基于云計算的現代有軌電車行車指揮綜合自動化系統研究

李 弘

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

伴隨著國內城市化進程的推進，城市軌道交通規模呈現出穩步增長的趨勢。現代有軌電車屬于中、低運量城市軌道交通方式，具備節能環保、安全快捷的優勢，與地鐵相比建設投資小、建設周期短，適合作為城市地鐵交通主干網的延展和補充，對于提升整個城市軌道交通的覆蓋范圍和運營效率有重要的意義。因此，現代有軌電車逐漸迎來了廣闊的市場前景。

現代有軌電車運營管理涉及的專業多達數十個，這些專業最初采用分立建設的方案，各自獨立成系統，彼此間通過各種接口進行數據交換。伴隨現代有軌電車運營經驗的不斷累積及自動化技術水平的快速發展，運營單位對各專業系統信息融合、集中控制、綜合管理的需求日益強烈，有軌電車行車指揮綜合自動化系統成為了必然的發展趨勢。該系統能夠通過集成或互聯的方式將各專業系統整合，實現以行車為核心的綜合運營平臺。

云計算技術在互聯網領域的應用日趨成熟，近年來已逐漸推廣至城市軌道交通運營管理領域，云計算技術的應用為有軌電車行車指揮綜合自動化系統提供了統一的軟硬件平臺，為各專業系統的深度集成提供有力的技術保障。

本文將介紹有軌電車行車指揮綜合自動化系統（以下簡稱“行車綜自系統”）特點，并探討在云計算技術條件下實現該系統的解決方案。

2 行車綜自系統

有軌電車行車指揮綜合自動化系統深度集成行車指揮、電力監控、機電監控等核心專業，與運營相關其他專業互聯，依托統一的信息平臺實現以行車為核心的有軌電車綜合運營調度。

有軌電車各個系統均是為保障運輸的安全、高效而服務的，有軌電車的神經中樞即為信號系統，以行車指揮為核心的綜合自動化系統將信號系統中的ATS 子系統深度集成，為實現各個系統協調動作直接服務于“運輸”提供統一技術平臺。

近年來的有軌電車建設呈現出以下特點：線路成網、非優先路權、平交路口增多、人行道增多。伴隨著上述特點的出現，有軌電車運營環境越來越復雜，因此在面對突發狀況時，調度指揮系統要在極短的時間內做出正確的判斷，并向各專業下達正確的處理措施。行車綜自系統通過集成或互聯其他系統建立以行車為核心的聯動模式，提升運營單位的應急反應能力。

行車綜自系統深度集成的系統包括行車指揮、電力監控和環境與設備監控，實現車、電、機一體化監控功能。系統可根據實際工程情況集成或互聯與列車運營有緊密聯系的系統，例如：乘客信息系統、廣播系統、視頻監控系統、門禁安防系統、火災報警系統等。

基于云計算的行車綜自系統應與部分系統保持互聯關系，例如：

1) 從安全完整性角度考慮，應與信號系統中的涉安子系統保持互聯；

2) 從信息安全角度考慮，應與客票系統、城市道路交通信號控制系統保持互聯；

3) 從裝備專業性角度考慮，應與傳輸系統、無線系統、電話系統、時鐘系統保持互聯。

本文中系統采用在控制中心深度集成核心專業系統的方案，即：行車綜自系統在控制中心依托云計算平臺深度集成行車指揮系統、電力監控系統、機電監控系統；行車綜自系統與乘客信息系統、廣播系統、視頻監控系統、門禁安防系統、火災報警系統、客票系統、時鐘系統通過接口互聯。

3 行車綜自系統的組成

行車綜自系統設備全部部署在線路控制中心，如圖1 所示，在控制中心與乘客信息系統、廣播系統、視頻監控系統、客票系統、時鐘系統通過控制中心主干網互聯，與信號系統的道岔控制系統、路口控制系統、車載控制系統、場段聯鎖系統通過主干網互聯，與變電所（包含一般變電所、箱式變電所等）、停車場/車輛段內的各專業現地級監控系統通過主干網互聯，包括變電所綜合自動化系統、門禁安防系統、火災報警系統、環境與設備監控系統。

系統在線路控制中心的設備主要包括：云計算平臺設備、網絡設備、行車調度工作站、設備調度工作站、信息調度工作站等各類調度工作站。

圖1 行車綜自系統組成Fig.1 Composition for the integrated automation system of traffic control

云計算平臺是系統的核心，采用私有云方案，硬件采用高密度云計算服務器集群，軟件采用云計算管理軟件，為行車綜自系統提供IaaS（Infrastructure as a Service）服務，實現系統數據庫服務器、業務應用服務器、接口服務器等服務器的虛擬化，通過虛擬化網絡管理功能提供系統虛擬化服務器與主干網的網絡通信。

與各專業系統分立的傳統方案相比，基于云計算平臺的行車綜自系統具備以下幾個特點。

1）統一的資源管理。系統通過高密度云計算服務器集群代替了傳統的服務器設備、存儲設備和網絡設備，利用云計算管理軟件統一管理計算資源、存儲資源、網絡資源。統一的資源管理能夠簡化系統硬件結構，提升系統資源利用率，降低運營維護成本。

2) 統一的軟件平臺。在云計算平臺的基礎上，根據業務特點提供多種操作系統虛擬機，并建立基礎軟件平臺，包括：實時通信總線、實時數據庫、歷史數據庫、數據采集基礎協議庫等。

3) 統一的網絡通信。系統內部設備通過統一的網絡實現數據交互。系統利用虛擬網絡管理功能，在云平臺內設置不同的VLAN 和端口組，實現內部網絡和外部網絡的隔離。

4) 統一的可用性管理。系統根據業務需要設置虛擬服務器的冗余方式，例如：故障恢復要求在分鐘級的業務，為其虛擬服務器設置HA（High Availability）方式，即云平臺部分硬件故障導致業務中斷，可在云平臺中其他硬件設備中重啟虛擬服務器；故障恢復要求在秒級或要求無縫切換的業務，為其虛擬服務器設置FT（Fault Tolerance）方式，即云平臺為該虛擬服務器構建非活動副本，并實現內存級同步，當業務中斷時，云平臺激活副本，保證業務無縫切換。

5) 統一的信息安全管理。通過云計算平臺安全管理組件實現系統的信息安全管理。系統根據具體工程的信息安全等級保護要求配置相關設備。

系統依托云計算平臺高可用性等技術特點，優化系統功能分配方案，主要表現在以下幾個方面。

1) 信號系統架構優化。道岔控制系統、路口控制系統、車載控制系統保留對現地、車輛的基本監控功能，將涉及行車計劃、運營管理的功能，上提至控制中心的行車綜自系統。例如，在停車場/車輛段不再設置聯鎖操作工作站，行車綜自系統通過主干網與聯鎖主機互聯，將列車運用管理工作站移至控制中心，在控制中心實現場段信號設備監控和列車運用管理工作。

2) 變電所實現綜合監控。變電所電力監控綜合自動化系統實現對環控設備、門禁設備、安防設備、火災報警系統設備等所內設備綜合監控。行車綜自系統不必在所內設置接口設備，通過與變電所綜自系統互聯，在控制中心實現對變電所的全面監控。

3) 場段機電監控系統優化。場段內的門禁安防、火災報警、環境與設備監控系統僅保留現地級監控功能，其他運營相關功能上提至中心行車綜自系統。系統通過主干網與場段機電監控系統互聯，在控制中心實現對場段機電設備的全面監控。

4) 冗余主干網保證通信可用性。主干網為兩個雙向自愈、獨立鏈路的環網，單網故障或單點故障下不影響控制中心與現場、變電所、停車場/車輛段的網絡通信。

基于云計算的行車綜自系統，通過對云計算平臺的合理應用和系統功能分配優化，實現了運營管理的崗位綜合化、業務中心化、設備簡約化，明顯提升了運營管理效率、降低了運營人工成本、減少了設備維護成本。

4 行車綜自系統的架構

如圖2 所示，行車綜自系統架構分為5 個層次：資源層、虛擬化層、系統層、平臺層、應用層。

資源層由高密度云計算服務器實現，為系統提供硬件資源；虛擬化層由云計算管理系統實現，為系統提供各項資源管理、可用性管理等；系統層由Linux、Windows 等操作系統實現；資源層、虛擬化層、系統層為核心專業系統設備的深度整合提供了必要的支撐。

平臺層由以下通用組件構成。

1) 實時通信總線：以開放式的協議實現系統內各類應用模塊的實時通信，并能夠保證各模塊間通信的實時性、可靠性、安全性，是多專業系統協同的關鍵信息通道。

2) 實時數據庫：為各類應用模塊提供通用接口，支撐應用模塊的大容量實時數據存儲與訪問，是各專業實時數據全面開放共享的關鍵技術基礎。

3) 歷史數據庫：提供統一的存儲訪問接口，為各專業數據深度融合的關鍵基礎。

4) 通用通信協議：封裝行業內多種標準協議，例如，RSSP-I、RSSP-II、MODBUS、IEC104 規約等，支撐系統與外部系統的數據交互。

同時，平臺層提供多種功能性通用組件，包括：GIS 服務組件、權限管理組件、日志管理組件等，有力支撐各專業應用模塊的功能實現。

圖2 行車綜自系統架構Fig.2 Architecture for the integrated automation system of traffic control

應用層主要包括：列車自動監控業務軟件、電力監控業務軟件、環境與設備監控業務軟件、與其他專業接口軟件等。應用層軟件通過實時通信總線實現信息交互，通過實時數據庫實現實時信息共享，通過通用組件實現通用性功能，通過通用通信協議庫實現與外部系統的數據交互。

5 行車綜自系統的功能

基于各專業系統深度整合的系統結構，行車綜自系統在實現所集成專業系統的全部傳統功能的基礎上，具備多專業信息融合、多專業聯動的功能特點。

以行車指揮為核心的綜合自動化系統，在列車自動監控界面上能夠綜合展示與運營緊密相關的設備狀態，同時具備設備操作功能，例如：

1) 在列車監控全景圖中顯示牽引供電設備（供電區段狀態或充電裝置）的狀態；顯示隧道通風設備、各類電梯等機電設備的狀態；顯示視頻監控設備、乘客信息系統設備、廣播系統設備等通信專業的設備狀態，顯示火災報警狀態，顯示車站實時客流狀態等；

2) 在電力監控全線接觸軌圖或全線一次圖中實時顯示列車信息，包括：列車車組號、列車方向以及列車的位置等，當某段接觸軌的電力負載接近超限或某列車充電異常時，顯示顯著的顏色標識，并可發出警示；

3) 在列車監控全景圖中，提供通過點擊列車識別號圖標下達車載調度命令、列車無線呼叫、發布列車PIS 信息、發布列車PA 信息功能；

4) 在列車監控界面，通過點擊車站、列車、設備標識，實現各專業界面切換。

行車綜自系統多專業信息融合功能消除了信息孤島現象，提升了運營單位對線路運營情況全面掌控的能力，運營人員能簡單、迅速地獲取所需要的數據，降低了不同崗位之間的溝通成本，提升了運營指揮效率。

行車綜自系統具備以行車指揮為核心的跨專業系統聯動功能，并能夠根據工程需求配置。在滿足聯動觸發條件時，系統通過自動、半自動或手動的方式，指揮多專業協同動作。例如：

1) 早間運營模式：根據列車運行時刻表中首輛車到站時間和正線實際運營情況，提前執行電力監控系統、環境與設備監控系統、乘客信息系統、廣播系統等的早間運營聯動；

2) 晚間停運模式：根據列車運行時刻表中末輛車離站時間和正線實際運營情況，滯后執行電力監控系統、環境與設備監控系統、乘客信息系統、廣播系統等的晚間停運聯動；

3) 突發事件（如火災、交通事故等）模式：根據突發事件車站、列車、區間觸發聯動，產生報警信息，推送現場視頻監控畫面。系統提示運營人員更換運行計劃，并推薦合理的交路計劃；

4) 車站客流過多：根據客流量統計結果對中心運營人員發出車站客流過多的報警并提示運營人員是否增派臨時客車；

5) 列車停站超時：當列車停站超時，在調度界面報警，并推送現場視頻監控畫面。

行車綜自系統的跨專業聯動功能打破了系統間的專業壁壘，提升了運營單位的綜合指揮能力、縮短了事故反應時間、加強了應急處置能力，有力地保障運營安全，提升運營效率。

6 結束語

有軌電車綜合自動化系統通過各專業系統信息的緊密有序融合及各專業系統的聯動控制機制，依托云計算平臺實現車、電、機等核心專業的一體化集中監控。系統能夠提升運營效率，降低運營成本，提高運營人員對突發事件的應急處理能力，為有軌電車的平穩運營提供牢固的保障。本文介紹了基于云計算的有軌電車綜合自動化系統的概念，并從系統組成、系統架構、系統功能的角度進行論述，形成了一種系統解決方案。