城市軌道交通信號系統的實時數據接口研究

李潤錦 許華陽

(廣州鐵科智控有限公司，510710，廣州//第一作者，工程師)

城市軌道交通信號系統通常由列車自動控制(ATC)系統和車輛段信號控制系統兩大部分組成，具備列車進路控制、列車間隔控制、調度指揮、信息管理、設備工況監測及維護管理等功能。它是一個高效的綜合自動化系統，是保證列車安全運行、實現行車指揮和列車運行現代化，以及提高運輸效率的關鍵設備。

目前,我國城市軌道交通的信號系統廠商主要有西門子、GRS(通用鐵路信號有限公司)、阿爾斯通、阿爾卡特、卡斯柯、鐵科院等，各廠商的信號系統選擇的技術路線、實現方式、系統結構等各不相同，甚至同一個廠家早期的信號系統與后續經過改進的信號系統也不盡相同。同時，由于信號系統在設計上一般都比較封閉，因此每一條城市軌道交通線路的信號系統基本都是獨立運行、單獨調度和監測。為方便管理，線網運營需要將各個系統整合并進行集中監測，因此城市軌道交通信號系統實時數據接口的研究顯得尤為重要。

本文針對廣州地鐵采用的信號系統，提出信號系統數據傳輸方式及接口標準，并結合工程實際情況取得了一定的應用成果。

1 信號系統實時數據接口方案分析

針對目前廣州地鐵采用的信號系統，建立實時數據傳輸接口，該接口可適配于各個信號廠商系統，可對數據進行采集處理。根據實時數據接口的特性，各信號系統的數據架構和設備類型均存在一定差異，因而系統產生的相關信息在數據格式、傳輸方式、傳輸協議及數據存儲等方面均不相同。

1.1 報警數據

通過標準接口的建立，實現其與信號系統的報警信息數據同步(標準接口一般與信號系統中的軌旁設備監測系統連接)，以及實現集中報警監測。報警信息原則上包含以下內容：

1)報警標志：信號系統內部用于對每條報警信息標記的唯一性ID(標志)；

2)報警級別：按重要程度和影響程度分為3個等級，一般按 A、B、C 3個等級進行劃分，且每一種報警信息等級需單獨定義；

3)報警時間：用于記錄信號系統產生報警時的系統時間；

4)報警代碼：信號系統內部用于標記報警信息的唯一性代號；

5)報警類型：用于對信號系統內部的同類報警信息進行分組，一般以設備類型或模塊進行分類；

6)報警設備：用于確定發生報警的具體設備或模塊，亦可以是關聯的系統或設備(該條目信息不一定存在)；

7)報警內容：包含詳細的報警信息內容和說明，用于提示維修人員快速確定報警設備并對其進行快速修復；

8)備注：用于記錄其他盡可能詳細的輔助信息。

標準接口以“報警狀態+報警值”的方式進行統一設計，以實現各信號系統報警信息的標準化。報警信息中的“報警類型”即為報警狀態，具體的“報警內容”即為報警值，且各信號系統的報警信息均應遵循統一規范。

1.2 列車狀態數據

在城市軌道交通信號系統中，列車狀態數據主要包括列車運行速度、駕駛模式及列車位置等信息。監測城市軌道線路上列車的運行狀態，形成線網級的集中管理，一般需要包括以下信息：

1)時間戳：信號系統通過接口傳輸列車狀態數據時顯示的系統時間；

2)狀態標志：用于對信號系統內部的每條列車狀態信息進行標記的唯一性ID；

3)車次號：當前信息所屬的列車車次號；

4)車體號：當前信息所屬的列車設備編號；

5)目的地碼：用于標記當前列車的目的地編碼；

6)列車速度：用于指示當前列車的運行速度；

7)駕駛模式：用于指示當前列車運行的模式，包括人工駕駛模式和自動駕駛模式；

8)列車位置：用于指示列車在當前線路上所處的具體位置。信號系統一般使用計軸、應答器及區段等表示列車位置，并通過預先配置的相關信息對接口傳輸的數據進行解讀和匹配。

列車狀態數據的接口一般通過ATS(列車自動監控)系統實現，ATS系統中的報警數據格式應遵循統一的報警數據接口規范。

1.3 數據傳輸方式

目前，廣州地鐵使用的信號系統整體運行穩定，網絡管理比較嚴格，病毒防范要求亦較高。因此，對于新增接口建議采用以下兩種方式：

1)串口傳輸。信號系統的設計通常較為嚴格，特別是對于網絡的要求亦非常高。為避免新增接口對原系統造成影響，防范病毒入侵，可考慮在原有接口的基礎上使用串口的方式接入，通過串口外接數據接收設備，自定義數據傳輸協議，實現數據單向傳輸及報警信息實時同步。

2)網絡傳輸。考慮到目前使用的信號系統整體運行穩定，不適宜對原系統的設計做太大改動，故應保持原信號系統數據傳輸的一致性，再加上列車狀態數據的傳輸量非常大，因此可以使用網絡接口RJ45，通過TCP/IP(傳輸控制協議/互聯網協議)來傳輸數據，這樣既可以保證數據的及時傳輸，又不需要對原有信號系統進行大幅改動。同時，為了防范病毒入侵，一般在接入點增加硬件防火墻設備，通過配置防火墻參數，限制外部接口接入，保證信號系統安全運行。

3)網絡轉串口傳輸。為滿足網絡綜合安全性和大數據量傳輸的要求，可使用網絡轉串口的設備模塊。目前該類型的設備模塊較多，技術比較成熟，既能滿足大數據量的傳輸需要，又能達到網絡隔離的效果。

1.4 傳輸協議

傳輸協議的數據格式應統一標準。實際操作時應首先確定傳輸方式，再規約需要的傳輸協議對數據進行封裝。對于不同類型的數據以及不同的傳輸方式，均使用相同的傳輸協議，以實現后續各線路信號系統的無縫接入。

標準的傳輸協議包含幀頭、版本號、幀類型、數據段長度、數據域、幀尾等項目，其相關內容和具體長度，應由各方在項目實施時具體確定。各方應遵循統一的傳輸協議格式，靈活配置幀頭和幀尾(一般建議統一)，通過“幀類型”的數據幀來區分不同的信息，并進行相應解讀和處理。

除報警數據和列車狀態數據外，需額外增加心跳包，其中心跳間隔可靈活配置，以便用于監測接口是否正常運行。

1.5 數據存儲

在數據接收設備上運行自主研發的適配器軟件，根據約定的接口標準對接收數據進行翻譯和處理，并增加線路信息，實時將相關數據保存到數據庫，以實現數據的標準化及統一管理。通過在中央服務器建立的相關數據分析軟件，實時對相關報警數據進行推送，同時前臺軟件界面通過數據調用，實時展現各線路運行圖，實現多線路信號系統的線網級集中監測和管理，如圖1所示。

圖1 數據傳輸原理圖

1.6 主要技術

1.6.1 網絡結構模式

為了提高數據訪問的便捷性及系統的可用性，降低系統的使用門檻，實時監測系統的前端應用宜采用B/S(瀏覽器/服務器)模式進行開發。

B/S架構是WEB(萬維網)興起后的一種網絡結構模式。WEB瀏覽器是客戶端采用的最主要的應用軟件。這種模式統一了客戶端，將系統可實現的部分核心功能集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。客戶機上只要安裝一個瀏覽器，即可實現數據的訪問和交互，因而系統較易在多個終端上使用。

1.6.2 多線程技術

多線程技術是指從軟件或者硬件上實現多個線程并發執行的技術。該技術可以充分利用系統資源，使得程序響應速度更快，從而提升整體處理性能。

信號系統的接口數據量非常大，只有通過優化數據處理的方式才能提升接口性能。應用多線程技術如同設置多人同時工作，當接收到大量數據并需要處理時，各線程可以按照自身設定的任務邏輯，同步處理各自需要處理的數據，避免了在單線程的條件下，數據因需逐個排隊處理、耗費大量等待時間的情況。

1.6.3 模塊化設計

模塊化設計是將產品的某些要素組合在一起，構成一個具有特定功能的子系統。將這些子系統作為通用性的模塊與其他產品要素進行多種組合，構成新的系統，從而產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產品。

因信號系統廠家較多及線路逐漸增加，考慮到今后接口的擴展需要，接口的設計必須靈活配置，以便隨時接入新的信號系統或新的線路。因此，接口應按功能模塊進行設計，結合多線程技術，通過配置新接入的信號系統所匹配的功能模塊，以獨立線程運行的方式處理接入的數據，實現模塊化的靈活配置，以及新系統或新線路的快速接入。

2 接口適配器軟件的創新性

根據接口的設計規范進行接口適配器軟件的開發。該軟件用于配置與信號系統數據接口的連接，并對接收到的數據進行加工處理，從而提供給后臺程序使用。信號系統報警數據的接收界面和前端數據的展示界面如圖2所示。

圖2 信號系統報警數據的接收界面

接口適配器軟件的開發在我國城市軌道交通信號系統中尚屬首創，該軟件實現了多個信號系統的數據整合，其創新性主要體現在以下方面：

1)具備模塊化、可擴展化的特性，針對不同信號系統定制不同的處理模塊；

2)高效采集整合不同線路信號系統的報警信息，典型關鍵設備的故障準確率達92%以上；

3)可通過個人電腦、平板、手機等終端設備實時監測城市軌道交通信號系統的相關信息。

3 結語

接口適配器軟件在城市軌道交通信號系統平臺化建設中起著關鍵作用，通過軟件可實現城市軌道交通不同線路信息的統一存儲，實現管理信息的共享，從而提高線網運營的有效協作和快速反應。通過對不同廠商協議進行分析，便于制定后續標準數據接口規范，從而形成統一管理平臺，不同信號廠商系統的數據在同一平臺上集成利用。