基于云平臺的下一代信號系統(tǒng)

文：丁 軍丨西門子交通中國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施部總經(jīng)理

王開強(qiáng)丨西門子交通數(shù)字業(yè)務(wù)專家

西門子交通針對全球市場的理解推出的基于云的下一代信號系統(tǒng)概念方案，也稱云信號系統(tǒng)方案。基于云信號的支持，打造軌道交通云平臺，為“出行即服務(wù) – Mobility as a Service”提供底層支持。

近年來，各國城市軌道交通市場發(fā)展迅速，信號系統(tǒng)的發(fā)展也隨之經(jīng)歷著巨大的變革。

目前國內(nèi)市場主流技術(shù)為基于通信的列車控制技術(shù)（CBTC），綜合了經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢、運(yùn)營效率優(yōu)勢等特點，中國市場得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。在大規(guī)模布置和應(yīng)用過程中，業(yè)界也逐漸地從不同的方面發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)技術(shù)的不足。例如，車輛/軌旁-車站-控制中心等不同層級的系統(tǒng)之間的依賴非常嚴(yán)重，各種通信協(xié)議的數(shù)據(jù)接口極其復(fù)雜。另外，由于更高地運(yùn)營安全要求，列車控制系統(tǒng)需要把自身打造為一個封閉的不受外界干涉的系統(tǒng)，隨之產(chǎn)生的問題則是系統(tǒng)信息孤島現(xiàn)象。特別是當(dāng)對系統(tǒng)進(jìn)行局部修改或者翻新改造時，這些問題將大大提高項目的執(zhí)行難度。

目前城市軌道交通行業(yè)內(nèi)的各方開始普遍思考如何改進(jìn)目前主流的CBTC技術(shù)以適應(yīng)未來的市場。許多新技術(shù)涌現(xiàn)出來并在消費(fèi)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域都得到了較好的應(yīng)用，比如5G通信技術(shù)、云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等。在軌道交通領(lǐng)域，在地鐵運(yùn)營和維護(hù)、經(jīng)營管理及資產(chǎn)管理等方面也出現(xiàn)了越來越多的智能應(yīng)用概念和試點。

在信號系統(tǒng)領(lǐng)域，當(dāng)下的發(fā)展趨勢則是通過云平臺控制末端鐵路設(shè)備和車輛的思路，以軟件服務(wù)為主體提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌建設(shè)綱要》，提綱挈領(lǐng)式的提出了以城軌云為基礎(chǔ)的新軌交體系，并對信號系統(tǒng)提出了全面自動化以及互聯(lián)互通等更高的要求。

西門子交通針對全球市場的理解推出的基于云的下一代信號系統(tǒng)概念方案，也稱云信號系統(tǒng)方案。基于云信號的支持，打造軌道交通云平臺，為“出行即服務(wù) – Mobility as a Service”提供底層支持。

如圖1所示，本方案架構(gòu)簡潔，主要包括云-地兩層。在云端，借助硬件虛擬化技術(shù)，軌道交通傳統(tǒng)SIL4級的安全應(yīng)用軟件轉(zhuǎn)到云端部署。在地端，沿軌道布置的設(shè)備，包括轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)及計軸等，則由就地部署的智能控制終端控制，并實時的提供設(shè)備控制及狀態(tài)監(jiān)測等功能。而中間通信可由5G通信支持，充分利用其高速率、低時延和大連接特點進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳輸。

圖1 系統(tǒng)原理簡圖

相比傳統(tǒng)CBTC方案，基于云技術(shù)的本質(zhì)，云信號系統(tǒng)方案的優(yōu)勢體現(xiàn)在多方面，比如部署成本低、改造簡捷和生命周期成本大幅下降等，但更重要的則在于基于云平臺的軌道交通生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計和管理，“軟件即服務(wù)”的模式使得城市線網(wǎng)內(nèi)多條線路的信號系統(tǒng)的管理更加安全智能高效，也使得互聯(lián)互通更容易實施。云平臺本身承載能力較高，當(dāng)一個城市多條線路的信號應(yīng)用軟件在一個云平臺上匯聚時，只需要統(tǒng)一云環(huán)境下安全控制軟件的接口、數(shù)據(jù)定義和通信協(xié)議的方式，以及云和車/設(shè)備之間的交互信息，就可以安全高效的建立城軌云上的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)體系，云端的互聯(lián)互通可以大幅縮短幾條線路不同時間開通帶來的繁瑣夜間調(diào)試，以及線路延伸或改造時的復(fù)雜測試，特別是每條線路軟件單獨(dú)升級時，對其它線路的驗證也可以簡化，從而可以更靈活安全的支持“一個城市一朵云”的城軌云生態(tài)理念。同時，同一云環(huán)境下的各應(yīng)用之間的通信方式，相比傳統(tǒng)的跨線路網(wǎng)絡(luò)通信方式，性能上也相應(yīng)的有所提升。

從經(jīng)濟(jì)性角度講，云信號方案的架構(gòu)設(shè)計簡化了系統(tǒng)實施，減少了不同設(shè)備間的接口，相比傳統(tǒng)CBTC更容易實施運(yùn)營期間的舊線改造。另外得益于硬件數(shù)量和光電纜數(shù)量的減少，也同時減少了建設(shè)期的施工量和后期相應(yīng)的維護(hù)維修工作量。而通用硬件平臺的引入，解決了信號訂制化產(chǎn)品停產(chǎn)的難題，相應(yīng)的也減少了備品備件的數(shù)量，也驗證了云技術(shù)的低部署成本和低生命周期成本特性。結(jié)合“通信即服務(wù)”模式的使用，云信號系統(tǒng)方案帶來全系統(tǒng)生命周期成本的降低。

云信號系統(tǒng)提供了大量數(shù)字接口，這一特性除了解除聯(lián)鎖控制距離限制，為上云提供支持之外，也同時提供實時原生鐵路設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)，結(jié)合全面的信息安全需求的響應(yīng)，從而更安全方便的為智慧運(yùn)維提供底層數(shù)據(jù)支持。

由于新技術(shù)涉及業(yè)務(wù)種類多，且多為各領(lǐng)域前沿技術(shù)，云信號的實施并不是一蹴而就，而是通過累計式的方法分步實施驗證，以最終完成城軌云生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。

西門子交通在挪威國家鐵路進(jìn)行的新技術(shù)項目，通過智能控制終端解除了傳統(tǒng)聯(lián)鎖控制距離的限制，通過IP通信技術(shù)將大范圍國家路網(wǎng)的鐵路設(shè)備連接到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，并提供設(shè)備控制和運(yùn)維監(jiān)控功能。

在奧地利的新技術(shù)驗證項目中，西門子交通將傳統(tǒng)的鐵路安全應(yīng)用通過硬件虛擬化技術(shù)在通用商用服務(wù)器上部署，初步實現(xiàn)硬件獨(dú)立的技術(shù)目的，并為下一步在云技術(shù)環(huán)境下的部署提供技術(shù)準(zhǔn)備。

在國內(nèi)，西門子交通與本地業(yè)主攜手合作，試點利用5G公專網(wǎng)通信承載CBTC安全控車業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和運(yùn)維數(shù)據(jù)，且CBTC系統(tǒng)按照云-地兩層部署，控制命令數(shù)據(jù)流也同樣由5G通信承載，試驗取得了滿意的結(jié)果。

云信號的發(fā)展在全球的客戶群體中獲得了高度的關(guān)注和認(rèn)同，前期的技術(shù)驗證和儲備取得了成功的結(jié)果，云信號方案作為下一代信號方案將為軌道交通城軌云生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)提供關(guān)鍵支持。