城市軌道交通綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)自感應(yīng)數(shù)據(jù)集成方案的實(shí)現(xiàn)*

張振山 肖 聲 郝明明

(1. 南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司， 210032， 南京;2. 國電南瑞科技股份有限公司南京軌道交通技術(shù)分公司， 210032， 南京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

城市軌道交通IDCS(綜合調(diào)度指揮系統(tǒng))以行車指揮為核心，是全自動(dòng)化的、高度集中控制的綜合調(diào)度系統(tǒng)，集成了ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、PSCADA(電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)和 BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))等監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)已投入運(yùn)營的城市軌道交通IDCS平臺(tái)與ATS系統(tǒng)的集成，大多采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)協(xié)議在控制中心或車站以相對獨(dú)立接入數(shù)據(jù)的形式來實(shí)現(xiàn)信息交換，且系統(tǒng)之間的物理連接大多采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的可靠性依靠協(xié)議機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)冗余來保證。數(shù)據(jù)的傳輸受兩側(cè)的ATS系統(tǒng)及IDCS平臺(tái)可靠性和穩(wěn)定性的影響，當(dāng)兩側(cè)的應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)就不能及時(shí)傳輸?shù)絀DCS，從而影響IDCS的應(yīng)用功能。

目前，按照全自動(dòng)運(yùn)行的要求，GOA(自動(dòng)化等級(jí))分為5個(gè)等級(jí)，其中，GOA3(無人駕駛列車運(yùn)行)和GOA4(無人干預(yù)列車運(yùn)行)均可歸為全自動(dòng)運(yùn)行的范疇[1]。在全自動(dòng)無人駕駛的運(yùn)行模式下，數(shù)據(jù)的傳輸需要建立在更加可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制上，才能滿足城市軌道交通對運(yùn)行線路的數(shù)據(jù)以及控制信息準(zhǔn)確和安全的要求[2]。

1 城市軌道交通傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成方式

1.1 數(shù)據(jù)交互方式

北京地鐵6號(hào)線(以下簡稱“6號(hào)線”)TIAS(行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng))采用雙環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的骨干網(wǎng)，并在該骨干網(wǎng)上劃分為兩個(gè)VLAN(虛擬局域網(wǎng))，即ATS VLAN 和TIAS VLAN。兩者通過專用的FEP(前端處理器) 實(shí)現(xiàn)了TIAS與ATP(列車自動(dòng)防護(hù))、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)等系統(tǒng)的互聯(lián)，既保證了整個(gè)系統(tǒng)的交互性，又保證了信號(hào)系統(tǒng)的安全性。在中心服務(wù)器上ATS與TIAS采用專用消息中間件進(jìn)行通信，在集中站車站服務(wù)器上ATS與TIAS使用TCP(傳輸控制協(xié)議) socket網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信。中心服務(wù)器和集中站車站服務(wù)器均使用FEP進(jìn)行通信，且兩種服務(wù)器之間的通道各自獨(dú)立，交互不同數(shù)據(jù)信息，兩者之間未交互。當(dāng)某條通道或某一側(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，不影響另外一條通道中的數(shù)據(jù)流。

如圖1所示，IDCS中心或車站的通道各自獨(dú)立，且通道中交互信息內(nèi)容不同：在IDCS中心ATS系統(tǒng)發(fā)送告警、首末班車等信息至TIAS系統(tǒng)，TIAS系統(tǒng)發(fā)送風(fēng)機(jī)、火災(zāi)、供電、電扶梯及用戶等信息至ATS系統(tǒng)；在集中站車站ATS系統(tǒng)發(fā)送列車、站臺(tái)狀態(tài)及聯(lián)動(dòng)控制命令等信息至TIAS，TIAS發(fā)送聯(lián)動(dòng)控制命令信息至ATS系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，上述在IDCS中心和車站通道中事先定義的數(shù)據(jù)流不會(huì)根據(jù)其動(dòng)態(tài)需求而改變。

1.2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方式的特點(diǎn)和不足

現(xiàn)已投入運(yùn)營的以行車為中心的全自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)集成ATS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方式，主要是基于6號(hào)線TAIS設(shè)計(jì)開發(fā)的，具有以下特點(diǎn)：

1) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、定義清晰。IDCS中心和車站各自擁有自身的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、物理鏈路和專屬FEP，兩者之間無關(guān)聯(lián)關(guān)系，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流定義清晰。當(dāng)IDCS中心或車站通道出現(xiàn)問題后，僅在當(dāng)前通道出現(xiàn)故障，而不會(huì)影響其他通道內(nèi)的數(shù)據(jù)流。

2) 獨(dú)立運(yùn)行。應(yīng)用層在IDCS中心和車站各自運(yùn)行ATS和IDCS軟件。當(dāng)某個(gè)通道的單側(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，僅當(dāng)前通道出現(xiàn)故障，其他通道可以正常運(yùn)行。

3) 系統(tǒng)通道無冗余設(shè)計(jì)。系統(tǒng)級(jí)別通道之間的物理鏈路采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，大大提高了通道的可靠性。但兩側(cè)系統(tǒng)通道與通道之間無冗余設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)流只能在固定的通道傳輸。一旦某個(gè)單側(cè)系統(tǒng)內(nèi)部邏輯或網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)問題時(shí)，該通道的數(shù)據(jù)流就會(huì)斷開。

綜上，原有的ATS數(shù)據(jù)集成方式存在當(dāng)單側(cè)系統(tǒng)軟件因自身網(wǎng)絡(luò)或軟件出現(xiàn)故障(如線路核心交換機(jī)或骨干網(wǎng)斷電故障)時(shí)，導(dǎo)致信息交互通道和部分?jǐn)?shù)據(jù)流斷開的問題，從而影響IDCS系統(tǒng)功能。因此，需要設(shè)計(jì)更加可靠的數(shù)據(jù)集成方式，滿足全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)的等級(jí)要求。

2 自感應(yīng)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)集成方式

城市軌道交通IDCS是某城市按照全自動(dòng)運(yùn)行的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的以行車指揮為核心，全自動(dòng)化的、高度集中控制的綜合調(diào)度系統(tǒng)。在滿足系統(tǒng)性能和功能要求的基礎(chǔ)上，與6號(hào)線相同，數(shù)據(jù)集成方式均采用綜合監(jiān)控軟件平臺(tái)集成ATS系統(tǒng)的方式來實(shí)現(xiàn)。對IDCS架構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各自系統(tǒng)中可以流動(dòng)，且無論采用自頂向下或自底向上的數(shù)據(jù)流匯聚方式，均需要交互信息在IDCS中心和車站實(shí)時(shí)存在。如圖2所示，采用車站通道為中心通道冗余的設(shè)計(jì)機(jī)制，將原先1對1的數(shù)據(jù)集成方式更改為n對1的數(shù)據(jù)集成方式，以保證數(shù)據(jù)的可靠性；數(shù)據(jù)信息與告警信息通過分離的方式來優(yōu)化數(shù)據(jù)流傳輸壓力，即數(shù)據(jù)信息在IDCS中心傳輸并實(shí)時(shí)處理，告警信息在IDCS的中心或車站傳輸，從而達(dá)到負(fù)載均衡傳輸?shù)男Ч?/p>

正常情況下，ATS系統(tǒng)將所有需要交互的數(shù)據(jù)信息匯聚到IDCS中心，與IDCS系統(tǒng)進(jìn)行交互。當(dāng)ATS系統(tǒng)中某個(gè)集中站的數(shù)據(jù)流匯聚功能出現(xiàn)問題時(shí)，該系統(tǒng)自動(dòng)將本集中站的數(shù)據(jù)信息傳輸至IDCS的車站，同時(shí)IDCS依靠自身系統(tǒng)的能力將該信息傳輸至IDCS中心進(jìn)行交互。當(dāng)ATS匯聚功能恢復(fù)后，交互信息自動(dòng)在IDCS中心進(jìn)行傳輸。同時(shí)，IDCS在其中心和車站同時(shí)接收ATS發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)通道所在位置發(fā)送數(shù)據(jù)。

告警信息傳輸占用較多的數(shù)據(jù)帶寬。因此，當(dāng)IDCS中心通道負(fù)載超過一定范圍時(shí)，從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，現(xiàn)場IDCS是根據(jù)配置文件內(nèi)容手動(dòng)切換是否在IDCS中心處理某車站的告警信息。具體方法是：首先切斷IDCS中心通道中該車站的告警信息，然后在IDCS所在車站的服務(wù)器向ATS系統(tǒng)所在車站的服務(wù)器主動(dòng)召喚本站的告警信息；ATS系統(tǒng)所在車站接收告警召喚信息后，ATS系統(tǒng)先將該車站2 min內(nèi)的歷史告警信息發(fā)送至IDCS所在車站的服務(wù)器，然后繼續(xù)發(fā)送該站最新的告警信息；最后由IDCS車站處理2 min冗余告警信息和最新告警信息。

2.1 ATS自感應(yīng)通道設(shè)計(jì)

ATS系統(tǒng)在高速的光纖網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)流是按照自頂向下和雙數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)的，即數(shù)據(jù)本身在IDCS中心，且數(shù)據(jù)在IDCS中心接入的同時(shí)，在車站亦接入車站數(shù)據(jù)。ATS系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)在IDCS中心，保證了正常情況下，ATS系統(tǒng)中心到IDCS中心的信息交互。雙數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)時(shí)不僅IDCS中心擁有所有車站的信息，車站亦擁有本站的信息。當(dāng)車站降級(jí)時(shí)，車站可以將本站的信息傳送至IDCS。

ATS車站系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)或軟件本身的故障自感應(yīng)判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性；數(shù)據(jù)在傳輸過程中，ATS保證僅發(fā)送1份數(shù)據(jù)，在IDCS中心發(fā)送或在車站發(fā)送，且保證數(shù)據(jù)的時(shí)序性。在車站，ATS系統(tǒng)接受IDCS告警召喚并傳輸本車站的告警信息。

2.2 IDCS的功能設(shè)計(jì)

IDCS數(shù)據(jù)集成平臺(tái)可設(shè)計(jì)為具有接收雙數(shù)據(jù)源功能的平臺(tái)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過調(diào)整數(shù)據(jù)信息和告警信息通道，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡功能。畫面或系統(tǒng)功能是數(shù)據(jù)的最終消費(fèi)端，但數(shù)據(jù)源的不確定性以及全數(shù)據(jù)和變化數(shù)據(jù)的影響，增加了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。這需要平臺(tái)應(yīng)用層識(shí)別正確的數(shù)據(jù)源，因此需通過建立雙模型和通道表決器的方式來解決該問題。如圖3所示，IDCS中心和車站通道數(shù)據(jù)信息都會(huì)發(fā)送給服務(wù)器上處理邏輯的應(yīng)用程序，且車站和IDCS中心的交互信息會(huì)同時(shí)影響應(yīng)用層數(shù)據(jù)，因此，正確通道的選擇對IDCS的處理邏輯非常重要。告警信息可以根據(jù)實(shí)際控制中心系統(tǒng)的負(fù)載，調(diào)整配置文件，實(shí)現(xiàn)車站的告警信息在車站進(jìn)行傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)交互信息的自感應(yīng)處理，IDCS側(cè)的方案包含以下內(nèi)容。

2.2.1 數(shù)據(jù)信息處理

1) 在車站和IDCS中心為通道位置建立虛擬設(shè)備模型。例如，通道標(biāo)志的模型為：中心模型點(diǎn)號(hào)為993000001，車站模型點(diǎn)號(hào)為103000001。其中，“1”表示該點(diǎn)為通道標(biāo)志，“99”和“10”為IDCS中心和車站的唯一性序號(hào)，“3”為ATS應(yīng)用號(hào)。該模型的數(shù)字文本含義為“是否在車站”，其中，數(shù)字“1”表示車站，數(shù)字“2”表示中心；狀態(tài)“1”表示正常，狀態(tài)“2”表示工況退出。

2) 在車站和IDCS中心為應(yīng)用數(shù)據(jù)建模。例如，某設(shè)備點(diǎn)的模型：中心模型點(diǎn)號(hào)為993000002，車站模型點(diǎn)號(hào)為103000002。其中，“2”為設(shè)備點(diǎn)的起始點(diǎn)，“99”和“10”為IDCS中心和車站的唯一性序號(hào)，3為ATS應(yīng)用號(hào)。

3) 應(yīng)用處理邏輯同時(shí)接收從IDCS中心和車站發(fā)送的數(shù)據(jù)。首先，應(yīng)用處理邏輯更新通道標(biāo)志，如果通道標(biāo)志為“value=2，status=1”，則表示ATS系統(tǒng)通道建立在IDCS中心與ATS中心之間，而IDCS車站與ATS車站只建立正常的通信鏈接，作為心跳的更新訂閱；如果通道標(biāo)志為“value=1，status =1”，則表示ATS系統(tǒng)通道建立在IDCS車站與ATS車站之間，車站在原有更新訂閱的基礎(chǔ)上，增加全數(shù)據(jù)報(bào)文(通知生成)和變化數(shù)據(jù)報(bào)文(更新通知)，應(yīng)用處理邏輯屏蔽OCC發(fā)送的數(shù)據(jù)。

4) 通道從車站轉(zhuǎn)變?yōu)镮DCS中心的過程中，ATS系統(tǒng)在車站會(huì)主動(dòng)斷開鏈接，然后IDCS重新發(fā)起建鏈。但在斷開鏈接時(shí)，IDCS并不知道當(dāng)前的數(shù)據(jù)通道是IDCS中心還是車站，此時(shí)應(yīng)以IDCS中心為準(zhǔn)。降級(jí)標(biāo)志為“value=2，status =工況退出”。

2.2.2 告警信息處理

告警信息包括ATS專業(yè)和車輛專業(yè)的報(bào)警，數(shù)量較多。因此，告警信息可以在IDCS中心或車站自由選擇傳輸，在技術(shù)上亦可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)IDCS中心系統(tǒng)負(fù)載自動(dòng)切換到車站傳輸。但為了減少IDCS整體負(fù)載的波動(dòng)性，根據(jù)實(shí)際需求，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)配置文件實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的告警信息在IDCS中心通道的負(fù)載均衡。

2.3 多點(diǎn)數(shù)據(jù)集成的特點(diǎn)

1) 數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)，車站通道為中心通道的冗余設(shè)計(jì)。IDCS中心服務(wù)可以接收ATS車站數(shù)據(jù)，然后在IDCS內(nèi)部更新IDCS中心應(yīng)用層數(shù)據(jù)，同時(shí)將各個(gè)車站的數(shù)據(jù)發(fā)送給ATS車站供其使用，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴６帱c(diǎn)數(shù)據(jù)集成實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層數(shù)據(jù)的透明傳輸，且數(shù)據(jù)源的切換不影響應(yīng)用數(shù)據(jù)的使用。

2) 告警信息負(fù)載均衡傳輸可以降低IDCS中心通道數(shù)據(jù)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。IDCS中心通道傳輸所有車站數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，也傳輸車站的告警信息。當(dāng)ATS系統(tǒng)和IDCS的數(shù)據(jù)通道負(fù)載因故障或數(shù)據(jù)擴(kuò)充等原因達(dá)到負(fù)載峰值時(shí)，車站通道可以有選擇地分擔(dān)中心通道負(fù)載，但不影響其他車站在IDCS中心的數(shù)據(jù)，以達(dá)到負(fù)載均衡的目的，從而進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)通道的可靠性。

3 結(jié)語

IDCS的多點(diǎn)數(shù)據(jù)集成方式，采用以車站為中心的冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)ATS系統(tǒng)自感應(yīng)數(shù)據(jù)需要在車站傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)通道切換為在車站傳輸。IDCS數(shù)據(jù)集成平臺(tái)可以自適應(yīng)地轉(zhuǎn)換成正確的應(yīng)用數(shù)據(jù)，同時(shí)告警信息隨著數(shù)據(jù)擴(kuò)充可以自主、選擇性地在車站傳輸，實(shí)現(xiàn)了IDCS整體的負(fù)載均衡，提高了IDCS的可靠性。目前，多點(diǎn)數(shù)據(jù)集成方式已經(jīng)在太原地鐵項(xiàng)目中投入使用，并實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。