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        新一代城軌信息化體系中 ATS系統(tǒng)發(fā)展

        2018-09-04 12:12:20郜春海簡銳鋒
        都市快軌交通 2018年4期
        關(guān)鍵詞:線網(wǎng)城軌信號系統(tǒng)

        郜春海,劉 波,簡銳鋒,郭 輝

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        新一代城軌信息化體系中 ATS系統(tǒng)發(fā)展

        郜春海,劉 波,簡銳鋒,郭 輝

        (交控科技股份有限公司,北京 100070)

        首先介紹城市軌道交通信息化建設(shè)的發(fā)展趨勢,即通過采用云平臺和大數(shù)據(jù)技術(shù)解決當(dāng)前城軌信息化建設(shè)中的問題。隨后討論在新一代信息化建設(shè)的大背景下,作為城軌信息化體系中ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)的發(fā)展方向。根據(jù)ATS系統(tǒng)自身發(fā)展的需要,進一步說明ATS系統(tǒng)應(yīng)該深度融合到城軌新一代信息化建設(shè)中?;谶@些趨勢分析,從ATS系統(tǒng)既有系統(tǒng)架構(gòu)特點、數(shù)據(jù)流、安全完整度需求、信息安全需求、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展等方面,重點論述ATS納入云平臺的可行性,并對ATS系統(tǒng)的云部署方案進行深入探討。

        城市軌道交通;信息化;云平臺;列車自動監(jiān)控系統(tǒng);云部署

        1 云平臺和大數(shù)據(jù)技術(shù)是城軌新一代信息化建設(shè)的發(fā)展趨勢

        隨著我國城市化進程的不斷深入,城市規(guī)模不斷擴大,城市人口不斷增多。交通擁堵、出行不便已經(jīng)成為城市發(fā)展的頑疾。為了解決這些問題,許多城市的軌道交通已經(jīng)開始從單線運營向線網(wǎng)運營轉(zhuǎn)變。由于多采用系統(tǒng)分立建設(shè)方式,當(dāng)前城市軌道交通信息化建設(shè)中相應(yīng)弊端也逐漸顯現(xiàn)。各系統(tǒng)自成體系,各自為政;相互之間資源無法共享,信息不能融合,“信息孤島”由此產(chǎn)生[1]。

        為解決上述問題,業(yè)內(nèi)專家提出了采用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的新一代城軌信息化體系解決方案[2]。云計算采用計算機集群技術(shù),通過資源池共享和彈性計算方式,可以提高資源復(fù)用率。采用云計算技術(shù)意味著不再一味追求硬件高性能,而是綜合考慮成本、可用性等因素,利用規(guī)模經(jīng)濟降低單位運行成本,在保證系統(tǒng)功能和性能的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)成本的最優(yōu)[3](見圖1)。在城軌信息化建設(shè)中,統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)各信息系統(tǒng)共用的云平臺,有助于解決傳統(tǒng)建設(shè)模式帶來的弊端。采用大數(shù)據(jù)技術(shù),有助于各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律和知識,提升運營水平,實現(xiàn)城軌從“業(yè)務(wù)運營”向“數(shù)據(jù)運營”轉(zhuǎn)變。因此,采用云平臺和大數(shù)據(jù)技術(shù)的新一代信息化系統(tǒng)解決方案是城軌信息化建設(shè)的發(fā)展趨勢[4]。

        圖1 云平臺示意

        2 ATS融入城軌新一代信息化體系是其自身發(fā)展的需要

        信號系統(tǒng)是城市軌道交通列車控制的神經(jīng)中樞,負(fù)責(zé)保證列車運行安全,提高運營效率。作為信號系統(tǒng)主要組成的列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS),同時也是城軌信息化體系中的重要組成系統(tǒng)。信號系統(tǒng)的發(fā)展方向之一是ATS系統(tǒng)的云平臺化、數(shù)據(jù)融合化,從而深度參與城軌信息體系的一體化建設(shè)進程。作為城軌日常運輸生產(chǎn)活動的管理核心,ATS系統(tǒng)云平臺化和數(shù)據(jù)深度融合的發(fā)展需求,來自于行車調(diào)度指揮的發(fā)展需求。

        2.1 行車調(diào)度指揮智能化和集成化的需要

        智慧交通是城市軌道交通追求的目標(biāo)。在城軌調(diào)度指揮方面,智慧交通體現(xiàn)在智能化行車指揮調(diào)度和智能化綜合監(jiān)控,即形成以智能化的行車調(diào)度指揮為核心,由城軌運營生產(chǎn)有關(guān)方面(例如:信號、供電、機電、CCTV、PIS、FAS等)組成統(tǒng)一的綜合調(diào)度系統(tǒng),具備綜合決策能力,實現(xiàn)資源利用的最優(yōu)化和調(diào)度決策的高效化。因此,智能化和集成化是城軌行車調(diào)度指揮的未來發(fā)展方向。

        城軌行車調(diào)度指揮智能化期望達成的目標(biāo):當(dāng)出現(xiàn)列車運行故障、客流突發(fā)性變化以及突發(fā)情況或災(zāi)害等非正常情況時,結(jié)合運營各方面信息以及成功處理歷史案例,系統(tǒng)自動快速合理地確定調(diào)度方案,及時處理各種異常情況,最大限度地消除突發(fā)問題對線路運營造成的影響[5]。

        城軌行車調(diào)度指揮集成化期望達成的目標(biāo):當(dāng)城軌運營發(fā)生異常事件時,在有限時間內(nèi)通過與其他運營生產(chǎn)系統(tǒng)的自動聯(lián)動關(guān)系,完成問題的處理。這要求城軌行車調(diào)度與其他專業(yè)調(diào)度信息互通、資源共享、密切聯(lián)動,從而提高城軌整體運營調(diào)度的可靠性、及時性和正確性。

        2.2 網(wǎng)絡(luò)化運營的需要

        對于逐漸形成網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通,多條線路的運營必須協(xié)調(diào),整個城市軌道交通體系才能更加安全、可靠,運行效率才更高。各條運營線路之間信息需要充分共享,以便統(tǒng)一指揮與協(xié)調(diào)。當(dāng)一條線路出現(xiàn)突發(fā)情況時,可以啟動應(yīng)急預(yù)案,統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮,各線路運營相配合,使異常情景對整個線網(wǎng)運營影響最小化[6]。建立一個集監(jiān)測、控制和管理為一體的統(tǒng)一的線網(wǎng)調(diào)度中心是城軌網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求。

        2.3 全自動運行的需要

        全自動運行系統(tǒng)是城軌列車控制自動化發(fā)展的新階段;在客運、維護維修、行車控制等方面,與既有軌道交通系統(tǒng)相比均有大幅度的提升,實現(xiàn)了高可用、高可靠和高安全。目前全自動運行系統(tǒng)在城市軌道交通建設(shè)領(lǐng)域呈現(xiàn)逐漸升溫的態(tài)勢[7]。

        全自動運行對多系統(tǒng)間信息交互的準(zhǔn)確性、及時性提出更高的要求。通過將信號、綜合監(jiān)控、視頻監(jiān)視、乘客信息、廣播、站臺門等多專業(yè)系統(tǒng)深度集成,實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向簡潔化,統(tǒng)一數(shù)據(jù)源,加快系統(tǒng)信息化,增強系統(tǒng)間聯(lián)動,從而形成綜合調(diào)度系統(tǒng),為全自動運行提供有力支撐。在北京地鐵燕房線中所采用的以行車指揮為核心的綜合自動化系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖2所示。

        智能化和集成化行車調(diào)度指揮、網(wǎng)絡(luò)化運營、運營應(yīng)急管理發(fā)展和全自動運行的需要,促使ATS系統(tǒng)云平臺化和數(shù)據(jù)融合化,為形成高水平的綜合調(diào)度奠定堅實基礎(chǔ)。

        圖2 以行車指揮為核心的綜合自動化系統(tǒng)架構(gòu)

        3 實施ATS系統(tǒng)云平臺化的方式

        ATS云平臺化方案需要滿足ATS既有系統(tǒng)架構(gòu)特點、系統(tǒng)性能需求以及安全完整度要求,同時需要考慮在新一代信息化統(tǒng)一云平臺中的ATS信息安全;此外,還需要兼顧ATS系統(tǒng)智能化和集成化的發(fā)展趨勢,滿足信息融合需求,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的綜合智能調(diào)度指揮系統(tǒng)。

        3.1 既有ATS系統(tǒng)的特點

        單線ATS系統(tǒng)由中心ATS和車站ATS組成,其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 單線ATS系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

        它具有如下的特點和要求。

        3.1.1 主備雙中心ATS設(shè)置

        既有的城軌運營調(diào)度指揮一般采用雙中心ATS設(shè)置,即控制中心ATS和備用中心ATS??刂浦行腁TS是主用的中心控制系統(tǒng)。當(dāng)控制中心ATS故障時,可以使用備用中心ATS,繼續(xù)對全線列車進行自動監(jiān)控。主、備中心ATS之間需要同步狀態(tài)數(shù)據(jù),保證控制狀態(tài)的一致。

        3.1.2 車站ATS

        車站ATS實現(xiàn)對本集中站站區(qū)信號設(shè)備和列車的就近監(jiān)控,在車站ATS基礎(chǔ)上,中心ATS實現(xiàn)全線指揮調(diào)度功能。運營期間,如果中心發(fā)生故障,則要求在車站ATS仍可保證列車按照當(dāng)日計劃繼續(xù)正常運行。因此,車站ATS是整個ATS系統(tǒng)監(jiān)控功能的基礎(chǔ)保證。

        ATS系統(tǒng)與其他信號系統(tǒng)是在車站ATS層面實現(xiàn)接口。由于各信號系統(tǒng)SIL(安全完整性等級)各不相同,例如ATP、CI是SIL4級,而ATS是SIL2級。為了保證不同級別系統(tǒng)的安全性,ATP、CI等系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是分別設(shè)置的:ATP、CI等系統(tǒng)采用信號安全網(wǎng),而ATS系統(tǒng)采用ATS網(wǎng)。車站ATS作為ATS系統(tǒng)的基礎(chǔ),與信號安全網(wǎng)接口,實現(xiàn)ATS與其他信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互。

        3.1.3 關(guān)鍵設(shè)備冗余熱備配置

        為了保障城軌運營監(jiān)控的穩(wěn)定,需要保證ATS系統(tǒng)的高可靠性。ATS系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,例如車站分機、中心應(yīng)用服務(wù)器等,需要采用冗余熱備配置,系統(tǒng)整體不能存在單點故障。通過設(shè)備的冗余配置,實現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性。

        3.1.4 采用封閉的數(shù)據(jù)流

        為了保證監(jiān)視信息和控制命令的準(zhǔn)確可靠,保證行車監(jiān)控的安全,ATS顯示和命令數(shù)據(jù)流應(yīng)是封閉的。即數(shù)據(jù)流的各處理節(jié)點應(yīng)屬于ATS系統(tǒng)。

        3.1.5 與其他生產(chǎn)系統(tǒng)接口

        在控制中心和備用中心,ATS系統(tǒng)需與PA、PIS、無線、時鐘、綜合監(jiān)控、TCC/SCC系統(tǒng)接口。

        3.1.6 與線網(wǎng)級ATS接口

        各單線ATS需與線網(wǎng)級ATS接口機通信,向線網(wǎng)級ATS匯報線路狀態(tài),接受線網(wǎng)ATS的控制命令。

        3.1.7 安全完整度等級要求

        ATS系統(tǒng)安全相關(guān)功能(例如:臨時限速設(shè)置與取消)需要達到SIL2級要求。需通過通信回路的二次交互確認(rèn)安全軟件開發(fā)流程,保證安全功能的實現(xiàn)。

        3.1.8 信息安全要求

        ATS系統(tǒng)作為信號系統(tǒng)的組成,在既有城軌信息安全建設(shè)中,一般從信號系統(tǒng)整體角度考慮信息安全問題。信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是專有的相對封閉的網(wǎng)絡(luò),相對于公用網(wǎng)絡(luò),面對的信息安全威脅較小。需從網(wǎng)絡(luò)、主機、應(yīng)用和數(shù)據(jù)4方面來保證信號系統(tǒng)的信息安全。例如,將信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為一個安全域,網(wǎng)絡(luò)對外出口設(shè)置防火墻;在信號網(wǎng)絡(luò)邊界處部署入侵檢測系統(tǒng)和邊界流量監(jiān)測,并對日志進行分析審計;部署殺毒軟件等。

        隨著城軌運營網(wǎng)絡(luò)化以及中心調(diào)度集成化、智能化的發(fā)展,在ATS系統(tǒng)基礎(chǔ)上,提出了建設(shè)城軌線網(wǎng)級ATS的需求。線網(wǎng)級ATS是基于整個城軌線網(wǎng)層面的監(jiān)控系統(tǒng),集中監(jiān)視線網(wǎng)運營狀況,并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化運行圖組織各線運營,從而實現(xiàn)線網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度和跨線運營等。在發(fā)生緊急事件時,可在線網(wǎng)級ATS啟動應(yīng)急預(yù)案,統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理突發(fā)事件。在中心,線網(wǎng)級ATS需要與各單線ATS接口,收集各線路的狀態(tài)信息和運營數(shù)據(jù),下發(fā)運行計劃和控制命令。

        3.2 ATS云部署要點

        基于以上單線ATS系統(tǒng)和線網(wǎng)級ATS的要求和特點,結(jié)合云平臺技術(shù)現(xiàn)狀,ATS云平臺化的部署如圖4所示。

        1)中心ATS納入城軌中心云平臺中。其中,工作站宜采用桌面云終端,應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、接口設(shè)備采用云主機服務(wù)。為保證ATS存儲數(shù)據(jù)的安全可靠,應(yīng)設(shè)置專有的磁盤陣列設(shè)備。而對于城軌雙控制中心設(shè)置,雖然當(dāng)前云平臺可以提供雙活中心方案,但主備中心之間難以實現(xiàn)進程級的內(nèi)存狀態(tài)同步。所以,仍需要ATS系統(tǒng)自身進行處理,在應(yīng)用級實現(xiàn)控制狀態(tài)的同步,保證控制中心故障時切換到備用中心仍可維持正常的列車監(jiān)控。

        圖4 ATS云部署示意

        2)車站ATS是整個ATS系統(tǒng)監(jiān)控功能的基礎(chǔ),同時又與信號安全網(wǎng)接口。為了避免對信號安全網(wǎng)造成影響,且保證在城軌列車運行監(jiān)控的穩(wěn)定可靠,現(xiàn)階段建議車站ATS不采用云部署方式,而維持傳統(tǒng)的獨立物理機部署方式。

        3)云平臺可以提供主用虛擬機故障情況下備用虛擬機自動啟用功能(HA),甚至提供內(nèi)存同步方式下虛擬機主備切換功能(FT),而其故障檢測最多細(xì)化到進程終止檢測。ATS進程中更細(xì)的故障檢測,只能由ATS應(yīng)用實現(xiàn)。因此,部署在云平臺中的ATS關(guān)鍵設(shè)備的冗余熱備方式仍需由ATS應(yīng)用自身實現(xiàn)。對于這些部署在云平臺的采用冗余熱備配置的ATS設(shè)備,相互熱備的虛擬機應(yīng)采用反親和性設(shè)置,避免當(dāng)主機故障時導(dǎo)致相互熱備的虛擬機同時失效。

        4)ATS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流應(yīng)是封閉的,數(shù)據(jù)流處理節(jié)點應(yīng)由ATS系統(tǒng)提供,這要求ATS軟件應(yīng)與云平臺分離,軟件具有獨立性。因此,ATS部署到云平臺中宜采用IAAS方式,即,可將既有ATS軟件部署到云平臺虛擬機中,而ATS軟件和數(shù)據(jù)流不受云部署影響。

        5)在控制中心和備用中心采用統(tǒng)一的云平臺,各專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)納入云平臺后,就可具備實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)平臺。在此數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上,ATS系統(tǒng)可與其他生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交互[8]。

        6)線網(wǎng)級ATS可完全納入中心云平臺,其工作站可采用桌面云終端,線網(wǎng)級ATS服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器都可采用云主機服務(wù),并可采用云分布式存儲方式。依托云平臺中的數(shù)據(jù)融合平臺,線網(wǎng)級ATS可以實現(xiàn)與單線ATS、各專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合與交互,極大提高線網(wǎng)級ATS的綜合指揮能力。

        7)對于ATS云平臺化后的信息安全,由于云平臺的桌面虛擬化、服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化,需要重點考慮這些虛擬化帶來的影響[9]。在單線中心ATS和線網(wǎng)級ATS部署到云平臺后,可以考慮整個信號系統(tǒng)分為3個安全域:信號系統(tǒng)非云部署部分(含車站ATS)、云部署中心ATS部分、云部署線網(wǎng)ATS部分。在信號系統(tǒng)非云部署部分與云部署中心ATS之間,設(shè)置傳統(tǒng)物理防火墻。在云部署中心ATS與云部署線網(wǎng)ATS之間,設(shè)置虛擬防火墻[10]。需保證ATS虛擬機只在本安全域內(nèi)遷移。ATS安全域內(nèi)的虛擬機和網(wǎng)絡(luò)都需要部署入侵檢測系統(tǒng),對網(wǎng)絡(luò)報文和虛擬機系統(tǒng)審計日志進行分析檢測。

        3.3 云部署對ATS安全完整度影響

        ATS是涉及行車安全的SIL2級系統(tǒng),需要重點討論中心ATS采用云部署,是否會影響ATS系統(tǒng)的安全完整度。以ATS系統(tǒng)的典型安全功能“臨時限速”為例,采用FMEA方法進行安全分析,識別保證臨時限速功能安全所需采用的安全措施。通過分析云部署對這些安全措施的影響,從而說明云部署對ATS安全完整度的影響。

        臨時限速是城軌列車運行速度限制的重要手段。當(dāng)線路存在異?;蜻M行維修時,需要降低列車的通過速度,以保證安全。臨時限速包含設(shè)置和取消功能,可以對指定線路范圍設(shè)置列車通過的速度上限;當(dāng)線路恢復(fù)時,可以取消所設(shè)置的臨時限速。臨時限速設(shè)置命令由ATS發(fā)出,由數(shù)據(jù)存儲單元(DSU)處理和保存。

        對臨時限速功能進行FMEA分析如表1所示。從表中可看到,為保證臨時限速功能的安全性,需采用的安全措施是:操作人員二次確認(rèn)、ATS與DSU通信回路的二次交互、采用安全通信協(xié)議。這些措施依次屬于界面設(shè)計、數(shù)據(jù)流設(shè)計和通信協(xié)議,都屬于軟件范疇。采用IAAS方式實現(xiàn)中心ATS的云部署,不會影響ATS既有的安全措施,所以不會影響臨時限速功能的安全性。同樣分析也滿足于ATS其他安全功能。因此,采用IAAS方式的中心ATS云部署,不會影響ATS系統(tǒng)的安全完整度。

        表1 臨時限速功能FEMA

        4 結(jié)語

        云計算技術(shù)日新月異,筆者所提出的ATS云平臺化方式不會一成不變,但ATS系統(tǒng)進一步智能化、集成化和云平臺化的趨勢不會改變。在未來的云技術(shù)支撐下,ATS將發(fā)展為更高水平的綜合智能調(diào)度指揮系統(tǒng),服務(wù)于城軌交通。

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        (編輯:王艷菊)

        Discussion on the Development of an ATS System in the New Generation Information System of Urban Rail Transit

        GAO Chunhai, LIU Bo, JIAN Ruifeng, GUO Hui

        (Traffic Control Technology Co., Ltd., Beijing 100070)

        This paper first introduces the development trend of urban rail transit information systems, that is, the use of a cloud platform and big-data technology to solve the current problems in urban rail information systems. The paper also discusses the development direction of Automatic Train Supervision (ATS) systems as a component of urban rail information systems under the background of the new generation of information construction. From the needs of the development of the ATS system, it is further shown that the ATS system should be deeply integrated into the new generation of urban rail information systems. From the analysis of these trends, from the aspects of ATS systems, such as current system architecture features, data flow, the requirements of safety integrity, and the requirements of information security and network development, the feasibility of integrating ATS into a cloud platform, and the cloud deployment scheme of the ATS system are thoroughly discussed.

        urban rail transit; application of information technology; cloud platform; ATS system; cloud deployment

        10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.015

        U231

        A

        1672-6073(2018)04-0077-05

        2017-12-15

        郜春海,男,教授,從事城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)計與研究,bo.liu@bj-tct.com

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