行車指揮綜合自動化系統的集成方案設計及實現

杜 凡，郝明雷，鄭 軍

（1.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京100068；2.北京經緯信息技術有限公司，北京100081）

城市軌道交通是一個復雜、龐大的系統工程，涉及的大大小小的專業有上百個。各業務形成了獨立系統，例如環控系統、電力監控系統、火災報警系統等。這些系統之間通過各種接口進行數據的交換和控制。隨著地鐵運營經驗的不斷累積和自動化技術的快速發展，地鐵運營對于系統之間信息的快速共享，突發事件的綜合、快速應對能力的需求也越來越強烈，因此，綜合監控系統應運而生，做到了多系統的整合，通過統一的軟、硬件平臺，實現了對環控、電力、屏蔽門、通信等多系統的監督、控制、管理和協調聯動功能，提高了運營效率，解決了運營過程中存在的相關問題[1]。

多年來，綜合監控系統是以電力監控為核心，并未與行車直接相關的列車自動監控（ATS，Automatic Train Supervision）系統進行集成，城市軌道交通綜合監控系統（ISCS，Integrated Supervision and Control System）與ATS系統之間仍采用傳統的接口互聯方式，實現行車信息的交互和運營組織[2]。如今，城市軌道交通全自動運行系統在各地相繼應用，全自動無人駕駛功能的實現對現有行車管理和運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（TIAS，Traffic Control Integrated Automation System）被認為是全自動無人駕駛場景下滿足運營需求的優選方案。該系統融合了ISCS、ATS系統、車輛調度子系統、乘客調度子系統，實現了各個系統的協調動作和更為便利的數據交互，使系統之間的關聯性顯著提高，直接服務于運營，并能提供更豐富有效、以行車運營為核心的聯動功能，真正實現了圍繞行車指揮綜合自動化的建設目標[3]。

目前，TIAS有多種實現方案，本文根據ATS系統和ISCS的特性，以ISCS為基礎，充分融入ATS系統的功能，設計并實現了TIAS的集成方案。

1 研究背景

傳統的ISCS與ATS系統是采用分立式的接口通信方式，保持系統的獨立性，以及既有接口的不變性。ISCS和ATS系統分別獨自實現各自功能，對于全自動運行相關功能，則共同或者相互配合實現[4]。

ISCS和ATS系統的分立式模式如圖1所示。

圖1 ISCS和ATS系統的分立式模式

ISCS與ATS系統分別負責不同的調度角色，ISCS系統負責電調、環調、乘客調、行車輔助/車輛調，ATS系統負責行調和車輛調。ISCS與ATS系統通過接口協議進行數據的交互，圖中箭頭①為ISCS提供給ATS系統的數據信息，包含：全線變電所供電設備及系統的運行狀態、全線火災報警系統設備運行狀態及火警探測信號、全線車站（含區間）風水電重要設備及系統的運行狀態、車站及區間緊急狀態告警信息，以及其他聯動功能所需信息。圖中箭頭②為ATS系統提供給ISCS的數據信息，包含：全線信號設備的運行狀態、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，以及其他聯動功能所需信息。

ISCS和ATS系統之間這種傳統的數據交互方式保證了系統獨立性，各自核心業務獨立自主處理，實施責任范圍清晰，使ISCS與ATS系統可分別調試，各系統的責任范圍相對清晰。但是，這種數據交互方式接口信息繁多，幾乎涵蓋了所有的業務子系統。當覆蓋的運營場景越完善時，系統接口需要交互的信息量越大，同時也使功能的實現變得分散，出現重復的情況。

2 TIAS集成方案設計

2.1 系統架構

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

TIAS提供了一個高效的、面向全專業的綜合調度功能，可以及時地為調度人員提供多專業、全面的行車信息及設備信息，提高系統之間快速聯動和反應速度，解決各專業間的信息孤島問題，實現全專業信息共享與聯動，提高運營組織效率。同時，TIAS也提供了一個統一的維護功能，具有各專業網絡管理、設備管理功能，提高整體維護效率，降低人員成本及設備維護成本，為軌道交通安全和高效運營提供技術支撐[6]。TIAS架構如圖2所示。

圖2 TIAS架構

2.2 設計原則

（1）實時性及安全性：需滿足ATS系統的實時性及安全性要求，滿足ATS系統與ISCS聯動功能的實時性及安全性要求。

（2）數據容量大：滿足ATS系統與ISCS的數據大容量要求。

（3）擴展性高：分專業開通時，滯后開通的系統對已開通的系統無影響，線路分期開通時，后期接入的部分只涉及相關子系統的銜接操作。

（4）可靠性高：各子系統按既有業務特點進行冗余切換，實時服務器可分專業進行冗余切換。

2.3 信息融合

TIAS在繼承ISCS原有功能的基礎上，將ATS系統的全部功能融合進來，如線路靜態信息監視、線路信號設備監視、列車運行監控、基本計劃、時刻表管理、在線計劃管理和車站ATS系統本地控制。

為實現全自動運行系統的無人駕駛功能，TIAS集成了車輛調度子系統和乘客調度子系統，進一步實現對行車、設備、乘客和環境的綜合智能化管理與控制，更好地支撐全自動運行。同時，TIAS通過聯動模塊，將所有專業關聯起來，提高全自動運行場景的反應速度[7]。

2.4 實時數據采集

TIAS采集數據流如圖3所示。

圖3 TIAS采集數據流

TIAS對各專業采用分開采集的方式，并獨立運行各自的處理服務。同時，各專業數據由相應服務器來處理，彼此之間互不影響，這種方式能夠避免因維護某一專業數據而影響其他專業信息的問題。TIAS各專業之間的數據有序集成，這些數據在不相互影響時可共享。

3 TIAS集成技術

3.1 統一的數據管理平臺

TIAS的數據庫采用共用方式，無論是搭建Oracle，還是MySQL，都是服務器設備共用、專業數據分開。本文以Oracle數據庫的部署為例，配置TIAS數據庫，如圖4所示。

圖4 TIAS數據庫配置

TIAS采用Oracle數據庫，在歷史服務器上創建一個數據庫實例，ATS系統創建一個數據庫表空間，PSCADA和環境與設備監控系統（BAS，Building Automation System）創建一個數據庫表空間，兩個數據庫表空間之間互不影響。PSCADA和BAS同庫不同表，即在同一個數據庫表空間下，但是采用不同的遙信/遙測表；不同專業之間的數據也互不影響。

（1）不同數據表空間互不影響

列車監控系統實時服務器處理加載列車自動監控系統的數據庫表空間中的專業數據，不會影響電力監控實時服務器及其他實時服務器加載處理另一數據庫表空間的電力、機電等專業數據。

電力監控實時服務器及其他專業實時服務器加載處理本數據庫表空間中的相關專業數據，不會影響列車自動監控系統實時服務器處理加載列車監控專業數據庫表空間的專業數據。

（2）同數據表空間不同數據表互不影響

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

3.2 統一的軟件平臺

TIAS軟件平臺以綜合監控軟件框架為基礎，采用相同的計算機程序語言及界面框架，將ATS系統的終端功能全部重構到TIAS的人機界面終端。后臺數據通信采用統一的通信中間件，將各專業信息進行實時交互，信息共享，完成平臺的功能整合，實現統一的用戶監視、操作和維護功能。

TIAS軟件平臺的架構如圖5所示。

圖5 TIAS軟件平臺架構

3.2.1基礎服務層

基礎服務層為系統提供支撐平臺，是系統跨平臺和分布式運行的核心。

虛擬操作系統（VOS，Virtual Operating System）：為整個系統提供不同的硬件平臺、操作系統下的適應，屏蔽了不同硬件平臺、操作系統下的差異，為上層應用提供了一致的開發和運行環境。

分布式運行環境（DRE，Distributed Running Environment）：提供網絡、進程管理、冗余管理、分布運行等方面的支持。

關系數據庫管理系統（RDBMS，Relational Database Management System）：支 持 常 用 數 據 庫，提供數據庫管理功能。

虛擬數據庫（VDB，Virtual Database）：為整個系統提供整合后的數據庫統一接口。VDB整合商用數據庫管理系統和訪問接口，屏蔽不同商用數據庫的差異，為上層應用提供一致的開發和運行環境。

3.2.2接口平臺層

接口平臺層為系統提供數據來源，是系統正常運行的基礎。

根據專業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系統仍采用獨立設置，保留原各自系統對外接口。ISCS前置機負責PSCSDA系統接口、BAS接口、FAS接口、PSD系統接口、CCTV系統接口、PA系統接口、AFC系統接口的數據采集及通信。ATS系統的信號專用前置機負責聯鎖系統接口、區域控制器（ZC，Zone Controler）接口、列車發車計時器（TDT，Train Departure Timer）接口、車輛系統接口、車載控制器（VOBC，Vehicle on board controller）接口、PSD系統接口（ATS系統專用）的數據采集及通信。

中心接口由TIAS完成整合，如圖5中紅框標記，主要涉及系統接口為乘客信息、廣播、無線列調、軌道交通指揮中心（TCC，Traffic Control Center）接口方案，同時新增綜合承載（實現車載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數據處理平臺層

數據處理平臺層為系統提供強大的邏輯運算能力及數據處理能力，是系統的后臺服務支撐。

數據處理平臺層可分為兩大類：平臺共用服務部分、ISCS和ATS系統專用模塊。平臺共用服務部分主要為系統平臺支撐進程，涉及實時數據庫、實時服務、報警服務、事件服務、圖形對象驅動、權限管理、對時服務、用戶管理、虛擬數據庫。TIAS對ATS系統提供公共接口，允許ATS系統調用TIAS的公共接口，實現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系統的功能，減少了一層網絡通信的過程，可以更快速的應對全自動運行場景。

ISAS和ATS系統專用模塊分別針對各自的接口專業功能，與傳統模式沒有區別，但是在中間插件部分有個進一步的升級。通信中間件采用ISCS的RPC通信方式，RPC提供了一套服務器對象開發支持和客戶端遠程對象調用支持，TIAS根據功能需求可以更快速的交互數據信息。聯動模塊主要為全自動運行提供服務支持，TIAS通過此模塊將各專業子系統協調起來，針對全自動運行下的場景做出最快速的反應。車輛信息轉發模塊主要為車輛調監控功能提供支持。

3.2.4應用表現層

應用表現層是系統直接展示給用戶的最上層，直接為用戶提供操作服務。TIAS采用統一的開發環境及加載中間件，將ISCS與ATS系統的人機界面融合，實現電力調度、環境調度、乘客調度、維修調度、車輛調度、行車調度等所有功能界面的統一操作。

3.3 統一的網絡平臺

TIAS網絡由3部分組成：中心局域網、主干網和車站局域網，即由ISCS與ATS系統共同組網。

4 集成優勢

集成具有以下優勢。

（1）數據獨立：各專業參數分離存儲，互不影響，可單獨導入導出。

（2）采集獨立：各專業的數據采集服務分離管理，可部署在不同的采集節點上，互不影響，可單獨配置。

（3）處理模塊獨立：各專業的數據處理服務分離管理，可部署在不同的處理節點上，互不影響，可單獨配置。

（4）專業應用圖形獨立：各專業的應用圖形單獨形成工程資料包，獨立進行版本控制，互不影響，可單獨修改更新。

（5）開發模塊相對獨立：ATS系統與ISCS各自開發既有模塊，互不影響。

（6）工程實施階段軟件部署、維護和管理都具有較高的靈活度。

（7）系統負荷較為均衡，用戶響應及時性增強。

5 應用實例

以全自動運行場景中的站臺火災場景為例，TIAS對比原有模式在響應速度上有了很大的提升。本文以火災場景為例，分析原有模式和現有模式的區別。

原有模式：站臺火災信息由FAS發送給ISCS（T1），經由ISCS處理后，執行響應操作（T2），同時在由ISCS發送給ATS系統（T3），ATS系統處理后，在執行列車調整操作（T4）。此過程示意如圖6所示。

圖6 傳統站臺火災場景

TIAS模式：站臺火災信息由FAS發送給TIAS（T1），經由TIAS處理后，執行響應操作（T2），同時執行列車調整操作（T4）。此過程如圖7所示。

圖7 TIAS站臺火災場景

6 結束語

本文對比傳統全自動系統實現方式，介紹了行車指揮綜合自動化系統的集成方案、軟件架構、集成技術，以及方案實施的優勢和應用場景。

全自動運行系統具有更安全、更高效、更節能、更經濟、更高服務水平的突出優點，已成為城市軌道交通技術的發展方向，針對其規模大、結構復雜的系統架構的特點，為實現效率及安全性的提升，多專業融合的TIAS的推廣必不可少[8]。TIAS將作為連接各個專業間的橋梁，協調處理各個專業間的需求，更好地進行系統擴展，確保信息的快速傳輸。