基于城軌云的全自動運行系統設計與實踐

趙振杰 郭建偉 劉海川 史世盛

(太原市軌道交通發展有限公司，030002，太原∥第一作者，高級工程師)

全自動運行(FAO)系統以其高度自動化、高可靠性、運營靈活、運營效率高等優點已成為城市軌道交通發展的主流趨勢。隨著城市軌道交通信息化技術的發展，城軌云已經由承載單線路單系統業務、單線路多系統業務向承載線網級全系統業務方向發展。城軌云以其資源高效利用、按需服務、擴展靈活、穩定可靠等優點打破了傳統不同業務系統間的專業壁壘，實現了各類信息的深度融合［1］。特別是《城市軌道交通云平臺構建技術規范》等5部行業標準的發布，為中國城市軌道交通城軌云標準化、規范化建設指明了方向。城軌云作為智慧城軌建設藍圖中的底座［2］，與FAO系統融合，必將推動智慧列車控制技術的發展。太原軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)FAO系統按照GoA4標準建設并承載于云平臺上。本文重點介紹了2號線基于城軌云的FAO系統方案。

1 FAO系統功能

FAO系統以行車為核心，通信、信號、綜合監控、車輛、站臺門各系統密切配合，可實現列車自動喚醒、自動出庫、自動運行、自動進站、自動開關車門、自動對位隔離、自動離站、自動折返、自動洗車、自動回庫、自動休眠、蠕動控制、遠程緊急對講/廣播、遠程緊急制動/緩解、遠程系統復位、遠程系統旁路等自動功能［3］。

2號線FAO系統中，列車自動監控(ATS)系統與傳統的綜合監控系統(ISCS)深度集成，構建了綜合調度指揮系統(IDCS)。IDCS與信號其他子系統、通信系統、站臺門系統、車輛系統密切配合，實現了車輛段基地、正線、控制中心、車站等在正常場景、故障模式及應急模式下81個大類、155個子類場景的聯動控制，以確保FAO系統的安全。

2 2號線FAO系統設計

2.1 云平臺設計

太原城軌云依據中國城市軌道交通協會城市軌道交通信息技術系統總體架構［4］和智慧城軌標準體系進行設計，按照線網級標準進行統一規劃和建設。構建了安全生產網、內部管理網、外部服務網和運維服務網4張網絡，部署了控制中心、災備中心及站段級云平臺。本期災備中心僅考慮數據災備，待二期工程時擴展為完整的災備中心。

FAO涉及的IDCS、視頻監控系統、乘客信息系統(PIS)、車輛智能化運維系統承載于云平臺的安全生產網［3］。云平臺為這些系統提供了基礎設施服務及相關網絡傳輸服務。

2.2 信號系統設計

信號系統是FAO系統的“大腦”。與傳統的信號系統相比，FAO信號系統將正線所有區域及車輛段自動化區納入全自動控制范圍。車輛段增設了ZC(區域控制器)和休眠、喚醒、定位應答器;正線增設了休眠、喚醒應答器，實現列車的正線停車;車站刪減了發車指示器，增設了人員防護開關(SPKS)、站臺再開/關門和清客按鈕，增設了車門/站臺門對位隔離和間隙探測功能，以實現無人駕駛情況下運營人員及乘客的安全;車載設備增設了休眠喚醒單元，實現無人自動喚醒/休眠功能;控制中心增設了車輛調、乘客調，以代替司機實現列車遠程控制、遠程復位、遠程旁路和遠程緊急對講等功能。

FAO信號系統整體架構如圖1所示。圖1中，ATS集成到IDCS中，信號系統通過網關設備與IDCS進行接口，以確保各系統間的安全隔離;同時精簡了非集中站信號設備，非集中站站臺門及各類按鈕的控制通過防雷綜合柜統一接入集中站計算機聯鎖(CI)系統;車輛段信號系統通過硬線接口實現對停車列檢庫庫門的監視功能，實現與洗車機的自動洗車功能;車地無線通信系統采用TD-LTE(時分-長期演進)技術，核心網部署在控制中心和車輛段，車輛段試車線與正線共用核心網;車載系統采用了頭尾冗余的2乘2取2架構，在一端發生故障時可無縫切換至另一端;信號系統通過與IDCS、車輛、站臺門等系統的聯動，在確保行車安全的同時提升了運營效率。

圖1 2號線FAO信號系統整體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of Line 2 signal system

2.3 IDCS設計

IDCS通過集成ATS、環境設備監控系統(BAS)、電力監控與數據采集(PSCADA)系統，與火災報警系統(FAS)、視頻監控系統、PIS、廣播(PA)系統、無線調度系統、控制中心大屏等互聯，實現了各系統間的高效聯動控制，在提高各系統整體自動化水平的同時，增強了應對各種突發事件的應變能力。

IDCS由位于控制中心的中央級IDCS和位于各車站的站/段級IDCS構成。采用冗余、開放、易擴展、標準化的設計原則，通過分層、分布式C/S(客戶端/服務端)結構及TCP/IP(傳輸控制協議/互聯網協議)實現了軟件平臺、硬件平臺、數據庫、網絡系統、用戶管理的統一設計，實現了對行車、供電、機電的統一監控管理和全方位調度。

2.3.1 中央級IDCS

中央級IDCS部署在控制中心城軌云平臺主數據中心的安全生產網中，由云平臺提供相應的計算資源、網絡資源、存儲資源、云桌面資源。中央級IDCS架構如圖2所示。圖2中，除行調和電調工作站外，其余工作站采用云桌面，通過云桌面接入交換機接入云網絡;行調、電調、信號系統、大屏及其他非云部分通過IDCS非云接入交換機接入云網絡。站/段級IDCS通過中央IDCS承載網接入交換機接入云網絡。各系統之間通過云內部網絡進行流程交互和業務控制。

圖2 2號線中央級IDCS架構圖Fig.2 Central-level IDCSarchitecture diagram of Line 2

2.3.2 站/段級IDCS

站/段級IDCS架構如圖3所示。圖3中，配備冗余IDCS服務器、冗余值班工作站、冗余FEP;傳統站段級ATS設備與綜合監控設備合并，實時服務器和歷史服務器共用，系統集成度更高;IDCS通過與相關系統集成、互聯，實現對站/段多專業、多系統的綜合自動控制。

圖3 2號線站/段級IDCS架構圖Fig.3 Station/depot level IDCSarchitecture diagram of Line 2

站/段級IDCS未實現上云，但通過云平臺提供的車站匯聚交換機組成IDCS骨干云環網可將信息上傳至控制中心，形成中央、車站兩級控制模式。

2.4 通信系統設計

通信系統中與FAO系統密切相關的專業主要包括視頻監控、PIS、PA、無線調度和專用電話。除專用電話外，各專業與IDCS通過接口互聯方式實現全自動運營場景下的自動和手動聯動。

2.4.1 視頻監控系統

以列車、車站、車輛段的視頻監視為基礎，共同構成了全線完整的視頻監控系統。中央級視頻管理服務器軟件、網管軟件和車站級視頻服務器軟件承載于云平臺。車站視頻監控系統完成對本站范圍內攝像機調看、處理及云平臺優先級控制等功能，并通過云網絡將視頻上傳至控制中心，控制中心調度可在任何1臺監視器調看全線任何1臺攝像機。

存儲架構采用中央90 d集中云存儲為主、車站7 d本地存儲為輔的分布式存儲架構。站/段視頻監控終端通過云網絡直接上傳至云存儲中，如果云存儲和云網絡出現故障，站/段可繼續進行7 d的圖像存儲，待故障恢復后，將存儲的視頻繼續上傳至云存儲。

2.4.2 PIS

PIS由中央中心級子系統、車站子系統、車輛段子系統、車載子系統等構成。中央中心級子系統負責編輯需要播放的媒體文件，并下發至車站、車輛段和車載設備。車站子系統根據中央中心級子系統要求進行編播信息的現場播放、管理及控制。車輛段子系統自動接收中央中心級子系統信息并在車輛停庫期間將待播信息無線上傳至車載子系統，同時負責車輛數據的回庫下載。車載子系統負責將無線接收到的中央中心級子系統信息通過車載PIS播放控制器在本列車的所有LCD(液晶)顯示屏上實時播放。

PIS的中心服務器軟件、接口服務器軟件、網管軟件部署于中央云平臺，車站服務器軟件、車輛段服務器軟件部署于車站云節點，同時云平臺為其提供云存儲資源。除此之外，中心操作員工作站、網絡管理維護工作站、媒體編輯工作站、系統管理工作站、編輯預覽工作站、審核發布工作站都采用云桌面系統。

2.4.3 PA系統

PA系統與PIS、IDCS通過互聯接口實現廣播信息控制，由于PIS和中央級IDCS承載于云平臺，為此PA系統在中央與云平臺接口接收經云平臺內部網絡發送的廣播信息，實現全線的廣播業務。

2.4.4 無線調度系統

無線調度系統采用800 MHz TETRA(陸地集群無線電)數字集群通信系統，在FAO系統中IDCS為其提供在線列車數量、車組號、車次號、列車運行方向、列車位置信息，實現中央調度、車站值班員、列車司機、站臺值班員之間的行車調度需求，以及防災、維修等業務需求。

在FAO系統取消司機后，乘客的緊急對講需求由中央乘客調度承擔。無線調度系統與車載乘客緊急對講系統通過接口，實現乘客在緊急情況下與中央乘客調度的緊急通話;當1列列車多個車廂或多列列車多個車廂緊急對講激活時，中央乘客調度可從呼叫列表選擇1路進行對講，必要時可對整列車廂進行廣播。

2.5 站臺門系統設計

站臺門是防護乘客掉入軌行區的安全屏障，FAO系統為確保乘客上下車安全，在傳統信號硬線控制車門、站臺門開關的同時，增加了車門、站臺門間隙探測設備、站臺再開/關門功能、故障門對位隔離功能及清客功能等。

2.5.1 間隙探測設備

每側站臺設置6套間隙探測設備，每套設備在列車和站臺門之間設置有4束不可見光組成的檢測防護區域，采用光束遮擋報警方式實現車門、站臺門之間夾人、夾物的報警。該設備將間隙探測結果匯成1個信號接入站臺門安全回路，再通過硬線接口接入信號系統。為防止該設備誤報警影響行車，設置了旁路功能，可根據運營情況對該設備進行實時旁路隔離。

2.5.2 站臺再開/關門功能

當客流高峰時車門、站臺門經常由于乘客擁擠，在進行3次關門嘗試后會進入防夾狀態。傳統車門、站臺門的再開/關功能由司機完成，在FAO系統無司機的情況下，該功能由站務員執行。為此，在每側站臺兩端設置獨立的站臺再開/關門箱，箱內設總使能按鈕、站臺開門按鈕、站臺關門按鈕，并通過硬線接入信號系統。

2.5.3 車門/站臺門對位隔離功能

當站臺門或車門中的某扇門故障時，列車或站臺門會將具體故障門信息傳遞給對方，列車停準停穩后共同采取故障門隔離措施。車門通過車載PIS告知列車乘客，站臺門通過故障門指示燈和故障門PIS屏告知車站乘客，以引導乘客上下車。

2.5.4 清客功能

FAO系統中，清客場景主要包括終點站的正常清客和故障列車導致的臨時清客。為此，在折返站站臺設置有清客確認按鈕，若列車在非折返站清客則通過遠程清客功能執行。

當執行清客操作時，車廂自動或人工廣播清客提示，當列車停站后，保持車門和站臺門打開;在清客完畢后，站務員關閉車門和站臺門，按壓清客確認按鈕發車或由行車調度員遠程清客確認后發車。

2.6 車輛智能化運維系統設計

FAO系統為實現對車輛的遠程監視和遠程控制，設置了車輛調，而車輛調信息則通過部署在云平臺的車輛智能運維系統獲取。車輛將牽引、制動、弓網監測、車門、空調、PIS、走行部、蓄電池監測、火災報警等運行狀態數據和報警數據通過無線發送至地面車輛智能化運行系統;車輛智能化運行系統利用專家系統、大數據進行統計分析，并將結果呈現在車輛調，輔助行調和車輛調人員實現對車輛的全面監督、精準控制、智能化定位和高效決策。

3 安全評估

基于城軌云的FAO系統，其功能更全面、系統更復雜，對RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)提出了更高要求。為此，對FAO系統核心設備進行了整體安全評估，主要包括以下內容:

1)信號、車輛、站臺門、綜合監控、通信、城軌云平臺等系統的安全評估。

2)核心設備間接口的安全評估。

3)車輛基地無人區安全防護方案的評估。

4)核心設備的總體安全評估。

評估過程分為9個階段，在前一階段未評估通過時不能進入下一階段，以確保各系統建設的穩定有序開展。評估階段主要分為設計開發、車輛段投入使用、試車線允許動車調試、列車RAMS評估、單車動車調試、多車動車調試、空載跑圖試運行、載客試運營和正式運營等階段。

對FAO系統的整體安全評估，有效管控了工程實施過程中的系統安全和質量風險，有效規避了隱患。

4 信息安全

FAO系統承載于云平臺，遵循“系統自保、平臺統保、邊界防護、等保達標、安全確?！钡牟呗裕?］。云平臺依據“網絡隔離”“分域防護”“各上云業務系統自身安全保護機制和云平臺安全保護機制協同配合”的原則，以網絡安全三級等保要求為基礎，分層、分級、分類為各上云業務系統提供安全保護。

信號系統、IDCS按照三級等保要求，建設了1個安全運營管理中心，構建了安全區域邊界、安全計算環境、安全通信網絡三維一體的三重防護，通過安全技術體系、安全管理體系、安全運營體系的相互融合、相互補充共同構建了集防護、檢測、響應、恢復于一體的全面安全保障體系。

5 結語

2號線基于城軌云的FAO系統的投入使用是《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》的典型實踐，是城市軌道交通數字化、智能化、智慧化的有力探索。隨著云計算、大數據、人工智能的繼續發展，可以探討FAO系統從IaaS(基礎設施即服務)層向PaaS(平臺即服務)層、SaaS(軟件即服務)層的應用，真正促進各專業數據的高度共享、高度集成，以建設數字化、智能化的城市軌道交通。