城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)及備用控制中心配置方案

徐 峰

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司,200235,上海∥工程師)

在城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)中,在線路控制中心設(shè)置的ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)子系統(tǒng)承擔(dān)著運(yùn)行監(jiān)控、調(diào)度指揮、外部通信等重要功能,一旦出現(xiàn)故障,將對(duì)正常行車秩序造成極大影響。因此,ATS的SRS(中央服務(wù)器)通常為雙套配置,其熱備冗余設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可用性和可靠性的實(shí)現(xiàn)方式和重要保證。當(dāng)前,部分城市為了進(jìn)一步提高ATS系統(tǒng)設(shè)備可靠性和冗余性,會(huì)在車輛段部署備用控制中心,額外配置單套的ATS系統(tǒng)中央服務(wù)器,共同構(gòu)成ATS系統(tǒng)中央服務(wù)器的三重冗余。三套服務(wù)器都通過(guò)DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),同時(shí)接收其他ATC(列車自動(dòng)控制)子系統(tǒng)信息和外部接口系統(tǒng)信息,并將接收到的信息下發(fā)給所有與骨干網(wǎng)連接的ATS系統(tǒng)工作站進(jìn)行顯示。

日常運(yùn)營(yíng)中,一般將OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)中的ATS系統(tǒng)設(shè)備作為主用,中央調(diào)度員對(duì)其有控制權(quán)。BOCC(備用控制中心)中的ATS系統(tǒng)設(shè)備的作用與OCC中的沒(méi)有差異,同樣具備監(jiān)控功能。當(dāng)OCC中的雙套ATS系統(tǒng)服務(wù)器都處于故障狀態(tài)時(shí),BOCC中的ATS系統(tǒng)服務(wù)器將自動(dòng)無(wú)擾接管;中央調(diào)度員仍可以繼續(xù)指揮調(diào)度線路上所有運(yùn)營(yíng)列車。如果有需要,通過(guò)控制權(quán)限移交,BOCC的調(diào)度員可以控制線路上的列車。本文主要介紹備用控制中心的配置方案及方案設(shè)計(jì)理念。

1 備用控制中心功能定位

備用控制中心作為主控制中心的備份,其在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)冗余以及安全等級(jí)方面的要求與主控制中心相同。BOCC的主要功能定位是,當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害或其他突發(fā)事件導(dǎo)致主控制中心完全喪失功能或與外部通信終斷的極端情況下,接管線路的行車指揮權(quán),繼續(xù)組織全線路運(yùn)營(yíng)以避免造成影響。因此,BOCC的系統(tǒng)設(shè)備要實(shí)時(shí)保持熱備狀態(tài),并具有OCC的系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)督和控制功能。另外,BOCC與OCC通常設(shè)置于不同的物理位置,以避免諸如自然災(zāi)害、大面積斷電等意外事件影響兩個(gè)控制中心的工作。

2 ATS子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)線路設(shè)置有BOCC時(shí),在進(jìn)行ATS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮冗余結(jié)構(gòu)、主備切換過(guò)程以及主備同時(shí)故障時(shí)降級(jí)車站控制方案等,需同時(shí)滿足OCC和BOCC不同功能定位產(chǎn)生的功能需求。

2.1 冗余結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)冗余的目的是使ATS系統(tǒng)正常運(yùn)行不受如單臺(tái)SRS宕機(jī)等局部故障影響,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在線維護(hù),使故障設(shè)備能夠及時(shí)恢復(fù)。

對(duì)于配置主用和備用控制中心的線路,在其OCC部署雙套冗余服務(wù)器;在其BOCC部署單套服務(wù)器,并分別在主用和備用控制中心部署其各自的數(shù)據(jù)記錄器和調(diào)度工作站(即客戶端);主用和備用控制中心的3套ATS系統(tǒng)中央服務(wù)器形成熱備冗余結(jié)構(gòu),在硬件設(shè)備冗余的基礎(chǔ)上,為充分考慮接口的冗余性,均采用交叉互聯(lián)的通信接口方式。此外,對(duì)于BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器,除一部分外部接口未設(shè)置外,其余設(shè)備設(shè)置均與OCC的保持一致,可以完整實(shí)現(xiàn)OCC的基本功能,形成冗余架構(gòu)。

通過(guò)心跳來(lái)判斷3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器主用和備用狀態(tài),備用控制中心服務(wù)器作為遠(yuǎn)程冗余服務(wù)器,使用較長(zhǎng)的心跳超時(shí)(2 s)。3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器優(yōu)先級(jí)從高到低為SRS1、 SRS2和SRS3。正常運(yùn)行時(shí),全線路的工作站,都與ATS系統(tǒng)服務(wù)器相連。當(dāng)OCC的SRS1或SRS2中至少有一臺(tái)為可用時(shí),BOCC的SRS3不會(huì)被激活;只有當(dāng)SRS1和SRS2都不可用時(shí),SRS3才會(huì)被激活;當(dāng)SRS1和SRS2都不可用時(shí),可用的SRS3會(huì)自動(dòng)被激活;如果之后SRS1或SRS2恢復(fù)可用,不會(huì)自動(dòng)從SRS3切換至SRS1或SRS2,此時(shí)需要通過(guò)人工切換才能恢復(fù)至控制中心服務(wù)器處于激活狀態(tài)。無(wú)論是OCC還是BOCC的服務(wù)器被激活,OCC和BOCC以及車站的工作站均與被激活的ATS系統(tǒng)服務(wù)器相連。ATS子系統(tǒng)的冗余架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ATS系統(tǒng)冗余架構(gòu)

2.2 主備切換過(guò)程

OCC正常運(yùn)行時(shí),SRS1(或SRS2)處于激活狀態(tài),BOCC的SRS3處于備用狀態(tài),如圖2所示。當(dāng)BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器檢測(cè)到OCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器、三層交換機(jī)、保密器件或ATS系統(tǒng)骨干網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)雙重故障時(shí),ATS系統(tǒng)將從 OCC 的服務(wù)器切換到BOCC的服務(wù)器,SRS3被激活,由BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器接管全部列車并與軌旁相關(guān)控制單元建立通信,如圖3所示。

圖2 OCC中ATS系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備狀態(tài)

圖3 BOCC中ATS系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)設(shè)備狀態(tài)

BOCC中的ATS系統(tǒng)服務(wù)器將根據(jù)列車的作業(yè)任務(wù)自動(dòng)辦理進(jìn)路、發(fā)出指令,如臨時(shí)限速、開放/關(guān)閉軌道、設(shè)置/取消進(jìn)路、引導(dǎo)、操作道岔等。ATS系統(tǒng)在從OCC的服務(wù)器切換到BOCC的服務(wù)器過(guò)程中,在區(qū)間以ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式或ATPM(ATP防護(hù)下的人工駕駛)模式運(yùn)行的列車均繼續(xù)行駛到前方車站停車,直到BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器申請(qǐng)到新的進(jìn)路。切換過(guò)程中,列車正常運(yùn)行不受影響。ATS系統(tǒng)從 OCC的服務(wù)器切換到BOCC的服務(wù)器情況同樣遵循上述過(guò)程。

2.3 主備同時(shí)故障

在極端情況下,若OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器全部故障,車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器將被激活。車站ATS系統(tǒng)操作員使用具有車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器配置功能的工作站控制本站所轄區(qū)域。車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器將根據(jù)列車的作業(yè)任務(wù)自動(dòng)辦理進(jìn)路、發(fā)出指令。在切換至車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器的過(guò)程中,在區(qū)間運(yùn)行的列車可按照已有的進(jìn)路授權(quán)繼續(xù)行駛到前方車站停車,然后將由車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器申請(qǐng)新的進(jìn)路。主備控制中心同時(shí)故障時(shí)ATS系統(tǒng)連接狀態(tài)如圖4所示。

圖4 主備控制中心同時(shí)故障時(shí)ATS系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)

3 信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部接口設(shè)計(jì)方案

3.1 與DCS子系統(tǒng)接口

DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持OCC和BOCC的網(wǎng)絡(luò)連接。OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)所有冗余設(shè)備應(yīng)配置不同的IP(網(wǎng)級(jí)互聯(lián)協(xié)議)地址,支持ATS系統(tǒng)的三重冗余,以及與各子系統(tǒng)之間的通信。DCS系統(tǒng)需在OCC和BOCC分別部署LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))核心網(wǎng)和兩個(gè)安全保密設(shè)備。ATS系統(tǒng)外部接口防火墻將連接 ATS系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò),用于ATS系統(tǒng)外部接口與3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器的通信。

為實(shí)現(xiàn)OCC的工作站和BOCC的工作站可以連接任一激活的OCC或BOCC的ATS服務(wù)器,并確保OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器之間的可靠連接和無(wú)擾切換,降低通信延時(shí)和提高穩(wěn)定性,需要將OCC和BOCC的內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián),增加上下行光纖芯數(shù)各4芯(使用2芯,備用2芯)。

3.2 與ATC子系統(tǒng)接口

ATC系統(tǒng)包括設(shè)置于軌旁的ZC(區(qū)域控制器)和設(shè)置于車上的VOBC(車載控制器)。為適應(yīng)ATS系統(tǒng)服務(wù)器三重冗余的設(shè)計(jì),在原有SRS1、SRS2設(shè)置端口20001和20002的基礎(chǔ)上,對(duì)于新設(shè)置的BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器SRS3需添加端口20003,ZC和VOBC設(shè)備分別增加與BOCC的通信連接。

對(duì)軌旁ZC進(jìn)行通信協(xié)議的修改,使之可以與OCC和BOCC的3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信。同樣,將車載VOBC通信協(xié)議修改為可以與OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信的協(xié)議。在車載SDR(保密器件)的中轉(zhuǎn)發(fā)端口配置中增加備用控制中心服務(wù)器。ATC子系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖5所示。

4 信號(hào)系統(tǒng)外部接口設(shè)計(jì)方案

信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)ATS子系統(tǒng)提供的接口與外部系統(tǒng)連接,包括CLK、PSD(站臺(tái)門系統(tǒng))、DLP(大屏系統(tǒng))、Radio、PA(廣播系統(tǒng))、PIS(乘客信息系統(tǒng))和ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))。為適應(yīng)主備控制中心的不同功能需求,需對(duì)原僅考慮單一設(shè)置于OCC的ATS系統(tǒng)的外部接口設(shè)計(jì)進(jìn)行適配性調(diào)整。CLK同時(shí)與OCC和BOCC 的ATS服務(wù)器連接,進(jìn)行授時(shí)。每個(gè)車站的PSD 同時(shí)與OCC/BOCC的ATS服務(wù)器連接,只有主ATS服務(wù)器會(huì)向PSD發(fā)送命令。DLP 僅在控制中心配置,只與本地的DLP接口服務(wù)器相連,獲取大屏顯示信息。

控制中心和備用控制中心的Radio、PA、PIS和ISCS為多冗余熱備配置,可無(wú)縫切換。正常時(shí)每個(gè)子系統(tǒng)只有一臺(tái)服務(wù)器為主機(jī),與ATS系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行通信。ISCS 僅部署在 OCC 中,冗余 ISCS 服務(wù)器與3套 ATS 系統(tǒng)的服務(wù)器連接。

考慮災(zāi)備情況下的時(shí)鐘同步,時(shí)鐘系統(tǒng)在OCC和BOCC都提供主時(shí)鐘,信號(hào)系統(tǒng)分別與OCC和BOCC的主時(shí)鐘系統(tǒng)接口,實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘時(shí)間同步。

5 BOCC信號(hào)系統(tǒng)配置方案對(duì)比分析

方案一:BOCC的信號(hào)系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備均處于冷備狀態(tài),平時(shí)不開啟,處于關(guān)閉狀態(tài)。該方案優(yōu)點(diǎn)為:設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)可以節(jié)省能耗,在BOCC不需要配置很多信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)和值守人員,只需要安排全天候值守人員進(jìn)行應(yīng)急處置即可,相應(yīng)地也節(jié)省了人力成本。該方案缺點(diǎn)為:一旦需要啟用備控信號(hào)系統(tǒng),值守人員需要到機(jī)房開啟設(shè)備,手動(dòng)操作切換服務(wù)器和交換機(jī)到主用,比較耗費(fèi)時(shí)間,容易造成較大的時(shí)間晚點(diǎn)。

方案二:BOCC的信號(hào)系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備均處于開啟的熱備狀態(tài),但主用控制中心的系統(tǒng)一旦故障需切換至備用系統(tǒng)時(shí)需要人為手動(dòng)操作。該方案優(yōu)點(diǎn)為:備用控制中心的信號(hào)設(shè)備一直處于熱備狀態(tài),不用再進(jìn)行人工開啟設(shè)備,節(jié)省了一定的時(shí)間。該方案缺點(diǎn)為:設(shè)備能耗較高,且需要維護(hù)人員每天進(jìn)行巡檢檢查,提高了維護(hù)成本。

方案三:BOCC的信號(hào)系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備均處于開啟的熱備狀態(tài),但主備服務(wù)器是自動(dòng)切換的,出現(xiàn)雙點(diǎn)故障后系統(tǒng)自動(dòng)切換到BOCC服務(wù)器。該方案的優(yōu)點(diǎn)為:對(duì)于運(yùn)營(yíng)的影響是最小的,基本不會(huì)有晚點(diǎn)情況發(fā)生。該方案缺點(diǎn)為:設(shè)備能耗較高,且需配置全天候值守人員進(jìn)行日常巡檢和基本的維護(hù)作業(yè)。

方案選擇的關(guān)鍵因素為:主備控制中心的切換必須無(wú)縫連接,不能對(duì)運(yùn)營(yíng)造成影響;BOCC設(shè)備規(guī)格和OCC的保持一致,非重要外部接口設(shè)備可以刪減;BOCC設(shè)置在有人值守的站點(diǎn)或段場(chǎng),減少人力成本和建設(shè)成本?？紤]到實(shí)際情況和綜合因素,杭州地鐵16號(hào)線和上海軌道交通14號(hào)線的備用控制中心均采用了方案三的配置。

6 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通發(fā)展已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時(shí)期,備用控制中心信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備配置的必要性和合理性也在逐步加重。本文分析了信號(hào)系統(tǒng)備用控制中心配置方案和設(shè)計(jì)理念,并闡述了冗余切換對(duì)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景影響。杭州地鐵16號(hào)線和上海軌道交通14號(hào)線的備用控制中心采用方案三的配置方案,在大幅提升信號(hào)系統(tǒng)的可靠性、冗余性,以及提高信號(hào)系統(tǒng)抗災(zāi)害能力的同時(shí),可降低運(yùn)營(yíng)成本。