基于數據挖掘的地鐵ats系統的優化與應用

汪 璐

（南京地鐵運營有限責任公司 江蘇 南京 210018）

1 引言

ats系統是列車運行的監控中心，他通過接收列車上傳來的信號對不同狀態下的列車進行指揮調度，并向調度員提供列車運行的信息，為調度司機提供部分路況的運行圖等。ats在使用的過程中存在很多設計缺陷，當系統設備發生故障時，整個列車運行過程處于癱瘓狀態，由于列車調度需要的步驟繁多，導致操作界面復雜紊亂等。基于數據的挖掘，指出了ats系統上存在的問題并加以優化。

2 基于數據挖掘的地鐵ats系統工作原理

2.1 數據挖掘原理分析

地鐵ats控制系統是地鐵信號自動控制列車運行系統，分為中心級和車站級控制兩個等級，其中中心級主要包括列車自動監控系統，車站及控制包括列車自動防護系統和列車自動運行系統。三個系統緊密相連，形成了調度指揮中心，對列車進行一系列的指揮調度，確保列車能夠安全穩定運行。關于信號系統國內常采用西門子公司設備，ats監控系統常采用分布式的微型監控結構，通過對不同的列車進行定位、測速，通過ats子系統把列車實時運行的情況以及該段路況情況傳遞給調度指揮中心，當調度指揮中心接收到緊急剎車命令時能夠及時對列車進行緊急制動，防止人工控制不當不能自動剎車發生安全事故[1]。ats系統連接著控制調度員和設備指揮中心，當沒有外界因素干擾時，可以自動對列車運行狀態進行調整，確保列車安全穩定運行。

2.2 基于數據挖掘的地鐵ats系統工作過程

ats系統常采用數據冗余技術，采用了磁盤疊加的方式，將不同車站級的磁盤進行分類排放儲存相當于一個大磁盤，減少了磁盤空間，提高了磁盤的讀取效率[2]。地鐵磁盤常采用兩種磁盤形式RAID1磁盤和RAID5磁盤陣列。RAID1具有較高的冗余備份能力，讀取速度遠遠大于RAID5磁盤陣列，常用于中心級。

RAID1在讀取數據過程中，通過鏡像的方法在不影響其他設備的工作情況下復制原有文件，最大限度地保證了系統數據的準確性，當其中一塊磁盤發生故障時，系統會通過鏡像形成的備份磁盤進行正常工作忽略原有的硬盤，調度員可以在此時進行數據的檢查檢修。RAID5磁盤陣列由多個數據塊組成，由于設計靈活，讀取的數據較少，具有較高的工作效率，在讀取數據信息時，可以高速率地對數據進行數據篩選分析，若一塊硬盤出現損壞時，其他的五塊硬盤可以重復操作[3]。

3 ats系統原理

3.1 ats子系統的作用和功能要求

ats操作系統主要由分布式計算機系統組成，地鐵的中心級是ats對所有車站級的整體控制，車站級是對各站臺經過列車的控制。ats在設計時要充分考慮磁盤的冗余性，當列車出現錯誤數據時，ats要啟用列車追蹤狀態對列車進行監督管理，根據列車運行情況繪制出列車狀態圖和列車路線圖，最終顯示在ats用戶端上。ats具有列車自動調整功能，他將乘務員從復雜的操作中解放出來，根據時刻表進行列車速度的自動調整，并根據時間間隔以及各個車站級提供的車輛到站信息在無人操控的情況下進行自動進路排列實現聯鎖。

3.2 ats系統中所存在的設計缺陷

列車的發車間隔是人工排列的，系統設備發生故障時，列車只能以固定的模式進行行車，ats功能將起不到任何作用。ats優化設計主要是當列車服務器發生故障時在不失真的情況下能夠自動進行列車排列、自動調整等功能。 RAID1磁盤鏡像讀取數據的方法是絕對安全的，但同時也會面臨著一些缺陷，由于需要鏡像成數據，磁盤的利用率只能達到50%，當第二塊硬盤損壞時，磁盤將失去冗余功能，需要維修人員的定期更換，相對成本較高，因此ats系統需要采用不同的磁盤排列方案進行冗余設計。

操作界面也存在很多問題，當數據發生故障時會觸發ats系統的報警功能，由于數據的突變性，報警時間短，檢查人員未及時觀察到，易造成列車運行圖的變化，應該將界面停留在報警狀態，方便檢查人員對異常數據進行處理。每輛列車都有專屬車次號，一旦調度人員操作失誤，所有列車運行都將發生改變，最好通過設備保證列車的運營取消車次號的設置。列車的軌道圖是用燈光來設置的，紅燈代表該車道有列車占用，綠燈代表該車道可行，應改變傳統的方式，采用ats判斷出列車的運行模式和運行位置等信息，從操作界面直觀圖來判斷列車應該在何時減速能在規定范圍內停車。

4 ats子系統功能優化設計

4.1 ats系統的硬件結構優化設計

ats硬件設備包括調度操作臺、后臺主機和網管系統，采用脈沖編碼調制經過抽樣、量化、編碼通過多路復用的方式將模擬信號轉化為pcm信號。數字操作臺主要由數字調度主機、操作臺和集中維護管理系統組成，數字調度主機主要功能是進行呼叫處理和各種通信業務的綜合接入，為調度人員和ats系統提供調度指揮的數字交換設備。操作臺是連接調度員與值班人員的終端設備，通過COM服務器對列車位置信息進行收集，方便列車控制服務器故障處理，備用服務器進行接管，無任何時間差錯。集中維護管理系統是對中心級和車站級進行維護管理及監控，實現對調度主機的各種交換網絡以及接口的控制管理和信令的管理。

當ats系統無法正常運行時，啟用后備數據，沒有能夠替代ats系統的站級設備，需要重新設計ats系統硬件部分，需在主干線上增設兩套設備，本地車輛排路設備（TRC）和本地時刻表處理設備(TTP)，本地車輛排路設備具有追蹤監視功能，能夠對本地的列車運行情況和車次號進行排列相應的進路，減少了人工計算，使列車能夠正常有序地運行。本地時刻表處理設備主要實現對列車發車時間與實際到達時間的計算，當列車偏離運行時間時，本地時刻表處理設備會提醒司機進行加速或減速，以保證列車能夠準時到達該站點。

4.2 ats子系統功能實現

列車ats子系統主要是列車路徑上行與下行路徑設計運行線。運行線主要包括列車運行的路徑、道岔的方向改變情況以及列車自排的觸發點。根據ats系統上的日志和顯示數據，系統感知的異常數據變成攻擊編碼模式存儲在磁盤中，通過RAID5磁盤陣列將異常數據進行檢測，通過計算機分布式排列展現出系統的徑路排路，根據列車的車次號依次給列車進行排列進路，采用2M環的方式進行組網，2M數字環通道一端連接中心級另一端連接各個車站的分級依次串接，形成2M自愈環網。當分車站通訊線路從某一點中斷時，從斷點將數據傳送到中心級的末端，進行環狀組網，盡可能擴大兩車之間的間距，減小危險系數。

5 基于數據挖掘的地鐵ats系統應用效果分析

列車自動監控系統采用冗余方式，由主備用兩個服務器，當主用服務器發生故障時，對系統列車的運營沒有任何影響ats界面會顯示報警信息，當出現極端的情況時，整個系統的信號將處于癱瘓狀態，行車時間將產生巨大的延誤，采用了車輛排路設備和本地時刻表處理設備，維持了列車的排列進路，增加了對冗余設備的緊急制動。磁盤疊加的方式加快了數據的傳輸速率，加快了本地時刻表設備對數據監控的實時性，進一步提高列車運行的安全性。

6 結語

本文通過對地鐵ats系統數據分析，提出了ats在設計過程中后備系統故障時列車無法運行、RAID1具有較高的冗余備份能力但成本太高、車次號不能自排等缺陷，并對系統的硬件結構進行了優化設計，增加了本地車輛排路設備和本地時刻表處理設備，簡化了操作界面，方便調度員的操作，降低了運營成本，提高了運營效率，確保了列車能夠在距離很小的通道下產生間隔安全高效的運行。