城市軌道交通信號系統安全云平臺方案研究

熊 鋒

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010）

隨著城市化進程的推進，城市軌道交通也在不斷發展。基于通信的列車自動控制系統CBTC（Communication Based Train Control System）逐漸發展成熟并被業界認可，在全國各大城市的軌道交通建設中推廣應用。不過，隨著城市軌道交通線路及CBTC 系統的落地實踐數量增加，現有城市軌道交通信號系統的結構性問題也逐漸暴露出來，如不同層級子系統依賴性過高、各種數據接口多而復雜、系統較為封閉信息閉塞等[1]。這些問題導致了線網層級的信號系統設備利用率較低，增加了建設投資維護成本，并制約了線網統籌運營管理，提高了互聯互通、維護改造的執行難度。

云技術的興起和發展為解決這些問題帶來了機遇。2020 年，《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》提出要建設以城軌云平臺為基礎的新一代軌道交通體系，為各類信息系統應用提供服務，以實現城市軌道交通的智慧化發展[2]。目前，信號系統安全云平臺仍然主要處于初步構想和設計階段，鮮有相關案例。不過由于云技術具有輕量性和通用性等優勢，信號系統與云技術結合應用具有巨大的潛力，是未來信號系統發展研究的重要方向。

1 CBTC 信號系統及云技術

1.1 現有信號系統及其局限性

CBTC信號系統，是指采用車地通信技術實現車載設備及地面設備雙向通信，由移動閉塞代替固定閉塞的連續式城軌列控系統，主要包括自動監控ATS子系統、自動防護ATP子系統、自動運行ATO子系統、聯鎖CI子系統、維護支持MSS子系統及數據通信DCS子系統6個關鍵子系統[3]。傳統CBTC信號系統采用區域分散的控制方式，將線路劃分為若干個控制區域，并設置相應的聯鎖、ATP等控制設備。根據部署位置不同，CBTC信號系統設備包括控制中心設備、車輛基地設備、集中站設備、非集中站設備、車載設備和軌旁設備等。

一方面，信號各子系統設備數量較多，不同層級間依賴性較強，且內部、外部接口繁多復雜，使得整個系統過于龐大冗雜；另一方面，由于考慮行車安全、采取分散控制等因素，信號系統與外部系統、信號系統各控制區之間均存在不同程度的信息孤島，不利于實現信息資源共享。隨著整個城市線網的建設，線路數量增加，設備利用率不高、運營效率難以提升等問題也越發顯著。因此，目前傳統CBTC 信號系統亟需進一步調整優化系統架構，降低系統復雜度，提升設備資源利用效率，減少內外接口數量，以達到常用資源通用化、軌旁控制電子化、通信接口網絡化、維護監測集中化和信號系統輕量化等目的[4]。

1.2 云技術及其特性

云技術是通過網絡技術與虛擬化技術結合，采用分布式計算方式按需為各種業務提供超大容量存儲空間及超強計算能力。云平臺主要包含基礎設施IaaS、平臺PaaS、軟件SaaS 3 大種類服務，而根據安全部署策略不同，則可將云平臺劃分為私有云、公有云及混合云等[5]。根據城市軌道交通的需求特點，云平臺可通過采用私有云的方式，為信號系統提供IaaS 服務部署安全生產網，即搭建信號系統安全云平臺。此種方式具有通用性強、可拓展性高、數據共享方便、安全性好、客戶端需求低及性價比高等優點。云技術的特性不僅與信號系統的安全性、實時性等基本需求相吻合，而且可以滿足信號系統通用化、網絡化和輕量化的發展需求，以實現減少建設成本、提高資源利用效率、降低運維難度、使接口通用化和數據集中化等目標。

2 信號系統安全云平臺

由于云的優越性，可利用云平臺虛擬化技術，為信號系統提供應用服務支持。信號系統安全云平臺這一概念不僅包含為信號系統提供服務的安全云平臺，在廣義維度上，也指代一種基于云技術的新一代信號系統安全平臺。因此，搭建信號系統安全云平臺，需要充分結合信號系統的專業特點進行架構設計。

2.1 基本架構

信號系統不僅包含ATP、CI 等與行車安全密切相關、安全性需求高的子系統，也包含ATS、MSS 等安全性需求適中的子系統。根據安全需求的不同，信號云平臺可以劃分為2 部分，其中涉及列車運行控制安全功能的部分為行車安全云，具體包括測速測距、移動授權計算、聯鎖邏輯處理和安全數據交互等；而其他如僅涉及調度指揮、設備維護診斷功能的部分則為通用安全云。安全云服務器應與硬件綁定，并與非安全云或其他云的硬件實現物理隔離，保證安全云應用服務對于硬件資源獨享性，確保整個邏輯計算處理存儲過程的獨立安全。此外，傳統CBTC 信號系統包括許多嵌入式系統設備，在信號系統功能上云后，盡管新的云平臺硬件、軟件會替代部分原有信號系統設備，但也有一些重要功能無法通過虛擬化方式實現，如采集、執行、供電等功能。因此，仍需保留相關功能設備并部署于安全云平臺邊緣，包括軌旁設備（如轉轍機、信號機、計軸和應答器等）、列車車載設備、執行單元、硬件接口單元及電源設備等。根據上述分析，可得到信號系統安全云平臺基本架構，其示意圖如圖1 所示。

圖1 信號系統安全云平臺基本架構示意圖

根據示意圖可知，通過借助云平臺技術，傳統信號系統功能應用可部署于行車安全云或通用安全云上，同時也保留一些終端設備位于云邊緣，用于實現信號系統的設備控制、狀態監測等功能，從而最終共同實現列車的安全運行及控制。

2.2 系統構成

基于信號系統安全云平臺的基本架構，并結合信號系統的區域分散控制特點，可以根據實現功能及部署位置的不同，將信號系統安全云平臺劃分為以下4個部分。

1）控制中心部分。主要由中央級安全云平臺及控制中心云邊緣設備組成，是信號系統安全云平臺的大腦，用于實現中央級別的信號調度指揮、狀態監測，以及云計算、云存儲等業務，并下達相關指令。可按照冗余性原則設置災備中心，根據業務的重要性及需求不同，對信號云進行備份。

2）車站/段場部分。主要由車站級安全云平臺及車站/段場云邊緣設備組成，與控制中心部分、軌旁部分及車載部分連接，用于實現車站級信號設備的狀態監測及云計算、云存儲等業務，接受來自控制中心的命令，并對所在控區的列車及軌旁設備進行管轄。當控制中心發生故障或與中心發生網絡故障時，可以切換為由車站進行后備級應用服務。

3）軌旁部分。主要由軌旁云邊緣設備組成，與車站/段場部分直接連接，用于采集、傳輸位于軌旁的信號設備狀態等數據，接受并執行相關控制命令。

4）車載部分。主要由列車云邊緣設備組成，與車站/段場部分直接連接，用于采集、傳輸列車車載信號設備的狀態等數據，接受并執行相關控制命令。

雖然為了保證信號系統的技術升級連續性及可實施性[6]，采用了與傳統信號系統相同的區域分散控制方式對系統構成進行劃分，但由于信號系統安全云平臺使用云平臺技術提供了中央級和車站級的調度指揮、邏輯處理、狀態監測和計算存儲等業務服務，使得信號系統的設備、接口數量有所減少，并大大提升了云平臺內的數據信息交互效率。信號系統安全云平臺具有更加集約化、高效化的特點。

2.3 中央級安全云平臺

中央級云平臺部署于控制中心，主要為信號系統ATS 子系統提供云服務，實現監控管理全線范圍信號系統的業務。中心級云平臺包含主用控制中心、備用控制中心2 套設備，主要由中央級服務器（用于云平臺等業務）、工作站、硬件接口設備和電源設備等構成，其示意圖如圖2 所示。

傳統ATS 中央級服務器主要包括應用服務器、數據庫服務器、通信前置機等機柜。ATS 云化后，傳統ATS 中央級服務器的邏輯處理、計算存儲等功能則改為由云平臺服務器實現。通過借助云平臺內的資源管理系統，將不同ATS 應用服務分配于不同的硬件上，并配置冗余計算單元，確保在發生故障時，可以快速無縫切換到備用服務器上，保證中央級云平臺的可靠性。此外，考慮到災備要求，還需要另設置一套備用控制中心的中央級云平臺設備，備用控制中心可設置于車輛段。備用控制中心的中央級云平臺設備需要與主用控制中心的中央級云平臺保持相互獨立運行，并滿足主備中心設備快速切換的實時性要求。由于備用中心僅在特殊情況下臨時使用，因此在滿足可實現控制中心基本功能的情況下，備用控制中心云平臺設備采用單機的簡化配置方式即可。

在工作站部署方面，用于操作實現與列車運行安全無關的系統功能可采用云桌面的方式，在通用操作工作站利用軟件部署實現，以最大化利用硬件資源；而涉及列車運行安全相關功能的操作實現則根據需求單獨設置實體工作站，不納入云平臺部署范圍。

2.4 車站級安全云平臺

車站級云平臺部署于信號設備集中站或者車輛基地，主要為聯鎖、ATP 子系統等提供云服務，實現列車進路控制及軌旁設備資源管理等功能。根據部署車站/段場的需求，車站級云平臺可包括車站級服務器（用于云平臺等業務）、執行單元（含工作站）、硬件接口設備和電源設備等。車站級云平臺通過冗余網絡與控制中心、列車等進行數據交互，受到中央級云平臺的監視與控制，接收軌旁、車載等設備的狀態，并輸出指令控制軌旁設備，其示意圖如圖3 所示。

圖3 車站級安全云平臺示意圖

通過將聯鎖設備、地面ATP 設備的邏輯處理計算與控制執行2 大功能進行分離，使聯鎖、ATP 子系統的計算處理需求統一整合由部署于車站級安全云平臺上的列車運行控制資源管理軟件實現。但同時也在云邊緣保留硬件設備作為執行單元，用于接收來自車站級安全云平臺的指令，并實現列車運行安全相關的操作控制等。考慮到緊急站控或者執行單元與車站級安全云平臺發生通信故障的情況，執行單元可以保留對軌旁設備的人工操控功能。通過車站級安全云平臺的功能分離及整合，聯鎖及地面ATP 的設備需求數量減少，節約了建設維護成本，并精簡了數據交互接口，降低了數據交互量。

3 安全性要求

由于涉及行車安全，信號系統安全云平臺除了需滿足基本的系統功能需求外，還需要符合相應的安全性要求。結合信號系統及云平臺的特點，信號系統安全云平臺應至少保證系統及業務的安全，其安全性要求可總結如下。

系統安全。滿足信息安全三級等保要求，確保系統主機安全、網絡安全等。

業務安全。云平臺需滿足與業務要求一致的SIL等級要求，保證安全性、可靠性。

根據信號系統安全云平臺的基本架構，云平臺部分包括行車安全云和通用安全云。信號系統中與行車安全密切相關的子系統，如聯鎖、ATP 等子系統一般需滿足SIL4 安全等級，而其他子系統如ATS 子系統等則滿足SIL2 安全等級即可[7-9]。由于系統功能上云后云平臺部分也應滿足相應的安全等級要求，因此，行車安全云需滿足SIL4 安全等級，而通用安全云則需滿足SIL2安全等級。此外，為了避免單一隨機故障的影響，信號系統安全云平臺也需要采用多重冗余的方式，將云業務按需分配在相互獨立的物理單元上運行，分別獨立計算并通過比較表決得到輸出結果，以保證系統的可靠性運行。

4 結束語

云技術與城市軌道交通系統專業的深度融合是未來軌道交通行業發展的一個重要方向。相較于傳統信號系統，信號系統安全云平臺充分利用了云平臺的接口通用化、數據集中化優點，物理硬件及接口更少，進一步提高了資源利用效率，降低了建設運維成本，朝著更加通用化、網絡化、輕量化的方向發展。根據城市軌道交通的高安全需求，未來仍需繼續針對信號系統安全云平臺進行應用研究，結合各種運營場景深化完善系統方案設計，為早日真正落地實施提供支持。