李潤(rùn)錦 許華陽(yáng)
(廣州鐵科智控有限公司,510710,廣州//第一作者,工程師)
城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)通常由列車自動(dòng)控制(ATC)系統(tǒng)和車輛段信號(hào)控制系統(tǒng)兩大部分組成,具備列車進(jìn)路控制、列車間隔控制、調(diào)度指揮、信息管理、設(shè)備工況監(jiān)測(cè)及維護(hù)管理等功能。它是一個(gè)高效的綜合自動(dòng)化系統(tǒng),是保證列車安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行現(xiàn)代化,以及提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵設(shè)備。
目前,我國(guó)城市軌道交通的信號(hào)系統(tǒng)廠商主要有西門子、GRS(通用鐵路信號(hào)有限公司)、阿爾斯通、阿爾卡特、卡斯柯、鐵科院等,各廠商的信號(hào)系統(tǒng)選擇的技術(shù)路線、實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等各不相同,甚至同一個(gè)廠家早期的信號(hào)系統(tǒng)與后續(xù)經(jīng)過改進(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)也不盡相同。同時(shí),由于信號(hào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上一般都比較封閉,因此每一條城市軌道交通線路的信號(hào)系統(tǒng)基本都是獨(dú)立運(yùn)行、單獨(dú)調(diào)度和監(jiān)測(cè)。為方便管理,線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)需要將各個(gè)系統(tǒng)整合并進(jìn)行集中監(jiān)測(cè),因此城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口的研究顯得尤為重要。
本文針對(duì)廣州地鐵采用的信號(hào)系統(tǒng),提出信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式及接口標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合工程實(shí)際情況取得了一定的應(yīng)用成果。
針對(duì)目前廣州地鐵采用的信號(hào)系統(tǒng),建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸接口,該接口可適配于各個(gè)信號(hào)廠商系統(tǒng),可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口的特性,各信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)和設(shè)備類型均存在一定差異,因而系統(tǒng)產(chǎn)生的相關(guān)信息在數(shù)據(jù)格式、傳輸方式、傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面均不相同。
通過標(biāo)準(zhǔn)接口的建立,實(shí)現(xiàn)其與信號(hào)系統(tǒng)的報(bào)警信息數(shù)據(jù)同步(標(biāo)準(zhǔn)接口一般與信號(hào)系統(tǒng)中的軌旁設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接),以及實(shí)現(xiàn)集中報(bào)警監(jiān)測(cè)。報(bào)警信息原則上包含以下內(nèi)容:
1)報(bào)警標(biāo)志:信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部用于對(duì)每條報(bào)警信息標(biāo)記的唯一性ID(標(biāo)志);
2)報(bào)警級(jí)別:按重要程度和影響程度分為3個(gè)等級(jí),一般按 A、B、C 3個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分,且每一種報(bào)警信息等級(jí)需單獨(dú)定義;
3)報(bào)警時(shí)間:用于記錄信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間;
4)報(bào)警代碼:信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部用于標(biāo)記報(bào)警信息的唯一性代號(hào);
5)報(bào)警類型:用于對(duì)信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部的同類報(bào)警信息進(jìn)行分組,一般以設(shè)備類型或模塊進(jìn)行分類;
6)報(bào)警設(shè)備:用于確定發(fā)生報(bào)警的具體設(shè)備或模塊,亦可以是關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)或設(shè)備(該條目信息不一定存在);
7)報(bào)警內(nèi)容:包含詳細(xì)的報(bào)警信息內(nèi)容和說明,用于提示維修人員快速確定報(bào)警設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行快速修復(fù);
8)備注:用于記錄其他盡可能詳細(xì)的輔助信息。
標(biāo)準(zhǔn)接口以“報(bào)警狀態(tài)+報(bào)警值”的方式進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)各信號(hào)系統(tǒng)報(bào)警信息的標(biāo)準(zhǔn)化。報(bào)警信息中的“報(bào)警類型”即為報(bào)警狀態(tài),具體的“報(bào)警內(nèi)容”即為報(bào)警值,且各信號(hào)系統(tǒng)的報(bào)警信息均應(yīng)遵循統(tǒng)一規(guī)范。
在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中,列車狀態(tài)數(shù)據(jù)主要包括列車運(yùn)行速度、駕駛模式及列車位置等信息。監(jiān)測(cè)城市軌道線路上列車的運(yùn)行狀態(tài),形成線網(wǎng)級(jí)的集中管理,一般需要包括以下信息:
1)時(shí)間戳:信號(hào)系統(tǒng)通過接口傳輸列車狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)顯示的系統(tǒng)時(shí)間;
2)狀態(tài)標(biāo)志:用于對(duì)信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部的每條列車狀態(tài)信息進(jìn)行標(biāo)記的唯一性ID;
3)車次號(hào):當(dāng)前信息所屬的列車車次號(hào);
4)車體號(hào):當(dāng)前信息所屬的列車設(shè)備編號(hào);
5)目的地碼:用于標(biāo)記當(dāng)前列車的目的地編碼;
6)列車速度:用于指示當(dāng)前列車的運(yùn)行速度;
7)駕駛模式:用于指示當(dāng)前列車運(yùn)行的模式,包括人工駕駛模式和自動(dòng)駕駛模式;
8)列車位置:用于指示列車在當(dāng)前線路上所處的具體位置。信號(hào)系統(tǒng)一般使用計(jì)軸、應(yīng)答器及區(qū)段等表示列車位置,并通過預(yù)先配置的相關(guān)信息對(duì)接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解讀和匹配。
列車狀態(tài)數(shù)據(jù)的接口一般通過ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),ATS系統(tǒng)中的報(bào)警數(shù)據(jù)格式應(yīng)遵循統(tǒng)一的報(bào)警數(shù)據(jù)接口規(guī)范。
目前,廣州地鐵使用的信號(hào)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定,網(wǎng)絡(luò)管理比較嚴(yán)格,病毒防范要求亦較高。因此,對(duì)于新增接口建議采用以下兩種方式:
1)串口傳輸。信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常較為嚴(yán)格,特別是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求亦非常高。為避免新增接口對(duì)原系統(tǒng)造成影響,防范病毒入侵,可考慮在原有接口的基礎(chǔ)上使用串口的方式接入,通過串口外接數(shù)據(jù)接收設(shè)備,自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)單向傳輸及報(bào)警信息實(shí)時(shí)同步。
2)網(wǎng)絡(luò)傳輸??紤]到目前使用的信號(hào)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定,不適宜對(duì)原系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做太大改動(dòng),故應(yīng)保持原信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦裕偌由狭熊嚑顟B(tài)數(shù)據(jù)的傳輸量非常大,因此可以使用網(wǎng)絡(luò)接口RJ45,通過TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)來傳輸數(shù)據(jù),這樣既可以保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸,又不需要對(duì)原有信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行大幅改動(dòng)。同時(shí),為了防范病毒入侵,一般在接入點(diǎn)增加硬件防火墻設(shè)備,通過配置防火墻參數(shù),限制外部接口接入,保證信號(hào)系統(tǒng)安全運(yùn)行。
3)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口傳輸。為滿足網(wǎng)絡(luò)綜合安全性和大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊?,可使用網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口的設(shè)備模塊。目前該類型的設(shè)備模塊較多,技術(shù)比較成熟,既能滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸需要,又能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)隔離的效果。
傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際操作時(shí)應(yīng)首先確定傳輸方式,再規(guī)約需要的傳輸協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。對(duì)于不同類型的數(shù)據(jù)以及不同的傳輸方式,均使用相同的傳輸協(xié)議,以實(shí)現(xiàn)后續(xù)各線路信號(hào)系統(tǒng)的無縫接入。
標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議包含幀頭、版本號(hào)、幀類型、數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、幀尾等項(xiàng)目,其相關(guān)內(nèi)容和具體長(zhǎng)度,應(yīng)由各方在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)具體確定。各方應(yīng)遵循統(tǒng)一的傳輸協(xié)議格式,靈活配置幀頭和幀尾(一般建議統(tǒng)一),通過“幀類型”的數(shù)據(jù)幀來區(qū)分不同的信息,并進(jìn)行相應(yīng)解讀和處理。
除報(bào)警數(shù)據(jù)和列車狀態(tài)數(shù)據(jù)外,需額外增加心跳包,其中心跳間隔可靈活配置,以便用于監(jiān)測(cè)接口是否正常運(yùn)行。
在數(shù)據(jù)接收設(shè)備上運(yùn)行自主研發(fā)的適配器軟件,根據(jù)約定的接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯和處理,并增加線路信息,實(shí)時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù),以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化及統(tǒng)一管理。通過在中央服務(wù)器建立的相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件,實(shí)時(shí)對(duì)相關(guān)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行推送,同時(shí)前臺(tái)軟件界面通過數(shù)據(jù)調(diào)用,實(shí)時(shí)展現(xiàn)各線路運(yùn)行圖,實(shí)現(xiàn)多線路信號(hào)系統(tǒng)的線網(wǎng)級(jí)集中監(jiān)測(cè)和管理,如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)傳輸原理圖
1.6.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式
為了提高數(shù)據(jù)訪問的便捷性及系統(tǒng)的可用性,降低系統(tǒng)的使用門檻,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端應(yīng)用宜采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式進(jìn)行開發(fā)。
B/S架構(gòu)是WEB(萬維網(wǎng))興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式。WEB瀏覽器是客戶端采用的最主要的應(yīng)用軟件。這種模式統(tǒng)一了客戶端,將系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的部分核心功能集中到服務(wù)器上,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用??蛻魴C(jī)上只要安裝一個(gè)瀏覽器,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和交互,因而系統(tǒng)較易在多個(gè)終端上使用。
1.6.2 多線程技術(shù)
多線程技術(shù)是指從軟件或者硬件上實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。該技術(shù)可以充分利用系統(tǒng)資源,使得程序響應(yīng)速度更快,從而提升整體處理性能。
信號(hào)系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)量非常大,只有通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的方式才能提升接口性能。應(yīng)用多線程技術(shù)如同設(shè)置多人同時(shí)工作,當(dāng)接收到大量數(shù)據(jù)并需要處理時(shí),各線程可以按照自身設(shè)定的任務(wù)邏輯,同步處理各自需要處理的數(shù)據(jù),避免了在單線程的條件下,數(shù)據(jù)因需逐個(gè)排隊(duì)處理、耗費(fèi)大量等待時(shí)間的情況。
1.6.3 模塊化設(shè)計(jì)
模塊化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起,構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)。將這些子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合,構(gòu)成新的系統(tǒng),從而產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。
因信號(hào)系統(tǒng)廠家較多及線路逐漸增加,考慮到今后接口的擴(kuò)展需要,接口的設(shè)計(jì)必須靈活配置,以便隨時(shí)接入新的信號(hào)系統(tǒng)或新的線路。因此,接口應(yīng)按功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)合多線程技術(shù),通過配置新接入的信號(hào)系統(tǒng)所匹配的功能模塊,以獨(dú)立線程運(yùn)行的方式處理接入的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)模塊化的靈活配置,以及新系統(tǒng)或新線路的快速接入。
根據(jù)接口的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行接口適配器軟件的開發(fā)。該軟件用于配置與信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的連接,并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,從而提供給后臺(tái)程序使用。信號(hào)系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)的接收界面和前端數(shù)據(jù)的展示界面如圖2所示。
圖2 信號(hào)系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)的接收界面
接口適配器軟件的開發(fā)在我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中尚屬首創(chuàng),該軟件實(shí)現(xiàn)了多個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合,其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下方面:
1)具備模塊化、可擴(kuò)展化的特性,針對(duì)不同信號(hào)系統(tǒng)定制不同的處理模塊;
2)高效采集整合不同線路信號(hào)系統(tǒng)的報(bào)警信息,典型關(guān)鍵設(shè)備的故障準(zhǔn)確率達(dá)92%以上;
3)可通過個(gè)人電腦、平板、手機(jī)等終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的相關(guān)信息。
接口適配器軟件在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)平臺(tái)化建設(shè)中起著關(guān)鍵作用,通過軟件可實(shí)現(xiàn)城市軌道交通不同線路信息的統(tǒng)一存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)管理信息的共享,從而提高線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的有效協(xié)作和快速反應(yīng)。通過對(duì)不同廠商協(xié)議進(jìn)行分析,便于制定后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口規(guī)范,從而形成統(tǒng)一管理平臺(tái),不同信號(hào)廠商系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在同一平臺(tái)上集成利用。