城市軌道交通信號系統冗余設計及備用控制中心配置方案

徐 峰

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司,200235,上海∥工程師)

在城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統中,在線路控制中心設置的ATS(列車自動監控)子系統承擔著運行監控、調度指揮、外部通信等重要功能,一旦出現故障,將對正常行車秩序造成極大影響。因此,ATS的SRS(中央服務器)通常為雙套配置,其熱備冗余設計是系統可用性和可靠性的實現方式和重要保證。當前,部分城市為了進一步提高ATS系統設備可靠性和冗余性,會在車輛段部署備用控制中心,額外配置單套的ATS系統中央服務器,共同構成ATS系統中央服務器的三重冗余。三套服務器都通過DCS(數據通信系統)網絡互聯,同時接收其他ATC(列車自動控制)子系統信息和外部接口系統信息,并將接收到的信息下發給所有與骨干網連接的ATS系統工作站進行顯示。

日常運營中,一般將OCC(運營控制中心)中的ATS系統設備作為主用,中央調度員對其有控制權。BOCC(備用控制中心)中的ATS系統設備的作用與OCC中的沒有差異,同樣具備監控功能。當OCC中的雙套ATS系統服務器都處于故障狀態時,BOCC中的ATS系統服務器將自動無擾接管;中央調度員仍可以繼續指揮調度線路上所有運營列車。如果有需要,通過控制權限移交,BOCC的調度員可以控制線路上的列車。本文主要介紹備用控制中心的配置方案及方案設計理念。

1 備用控制中心功能定位

備用控制中心作為主控制中心的備份,其在網絡結構、系統冗余以及安全等級方面的要求與主控制中心相同。BOCC的主要功能定位是,當出現自然災害或其他突發事件導致主控制中心完全喪失功能或與外部通信終斷的極端情況下,接管線路的行車指揮權,繼續組織全線路運營以避免造成影響。因此,BOCC的系統設備要實時保持熱備狀態,并具有OCC的系統設備的監督和控制功能。另外,BOCC與OCC通常設置于不同的物理位置,以避免諸如自然災害、大面積斷電等意外事件影響兩個控制中心的工作。

2 ATS子系統設計

當線路設置有BOCC時,在進行ATS系統設計時需綜合考慮冗余結構、主備切換過程以及主備同時故障時降級車站控制方案等,需同時滿足OCC和BOCC不同功能定位產生的功能需求。

2.1 冗余結構

設計冗余的目的是使ATS系統正常運行不受如單臺SRS宕機等局部故障影響,同時可以實現在線維護,使故障設備能夠及時恢復。

對于配置主用和備用控制中心的線路,在其OCC部署雙套冗余服務器;在其BOCC部署單套服務器,并分別在主用和備用控制中心部署其各自的數據記錄器和調度工作站(即客戶端);主用和備用控制中心的3套ATS系統中央服務器形成熱備冗余結構,在硬件設備冗余的基礎上,為充分考慮接口的冗余性,均采用交叉互聯的通信接口方式。此外,對于BOCC的ATS系統服務器,除一部分外部接口未設置外,其余設備設置均與OCC的保持一致,可以完整實現OCC的基本功能,形成冗余架構。

通過心跳來判斷3套ATS系統服務器主用和備用狀態,備用控制中心服務器作為遠程冗余服務器,使用較長的心跳超時(2 s)。3套ATS系統服務器優先級從高到低為SRS1、 SRS2和SRS3。正常運行時,全線路的工作站,都與ATS系統服務器相連。當OCC的SRS1或SRS2中至少有一臺為可用時,BOCC的SRS3不會被激活;只有當SRS1和SRS2都不可用時,SRS3才會被激活;當SRS1和SRS2都不可用時,可用的SRS3會自動被激活;如果之后SRS1或SRS2恢復可用,不會自動從SRS3切換至SRS1或SRS2,此時需要通過人工切換才能恢復至控制中心服務器處于激活狀態。無論是OCC還是BOCC的服務器被激活,OCC和BOCC以及車站的工作站均與被激活的ATS系統服務器相連。ATS子系統的冗余架構如圖1所示。

圖1 ATS系統冗余架構

2.2 主備切換過程

OCC正常運行時,SRS1(或SRS2)處于激活狀態,BOCC的SRS3處于備用狀態,如圖2所示。當BOCC的ATS系統服務器檢測到OCC的ATS系統服務器、三層交換機、保密器件或ATS系統骨干網交換機節點出現雙重故障時,ATS系統將從 OCC 的服務器切換到BOCC的服務器,SRS3被激活,由BOCC的ATS系統服務器接管全部列車并與軌旁相關控制單元建立通信,如圖3所示。

圖2 OCC中ATS系統正常運行時設備狀態

圖3 BOCC中ATS系統運行時設備狀態

BOCC中的ATS系統服務器將根據列車的作業任務自動辦理進路、發出指令,如臨時限速、開放/關閉軌道、設置/取消進路、引導、操作道岔等。ATS系統在從OCC的服務器切換到BOCC的服務器過程中,在區間以ATO(列車自動運行)模式或ATPM(ATP防護下的人工駕駛)模式運行的列車均繼續行駛到前方車站停車,直到BOCC的ATS系統服務器申請到新的進路。切換過程中,列車正常運行不受影響。ATS系統從 OCC的服務器切換到BOCC的服務器情況同樣遵循上述過程。

2.3 主備同時故障

在極端情況下,若OCC和BOCC的ATS系統服務器全部故障,車站ATS系統服務器將被激活。車站ATS系統操作員使用具有車站ATS系統服務器配置功能的工作站控制本站所轄區域。車站ATS系統服務器將根據列車的作業任務自動辦理進路、發出指令。在切換至車站ATS系統服務器的過程中,在區間運行的列車可按照已有的進路授權繼續行駛到前方車站停車,然后將由車站ATS系統服務器申請新的進路。主備控制中心同時故障時ATS系統連接狀態如圖4所示。

圖4 主備控制中心同時故障時ATS系統設備狀態

3 信號系統內部接口設計方案

3.1 與DCS子系統接口

DCS系統網絡支持OCC和BOCC的網絡連接。OCC和BOCC的ATS系統所有冗余設備應配置不同的IP(網級互聯協議)地址,支持ATS系統的三重冗余,以及與各子系統之間的通信。DCS系統需在OCC和BOCC分別部署LTE(長期演進)核心網和兩個安全保密設備。ATS系統外部接口防火墻將連接 ATS系統骨干網絡,用于ATS系統外部接口與3套ATS系統服務器的通信。

為實現OCC的工作站和BOCC的工作站可以連接任一激活的OCC或BOCC的ATS服務器,并確保OCC和BOCC的ATS系統服務器之間的可靠連接和無擾切換,降低通信延時和提高穩定性,需要將OCC和BOCC的內部局域網進行互聯,增加上下行光纖芯數各4芯(使用2芯,備用2芯)。

3.2 與ATC子系統接口

ATC系統包括設置于軌旁的ZC(區域控制器)和設置于車上的VOBC(車載控制器)。為適應ATS系統服務器三重冗余的設計,在原有SRS1、SRS2設置端口20001和20002的基礎上,對于新設置的BOCC的ATS系統服務器SRS3需添加端口20003,ZC和VOBC設備分別增加與BOCC的通信連接。

對軌旁ZC進行通信協議的修改,使之可以與OCC和BOCC的3套ATS系統服務器進行通信。同樣,將車載VOBC通信協議修改為可以與OCC和BOCC的ATS系統服務器進行通信的協議。在車載SDR(保密器件)的中轉發端口配置中增加備用控制中心服務器。ATC子系統與ATS系統網絡連接如圖5所示。

4 信號系統外部接口設計方案

信號系統通過ATS子系統提供的接口與外部系統連接,包括CLK、PSD(站臺門系統)、DLP(大屏系統)、Radio、PA(廣播系統)、PIS(乘客信息系統)和ISCS(綜合監控系統)。為適應主備控制中心的不同功能需求,需對原僅考慮單一設置于OCC的ATS系統的外部接口設計進行適配性調整。CLK同時與OCC和BOCC 的ATS服務器連接,進行授時。每個車站的PSD 同時與OCC/BOCC的ATS服務器連接,只有主ATS服務器會向PSD發送命令。DLP 僅在控制中心配置,只與本地的DLP接口服務器相連,獲取大屏顯示信息。

控制中心和備用控制中心的Radio、PA、PIS和ISCS為多冗余熱備配置,可無縫切換。正常時每個子系統只有一臺服務器為主機,與ATS系統主機進行通信。ISCS 僅部署在 OCC 中,冗余 ISCS 服務器與3套 ATS 系統的服務器連接。

考慮災備情況下的時鐘同步,時鐘系統在OCC和BOCC都提供主時鐘,信號系統分別與OCC和BOCC的主時鐘系統接口,實現主時鐘時間同步。

5 BOCC信號系統配置方案對比分析

方案一:BOCC的信號系統機房內的服務器、交換機等設備均處于冷備狀態,平時不開啟,處于關閉狀態。該方案優點為:設備處于關閉狀態可以節省能耗,在BOCC不需要配置很多信號系統維護和值守人員,只需要安排全天候值守人員進行應急處置即可,相應地也節省了人力成本。該方案缺點為:一旦需要啟用備控信號系統,值守人員需要到機房開啟設備,手動操作切換服務器和交換機到主用,比較耗費時間,容易造成較大的時間晚點。

方案二:BOCC的信號系統機房內的服務器、交換機等設備均處于開啟的熱備狀態,但主用控制中心的系統一旦故障需切換至備用系統時需要人為手動操作。該方案優點為:備用控制中心的信號設備一直處于熱備狀態,不用再進行人工開啟設備,節省了一定的時間。該方案缺點為:設備能耗較高,且需要維護人員每天進行巡檢檢查,提高了維護成本。

方案三:BOCC的信號系統機房內的服務器、交換機等設備均處于開啟的熱備狀態,但主備服務器是自動切換的,出現雙點故障后系統自動切換到BOCC服務器。該方案的優點為:對于運營的影響是最小的,基本不會有晚點情況發生。該方案缺點為:設備能耗較高,且需配置全天候值守人員進行日常巡檢和基本的維護作業。

方案選擇的關鍵因素為:主備控制中心的切換必須無縫連接,不能對運營造成影響;BOCC設備規格和OCC的保持一致,非重要外部接口設備可以刪減;BOCC設置在有人值守的站點或段場,減少人力成本和建設成本。考慮到實際情況和綜合因素,杭州地鐵16號線和上海軌道交通14號線的備用控制中心均采用了方案三的配置。

6 結語

城市軌道交通發展已進入網絡化時期,備用控制中心信號系統設備配置的必要性和合理性也在逐步加重。本文分析了信號系統備用控制中心配置方案和設計理念,并闡述了冗余切換對運營場景影響。杭州地鐵16號線和上海軌道交通14號線的備用控制中心采用方案三的配置方案,在大幅提升信號系統的可靠性、冗余性,以及提高信號系統抗災害能力的同時,可降低運營成本。