行車指揮綜合自動化系統(tǒng)的集成方案設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

杜 凡，郝明雷，鄭 軍

（1.城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100068；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京100081）

城市軌道交通是一個復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程，涉及的大大小小的專業(yè)有上百個。各業(yè)務(wù)形成了獨(dú)立系統(tǒng)，例如環(huán)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)之間通過各種接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和控制。隨著地鐵運(yùn)營經(jīng)驗的不斷累積和自動化技術(shù)的快速發(fā)展，地鐵運(yùn)營對于系統(tǒng)之間信息的快速共享，突發(fā)事件的綜合、快速應(yīng)對能力的需求也越來越強(qiáng)烈，因此，綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，做到了多系統(tǒng)的整合，通過統(tǒng)一的軟、硬件平臺，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)控、電力、屏蔽門、通信等多系統(tǒng)的監(jiān)督、控制、管理和協(xié)調(diào)聯(lián)動功能，提高了運(yùn)營效率，解決了運(yùn)營過程中存在的相關(guān)問題[1]。

多年來，綜合監(jiān)控系統(tǒng)是以電力監(jiān)控為核心，并未與行車直接相關(guān)的列車自動監(jiān)控（ATS，Automatic Train Supervision）系統(tǒng)進(jìn)行集成，城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS，Integrated Supervision and Control System）與ATS系統(tǒng)之間仍采用傳統(tǒng)的接口互聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)行車信息的交互和運(yùn)營組織[2]。如今，城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)在各地相繼應(yīng)用，全自動無人駕駛功能的實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有行車管理和運(yùn)營指揮也提出了更高的要求。目前，軌道交通行車指揮綜合自動化系統(tǒng)（TIAS，Traffic Control Integrated Automation System）被認(rèn)為是全自動無人駕駛場景下滿足運(yùn)營需求的優(yōu)選方案。該系統(tǒng)融合了ISCS、ATS系統(tǒng)、車輛調(diào)度子系統(tǒng)、乘客調(diào)度子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動作和更為便利的數(shù)據(jù)交互，使系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性顯著提高，直接服務(wù)于運(yùn)營，并能提供更豐富有效、以行車運(yùn)營為核心的聯(lián)動功能，真正實(shí)現(xiàn)了圍繞行車指揮綜合自動化的建設(shè)目標(biāo)[3]。

目前，TIAS有多種實(shí)現(xiàn)方案，本文根據(jù)ATS系統(tǒng)和ISCS的特性，以ISCS為基礎(chǔ)，充分融入ATS系統(tǒng)的功能，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了TIAS的集成方案。

1 研究背景

傳統(tǒng)的ISCS與ATS系統(tǒng)是采用分立式的接口通信方式，保持系統(tǒng)的獨(dú)立性，以及既有接口的不變性。ISCS和ATS系統(tǒng)分別獨(dú)自實(shí)現(xiàn)各自功能，對于全自動運(yùn)行相關(guān)功能，則共同或者相互配合實(shí)現(xiàn)[4]。

ISCS和ATS系統(tǒng)的分立式模式如圖1所示。

圖1 ISCS和ATS系統(tǒng)的分立式模式

ISCS與ATS系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)不同的調(diào)度角色，ISCS系統(tǒng)負(fù)責(zé)電調(diào)、環(huán)調(diào)、乘客調(diào)、行車輔助/車輛調(diào)，ATS系統(tǒng)負(fù)責(zé)行調(diào)和車輛調(diào)。ISCS與ATS系統(tǒng)通過接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，圖中箭頭①為ISCS提供給ATS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，包含：全線變電所供電設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、全線火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及火警探測信號、全線車站（含區(qū)間）風(fēng)水電重要設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、車站及區(qū)間緊急狀態(tài)告警信息，以及其他聯(lián)動功能所需信息。圖中箭頭②為ATS系統(tǒng)提供給ISCS的數(shù)據(jù)信息，包含：全線信號設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、全線列車位置及列車阻塞信息、軌道占用信息、列車類型、車組號信息、車次號信息、列車到/離站臺時間，以及其他聯(lián)動功能所需信息。

ISCS和ATS系統(tǒng)之間這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方式保證了系統(tǒng)獨(dú)立性，各自核心業(yè)務(wù)獨(dú)立自主處理，實(shí)施責(zé)任范圍清晰，使ISCS與ATS系統(tǒng)可分別調(diào)試，各系統(tǒng)的責(zé)任范圍相對清晰。但是，這種數(shù)據(jù)交互方式接口信息繁多，幾乎涵蓋了所有的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。當(dāng)覆蓋的運(yùn)營場景越完善時，系統(tǒng)接口需要交互的信息量越大，同時也使功能的實(shí)現(xiàn)變得分散，出現(xiàn)重復(fù)的情況。

2 TIAS集成方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

TIAS是以軌道交通行車指揮為核心的綜合自動化系統(tǒng)，融合了地鐵運(yùn)營的兩大核心專業(yè)：ATS系統(tǒng)和電力監(jiān)控（PSCADA，Power Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，并對其他輔助系統(tǒng)以集成或互聯(lián)的方式實(shí)行監(jiān)控[5]。

TIAS提供了一個高效的、面向全專業(yè)的綜合調(diào)度功能，可以及時地為調(diào)度人員提供多專業(yè)、全面的行車信息及設(shè)備信息，提高系統(tǒng)之間快速聯(lián)動和反應(yīng)速度，解決各專業(yè)間的信息孤島問題，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)信息共享與聯(lián)動，提高運(yùn)營組織效率。同時，TIAS也提供了一個統(tǒng)一的維護(hù)功能，具有各專業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備管理功能，提高整體維護(hù)效率，降低人員成本及設(shè)備維護(hù)成本，為軌道交通安全和高效運(yùn)營提供技術(shù)支撐[6]。TIAS架構(gòu)如圖2所示。

圖2 TIAS架構(gòu)

2.2 設(shè)計原則

（1）實(shí)時性及安全性：需滿足ATS系統(tǒng)的實(shí)時性及安全性要求，滿足ATS系統(tǒng)與ISCS聯(lián)動功能的實(shí)時性及安全性要求。

（2）數(shù)據(jù)容量大：滿足ATS系統(tǒng)與ISCS的數(shù)據(jù)大容量要求。

（3）擴(kuò)展性高：分專業(yè)開通時，滯后開通的系統(tǒng)對已開通的系統(tǒng)無影響，線路分期開通時，后期接入的部分只涉及相關(guān)子系統(tǒng)的銜接操作。

（4）可靠性高：各子系統(tǒng)按既有業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行冗余切換，實(shí)時服務(wù)器可分專業(yè)進(jìn)行冗余切換。

2.3 信息融合

TIAS在繼承ISCS原有功能的基礎(chǔ)上，將ATS系統(tǒng)的全部功能融合進(jìn)來，如線路靜態(tài)信息監(jiān)視、線路信號設(shè)備監(jiān)視、列車運(yùn)行監(jiān)控、基本計劃、時刻表管理、在線計劃管理和車站ATS系統(tǒng)本地控制。

為實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行系統(tǒng)的無人駕駛功能，TIAS集成了車輛調(diào)度子系統(tǒng)和乘客調(diào)度子系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對行車、設(shè)備、乘客和環(huán)境的綜合智能化管理與控制，更好地支撐全自動運(yùn)行。同時，TIAS通過聯(lián)動模塊，將所有專業(yè)關(guān)聯(lián)起來，提高全自動運(yùn)行場景的反應(yīng)速度[7]。

2.4 實(shí)時數(shù)據(jù)采集

TIAS采集數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3 TIAS采集數(shù)據(jù)流

TIAS對各專業(yè)采用分開采集的方式，并獨(dú)立運(yùn)行各自的處理服務(wù)。同時，各專業(yè)數(shù)據(jù)由相應(yīng)服務(wù)器來處理，彼此之間互不影響，這種方式能夠避免因維護(hù)某一專業(yè)數(shù)據(jù)而影響其他專業(yè)信息的問題。TIAS各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)有序集成，這些數(shù)據(jù)在不相互影響時可共享。

3 TIAS集成技術(shù)

3.1 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺

TIAS的數(shù)據(jù)庫采用共用方式，無論是搭建Oracle，還是MySQL，都是服務(wù)器設(shè)備共用、專業(yè)數(shù)據(jù)分開。本文以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫的部署為例，配置TIAS數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

圖4 TIAS數(shù)據(jù)庫配置

TIAS采用Oracle數(shù)據(jù)庫，在歷史服務(wù)器上創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫實(shí)例，ATS系統(tǒng)創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫表空間，PSCADA和環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS，Building Automation System）創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫表空間，兩個數(shù)據(jù)庫表空間之間互不影響。PSCADA和BAS同庫不同表，即在同一個數(shù)據(jù)庫表空間下，但是采用不同的遙信/遙測表；不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)也互不影響。

（1）不同數(shù)據(jù)表空間互不影響

列車監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時服務(wù)器處理加載列車自動監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表空間中的專業(yè)數(shù)據(jù)，不會影響電力監(jiān)控實(shí)時服務(wù)器及其他實(shí)時服務(wù)器加載處理另一數(shù)據(jù)庫表空間的電力、機(jī)電等專業(yè)數(shù)據(jù)。

電力監(jiān)控實(shí)時服務(wù)器及其他專業(yè)實(shí)時服務(wù)器加載處理本數(shù)據(jù)庫表空間中的相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)，不會影響列車自動監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時服務(wù)器處理加載列車監(jiān)控專業(yè)數(shù)據(jù)庫表空間的專業(yè)數(shù)據(jù)。

（2）同數(shù)據(jù)表空間不同數(shù)據(jù)表互不影響

電力監(jiān)控實(shí)時服務(wù)器加載處理電力監(jiān)控專業(yè)參數(shù)表的數(shù)據(jù)，其他實(shí)時服務(wù)器加載處理如BAS、火災(zāi)報警系統(tǒng)（FAS，F(xiàn)ire Alarm System）、廣播（PA，Public Address）系統(tǒng)、閉路電視（CCTV，Closed Circuit Television）系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（PIS，Passenger Information System）、站臺安全門（PSD，Platform Safe Door）系統(tǒng)、進(jìn)入控制系統(tǒng)（ACS，Access Control System）（又稱門禁系統(tǒng)）、自動售檢票（AFC，Automatic Fare Collection）系統(tǒng)等專業(yè)參數(shù)表的數(shù)據(jù)，這兩組服務(wù)器之間分別處理的參數(shù)表不同，更新升級變更時互不影響。

3.2 統(tǒng)一的軟件平臺

TIAS軟件平臺以綜合監(jiān)控軟件框架為基礎(chǔ)，采用相同的計算機(jī)程序語言及界面框架，將ATS系統(tǒng)的終端功能全部重構(gòu)到TIAS的人機(jī)界面終端。后臺數(shù)據(jù)通信采用統(tǒng)一的通信中間件，將各專業(yè)信息進(jìn)行實(shí)時交互，信息共享，完成平臺的功能整合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的用戶監(jiān)視、操作和維護(hù)功能。

TIAS軟件平臺的架構(gòu)如圖5所示。

圖5 TIAS軟件平臺架構(gòu)

3.2.1基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)層為系統(tǒng)提供支撐平臺，是系統(tǒng)跨平臺和分布式運(yùn)行的核心。

虛擬操作系統(tǒng)（VOS，Virtual Operating System）：為整個系統(tǒng)提供不同的硬件平臺、操作系統(tǒng)下的適應(yīng)，屏蔽了不同硬件平臺、操作系統(tǒng)下的差異，為上層應(yīng)用提供了一致的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。

分布式運(yùn)行環(huán)境（DRE，Distributed Running Environment）：提供網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)程管理、冗余管理、分布運(yùn)行等方面的支持。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS，Relational Database Management System）：支 持 常 用 數(shù) 據(jù) 庫，提供數(shù)據(jù)庫管理功能。

虛擬數(shù)據(jù)庫（VDB，Virtual Database）：為整個系統(tǒng)提供整合后的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一接口。VDB整合商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和訪問接口，屏蔽不同商用數(shù)據(jù)庫的差異，為上層應(yīng)用提供一致的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。

3.2.2接口平臺層

接口平臺層為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源，是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

根據(jù)專業(yè)物理接口位置的不同，分為中心接口和車站接口。

車站接口的ISCS和ATS系統(tǒng)仍采用獨(dú)立設(shè)置，保留原各自系統(tǒng)對外接口。ISCS前置機(jī)負(fù)責(zé)PSCSDA系統(tǒng)接口、BAS接口、FAS接口、PSD系統(tǒng)接口、CCTV系統(tǒng)接口、PA系統(tǒng)接口、AFC系統(tǒng)接口的數(shù)據(jù)采集及通信。ATS系統(tǒng)的信號專用前置機(jī)負(fù)責(zé)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口、區(qū)域控制器（ZC，Zone Controler）接口、列車發(fā)車計時器（TDT，Train Departure Timer）接口、車輛系統(tǒng)接口、車載控制器（VOBC，Vehicle on board controller）接口、PSD系統(tǒng)接口（ATS系統(tǒng)專用）的數(shù)據(jù)采集及通信。

中心接口由TIAS完成整合，如圖5中紅框標(biāo)記，主要涉及系統(tǒng)接口為乘客信息、廣播、無線列調(diào)、軌道交通指揮中心（TCC，Traffic Control Center）接口方案，同時新增綜合承載（實(shí)現(xiàn)車載PIS、CCTV、PA、緊急呼叫等功能）、中心ZC（雨雪模式、全線限速）等接口。

3.2.3數(shù)據(jù)處理平臺層

數(shù)據(jù)處理平臺層為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力及數(shù)據(jù)處理能力，是系統(tǒng)的后臺服務(wù)支撐。

數(shù)據(jù)處理平臺層可分為兩大類：平臺共用服務(wù)部分、ISCS和ATS系統(tǒng)專用模塊。平臺共用服務(wù)部分主要為系統(tǒng)平臺支撐進(jìn)程，涉及實(shí)時數(shù)據(jù)庫、實(shí)時服務(wù)、報警服務(wù)、事件服務(wù)、圖形對象驅(qū)動、權(quán)限管理、對時服務(wù)、用戶管理、虛擬數(shù)據(jù)庫。TIAS對ATS系統(tǒng)提供公共接口，允許ATS系統(tǒng)調(diào)用TIAS的公共接口，實(shí)現(xiàn)TIAS平臺底層的融合。由于有了底層平臺融合，TIAS可以更便捷的訪問ISCS及ATS系統(tǒng)的功能，減少了一層網(wǎng)絡(luò)通信的過程，可以更快速的應(yīng)對全自動運(yùn)行場景。

ISAS和ATS系統(tǒng)專用模塊分別針對各自的接口專業(yè)功能，與傳統(tǒng)模式?jīng)]有區(qū)別，但是在中間插件部分有個進(jìn)一步的升級。通信中間件采用ISCS的RPC通信方式，RPC提供了一套服務(wù)器對象開發(fā)支持和客戶端遠(yuǎn)程對象調(diào)用支持，TIAS根據(jù)功能需求可以更快速的交互數(shù)據(jù)信息。聯(lián)動模塊主要為全自動運(yùn)行提供服務(wù)支持，TIAS通過此模塊將各專業(yè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來，針對全自動運(yùn)行下的場景做出最快速的反應(yīng)。車輛信息轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要為車輛調(diào)監(jiān)控功能提供支持。

3.2.4應(yīng)用表現(xiàn)層

應(yīng)用表現(xiàn)層是系統(tǒng)直接展示給用戶的最上層，直接為用戶提供操作服務(wù)。TIAS采用統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境及加載中間件，將ISCS與ATS系統(tǒng)的人機(jī)界面融合，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度、環(huán)境調(diào)度、乘客調(diào)度、維修調(diào)度、車輛調(diào)度、行車調(diào)度等所有功能界面的統(tǒng)一操作。

3.3 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺

TIAS網(wǎng)絡(luò)由3部分組成：中心局域網(wǎng)、主干網(wǎng)和車站局域網(wǎng)，即由ISCS與ATS系統(tǒng)共同組網(wǎng)。

4 集成優(yōu)勢

集成具有以下優(yōu)勢。

（1）數(shù)據(jù)獨(dú)立：各專業(yè)參數(shù)分離存儲，互不影響，可單獨(dú)導(dǎo)入導(dǎo)出。

（2）采集獨(dú)立：各專業(yè)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)分離管理，可部署在不同的采集節(jié)點(diǎn)上，互不影響，可單獨(dú)配置。

（3）處理模塊獨(dú)立：各專業(yè)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)分離管理，可部署在不同的處理節(jié)點(diǎn)上，互不影響，可單獨(dú)配置。

（4）專業(yè)應(yīng)用圖形獨(dú)立：各專業(yè)的應(yīng)用圖形單獨(dú)形成工程資料包，獨(dú)立進(jìn)行版本控制，互不影響，可單獨(dú)修改更新。

（5）開發(fā)模塊相對獨(dú)立：ATS系統(tǒng)與ISCS各自開發(fā)既有模塊，互不影響。

（6）工程實(shí)施階段軟件部署、維護(hù)和管理都具有較高的靈活度。

（7）系統(tǒng)負(fù)荷較為均衡，用戶響應(yīng)及時性增強(qiáng)。

5 應(yīng)用實(shí)例

以全自動運(yùn)行場景中的站臺火災(zāi)場景為例，TIAS對比原有模式在響應(yīng)速度上有了很大的提升。本文以火災(zāi)場景為例，分析原有模式和現(xiàn)有模式的區(qū)別。

原有模式：站臺火災(zāi)信息由FAS發(fā)送給ISCS（T1），經(jīng)由ISCS處理后，執(zhí)行響應(yīng)操作（T2），同時在由ISCS發(fā)送給ATS系統(tǒng)（T3），ATS系統(tǒng)處理后，在執(zhí)行列車調(diào)整操作（T4）。此過程示意如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)站臺火災(zāi)場景

TIAS模式：站臺火災(zāi)信息由FAS發(fā)送給TIAS（T1），經(jīng)由TIAS處理后，執(zhí)行響應(yīng)操作（T2），同時執(zhí)行列車調(diào)整操作（T4）。此過程如圖7所示。

圖7 TIAS站臺火災(zāi)場景

6 結(jié)束語

本文對比傳統(tǒng)全自動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，介紹了行車指揮綜合自動化系統(tǒng)的集成方案、軟件架構(gòu)、集成技術(shù)，以及方案實(shí)施的優(yōu)勢和應(yīng)用場景。

全自動運(yùn)行系統(tǒng)具有更安全、更高效、更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)、更高服務(wù)水平的突出優(yōu)點(diǎn)，已成為城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向，針對其規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)效率及安全性的提升，多專業(yè)融合的TIAS的推廣必不可少[8]。TIAS將作為連接各個專業(yè)間的橋梁，協(xié)調(diào)處理各個專業(yè)間的需求，更好地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，確保信息的快速傳輸。