地鐵工程監(jiān)控系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口方案

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摘　要：目前，地鐵工程車主要依靠乘務(wù)員經(jīng)驗(yàn)、目視信號等方式操控車輛行進(jìn)。為了改變工程車作業(yè)無技防手段的現(xiàn)狀，地鐵工程車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)可對冒進(jìn)信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等安全事故進(jìn)行智能化安全防護(hù)，為實(shí)現(xiàn)上述功能需解決聯(lián)鎖信號上車的問題。依據(jù)目前上海地鐵聯(lián)鎖信息獲取情況，文章主要闡述了從段場聯(lián)鎖側(cè)、各線路線路側(cè)運(yùn)行控制中心－列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（OCC-ATS）側(cè)及3C大樓數(shù)據(jù)中心－列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（3C-ATS）側(cè)獲取聯(lián)鎖信息的3種方案，并對各方案進(jìn)行了細(xì)致分析及對比研究。在滿足系統(tǒng)安全防護(hù)條件下，ISM系統(tǒng)與管理網(wǎng)CFEP接口方案集成度高、可靠性高，對其他系統(tǒng)的影響小，可實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。

關(guān)鍵詞：地鐵工程車；智能安全監(jiān)控系統(tǒng)；聯(lián)鎖信息；系統(tǒng)接口

0 引言

在我國大多數(shù)大城市，地鐵已成為市民出行的主要交通工具之一，且開通城市軌道交通的城市也逐年增加。截至2021年6月，上海地鐵全網(wǎng)已開通運(yùn)營線路共19條（含磁浮線），運(yùn)營里程達(dá)722km（含磁浮線29km）。與之配套的不僅有眾多的維修基地以及停車庫；還有相當(dāng)數(shù)量的工程車，其主要用于車輛段場調(diào)車作業(yè)、線路施工和養(yǎng)護(hù)、正線突發(fā)事故救援等工作。為了改變地鐵工程車主要依靠乘務(wù)員經(jīng)驗(yàn)、目視信號等操控現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)對冒進(jìn)信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋及列車沖突等安全事故的智能化防護(hù)，地鐵工程車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)（intelligentsafetymonitoringsystem,ISM）[1-4]應(yīng)運(yùn)而生。本文主要介紹了ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口方案，從中通過接口匹配來獲取聯(lián)鎖信息[2-3]，以提高系統(tǒng)智能化程度，這已成為整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn)之一。

1 ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口方案研究

1.1 接口方案分析

ISM系統(tǒng)獲得信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)共有3種方案，分別是段場聯(lián)鎖接口方案、各線路線路側(cè)運(yùn)行控制中心-列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（operationcontrolcenter-automatictrainsupervision,OCC-ATS）接口方案以及數(shù)據(jù)中心大樓（3C大樓）3C-COCC（centerofoperationcontrolcenter）-ATS方案。綜合比較來看，3C-ATS方案從成本和可實(shí)施性上最具優(yōu)勢；但是由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸路徑較長，延時時間能否滿足本系統(tǒng)的要求尚未可知，因此需要對其進(jìn)行試點(diǎn)驗(yàn)證，并同時考慮后備方案。以下將3C-ATS接口方案統(tǒng)稱為“網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號接口方案”，而聯(lián)鎖及OCC-ATS接口方案統(tǒng)稱為“線路側(cè)信號接口方案”。

1.2 接口設(shè)備需求

為了保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑹o線傳輸將采用安全通信機(jī)制，其能識別由于硬件故障、電磁干擾等原因?qū)е碌耐ㄐ佩e誤，對接口設(shè)備的主要要求包括：

（1）數(shù)據(jù)的發(fā)送端應(yīng)具備安全檢驗(yàn)數(shù)據(jù)代碼的功能。

（2）數(shù)據(jù)的接收端應(yīng)具備數(shù)據(jù)傳輸錯誤檢測功能。接收端一旦檢測到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性以及實(shí)時性方面的錯誤后，應(yīng)能進(jìn)行相應(yīng)的安全防護(hù)處理。

（3）每幀傳輸數(shù)據(jù)必須能夠被唯一地識別。傳輸數(shù)據(jù)的識別采用識別碼（ID）方式進(jìn)行，每幀傳輸數(shù)據(jù)的識別碼應(yīng)至少包括數(shù)據(jù)類型（安全/非安全）、數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備與部件的編號、數(shù)據(jù)編號等。滿足以上要求，則可以盡可能準(zhǔn)確地獲取聯(lián)鎖系統(tǒng)中表示站場設(shè)備、設(shè)施狀態(tài)的信息，包括列車信號機(jī)狀態(tài)、調(diào)車燈信號狀態(tài)、道岔開放方向、軌道區(qū)段占用和出清狀態(tài)等。

2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號接口方案

2.1 接口方案介紹

3C大樓信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)消息隊(duì)列路徑，其主要包含

（1）線路側(cè)的列車自動監(jiān)控系統(tǒng)ATS（automatictrainsupervision）；

（2）位于生產(chǎn)網(wǎng)側(cè)的中央前端處理器CFEP(centerfrontendprocessor)，用于收集匯總ATS數(shù)據(jù)；

（3）用于隔離生產(chǎn)網(wǎng)與管理網(wǎng)的擺渡系統(tǒng)及用于管理網(wǎng)的CFEP。線路ATS與生產(chǎn)網(wǎng)CFEP間、生產(chǎn)網(wǎng)CFEP與單向擺渡系統(tǒng)間、單向擺渡系統(tǒng)與管理網(wǎng)CFEP間的接口通信方式和協(xié)議均相同，都是接口雙方建立一個TCP連接，信息提供者為Server，信息接收者為Client。即每一個節(jié)點(diǎn)，若為上游節(jié)點(diǎn)，則被設(shè)置為Client；若為下游節(jié)點(diǎn)，則被設(shè)置為Server，并采用TCP/IP協(xié)議。單向擺渡系統(tǒng)之間為萬兆單向網(wǎng)閘，使用UDP協(xié)議，并配置了一個反向的串口通信，用于實(shí)現(xiàn)單向擺渡系統(tǒng)之間的雙向通信。對于單向擺渡系統(tǒng)來說，單線每秒約有200包左右的數(shù)據(jù)量，而萬兆單向網(wǎng)閘每秒最多提供10000包的數(shù)據(jù)傳輸，因此該系統(tǒng)原則上能夠滿足30條線同時擺渡的需求。ISM系統(tǒng)服務(wù)器定位于管理網(wǎng)段，因此ISM系統(tǒng)與3C的接口也必須位于生產(chǎn)輔助網(wǎng)側(cè)。接口設(shè)計(jì)時主要考慮兩個問題：一是信息的接入源，其既可來自生產(chǎn)輔助網(wǎng)單向擺渡系統(tǒng)，也可來自生產(chǎn)輔助網(wǎng)CFEP，甚至可以來自數(shù)據(jù)中心；二是接口數(shù)據(jù)可以經(jīng)過現(xiàn)有系統(tǒng)解析再傳送給ISM系統(tǒng)，或直接從信息源傳送給ISM系統(tǒng)的FEP。基于此，有以下5種接口方案：

（1）方案一

ISM系統(tǒng)與單向擺渡系統(tǒng)接口，增加工程車專用CFEP進(jìn)行解析，再傳送給工程車ISM系統(tǒng)。

（2）方案二

ISM系統(tǒng)與管理網(wǎng)CFEP接口，通過3C-CFEP將數(shù)據(jù)交由工程車專用CFEP進(jìn)行解析，再傳送給ISM系統(tǒng)。以上兩個方案中新增的工程車專用CFEP都需要集成ISM-FEP的功能，該功能可實(shí)現(xiàn)對單獨(dú)線路聯(lián)鎖信息的解析、翻譯及篩選。

（3）方案三ISM

系統(tǒng)與單向擺渡系統(tǒng)接口，不經(jīng)3C-CFEP解析，直接給ISM-FEP（ISM-frontendprocessor），再傳送給ISM系統(tǒng)服務(wù)器。

（4）方案四

ISM系統(tǒng)與管理網(wǎng)CFEP接口，3C-CFEP轉(zhuǎn)發(fā)所有收到的信息直接給ISM-FEP，或集成了過濾功能后只轉(zhuǎn)發(fā)所有需要的數(shù)據(jù)給ISM-FEP，再給ISM系統(tǒng)服務(wù)器。

（5）方案五

ISM系統(tǒng)與“申通數(shù)據(jù)中心”接口，3C-CFEP將數(shù)據(jù)送給“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”將數(shù)據(jù)送給“申通數(shù)據(jù)中心”，由數(shù)據(jù)中心對外接口

。2.2 接口方案對比

可以看出，方案一將導(dǎo)致生產(chǎn)網(wǎng)側(cè)單向擺渡系統(tǒng)壓力翻倍。方案二雖然略增加了3C-CFEP的處理壓力，但集成管理可保證3C不受影響。方案三和方案四中如果ISM周期性地向生產(chǎn)網(wǎng)側(cè)CFEP請求設(shè)備全量狀態(tài)數(shù)據(jù)，將造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因此要求ISM必須嚴(yán)格遵守客戶端在本連接建立有效期內(nèi)，只發(fā)送一次全量數(shù)據(jù)的要求，且這兩種方案并不能有效減少網(wǎng)絡(luò)延時，因?yàn)殡m然節(jié)省了3C-CFEP的解析和轉(zhuǎn)發(fā)，但仍需要有ISM-FEP的存在，網(wǎng)絡(luò)總體延時基本一致。方案五由于數(shù)據(jù)中心原有數(shù)據(jù)不包含ISM系統(tǒng)所需信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)，若需使系統(tǒng)數(shù)據(jù)滿足ISM系統(tǒng)的要求，對3C-COCC數(shù)采系統(tǒng)和申通數(shù)據(jù)中心的協(xié)議改動量較大，且與數(shù)據(jù)中心的定位不符，因此該方案存在不可行性，在此不予考慮。ISM系統(tǒng)通過新增工程車專用CFEP服務(wù)器，接收由管理網(wǎng)側(cè)的CFEP服務(wù)器發(fā)送的實(shí)時數(shù)據(jù)。受原單向網(wǎng)閘冗余策略的影響，主、備3C-CFEP不同時向ISM-CFEPA和ISM-CFEPB發(fā)送數(shù)據(jù)，但單個3C-CFEP需同時向ISM-CFEPA和ISM-CFEPB發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣處理一是可保證系統(tǒng)的冗余性，以防單臺ISM-CFEP出錯時系統(tǒng)癱瘓；二是因原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致只有一臺3C-CFEP可以發(fā)送數(shù)據(jù)，因此采用該種方案。

3 線路側(cè)信號接口方案

為適應(yīng)上海地鐵不同線路線路側(cè)設(shè)備不統(tǒng)一的情況，研究確定了4種設(shè)備部署及網(wǎng)絡(luò)接口方案

。3.1 方案一

通過串口接口與段場的聯(lián)鎖MMI(manmachineinterface)進(jìn)行通信。信號供應(yīng)商的主要工作量為（1）開發(fā)通信協(xié)議；（2）聯(lián)鎖MMI存在多個版本，需要多次開發(fā)定制產(chǎn)品。上海地鐵1號線、2號線、3號線和4號線可采用該方案。12號線、13號線、16號線、17號線、15號線和18號線采用直連架構(gòu)，不再配置聯(lián)鎖MMI,因此需要采用其他方案。

3.2 方案二

通過串口接口與段場的聯(lián)鎖維護(hù)臺進(jìn)行通信。信號供應(yīng)商的主要工作量為

（1）開發(fā)通信協(xié)議；

（2）段場聯(lián)鎖SDM（systemdiagnosismaintenancesystem）軟件存在多個版本，需要多次開發(fā)定制產(chǎn)品。上海地鐵1號線、2號線、3號線、4號線、12號線、13號線、16號線和17號線可采用方案二。15號線和18號線已經(jīng)采用集中監(jiān)測CMSS(centralizedmaintenancesupportsystem)的架構(gòu)，不再配置聯(lián)鎖SDM，因此需要考慮采用其他方案。

3.3 方案三

通過網(wǎng)絡(luò)接口與線路ATS進(jìn)行通信。信號供應(yīng)商的主要工作量為

（1）開發(fā)通信協(xié)議；

（2）通過OCC-FEP與ISM系統(tǒng)通信；

（3）各線ATS版本不一致，需要多次開發(fā)定制產(chǎn)品。上海地鐵還有幾條既有線路，包括1號線、3號線和4號線，因設(shè)備老舊，目前的系統(tǒng)架構(gòu)不能支持該接口方案。

3.4 方案四

通過網(wǎng)絡(luò)接口與段場或單獨(dú)線路的OCC的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行通信。信號供應(yīng)商的主要工作量為

（1）開發(fā)通信協(xié)議；

（2）部分地鐵既有線路的監(jiān)測終端需要升級為最新系統(tǒng)以適配新監(jiān)測軟件，6號線、7號線和4號線蒲匯塘停車場已經(jīng)改造完成；12號線、13號線和16號線正在進(jìn)行平臺改造；其他未進(jìn)行改造線路目前不支持該接口方案。綜合比較，線路方案四可行性較高、覆蓋范圍較大；然而如果采用方案四亦需新增前置服務(wù)器，且與網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號3C接口方案相似性較高。鑒于此，信號接口方案采用方案二進(jìn)行試點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文針對ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口方案進(jìn)行對比研究，提出了5種網(wǎng)絡(luò)側(cè)方案及4種線路側(cè)方案。通過上述方案的對比研究，網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號接口方案推薦采用ISM系統(tǒng)與管理網(wǎng)CFEP接口方案，在略增加了現(xiàn)有管理網(wǎng)側(cè)3C-CFEP的處理壓力情況下，可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)聯(lián)鎖信息與ISM系統(tǒng)的接口，并對現(xiàn)有的系統(tǒng)不會造成影響。而線路側(cè)信號接口方案網(wǎng)絡(luò)延遲明顯優(yōu)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號接口方案，但由于其要求在各個段場增加設(shè)備，因此整體費(fèi)用會明顯高于網(wǎng)絡(luò)側(cè)方案，且因基地及OCC地理位置分散導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)難度相應(yīng)提升。因此，ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口推薦采用網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號接口方案。后續(xù)將針對網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號接口方案的網(wǎng)絡(luò)延遲問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對全網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)鎖信息進(jìn)行統(tǒng)一采集與分析，在實(shí)現(xiàn)ISM系統(tǒng)對工程車冒進(jìn)信號、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等事故的防護(hù)功能的同時，對全網(wǎng)工程車進(jìn)行靈活調(diào)配，實(shí)現(xiàn)平峰時與地鐵列車混跑，積極推動城市軌道交通的智能化。

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作者： 張軼  單位：上海申中軌道交通運(yùn)行安全工程技術(shù)研究有限公司