王民安，程歡慶，張艷秋

（湖南中車時代通信信號有限公司 北京分公司，北京 100079）

0 引言

目前，基于通信的列車控制系統(tǒng)(communication based train control system，CBTC)已成為現(xiàn)代城市軌道交通非常重要的信號系統(tǒng)，其主要包括計算機聯(lián)鎖（computer interlocking, CI）、列車自動防護或運行（automatic train protection/automatic train operation, ATP/ATO）和列車自動監(jiān)控（automatic train supervision,ATS）3個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)互相配合工作，保護列車的安全平穩(wěn)運行[1]。其中ATS系統(tǒng)承擔著聯(lián)鎖信號監(jiān)控、調(diào)度命令控制、列車識別和追蹤、自動進路觸發(fā)、運行計劃調(diào)整等功能[2]；CI系統(tǒng)主要負責信號的采集和安全邏輯控制。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)設計中，CI系統(tǒng)會提供一套獨立的上位機用于ATS故障或聯(lián)鎖控制下信號的監(jiān)視和操作；ATS系統(tǒng)也會提供一套豐富且友好的人機交互終端，其基本囊括了CI上位機的主要功能。CI系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)在顯示風格、操作習慣以及安全等級要求上有很大的不同，但卻面對相同的使用者，特別是在對自動化程度要求越來越高的集中站，運營方提出了兩個終端合并的需求。為此，本文在分析了兩個終端特點的基礎上提出了3種新的合設方案，并對3種方案的優(yōu)缺點做了具體的分析，為后續(xù)現(xiàn)地一體化工程應用提供了可行的方案。

1 聯(lián)鎖上位機和ATS值班工作站

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)架構(gòu)中，ATS系統(tǒng)和CI系統(tǒng)分別承擔不同的功能；子系統(tǒng)間除接口協(xié)議規(guī)定的功能外，鮮有其他信息和技術的共享，每個子系統(tǒng)分別衍生出匹配各自系統(tǒng)的獨立操作終端。CI系統(tǒng)通過上位機實現(xiàn)控制命令下達和設備狀態(tài)監(jiān)視；ATS系統(tǒng)通過獨立的人機界面，實現(xiàn)命令輸入及下達和信息狀態(tài)監(jiān)測的功能[3]。

1.1 CI上位機

CI上位機又稱操表機、控顯機，其處于CI系統(tǒng)的上層, 可以監(jiān)視和控制某個聯(lián)鎖區(qū)站場設備及報警提示信息等，一般被部署于集中站信號設備室內(nèi)[4]。CI下位機處于聯(lián)鎖系統(tǒng)的下層, 可以實現(xiàn)聯(lián)鎖安全邏輯運算等[5]，安全等級為SIL4。CI上位機僅具備站場設備狀態(tài)的監(jiān)控功能，不具備列車標識、追蹤和調(diào)整等能力，其作為CI下位機的輔助設備，安全等級一般不做要求。

傳統(tǒng)方案中，CI上位機僅與ATS車站服務器相互通信，實現(xiàn) ATS系統(tǒng)對計算機聯(lián)鎖命令的下達以及站場實時信息、命令執(zhí)行結(jié)果的反饋等功能。此時上位機是CI子系統(tǒng)與ATS子系統(tǒng)通信的唯一中介，且僅在聯(lián)鎖控制模式下才能接受用戶的命令輸入。ATS車站服務器與CI上位機接口示意如圖1所示[6]。

圖1 ATS車站服務器與CI上位機接口示意Fig.1 Interface between ATS and CI

1.2 ATS系統(tǒng)車站值班工作站

ATS車站值班工作站被部署在集中站值班室，其不僅要提供其管轄范圍內(nèi)聯(lián)鎖設備信號監(jiān)控和報警提示功能，還要具備ATS系統(tǒng)獨有的列車識別和追蹤、自動進路觸發(fā)、用戶管理、行車監(jiān)督等功能，安全等級為SIL2。用戶的輸入命令僅在ATS控制模式下才有效；聯(lián)鎖控制模式下，ATS值班工作站僅具備監(jiān)視權(quán)，卻無控制權(quán)。值班工作站與其他ATS終端（調(diào)度終端、監(jiān)視終端、維護終端）顯示風格統(tǒng)一，僅操作命令權(quán)限不同。

傳統(tǒng)架構(gòu)設計中，ATS車站值班工作站僅與ATS車站服務器連接通信，其接口示意如圖2所示。

圖2 ATS值班工作站與ATS服務器接口Fig.2 Interface between ATS local server and workstations

2 一體化合設需求分析

CI上位機和ATS值班工作站兩個子系統(tǒng)都具備人機交互功能的基本要求，但由于兩者功能定位有很大差異，且相對封閉的設計、演化決定了兩個子系統(tǒng)在人機界面上的顯示風格、操作方式、功能分配和安全等級上有很大區(qū)別，因此有必要在方案設計前進行差異分析。

2.1 主要功能差異

CI系統(tǒng)主要安全功能邏輯在下位機上實現(xiàn)，對聯(lián)鎖上位機要求并不高，只要能夠滿足基本的設備狀態(tài)監(jiān)視和信號控制命令下達即可，所以在顯示方案和操作上簡單直接。相反，友好的人機體驗是ATS的一項重要功能，是用戶直接面對和長時間使用的終端，人性化要求更高，安全級別也更高。此外，ATS還承擔許多上位機以外的功能，比如與DMS臨時限速操作/顯示、列車標識和追蹤、用戶管理、列車運行調(diào)整等功能。

2.2 界面顯示和操作方式分析

CI上位機遵循相應的國家標準規(guī)范設計相應的設備圖元和操作[7]，ATS則無相應要求。

（1）設備元素和狀態(tài)顯示。聯(lián)鎖常用設備包括信號機、區(qū)段、道岔、站臺、報警燈及按鈕等，設備類型少且較為固定，有標準和規(guī)范可依[8]。ATS除所有聯(lián)鎖設備元素外，還有車次窗、ATP臨時限速、供電臂的帶電狀態(tài)、列車詳細信息、精確位置及移動授權(quán)等狀態(tài)信息。ATS顯示元素更為復雜和多樣，且無標準規(guī)范可依。

（2）設備操作方式。CI系統(tǒng)主要提供右鍵選擇操作、一次密碼確認、按鈕操作等功能，有標準和規(guī)范可依[9]。ATS除滿足聯(lián)鎖操作方式外，還需支持一次協(xié)議確認、二次協(xié)議確認、菜單的激活/禁用、單/多屏、查看信息、懸浮、設備定位、車次窗放大/縮小、大量的報警等功能，且無標準可依。

ATS要為所有站場設備提供狀態(tài)顯示方案和操作方式，所以在進行一體化設計時，應遵從相應的標準規(guī)范和行業(yè)成規(guī)。

2.3 控制模式

CI上位機一些特有操作需要在獲得聯(lián)鎖控制模式下方可實現(xiàn)：

（1）控制模式與操作功能

聯(lián)鎖有些功能要求只能在聯(lián)鎖控制模式下才允許操作，例如引導總鎖。當且僅當切換到聯(lián)鎖控制模式下現(xiàn)地工作站才會激活此命令菜單；當切換到ATS控制模式時，此命令菜單應被禁用。

（2）控制模式轉(zhuǎn)換方式

傳統(tǒng)獲取聯(lián)鎖控制模式的方式有兩種，一是CI上位機向ATS申請控制權(quán)，ATS同意后可獲得聯(lián)鎖控制權(quán)；二是聯(lián)鎖無需向ATS申請，直接搶奪控制權(quán)。一體化合設后ATS現(xiàn)地工作站必須提供對應模式轉(zhuǎn)換操作菜單，以便在不同控制模式下實現(xiàn)控制權(quán)的切換。

（3）控制模式轉(zhuǎn)換條件

當控制模式轉(zhuǎn)換請求發(fā)生后，ATS需要對轉(zhuǎn)換條件是否滿足進行判斷。當不滿足轉(zhuǎn)換條件時，應當提示控制權(quán)轉(zhuǎn)換失敗。比如聯(lián)鎖控制模式下提供的CI進路自動觸發(fā)與ATS控制模式下提供的ATS進路自動觸發(fā)互斥，同一時刻應有且只有一種觸發(fā)策略。

一體化合設要求上位機功能必須統(tǒng)一到ATS操作終端上來，ATS必須遵循規(guī)范兼容現(xiàn)有聯(lián)鎖上位機的所有圖元顯示和操作方式，提供聯(lián)鎖控制模式下的所有功能，并保證不與ATS現(xiàn)有功能發(fā)生沖突。

3 一體化合設方案研究

聯(lián)鎖上位機和ATS值班工作站合設后統(tǒng)一稱之為現(xiàn)地工作站。根據(jù)上述一體化合設需求分析，本文提出了3種不同的合設方案。

3.1 合設方案一

在不改變現(xiàn)有架構(gòu)設計的基礎上，通過額外增加兩臺值班工作站機并在每個工作站機上增加一套上位機，來達到與值班工作站一體化合設的目的（圖3）。該方案具備以下特點：

圖3 現(xiàn)地控制工作站合設方案一Fig.3 The first architecture of terminal-integration

（1） 4個聯(lián)鎖上位機分別被獨立部署在4臺工業(yè)控制計算機上，每個上位機采用A/B網(wǎng)與ATS通信，同時具備網(wǎng)絡冗余和4路通道冗余，較傳統(tǒng)的雙機兩通道冗余設計，可靠性顯著增強。

（2） ATS現(xiàn)地控制工作站提供聯(lián)鎖控制和ATS控制模式轉(zhuǎn)換操作。在聯(lián)鎖控制模式下，除提供聯(lián)鎖上位機所有功能外，額外提供ATS列車標識和跟蹤以及與其他無差別的顯示功能。在ATS控制模式下，ATS功能保持不變。合設的現(xiàn)地控制工作站實現(xiàn)了界面風格和操作方式的統(tǒng)一。

（3）聯(lián)鎖上位機通常被隱藏于后臺，當用戶想單獨進行聯(lián)鎖功能調(diào)試或者ATS宕機時，可隨時打開上位機操作界面，登錄后進行相關操作。

（4）值班工作站采用工業(yè)控制計算機，相比普通PC機，可靠性增加，但成本也相應增加。另外，由于現(xiàn)地控制工作站被部署在值班室，因此噪音較大。

此方案實現(xiàn)簡單，不涉及聯(lián)鎖下位機的功能和網(wǎng)絡改動，不僅能基本滿足一體化合設的功能需求，而且還能提供額外的冗余并提高了系統(tǒng)的可靠性，因此可作為一種合設的基本方案。

3.2 合設方案二

通過減少方案一中工作站機上兩套聯(lián)鎖上位機軟件并采用網(wǎng)絡交叉互聯(lián)的方式，實現(xiàn)網(wǎng)絡和通道冗余，從而達到聯(lián)鎖上位機與ATS值班工作站一體化合設的目的（圖4）。該方案具備以下特點：

圖4 現(xiàn)地控制工作站合設方案二Fig.4 The second architecture of terminal-integration

（1）一體化合設功能上與方案一沒有區(qū)別。

（2）現(xiàn)地工作站可采用普通的PC機代替，不僅減少了采購成本，同時可降低值班室噪音。

（3）上位機軟件的部署位置可依據(jù)業(yè)主要求共享車站服務器或者獨立部署，而部署在車站服務器上則可節(jié)省一套設備的費用。

方案二相比方案一減少了一套上位機，且不涉及聯(lián)鎖下位機的改動，同時也能滿足一體化合設的接口冗余需求；但若獨立部署上位機，將增加額外成本，因此該方案可作為一種過渡部署方案。

3.3 合設方案三

ATS車站服務器和現(xiàn)地工作站直接與聯(lián)鎖下位機交互通信，并采用交叉互聯(lián)的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡和通道冗余（圖5）。

圖5 現(xiàn)地控制工作站合設方案三Fig.5 The third architecture of terminal-integration

此方案減少了聯(lián)鎖上位機軟件環(huán)節(jié)，真正達到了一體化合設的目標；但由于涉及聯(lián)鎖下位機的改動，實現(xiàn)過程中存在一定的難度，同時對ATS軟件的可靠性以及4路通道的協(xié)作要求也相應提高。此方案的應用也應同時考慮業(yè)主的接受程度。

4 結(jié)語

對CBTC系統(tǒng)中聯(lián)鎖上位機和ATS值班工作站進行一體化合設，本文所提方案不僅覆蓋現(xiàn)有操作和監(jiān)視功能，同時也由于為用戶提供了統(tǒng)一的終端界面風格和操作方式，減少了用戶在兩套終端上由于系統(tǒng)差異帶來的不便或誤操作。

本文所提3種合設方案均能滿足現(xiàn)地工作站一體化合設的需求。目前方案一已被成功應用在長沙市軌道交通3號線和4號線上。其中4號線于2019年5月開通，截至現(xiàn)在已安全運營20個月，3號線于2020年6月開通，截至現(xiàn)在已安全運營7個月。實踐證明方案一可行且安全有效。方案二和方案三是在方案一的架構(gòu)基礎上提出的改進方案，目前這兩個方案尚未實際應用，其可行性還需進一步市場化驗證。