城市軌道交通信號系統的簡化架構研究與實踐

朱仰瑞

(上海電氣泰雷茲交通自動化系統有限公司,上海 201206)

0 引言

隨著全球城市化進程的加速,部分城市出現了嚴重的交通擁堵問題,作為解決此問題的有效手段,城市軌道交通得到了廣泛應用。但是,隨著軌道交通網絡的擴張及技術的發展,傳統的信號系統卻難以實現同步維護和升級。

城市軌道交通信號系統是軌道交通的核心組成部分,可確保列車在復雜、密集的鐵路網絡中安全、高效地運行。傳統的信號系統基于多種設備及技術組合而成,包括軌道線路上的信號機、軌道電路、調度中心及列車上的信號設備。信號機通常位于車站和關鍵節點,為司機提供前方路段狀態的直觀信息,確保列車按照預定速度及方向行駛,避免與其他列車或障礙物相撞,其顏色為紅、黃、綠燈或應用更先進的數碼屏幕顯示,具體形式取決于系統技術及應用環境。軌道電路在整個鐵路網絡中不可或缺,通過檢測鐵路軌道上的電流變化可準確確定列車位置及運動狀態并傳送到調度中心,幫助調度員做出正確決策,確保列車安全通過每一個路段。調度中心是整個信號系統的大腦,接收來自軌道電路、信號機及其他傳感器的信息,為列車制定行駛計劃、監控列車運行狀態并在必要時做出調整。調度中心的信號設備包括計算機、通信設備及顯示屏等,共同構成高度集成、自動化系統,能夠處理大量信息并實時做出響應[1]。

1 軌道交通信號系統存在的問題

軌道交通信號系統由眾多設備、軟件及協議構成并協同工作,以確保列車安全、高效運行,此系統的高度集成與多樣性意味著其維護與升級任務十分復雜,任何小的故障或不匹配都可能導致整個系統運行受到干擾,甚至出現停機情況。隨著技術的更新換代,原有的信號設備及軟件可能逐漸被淘汰,無法與新技術或標準相兼容,需頻繁升級或替換,但成本高昂,還可能引入新的問題或漏洞。信號系統十分復雜,需由專業技術人員進行日常維護及檢查,確保其正常運轉,這增加了軌道交通信號系統的維護成本,對人員培訓及管理提出了更高的要求[2]。隨著城市發展及交通需求的增長,軌道交通線路常常需要進行擴展或重組,信號系統應具有良好的延展性,以適應新的路線、車站及交通模式,但部分傳統信號系統設計并沒有充分考慮未來的擴展需求,導致現有系統增加新功能及模塊的難度較大。

2 城市軌道交通信號系統簡化架構的具體實踐與方法

2.1 硬件層面的簡化與集成

傳統的信號系統各種功能模塊較為獨立,需要復雜的接口及協議進行通信,可能導致系統復雜性增加,引發模塊出現兼容性、穩定性等問題。故采用集成化的硬件設計,將多個功能模塊集成到同一硬件平臺上,達到簡化系統結構、降低出錯概率、提高系統響應速度及處理能力的目的。隨著微電子技術和芯片設計技術的發展,單一硬件設備可承載更多的功能及任務,與傳統分布式系統相比,現代軌道交通信號系統更加集中、緊湊,節省了空間及成本,降低能耗,提高了系統的可維護性。但硬件層面的簡化與集成并非減少設備與模塊,而是在保證系統功能與性能的前提下,通過優化及創新達到提高效率和降低風險的目的,其建立在嚴格的安全標準與驗證流程之上,任何設計決策都需經過嚴格的測試及驗證,確保其不會對系統的穩定性及安全性造成威脅,硬件層面的簡化與集成基本流程如圖1所示[3]。

圖1 軌道交通信號系統硬件層面的簡化與集成Fig.1 Simplification and integration of rail transit signal systemhardware level

2.2 軟件系統的優化與模塊化

軟件優化是將系統運行所需的各種功能及任務更高效地執行,如提高代碼的執行效率,減少不必要的計算與通信,對資源進行合理分配及調度等,以提高系統響應速度,降低能耗,延長硬件使用壽命。軟件模塊化則是將復雜的軟件系統分解為一系列相互獨立但又高度協同的模塊,每個模塊都有明確的功能和職責,能夠獨立地開發、測試及部署,當某個模塊出現問題時,其他模塊仍能正常運行。但軟件系統的優化與模塊化也存在一些問題,如確保各個模塊之間的順暢通信、避免模塊間的沖突及依賴問題、確保每個模塊都滿足嚴格的安全性能標準等。隨著軌道交通信號系統對軟件依賴性的增加,如何確保軟件的安全性、防范外部攻擊及威脅成為了研究重點。軟件系統的優化與模塊化需要深入思考并制定綜合解決方案,如軟件開發流程的優化、對代碼質量的嚴格控制及對新技術和方法的不斷研究及探索。而傳統的軟件開發流程可能在快速變化的軌道交通環境中愈發滯后,需采用現代開發方法提供更快的迭代速度及更好的反應能力,配備持續集成(CI)和持續交付(CD),以確保代碼更快、更頻繁地到達生產環境,保證其質量。通過引入代碼審查流程、靜態與動態代碼分析工具、單元測試及集成測試等方式提升代碼質量,在軌道交通信號系統的安全應用程序設計中強制執行。新的編程語言、框架及工具會為軌道交通信號系統提供更高的效率,保障其安全性,應關注新技術,例如,分布式系統應用微服務架構以提供良好的模塊化及可擴展性。在數據處理及分析方面,機器學習與人工智能技術將提供智能決策支持。

2.3 通信協議與接口的統一及簡化

通信協議與接口是軌道交通信號系統中設備、模塊及軟件之間溝通的橋梁,但隨著技術及應用場景的多樣化發展,各種各樣的通信協議與接口愈發復雜,難以維護,為了滿足系統需求,確保其穩定、高效、安全運行,應執行通信協議與接口的統一及簡化。通信協議與接口的統一是在軌道交通信號系統中使用一致的通信規范及數據格式,不同設備與模塊都遵循同樣的規范,使其通信更加順暢,降低出現錯誤和沖突的可能性。統一的通信協議與接口使得系統擴展和升級更為便利,引入新設備或模塊只需遵循同樣的規范,可避免復雜的適配、調試。通信協議與接口的簡化是去除不必要的功能及特性,只保留系統實際需求的核心部分,提高系統性能及響應速度,需深入了解系統實際需求,篩除不必要的功能及特性,進行針對性的優化[4]。

通信協議與接口的統一及簡化需要綜合考慮技術、經濟及實際應用等多方面因素,在實際應用中由于歷史原因及技術的局限性,多數軌道交通信號系統中存在多種不同的通信協議及接口。為實現統一與簡化,確保既有設備與模塊的順利過渡,需對現有的通信協議及接口進行評估分析,了解每種協議與接口的功能、特性、性能、局限性及其在系統中的應用情況,確定哪些協議與接口應被替換或簡化,哪些必須保留。過渡期可使用橋接技術或中間件,使不同的通信協議與接口相互通信,臨時解決兼容性問題,為統一與簡化提供時間與空間。根據評估結果制定明確的更新與替換計劃,每次更新或替換后都需進行詳盡的測試,確保新的協議或接口滿足系統需求,與其他部分進行集成。為保障統一與簡化效果的持續性,應制定明確的通信協議與接口標準及規范,適應未來的技術進步及需求變化。

3 城市軌道交通信號系統簡化架構的應用

CBTC(基于通信的列車控制)系統的出現極大提高了運輸效率,為地鐵系統帶來了更高的靈活性及安全性。20世紀80年代,多倫多士嘉堡快軌線和溫哥華天車世博線率先應用了CBTC系統,標志著基于通信的列車控制技術在城市軌道交通中的真正落地。21世紀初,我國城市軌道交通建設引入CBTC,經過多年的發展和實踐,形成了一套適應國情的、具有自主知識產權的CBTC系統架構,繼承了原始CBTC系統的優點,并根據實際需求進行了一系列的優化創新,使其在眾多的城市軌道交通項目中得到了廣泛應用。但隨著我國城市軌道交通線網規模的不斷擴大,經典的CBTC系統逐漸暴露出一些問題,如系統的復雜性導致維護成本增加,其擴展性與靈活性也受到了限制[5]。為解決上述問題,可采用精簡的CBTC系統架構,適應更大規模的線網及更高的運行效率。

3.1 計算機聯鎖與ZC的融合與ECU的革新優勢

計算機聯鎖與ZC(區域控制器)的一體化是將這兩大核心模塊部署在同一個安全計算機平臺上,形成統一高效的整體系統控制設備,簡化系統的復雜性。傳統的分散式布局意味著兩個系統之間需要大量的接口及通信,這不僅增加了設計及維護的復雜度,還可能導致潛在的故障點,而一體化設計可使系統變得更加緊湊高效,提高系統的整體可靠性。隨著技術的進步,新型設備取代了傳統的組件,為系統的簡化及可靠性提供了新的可能性。與傳統的繼電接口相比,ECU具有體積小、性能高、可靠性強的優勢,大幅度減少需要的物理空間,由于ECU的高度集成和優化設計在運行中更加穩定,提高了系統的整體可靠性,使用ECU替代繼電器設備可節約大量的設備及維護成本,確保系統的長期穩定運行。

3.2 加固CBTC主用系統

CBTC的穩定性與可靠性直接影響整個軌道交通的正常運作,該系統的架構簡化可采用WSC設備,保證系統的連續性及可靠性,采用雙套冗余配置,即使其中一套系統出現故障,另一套系統可以立即接管,確保整個系統的穩定運行,搭載3取2的安全計算機平臺,只要三個計算單元中的兩個給出相同的計算結果,那么該結果就被視為正確,抵御高達三次的計算單元故障,進一步提高系統的可用性。但無論系統內部如何穩健,外部通信的穩定性也是不容忽視的。特別是車與地之間的無線通信,一旦出現中斷,可能會對軌道交通的運營產生巨大影響。為解決這一問題,可應用雙套雙路無線網絡系統。例如,使用1.8 GHz LTE-M網絡和5.8 GHz Wi-Fi6網絡增強通信的穩定性,提高無線網絡的可靠性。

3.3 取消點式后備系統

隨著技術的進步與創新,主用CBTC系統經歷了多輪升級與完善。經過深入的技術研發及應用驗證后,現代CBTC系統已達到了相當高的穩定性及可靠性。因此,系統降級運行即在某些條件下切換到較低技術水平或功能的運行模式的概率大大降低。當主用CBTC系統的可靠性得到了顯著提升,某些傳統的、作為備用或降級方案的系統將被重新審視。點式后備系統原本是一種保障措施,確保在主用系統出現問題時軌道交通依然可以繼續運營,盡管可能是在較低的效率及功能性下,但隨著主用CBTC系統的加固,這種后備系統的存在價值已經被大大削弱,其功能變得多余,在經濟和維護上變得不再經濟。因為維持這種后備系統需要大量的資源,包括軌旁的LEU有源應答器、配套的線纜及其他相關設備。取消點式后備系統是基于技術和經濟雙重考量的,可節省大量的投資及運營成本,包括購買、安裝、維護及更新軌旁設備的費用,表示了對主用CBTC系統的高度信任及依賴。