離

信號系統(tǒng)與外部的接口的訪問安全是信號系統(tǒng)的一個重要關(guān)口，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)通過引入防火墻，建立了特定的DMZ區(qū)域，實現(xiàn)外部眾多接口經(jīng)防火墻進入DMZ區(qū)域，實現(xiàn)與ATS通訊機的通訊，同樣信號網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備與ATS通訊機的通訊也需要通過防火墻，通過嚴格的規(guī)則設(shè)定，確保信號系統(tǒng)與外部其他系統(tǒng)的隔離。

3.5 完備的無人駕駛控制功能

FAOTS系統(tǒng)的開發(fā)面向自動化等級最高的GoA4級的運行場景，因此具有完備的支持無人駕駛的調(diào)度管理功能。包括基于運營計劃的列車自動喚醒、列車自動出庫控制、列車載客運營管理、列車自動清客管理、列車自動回庫控制以及列車自動休眠管理，以及基于列車維護計劃的自動洗車管理等。

3.6 便捷的車輛狀態(tài)監(jiān)控

為了適應FAO系統(tǒng)的運營特點，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)基于與車輛系統(tǒng)的接口，開發(fā)了完備的車輛狀態(tài)監(jiān)控功能。行車調(diào)度人員可以在控制中心通過車輛監(jiān)控界面對所有在線運營車輛的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當發(fā)現(xiàn)車輛設(shè)備故障時，可以通過系統(tǒng)提供的遠程控制命令對故障設(shè)備進行緊急處置。

3.7 強大的故障聯(lián)動處理功能

為了提升線路在全自動運營模式下的安全性和可靠性，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)基于與通訊系統(tǒng)及列控系統(tǒng)的接口，開發(fā)了強大的故障聯(lián)動處理功能，包括：當系統(tǒng)檢測到列車在區(qū)間停車時，通過通訊系統(tǒng)接口控制區(qū)間風機自動打開；當系統(tǒng)檢測到車輛發(fā)生火災或緊急求助按鈕被按下，控制列車在前方站臺自動扣車；當系統(tǒng)檢測到前方站臺或區(qū)間發(fā)生火災時，控制列車立即停車。

3.8 靈活的告警過濾顯示功能

在全自動運營模式下，系統(tǒng)的告警數(shù)量大大增加，尤其是車輛相關(guān)的告警種類繁多，給行車調(diào)度人員的工作帶來了一定的干擾。FAOTS系統(tǒng)基于具體告警的產(chǎn)生原理，定義了告警的激活區(qū)域、影響區(qū)域等區(qū)域?qū)傩裕С终{(diào)度人員根據(jù)其崗位分配所管轄的區(qū)域，動態(tài)的選擇過濾對其管轄區(qū)域有影響的告警信息，以避免其他無關(guān)告警帶來干擾。此外，F(xiàn)AOTS系統(tǒng)支持將調(diào)度人員選擇的告警過濾條件以“過濾器”的形式存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，供調(diào)度人員加載使用。

4 結(jié)束語

ATS自動列車監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市軌道交通建設(shè)中信號控制系統(tǒng)不可或缺的核心系統(tǒng)之一，是城市軌道交通實現(xiàn)自動化控制的必要組成部分?？ㄋ箍翭AOTS系統(tǒng)的開發(fā)，是在國家“一帶一路”的大背景下，為滿足中國大陸地區(qū)以外的軌道交通項目業(yè)主對于ATS系統(tǒng)控制模式有別于中國大陸地區(qū)的軌道交通項目需求而進行的有針對性的研發(fā)。FAOTS系統(tǒng)利用最新的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和信號技術(shù)，對地鐵列車進行高效的自動控制，保證地鐵列車運行的良好秩序和準點率，提升乘客的旅行體驗，該系統(tǒng)支持無人駕駛功能，可實現(xiàn)對無人駕駛列車的遠程自動監(jiān)控，系統(tǒng)安全級別達到SIL2級。FAOTS系統(tǒng)取消了車站服務(wù)器，讓整體架構(gòu)更趨于中心化，更加貼合特定地區(qū)的用戶需求，提升了當?shù)赜脩趔w驗。