城軌信號系統一體化工具平臺分析與設計

駱正新，耿 鵬，邱錫宏

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 概述

自主知識產權的基于通信的列車控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統目前作為市場主流信號系統，成功應用于國內城市軌道交通各條線路。隨著城市軌道交通的不斷建設和發展，針對信號系統開發和完善的關注度也在不斷提高，對于信息化企業也提出了更高的要求[1]。CBTC是基于通信的列車控制系統[2]，包括車載控制器（Vehicle On Board Computer，VOBC）、列車自動監控（Automatic Train Supervision，ATS）、區域控制器（Zone Controller，ZC）、計算機聯鎖（Computer-Based Interlocking，CBI）等子系統，各子系統均需要配備數據配置、調試分析、安裝部署、自動編譯等工具。目前城市軌道交通系統集成項目各個生產環節存在自動化工具少、重復工作量大、資料共享實時性差、自動化程度不夠、效率提升不明顯等問題。為了解決上述問題，開展數據配置、調試分析、安裝部署等CBTC 系統配套功能的一體化工具平臺研究，并重點解決如下問題。

1）傳統方式下，信號系統各產品相關工具單獨設計，數據錄入工作量大且低效。在輸入數據上，包括圖形化錄入的站場數據及工程數據在各個產品由于格式或結構不一致存在重復，且無法直接共享。

2）傳統方式下，圖紙設計與產品數據隔離[3]。設計圖紙與產品數據錄入表的編制相互獨立，容易出現圖紙與數據無法完全對應的情況。

3）傳統方式下，人工化的數據管理模式。數據基于本地存儲模式極大依賴管理者的工作水平，工程項目整體的數據缺乏有效的統一管理工具。

4）傳統方式下，數據配置、自動測試、自動編譯、自動部署、調試分析相關工作質量和效率不高，且缺乏統一的管理和設計。

基于上述原因，隨著城市軌道交通的快速發展，傳統方式的配套工具已經無法與當前的系統集成任務量相匹配。

2 一體化工具平臺分析與設計

本文研究的一體化工具平臺，是集信號設計、數據配置、自動編譯、自動部署、自動測試、安裝調試、維護分析等各階段的工具服務為一體的工具服務和數據管理平臺。一體化設計克服了分散設計不完整性和片面性的缺點，提高了數據的利用率[4]。

一體化工具平臺將CBTC 系統所有的配套生產工具的設計作為一個整體來考慮，利用設計圖紙作為統一的數據來源，并梳理提取出所有工具需要的數據輸入，形成一體化數據表。為了將既有工具快速實現平臺化管理，在不修改既有工具原有邏輯及實現方式的情況下，提出了工具微服務化的重構設計方法，用最小的代價實現了配套生產工具的統一調用和版本管理。

2.1 一體化的標準數據表設計

問題1：如何解決各個產品相關工具的輸入數據由于格式或結構不一致，導致重復錄入并低效的問題

解決方案：“一體化的標準數據表”。

一體化的標準數據表是包括工程數據、設備編號、IP 地址、聯鎖表、各產品參數表等一系列的輸入表。標準數據表的設計原則如下所示。

1）數據涵蓋所有產品的輸入：數據表的格式統一且前后版本兼容，可以方便CBTC 信號系統升級需要靈活擴展，如增加新的屬性。

2）一體化標準數據表中的數據不存在重復，且方便錄入校核，配套產品工具可以直接讀取相應數據列或根據相應的數據列經邏輯推理轉換得到其需要的輸入數據。

3）一體化標準數據表按照集成業務中的工作階段、內容、職責權限、產品或專業進行分表、分頁、分列，并設置標記和權限，便于錄入、校核和管理。

通過一體化數據表的梳理，也初步形成了平臺綜合數據庫中最基本的數據。同時，平臺配套的各工具服務，在輸入數據上可以與平臺解耦，完全可以單獨通過人工審核確認的一體化數據表作為輸入而完成配套功能服務。

2.2 一體化繪圖工具設計

問題2：如何解決設計圖紙與產品數據隔離的問題

解決方案：“一體化的繪圖工具”。

一句話概括，使設計圖紙標準化，讓圖紙會說話。

一體化標準數據表中所有的信息大部分來源于設計。設計給的輸出是設計圖紙或相關設計輸入表，需要減少或避免數據錄入工作，并避免出現設計與產品不一致。

基于CAD 軟件二次開發，擴展CAD 的功能，根據設計圖例及設計原則，實現標準的信號圖元圖例。在圖紙的繪制過程中，自動獲取、推理并表達出設計圖紙的內涵，內涵包含了一體化標準數據表中需要的內容。

一體化繪圖工具是以基于CAD 二次開發技術，利用標準化圖元，提供信號圖元繪制、編輯、屬性編輯及部分自動繪制、圖元關系導出及存儲的功能，通過信號平面圖和其他輸入獲取工程相關數據，建立統一的數據平臺。同時，利用信號平面圖等設計文件為輸入，作為統一的數據源，并預留轉換為信號系統各產品需要的輸入數據接口，以及導出設計相關圖紙接口，如聯鎖表和配線圖等。

平臺基于設計階段的數據源，為信號系統集成全過程提供統一的標準數據庫，確保在后續數據配置、測試驗證等階段的工作具備一致的輸入，減免二次繪圖、數據重復處理以及標準化等工作，可極大提高集成實施的效率。

2.3 一體化的數據管理平臺設計

正確完整的數據，是保證城市軌道交通信號系統軟件實現各種功能、滿足用戶需求、保證列車安全運行的前提。設計圖紙在整個工程系統集成設計階段中，可能根據實際情況不斷調整，從而引起一體化標準數據表、信號系統數據配置等后續產品數據的變化。需要保證所有環節的數據變化實時協同聯動數據變化及時且正確。

1）如圖1 所示，以設計圖紙和相關輸入作為統一的數據源，通過在平臺上更新上傳對應的設計圖紙后，平臺根據圖紙重新建立并更新綜合數據庫中數據源，并支持自動更新導出一體化標準數據表中的對應數據。

圖1 一體化工具平臺數據流Fig.1 Data flow of integrated tool platform

2）按照工程項目，實現對集成業務各階段的數據鏈條的記錄與查詢。

各個產品輸入輸出以及測試、發布等這些數據均可以通過平臺上記錄的數據進行查詢和追蹤。

2.4 一體化的工具管理平臺設計

CBTC 系統配套的單個生產工具自身相對較獨立，基于微服務的架構，均可以封裝成一個或拆分作為一體化工具平臺中的1 個或多個微服務。利用Spring Cloud 分布式服務治理，通過消息總線通信實現對所有配套工具服務的管理和調用。

3 平臺整體架構設計

一體化工具平臺整體采用C/S 架構，如圖2 所示，平臺分為3 個部分，主要包括用戶層、應用管理層以及綜合數據平臺。

圖2 一體化工具平臺軟件整體架構Fig.2 Software overall architecture of integrated tool platform

用戶層：個人終端運行一體化繪圖軟件或數據配置相關客戶端，用于提供用戶界面以及相關輔助功能。

應用管理層：應用服務器運行平臺的核心運算部分，提供輔助繪圖、數據采集以及圖紙、數據版本管理、自動編譯等CBTC 系統配套生產工具服務。

綜合數據平臺：數據庫服務器運行綜合數據平臺相關組件，設計以及數據配置階段的數據存儲。CBTC 集成業務的統一數據源，數據庫包含設計階段以及數據配置階段的所有數據，為后續圖紙以及數據配置文件的生成提供基礎。一體化工具平臺主要功能設計如下。

1）CBTC 產業化全周期配套工具服務

一體化工具平臺的工具服務集，作為提供城軌信號系統項目配套產業化的工具使用管理功能，支撐集成業務從系統設計至完成工程版軟件發布等階段的全周期業務。

2）數據的查詢和數據轉換服務

一體化工具平臺的綜合數據庫，存儲了信號系統的工程數據圖圖形化錄入數據和相關工程輸入參數，為信號系統所有產品提供統一的數據源，支持站場界面數據、一體化標準數據表自動生成和導出，并可提供差異化轉換實現各產品需要的輸入數據的生成。

3）各階段數據管理

一體化工具平臺的后臺服務，提供對城軌信號系統集成項目各階段配套工具使用過程中的輸入及輸出及整個數據鏈的所有數據的管理和追朔功能，并支持對設計圖紙及數據的修改、保存、上傳和下載。

4）對配套生產工具的統一調用和版本管理。

采用微服務架構[5]設計理念，將單個工具設計為單個或多個服務，平臺實現配套生產工具服務的統一調用和管理。微服務架構中，業務因拆分而變得獨立，且可以帶來諸多好處，幫助解決單體架構或面向服務架構中的一系列問題[6]。基于微服務架構，對既有的單機版生產工具(單體架構)可以進行封裝，實現軟件模塊的微服務化，同時實現軟件的遠程調用。通過以上封裝方式不需要改變現有基礎功能模塊的編碼方式，只需在原有程序架構上進行封裝與調用，在實現軟件基礎功能的同時，提供網絡化在線服務。基于微服務的單機版工具重構方法，包含基于微服務的一體化工具平臺接口和單機版生產工具程序封裝兩部分，如圖3 所示。

圖3 工具微服務化重構設計方法Fig.3 Tool microservice refactoring design method

a.一體化工具平臺：實現對單機版工具服務端口的監聽與請求命令；

b.單機版工具服務：包含對既有單機版工具服務功能的封裝及對服務端口的監聽與響應。

一體化工具平臺提供的配套工具服務主要包括城軌綜合數據庫、輔助設計工具、各子系統數據轉換以及配置工具、自動編譯工具以及現場調試工具等，如圖4 所示。

圖4 一體化工具平臺配套工具服務Fig.4 Supporting tool services of integrated tool platform

4 一體化平臺配套工具服務設計

4.1 輔助設計服務

一體化繪圖工具，用于提供輔助設計功能，實現輔助設計的輸入數據共享[7]。基于CAD 二次開發，支持對信號圖元和圖元屬性自定義，圖元相關屬性和關聯關系自動計算，可實現設計圖紙的輔助繪制或自動生成，如完成室內圖紙、室外圖紙、工程數據表等的自動生成，并以可視化的界面提供設計數據的調整。

為輔助設計快速繪圖，如可支持自定義常規典型站并加入圖庫配置，并可通過拼接或裁剪等方式完成信號平面圖或工程數據圖的快速繪制。

一體化繪圖工具的功能如圖5 所示，通過設計圖紙獲取工程相關數據，建立統一的綜合數據庫平臺。實現工程數據圖的輔助繪制，定義圖中各元素屬性，并生成設計數據表格（聯鎖表、工程數據對照表、驅采表等）。工具提供界面對相關數據進行審核，并生成各子系統統一數據庫。最終通過調取數據庫數據，并結合設計配線規則生成設計圖紙。

圖5 一體化繪圖工具功能流程示意Fig.5 Functional flow diagram of integrated drawing tool

4.2 信號系統數據配置服務

基于服務平臺實現產品數據配置，能夠有效銜接信號系統多產品的配置過程，加強數據共享，提高數據配置效率。同時能夠搜集過程數據，總覽工作過程及數據拓撲關系，實現過程分析，促進生產調優[8]。CBTC 系統涉及VOBC、ZC、CBI、ATS、仿真測試環境等各個子系統。各子系統實現相應的功能需求進行數據配置。系統數據作為各子系統的基礎數據，是將信號機、道岔、檢測設備等設備的位置及相互關系，通過工具根據相關規則進行有效配置，轉換成信號系統的軟件邏輯[9]。

數據配置服務用于支持CBTC 系統中所有產品的數據配置工作。基于一體化數據作為輸入，實現VOBC、ZC、CBI、ATS、仿真測試環境等配置數據的自動生成，同時提供審核以及修改界面，實現數據的審核以及修改。

如圖6 所示，對于功能安全等級為SIL4 的設備，如CBI 設備，由于其數據的準確性對信號系統的安全性與可靠性至關重要[10]，一體化工具平臺通過提供雙鏈數據配置工具服務，保障數據安全性。配置數據可用于安全計算機平臺，既可作為計算數據使用，也可為軟件組件提供初始值等[11]。對于T3 類數據配置工具，安全產品數據配置工具采用雙鏈設計理念，即工具研發時采用不同的開發語言、不同的開發團隊；工具使用時在輸入數據相同的基礎上，對比雙鏈工具輸出結果的一致性，提高數據準確性。

圖6 雙鏈數據配置工具輸入與輸出Fig.6 Dual-link data configuration tool input and output

4.3 平臺支撐管理服務

平臺支撐管理服務用于實現對綜合數據平臺的支撐管理，實現用戶管理、系統配置管理、設計以及數據版本管理、設計以及數據變更記錄、數據查詢等功能。作為CBTC 集成業務的統一數據，數據庫包含設計階段以及數據配置階段的所有數據，為后續圖紙以及數據配置文件的生成提供基礎。通過一體化工具平臺統一提供對圖紙的更新上傳和下載，確保在后續數據配置、測試驗證等階段的工作使用的輸入與前期一致，并減免其他產品二次繪圖、數據重復錄入等工作，提高整體集成實施的效率。

5 結語

通過集信號設計、數據配置、自動編譯、自動部署、自動測試、安裝調試等城軌信號系統集成各階段的工具服務為一體的工具平臺設計理念，實現配套生產工具的平臺化管理及數據鏈條的平臺化管理，相關成果已經通過天津4 號線、杭海城際線、西安機場線等十幾條實際工程的檢驗，提升了城軌信號系統集成實施效率和管理質量。一體化工具平臺提供的CBTC 信號系統產業化工具會隨著工程應用不斷推廣而更加完善，除了創造的經濟效益，平臺帶來的整體效率和管理質量的提升會愈發顯著。工具服務的平臺化管理及工程項目數據鏈的平臺化管理，作為城軌列控系統數字化生產鏈條的關鍵一環，將會為保障信號系統安全可靠運行，實現城軌事業高質量發展保駕護航。