城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化架構(gòu)研究與實(shí)踐

朱仰瑞

(上海電氣泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司,上海 201206)

0 引言

隨著全球城市化進(jìn)程的加速,部分城市出現(xiàn)了嚴(yán)重的交通擁堵問題,作為解決此問題的有效手段,城市軌道交通得到了廣泛應(yīng)用。但是,隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張及技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)卻難以實(shí)現(xiàn)同步維護(hù)和升級(jí)。

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是軌道交通的核心組成部分,可確保列車在復(fù)雜、密集的鐵路網(wǎng)絡(luò)中安全、高效地運(yùn)行。傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)基于多種設(shè)備及技術(shù)組合而成,包括軌道線路上的信號(hào)機(jī)、軌道電路、調(diào)度中心及列車上的信號(hào)設(shè)備。信號(hào)機(jī)通常位于車站和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),為司機(jī)提供前方路段狀態(tài)的直觀信息,確保列車按照預(yù)定速度及方向行駛,避免與其他列車或障礙物相撞,其顏色為紅、黃、綠燈或應(yīng)用更先進(jìn)的數(shù)碼屏幕顯示,具體形式取決于系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用環(huán)境。軌道電路在整個(gè)鐵路網(wǎng)絡(luò)中不可或缺,通過檢測(cè)鐵路軌道上的電流變化可準(zhǔn)確確定列車位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并傳送到調(diào)度中心,幫助調(diào)度員做出正確決策,確保列車安全通過每一個(gè)路段。調(diào)度中心是整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的大腦,接收來自軌道電路、信號(hào)機(jī)及其他傳感器的信息,為列車制定行駛計(jì)劃、監(jiān)控列車運(yùn)行狀態(tài)并在必要時(shí)做出調(diào)整。調(diào)度中心的信號(hào)設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備及顯示屏等,共同構(gòu)成高度集成、自動(dòng)化系統(tǒng),能夠處理大量信息并實(shí)時(shí)做出響應(yīng)[1]。

1 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)存在的問題

軌道交通信號(hào)系統(tǒng)由眾多設(shè)備、軟件及協(xié)議構(gòu)成并協(xié)同工作,以確保列車安全、高效運(yùn)行,此系統(tǒng)的高度集成與多樣性意味著其維護(hù)與升級(jí)任務(wù)十分復(fù)雜,任何小的故障或不匹配都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行受到干擾,甚至出現(xiàn)停機(jī)情況。隨著技術(shù)的更新?lián)Q代,原有的信號(hào)設(shè)備及軟件可能逐漸被淘汰,無法與新技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)相兼容,需頻繁升級(jí)或替換,但成本高昂,還可能引入新的問題或漏洞。信號(hào)系統(tǒng)十分復(fù)雜,需由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行日常維護(hù)及檢查,確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn),這增加了軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的維護(hù)成本,對(duì)人員培訓(xùn)及管理提出了更高的要求[2]。隨著城市發(fā)展及交通需求的增長(zhǎng),軌道交通線路常常需要進(jìn)行擴(kuò)展或重組,信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的延展性,以適應(yīng)新的路線、車站及交通模式,但部分傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并沒有充分考慮未來的擴(kuò)展需求,導(dǎo)致現(xiàn)有系統(tǒng)增加新功能及模塊的難度較大。

2 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)化架構(gòu)的具體實(shí)踐與方法

2.1 硬件層面的簡(jiǎn)化與集成

傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)各種功能模塊較為獨(dú)立,需要復(fù)雜的接口及協(xié)議進(jìn)行通信,可能導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性增加,引發(fā)模塊出現(xiàn)兼容性、穩(wěn)定性等問題。故采用集成化的硬件設(shè)計(jì),將多個(gè)功能模塊集成到同一硬件平臺(tái)上,達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低出錯(cuò)概率、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度及處理能力的目的。隨著微電子技術(shù)和芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,單一硬件設(shè)備可承載更多的功能及任務(wù),與傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)相比,現(xiàn)代軌道交通信號(hào)系統(tǒng)更加集中、緊湊,節(jié)省了空間及成本,降低能耗,提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。但硬件層面的簡(jiǎn)化與集成并非減少設(shè)備與模塊,而是在保證系統(tǒng)功能與性能的前提下,通過優(yōu)化及創(chuàng)新達(dá)到提高效率和降低風(fēng)險(xiǎn)的目的,其建立在嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)證流程之上,任何設(shè)計(jì)決策都需經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試及驗(yàn)證,確保其不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性造成威脅,硬件層面的簡(jiǎn)化與集成基本流程如圖1所示[3]。

圖1 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)硬件層面的簡(jiǎn)化與集成Fig.1 Simplification and integration of rail transit signal systemhardware level

2.2 軟件系統(tǒng)的優(yōu)化與模塊化

軟件優(yōu)化是將系統(tǒng)運(yùn)行所需的各種功能及任務(wù)更高效地執(zhí)行,如提高代碼的執(zhí)行效率,減少不必要的計(jì)算與通信,對(duì)資源進(jìn)行合理分配及調(diào)度等,以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,降低能耗,延長(zhǎng)硬件使用壽命。軟件模塊化則是將復(fù)雜的軟件系統(tǒng)分解為一系列相互獨(dú)立但又高度協(xié)同的模塊,每個(gè)模塊都有明確的功能和職責(zé),能夠獨(dú)立地開發(fā)、測(cè)試及部署,當(dāng)某個(gè)模塊出現(xiàn)問題時(shí),其他模塊仍能正常運(yùn)行。但軟件系統(tǒng)的優(yōu)化與模塊化也存在一些問題,如確保各個(gè)模塊之間的順暢通信、避免模塊間的沖突及依賴問題、確保每個(gè)模塊都滿足嚴(yán)格的安全性能標(biāo)準(zhǔn)等。隨著軌道交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)軟件依賴性的增加,如何確保軟件的安全性、防范外部攻擊及威脅成為了研究重點(diǎn)。軟件系統(tǒng)的優(yōu)化與模塊化需要深入思考并制定綜合解決方案,如軟件開發(fā)流程的優(yōu)化、對(duì)代碼質(zhì)量的嚴(yán)格控制及對(duì)新技術(shù)和方法的不斷研究及探索。而傳統(tǒng)的軟件開發(fā)流程可能在快速變化的軌道交通環(huán)境中愈發(fā)滯后,需采用現(xiàn)代開發(fā)方法提供更快的迭代速度及更好的反應(yīng)能力,配備持續(xù)集成(CI)和持續(xù)交付(CD),以確保代碼更快、更頻繁地到達(dá)生產(chǎn)環(huán)境,保證其質(zhì)量。通過引入代碼審查流程、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)代碼分析工具、單元測(cè)試及集成測(cè)試等方式提升代碼質(zhì)量,在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的安全應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中強(qiáng)制執(zhí)行。新的編程語(yǔ)言、框架及工具會(huì)為軌道交通信號(hào)系統(tǒng)提供更高的效率,保障其安全性,應(yīng)關(guān)注新技術(shù),例如,分布式系統(tǒng)應(yīng)用微服務(wù)架構(gòu)以提供良好的模塊化及可擴(kuò)展性。在數(shù)據(jù)處理及分析方面,機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)將提供智能決策支持。

2.3 通信協(xié)議與接口的統(tǒng)一及簡(jiǎn)化

通信協(xié)議與接口是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中設(shè)備、模塊及軟件之間溝通的橋梁,但隨著技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化發(fā)展,各種各樣的通信協(xié)議與接口愈發(fā)復(fù)雜,難以維護(hù),為了滿足系統(tǒng)需求,確保其穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行,應(yīng)執(zhí)行通信協(xié)議與接口的統(tǒng)一及簡(jiǎn)化。通信協(xié)議與接口的統(tǒng)一是在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中使用一致的通信規(guī)范及數(shù)據(jù)格式,不同設(shè)備與模塊都遵循同樣的規(guī)范,使其通信更加順暢,降低出現(xiàn)錯(cuò)誤和沖突的可能性。統(tǒng)一的通信協(xié)議與接口使得系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)更為便利,引入新設(shè)備或模塊只需遵循同樣的規(guī)范,可避免復(fù)雜的適配、調(diào)試。通信協(xié)議與接口的簡(jiǎn)化是去除不必要的功能及特性,只保留系統(tǒng)實(shí)際需求的核心部分,提高系統(tǒng)性能及響應(yīng)速度,需深入了解系統(tǒng)實(shí)際需求,篩除不必要的功能及特性,進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化[4]。

通信協(xié)議與接口的統(tǒng)一及簡(jiǎn)化需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及實(shí)際應(yīng)用等多方面因素,在實(shí)際應(yīng)用中由于歷史原因及技術(shù)的局限性,多數(shù)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中存在多種不同的通信協(xié)議及接口。為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一與簡(jiǎn)化,確保既有設(shè)備與模塊的順利過渡,需對(duì)現(xiàn)有的通信協(xié)議及接口進(jìn)行評(píng)估分析,了解每種協(xié)議與接口的功能、特性、性能、局限性及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用情況,確定哪些協(xié)議與接口應(yīng)被替換或簡(jiǎn)化,哪些必須保留。過渡期可使用橋接技術(shù)或中間件,使不同的通信協(xié)議與接口相互通信,臨時(shí)解決兼容性問題,為統(tǒng)一與簡(jiǎn)化提供時(shí)間與空間。根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定明確的更新與替換計(jì)劃,每次更新或替換后都需進(jìn)行詳盡的測(cè)試,確保新的協(xié)議或接口滿足系統(tǒng)需求,與其他部分進(jìn)行集成。為保障統(tǒng)一與簡(jiǎn)化效果的持續(xù)性,應(yīng)制定明確的通信協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,適應(yīng)未來的技術(shù)進(jìn)步及需求變化。

3 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)化架構(gòu)的應(yīng)用

CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的出現(xiàn)極大提高了運(yùn)輸效率,為地鐵系統(tǒng)帶來了更高的靈活性及安全性。20世紀(jì)80年代,多倫多士嘉堡快軌線和溫哥華天車世博線率先應(yīng)用了CBTC系統(tǒng),標(biāo)志著基于通信的列車控制技術(shù)在城市軌道交通中的真正落地。21世紀(jì)初,我國(guó)城市軌道交通建設(shè)引入CBTC,經(jīng)過多年的發(fā)展和實(shí)踐,形成了一套適應(yīng)國(guó)情的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CBTC系統(tǒng)架構(gòu),繼承了原始CBTC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行了一系列的優(yōu)化創(chuàng)新,使其在眾多的城市軌道交通項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。但隨著我國(guó)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,經(jīng)典的CBTC系統(tǒng)逐漸暴露出一些問題,如系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致維護(hù)成本增加,其擴(kuò)展性與靈活性也受到了限制[5]。為解決上述問題,可采用精簡(jiǎn)的CBTC系統(tǒng)架構(gòu),適應(yīng)更大規(guī)模的線網(wǎng)及更高的運(yùn)行效率。

3.1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與ZC的融合與ECU的革新優(yōu)勢(shì)

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖與ZC(區(qū)域控制器)的一體化是將這兩大核心模塊部署在同一個(gè)安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,形成統(tǒng)一高效的整體系統(tǒng)控制設(shè)備,簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的分散式布局意味著兩個(gè)系統(tǒng)之間需要大量的接口及通信,這不僅增加了設(shè)計(jì)及維護(hù)的復(fù)雜度,還可能導(dǎo)致潛在的故障點(diǎn),而一體化設(shè)計(jì)可使系統(tǒng)變得更加緊湊高效,提高系統(tǒng)的整體可靠性。隨著技術(shù)的進(jìn)步,新型設(shè)備取代了傳統(tǒng)的組件,為系統(tǒng)的簡(jiǎn)化及可靠性提供了新的可能性。與傳統(tǒng)的繼電接口相比,ECU具有體積小、性能高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),大幅度減少需要的物理空間,由于ECU的高度集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)在運(yùn)行中更加穩(wěn)定,提高了系統(tǒng)的整體可靠性,使用ECU替代繼電器設(shè)備可節(jié)約大量的設(shè)備及維護(hù)成本,確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 加固CBTC主用系統(tǒng)

CBTC的穩(wěn)定性與可靠性直接影響整個(gè)軌道交通的正常運(yùn)作,該系統(tǒng)的架構(gòu)簡(jiǎn)化可采用WSC設(shè)備,保證系統(tǒng)的連續(xù)性及可靠性,采用雙套冗余配置,即使其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障,另一套系統(tǒng)可以立即接管,確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,搭載3取2的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái),只要三個(gè)計(jì)算單元中的兩個(gè)給出相同的計(jì)算結(jié)果,那么該結(jié)果就被視為正確,抵御高達(dá)三次的計(jì)算單元故障,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可用性。但無論系統(tǒng)內(nèi)部如何穩(wěn)健,外部通信的穩(wěn)定性也是不容忽視的。特別是車與地之間的無線通信,一旦出現(xiàn)中斷,可能會(huì)對(duì)軌道交通的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生巨大影響。為解決這一問題,可應(yīng)用雙套雙路無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。例如,使用1.8 GHz LTE-M網(wǎng)絡(luò)和5.8 GHz Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)通信的穩(wěn)定性,提高無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3.3 取消點(diǎn)式后備系統(tǒng)

隨著技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新,主用CBTC系統(tǒng)經(jīng)歷了多輪升級(jí)與完善。經(jīng)過深入的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用驗(yàn)證后,現(xiàn)代CBTC系統(tǒng)已達(dá)到了相當(dāng)高的穩(wěn)定性及可靠性。因此,系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行即在某些條件下切換到較低技術(shù)水平或功能的運(yùn)行模式的概率大大降低。當(dāng)主用CBTC系統(tǒng)的可靠性得到了顯著提升,某些傳統(tǒng)的、作為備用或降級(jí)方案的系統(tǒng)將被重新審視。點(diǎn)式后備系統(tǒng)原本是一種保障措施,確保在主用系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)軌道交通依然可以繼續(xù)運(yùn)營(yíng),盡管可能是在較低的效率及功能性下,但隨著主用CBTC系統(tǒng)的加固,這種后備系統(tǒng)的存在價(jià)值已經(jīng)被大大削弱,其功能變得多余,在經(jīng)濟(jì)和維護(hù)上變得不再經(jīng)濟(jì)。因?yàn)榫S持這種后備系統(tǒng)需要大量的資源,包括軌旁的LEU有源應(yīng)答器、配套的線纜及其他相關(guān)設(shè)備。取消點(diǎn)式后備系統(tǒng)是基于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙重考量的,可節(jié)省大量的投資及運(yùn)營(yíng)成本,包括購(gòu)買、安裝、維護(hù)及更新軌旁設(shè)備的費(fèi)用,表示了對(duì)主用CBTC系統(tǒng)的高度信任及依賴。