李潤錦 許華陽

(廣州鐵科智控有限公司，510710，廣州//第一作者，工程師)

城市軌道交通信號系統(tǒng)通常由列車自動(dòng)控制(ATC)系統(tǒng)和車輛段信號控制系統(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,我國城市軌道交通的信號系統(tǒng)廠商主要有西門子、GRS(通用鐵路信號有限公司)、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)廠家早期的信號系統(tǒng)與后續(xù)經(jīng)過改進(jìn)的信號系統(tǒng)也不盡相同。同時(shí)，由于信號系統(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系統(tǒng)基本都是獨(dú)立運(yùn)行、單獨(dú)調(diào)度和監(jiān)測。為方便管理，線網(wǎng)運(yùn)營需要將各個(gè)系統(tǒng)整合并進(jìn)行集中監(jiān)測，因此城市軌道交通信號系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口的研究顯得尤為重要。

本文針對廣州地鐵采用的信號系統(tǒng)，提出信號系統(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。

1 信號系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口方案分析

針對目前廣州地鐵采用的信號系統(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)信號廠商系統(tǒng)，可對數(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)存儲等方面均不相同。

1.1 報(bào)警數(shù)據(jù)

通過標(biāo)準(zhǔn)接口的建立，實(shí)現(xiàn)其與信號系統(tǒng)的報(bào)警信息數(shù)據(jù)同步(標(biāo)準(zhǔn)接口一般與信號系統(tǒng)中的軌旁設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)連接)，以及實(shí)現(xiàn)集中報(bào)警監(jiān)測。報(bào)警信息原則上包含以下內(nèi)容：

1)報(bào)警標(biāo)志：信號系統(tǒng)內(nèi)部用于對每條報(bào)警信息標(biāo)記的唯一性ID(標(biāo)志)；

2)報(bào)警級別：按重要程度和影響程度分為3個(gè)等級，一般按 A、B、C 3個(gè)等級進(jìn)行劃分，且每一種報(bào)警信息等級需單獨(dú)定義；

3)報(bào)警時(shí)間：用于記錄信號系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間；

4)報(bào)警代碼：信號系統(tǒng)內(nèi)部用于標(biāo)記報(bào)警信息的唯一性代號；

5)報(bào)警類型：用于對信號系統(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，且各信號系統(tǒng)的報(bào)警信息均應(yīng)遵循統(tǒng)一規(guī)范。

1.2 列車狀態(tài)數(shù)據(jù)

在城市軌道交通信號系統(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)測城市軌道線路上列車的運(yùn)行狀態(tài)，形成線網(wǎng)級的集中管理，一般需要包括以下信息：

1)時(shí)間戳：信號系統(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：用于對信號系統(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：當(dāng)前信息所屬的列車車次號；

4)車體號：當(dāng)前信息所屬的列車設(shè)備編號；

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。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式

目前，廣州地鐵使用的信號系統(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，對于新增接口建議采用以下兩種方式：

1)串口傳輸。信號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常較為嚴(yán)格，特別是對于網(wǎng)絡(luò)的要求亦非常高。為避免新增接口對原系統(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]到目前使用的信號系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，不適宜對原系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做太大改動(dòng)，故應(yīng)保持原信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦?，再加上列車狀態(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，又不需要對原有信號系統(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。

1.4 傳輸協(xié)議

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)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。對于不同類型的數(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、幀類型、數(shù)據(jù)段長度、數(shù)據(jù)域、幀尾等項(xiàng)目，其相關(guān)內(nèi)容和具體長度，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)測接口是否正常運(yùn)行。

1.5 數(shù)據(jù)存儲

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，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)對相關(guān)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行推送，同時(shí)前臺軟件界面通過數(shù)據(jù)調(diào)用，實(shí)時(shí)展現(xiàn)各線路運(yùn)行圖，實(shí)現(xiàn)多線路信號系統(tǒng)的線網(wǎng)級集中監(jiān)測和管理，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸原理圖

1.6 主要技術(shù)

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，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。客戶機(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。

2 接口適配器軟件的創(chuàng)新性

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系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的連接，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，從而提供給后臺程序使用。信號系統(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)在我國城市軌道交通信號系統(tǒng)中尚屬首創(chuàng)，該軟件實(shí)現(xiàn)了多個(gè)信號系統(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，針對不同信號系統(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)測城市軌道交通信號系統(tǒng)的相關(guān)信息。

3 結(jié)語

接口適配器軟件在城市軌道交通信號系統(tǒng)平臺化建設(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，實(shí)現(xiàn)管理信息的共享，從而提高線網(wǎng)運(yùn)營的有效協(xié)作和快速反應(yīng)。通過對不同廠商協(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，不同信號廠商系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在同一平臺上集成利用。