對CBTC系統中車載信號設備數據管理的研究

董俊超，李兆齡

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 概述

在CBTC系統中，車載信號設備利用本地存儲的數據完成列車定位、限速計算及自動駕駛等功能。當線路或地面設備信息發生變化時，需要對車載信號設備數據進行更新和驗證。中國城市軌道交通協會近期發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》提出了網絡化運營的建設目標，在CBTC系統互聯互通技術攻克后，利用CBTC系統互聯互通技術實現網絡化運營將是今后的主要趨勢。工程實施過程中對數據的更新難以避免，線路延伸后，需對線網內所有車載信號設備以人工方式逐一進行數據更新，實施成本巨大且容易引入安全風險。為解決這一問題，需要一種自動化的、便于管理的車載信號設備數據管理方式及配套系統。

2 數據內容及應用場景分析

車載信號設備數據可以分為3部分：電子地圖、設備參數、車輛參數。

根據城市軌道交通《基于通信的列車運行控制系統（CBTC） 互聯互通系統規范》第3部分：車載電子地圖，電子地圖數據內容包括線路數據、軌道區段數據、軌旁設備數據及安全通信協議棧數據。當工程應用中出現線路改造、延長線開通、支線開通等情況時，電子地圖數據將發生變化，車載信號設備需要進行數據更新。

設備參數是指車載信號設備相關的參數，例如通信延時閾值、采集濾波周期等。一般情況下，當使用環境或使用場景發生變化時，設備參數可能需要進行相應調整。設備故障等原因對存儲設備參數的硬件進行更換時，需要對設備參數進行備份。

車輛參數是指車輛相關的參數，例如最大加速/減速度、輪徑值等，設備故障等原因對存儲設備參數的硬件進行更換時，需要對設備參數進行備份及更新。

3 數據管理系統結構和功能

3.1 系統結構

車載信號設備數據管理系統（簡稱數據管理系統）由數據服務器和數據操作終端組成，電子地圖數據、設備參數數據以及車輛參數數據存儲在數據服務器中。如圖1所示，數據管理系統通過CBTC系統安全網與車載信號設備及地面信號設備建立通信連接。

圖1 車載信號設備數據管理系統結構Fig.1 Onboard signaling equipment data management system structure

3.2 電子地圖數據更新

3.2.1 電子地圖下載方案

為滿足數據更新時的倒切需求，數據服務器中可存儲多個版本的電子地圖數據并設置管理標簽（例如測試中、未啟用、已啟用）。操作人員通過數據操作終端將電子地圖數據上傳至數據服務器后，數據管理系統對電子地圖數據進行校驗并檢查與地面信號設備中存儲數據版本的適配性，通過后方可使用。

需對車載信號設備電子地圖數據進行更新時，操作人員通過數據操作終端啟動電子地圖下發流程。

1） 數據管理系統向車載信號設備發送“數據下發”命令。

2） 車載信號設備在確保行車安全的前提下，完成命令校驗后反饋“準備接收”信息。

3） 數據管理系統收到“準備接收”信息后，向該設備發送電子地圖數據。

4） 車載信號設備完成數據接收后進行校驗，校驗通過時反饋“接收成功”信息，數據下發流程結束。

5）若車載信號設備對電子地圖數據的校驗失敗，反饋“接收失敗”信息，數據管理系統重新向該設備發送電子地圖數據。

6）電子地圖下發流程中出現異常時，終止本次數據下發流程。

為降低存儲元器件隨機失效引起的安全風險，車載信號設備應定期對本地存儲的電子地圖數據進行自檢。發現數據損壞時，車載信號設備可向數據管理系統發起“數據請求”，數據管理系統對“數據請求”進行校驗，通過后啟動電子地圖下發流程。

3.2.2 電子地圖下載方案工作量分析

對車載信號設備的電子地圖數據進行更新需要經歷數據準備、數據測試、數據升級3個階段。

1）數據準備階段完成數據的編制及室內驗證工作。

2）數據測試活動要在不影響信號系統正常運營的基礎上進行，通常在非運營時段使用單列車進行新數據測試工作并在運營前恢復為運營數據。由于測試時間有限，數據變化較大時需進行多輪次的數據測試活動。

3）數據升級階段，需要對所有車載信號設備進行數據更新及數據驗證工作。

引入數據管理系統前，需要在指定時段內對車載信號設備進行數據更新并進行測試工作，測試結束后需要恢復運營數據并重新驗證數據的正確性。由于數據更新、恢復及驗證占用了大量時間，實際數據測試時間較少。

引入數據管理系統，數據編制完成后即可在數據服務器中存儲新的電子地圖數據，該數據啟用前不會對正常運營造成影響。數據測試階段可快速完成數據倒切并進行測試工作。由于數據倒切過程由系統自動完成，降低了因人為失誤引入的數據錯誤風險，恢復運營數據后無需進行驗證工作。引入數據管理系統前后的數據測試工作量對比如圖2所示。

圖2 數據測試工作量對比Fig.2 data test workload comparison

引入數據管理系統前，需要以人工方式逐一對每套車載信號設備進行電子地圖的更新和驗證。

引入數據管理系統后，通過數據終端可同時向所有車載信號設備下發電子地圖數據，且通過自檢確保數據的一致性，無需進行數據驗證。引入數據管理系統前后的數據升級工作量對比如圖3所示。

圖3 數據升級工作量對比Fig.3 Data update workload comparison

綜上所述，引入數據管理系統可以有效降低電子地圖更新的工作量，同時提高數據更新過程的可靠性。

3.2.3 電子地圖實時傳輸方案

電子地圖下載方案中考慮到網絡傳輸性能的限制，電子地圖依然需要提前存儲在車載信號設備中。

隨著通信技術的發展，目前LTE技術在城市軌道交通領域已進入實用化的階段，對5G技術的應用處于探索階段，新的通信技術使電子地圖數據的實時傳輸成為可能。通過調整電子地圖數據傳輸機制可實現電子地圖數據的實時傳輸，如圖4所示。

圖4 電子地圖實時通信方案Fig.4 Real-time communication scheme of electric map

電子地圖數據實時傳輸方案中，地面信號設備可通過應答器向車載信號設備提供基本線路數據。車載信號設備通過應答器完成定位后，若缺少可用的電子地圖數據，則啟動電子地圖傳輸流程。

車載信號設備向數據管理系統發送包含列車位置的“數據請求”。數據管理系統收到“數據請求”后，根據列車位置以及地面信號設備提供的運營信息判斷列車運行范圍，篩選需要發送的電子地圖數據后向車載信號設備發送“數據下發”信息。車載信號設備收到“數據下發”信息后，在確保行車安全的前提下，反饋“準備接收”信息。數據管理系統收到車載信號設備反饋的“準備接收”信息后，發送電子地圖數據。車載信號設備完成數據接收后進行校驗，校驗通過時反饋“接收成功”信息，傳輸流程結束。若車載信號設備對數據的校驗失敗，反饋“接收失敗”信息，數據管理系統重新向該設備發送電子地圖數據。若在電子地圖更新流程中發現異常，終止本次電子地圖傳輸流程并報警。

為了實現互聯互通跨線運行及分階段開通需求，電子地圖數據可分區域存儲在數據服務器中。如圖5所示，當線路數據出現變化時，僅需要修改或新增區域數據，對其他區域數據不會產生影響。

圖5 電子地圖分區存儲及發送Fig.5 Electric map storage in partitions and transmission

為避免車載信號設備因使用老舊數據而發生異常，數據管理系統發送的電子地圖數據中應包含數據有效期信息，車載信號設備需對數據有效期進行校驗。當數據失效或即將失效時，車載信號設備可以重新向數據管理系統發出電子地圖數據請求。

實時傳輸方案中電子地圖數據的存儲更加靈活，能夠進一步降低電子地圖數據更新的時間和成本。

3.3 設備參數及車輛參數備份與恢復

為了在車載信號設備硬件更換時快速恢復原有數據，數據管理系統需要提供設備參數及車輛參數備份服務。設備參數和車輛參數可能存在差異，需要根據設備ID分別進行存儲。由于備份數據存在時效性，錯誤地使用舊數據可能存在安全風險，因此必須采技術或管理措施來確保備份數據的時效性。當設備參數及車輛參數需要更新時，提供3種數據備份方案。

方案一：維護人員分別更新車載信號設備和數據管理系統中的數據，確保其一致性。

方案二：維護人員通過數據操作終端修改數據管理系統中的相應數據。數據管理系統將更新后的數據下發至車載信號設備，并根據反饋信息檢查數據更新的正確性。

方案三：當維護人員于車載信號設備端對設備參數及車輛參數進行更新時，車載信號設備向數據管理系統發送備份數據，僅當數據備份成功時車載信號設備使用該數據。

為了在確保可用性和正確性的基礎上盡可能降低人工成本，可將上述3種方案進行結合，采用方案二或方案三，數據更新發生異常時，人工介入并按照方案一進行處理。

當車載信號設備出現異常需要恢復設備參數或車輛參數時，執行數據恢復流程如下。

車載信號設備向數據管理系統發送“恢復申請”信息，該信息包含設備ID及恢復數據的類型（設備參數、車輛參數）。數據管理系統收到申請后，根據設備ID及恢復數據的類型取出備份數據并提示維護人員確認數據正確性。維護人員確認數據正確后，數據管理系統向車載信號設備發送備份數據。車載信號設備接收備份數據后進行校驗，校驗通過時反饋“恢復成功”。若車載信號設備對備份數據的校驗失敗，反饋“接收失敗”信息，數據管理系統重新向該設備發送數據。若在數據恢復流程中發現異常，終止本次數據恢復流程并報警，由人工介入處理。

通過數據管理系統對設備參數和車輛參數進行管理、維護，提供直觀的、可視化的操控界面輔助維護人員進行判斷和處理，能夠有效提高管理效率。

4 結束語

通過數據管理系統提供車載信號設備數據管理、更新及故障恢復的方法，能夠有效的降低數據更新的成本。通過自動化控制及檢測手段降低了因人為失誤引入數據錯誤的風險。數據管理系統周期采集并維護車載信號設備的數據狀態并提供可視化信息，使維護人員能夠直觀的進行監控和管理，提高管理效率。