劉 濤

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是保證行車(chē)安全、運(yùn)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(hù)性和可靠性需得到充分的滿足，并能實(shí)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(wú)線的CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，作為軌道交通自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的主流技術(shù)，其系統(tǒng)架構(gòu)在多年的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中證實(shí)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(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)是在既有CBTC 系統(tǒng)上進(jìn)行延伸拓展，由于無(wú)人駕駛，系統(tǒng)的整體可用性需進(jìn)一步提高，避免由于單系統(tǒng)故障影響運(yùn)營(yíng)［2-3］。

1 信號(hào)系統(tǒng)冗余配置需求

目前，國(guó)內(nèi)各大城市紛紛開(kāi)始城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)的探索，上海10 號(hào)線和北京燕房線是首批開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的全自動(dòng)運(yùn)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(kāi)始全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)進(jìn)一步的研究和建設(shè)。為更科學(xué)、高效地指導(dǎo)全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)的應(yīng)用，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了一系列如《城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)規(guī)范第1 部分：需求》《中國(guó)城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)指南》等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南。其中明確信號(hào)系統(tǒng)的可用性、安全性需進(jìn)一步提高，GoA2和GoA4自動(dòng)化等級(jí)線路指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 GoA2和GoA4自動(dòng)化等級(jí)線路MTBF指標(biāo)要求 h

可靠性和可維修性的提高必然會(huì)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(yùn)用上存在一定的對(duì)立關(guān)系，通過(guò)增強(qiáng)冗余配置可以有效進(jìn)行平衡［4-5］。

同時(shí)，全自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景也要求提升冗余配置。由于全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)上沒(méi)有司機(jī)，在一些系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，需保證列車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)行或者運(yùn)行至故障處理點(diǎn)（如站臺(tái)、存車(chē)線），以提高系統(tǒng)可用性。全自動(dòng)運(yùn)行對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)的要求主要有：①控制中心ATS 子系統(tǒng)單點(diǎn)故障不影響運(yùn)營(yíng)指揮；②單控制中心癱瘓不影響運(yùn)營(yíng)指揮；③車(chē)載控制子系統(tǒng)單點(diǎn)故障不影響列車(chē)?yán)^續(xù)行駛［6］；④車(chē)載控制子系統(tǒng)與車(chē)輛接口故障確保運(yùn)行至故障處理點(diǎn)；⑤車(chē)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(hào)設(shè)備的冗余配置方案。

2 控制中心信號(hào)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(wú)運(yùn)營(yíng)人員值守?？刂浦行男盘?hào)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(chē)指揮、保障高效運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵系統(tǒng)；LTE 系統(tǒng)承載車(chē)地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，傳輸控制指令及維護(hù)關(guān)鍵信息。

2.1 ATS子系統(tǒng)冗余配置及切換設(shè)計(jì)方案

ATS 子系統(tǒng)的主要功能是編制、管理列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)全線列車(chē)的自動(dòng)監(jiān)控和列車(chē)運(yùn)行的自動(dòng)管理［7］。

對(duì)于全自動(dòng)運(yùn)行線路，控制中心行車(chē)指揮及應(yīng)急事件處理是運(yùn)營(yíng)需求的核心內(nèi)容，其整體可用性和靈活性是保障運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。結(jié)合全自動(dòng)運(yùn)行需求和RAMS 指標(biāo)要求，控制中心ATS 子系統(tǒng)冗余配置方案見(jiàn)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(chē)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(shí)互為冗余配置［8］；配備ATS 運(yùn)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(jì)見(jiàn)表2。在主用和備用控制中心ATS子系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障的場(chǎng)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(wú)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(jìn)行全線運(yùn)營(yíng)指揮［9］。

表2 雙控制中心ATS切換設(shè)計(jì)

配合雙控制中心冗余切換設(shè)計(jì)，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?jǐn)?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(yàn)錯(cuò)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(jìn)程輸出業(yè)務(wù)交互信息時(shí)，分為主用進(jìn)程和備用進(jìn)程。當(dāng)主用進(jìn)程故障時(shí)，總線消息通信模塊會(huì)通知相應(yīng)的備用進(jìn)程轉(zhuǎn)為主用，并向故障進(jìn)程發(fā)送強(qiáng)制轉(zhuǎn)為備用的指令，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程級(jí)的熱備冗余?？偩€消息通信模塊會(huì)監(jiān)測(cè)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(diǎn)故障”提供實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)測(cè)依據(jù)。因此雙機(jī)冗余系統(tǒng)中，所有應(yīng)用軟件進(jìn)程的主用進(jìn)程有可能分布在2 臺(tái)設(shè)備上，既提高了硬件設(shè)備的資源利用率，同時(shí)降低了每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)載，也使維護(hù)工作的顆粒度縮小至以軟件進(jìn)程為單位，從而提高了故障或問(wèn)題定位的準(zhǔn)確度，尤其是應(yīng)用軟件故障的定位更準(zhǔn)確。

2.2 LTE子系統(tǒng)冗余配置及切換設(shè)計(jì)方案

車(chē)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(shì)［10-11］，通常采用綜合承載的方式承載各個(gè)專業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，包括信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)和車(chē)輛系統(tǒng)等。

在傳統(tǒng)項(xiàng)目中，信號(hào)系統(tǒng)是控制列車(chē)運(yùn)行的關(guān)鍵，車(chē)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(dú)承載信號(hào)業(yè)務(wù)，為信號(hào)提供獨(dú)立通道，傳輸線路數(shù)據(jù)及控制信息，確保信號(hào)系統(tǒng)的整體可用性，其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為單獨(dú)B網(wǎng)綜合承載。業(yè)務(wù)組網(wǎng)方式見(jiàn)圖3。

圖3 業(yè)務(wù)組網(wǎng)方式

由于全自動(dòng)無(wú)人駕駛在運(yùn)營(yíng)過(guò)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(chē)環(huán)境和運(yùn)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(wú)法滿足全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)整體可用性和RAMS 指標(biāo)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(hào)系統(tǒng)A 網(wǎng)的獨(dú)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(wú)線業(yè)務(wù)，并與外部系統(tǒng)接口，通過(guò)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(dú)承載信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)，LTE-B備網(wǎng)冗余承載除去信號(hào)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(guò)上述配置可實(shí)現(xiàn)雙控制中心LTE 切換設(shè)計(jì)，見(jiàn)表3，同時(shí)節(jié)約建設(shè)成本，LTE 子系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)均不影響整體系統(tǒng)的可用性及車(chē)地?zé)o線通信。

表3 雙控制中心LTE切換設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)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(shí)際工程項(xiàng)目、全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)需求和行業(yè)規(guī)范要求，對(duì)控制中心信號(hào)系統(tǒng)核心設(shè)備的配置方案進(jìn)行了探討。該方案已應(yīng)用于南京地鐵7 號(hào)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(kāi)發(fā)與完善。