張 軼

（1. 上海申中軌道交通運行安全工程技術研究有限公司，上海 201103；2. 上海申通地鐵集團有限公司 技術中心，上海 201103）

0 引言

在我國大多數大城市，地鐵已成為市民出行的主要交通工具之一，且開通城市軌道交通的城市也逐年增加。截至2021年6月，上海地鐵全網已開通運營線路共19條（含磁浮線），運營里程達722 km（含磁浮線29 km）。與之配套的不僅有眾多的維修基地以及停車庫；還有相當數量的工程車，其主要用于車輛段場調車作業(yè)、線路施工和養(yǎng)護、正線突發(fā)事故救援等工作。為了改變地鐵工程車主要依靠乘務員經驗、目視信號等操控現(xiàn)狀，實現(xiàn)對冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋及列車沖突等安全事故的智能化防護，地鐵工程車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)（intelligent safety monitoring system, ISM）[1-4]應運而生。本文主要介紹了ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口方案，從中通過接口匹配來獲取聯(lián)鎖信息[2-3]，以提高系統(tǒng)智能化程度，這已成為整個系統(tǒng)設計的重點及難點之一。

1 ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口方案研究

1.1 接口方案分析

ISM系統(tǒng)獲得信號系統(tǒng)數據共有3種方案，分別是段場聯(lián)鎖接口方案、各線路線路側運行控制中心-列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（operation control center-automatic train supervision, OCC-ATS）接口方案以及數據中心大樓（3C大樓） 3C-COCC（center of operation control center）-ATS方案。3種信號接口方案比較如表1所示。

表1 信號接口方案對比Tab. 1 Comparison of signal interface schemes

綜合比較來看，3C-ATS方案從成本和可實施性上最具優(yōu)勢；但是由于基礎數據傳輸路徑較長，延時時間能否滿足本系統(tǒng)的要求尚未可知，因此需要對其進行試點驗證，并同時考慮后備方案。以下將3C-ATS接口方案統(tǒng)稱為“網絡側信號接口方案”，而聯(lián)鎖及OCCATS接口方案統(tǒng)稱為“線路側信號接口方案”。

1.2 接口設備需求

為了保障數據傳輸的安全性，無線傳輸將采用安全通信機制，其能識別由于硬件故障、電磁干擾等原因導致的通信錯誤，對接口設備的主要要求包括：

（1）數據的發(fā)送端應具備安全檢驗數據代碼的功能。

（2）數據的接收端應具備數據傳輸錯誤檢測功能。接收端一旦檢測到數據準確性、完整性以及實時性方面的錯誤后，應能進行相應的安全防護處理。

（3）每幀傳輸數據必須能夠被唯一地識別。傳輸數據的識別采用識別碼（ID）方式進行，每幀傳輸數據的識別碼應至少包括數據類型（安全/非安全）、數據發(fā)送設備與部件的編號、數據編號等。

滿足以上要求，則可以盡可能準確地獲取聯(lián)鎖系統(tǒng)中表示站場設備、設施狀態(tài)的信息，包括列車信號機狀態(tài)、調車燈信號狀態(tài)、道岔開放方向、軌道區(qū)段占用和出清狀態(tài)等。

2 網絡側信號接口方案

2.1 接口方案介紹

3C大樓信號系統(tǒng)數據消息隊列路徑如圖1所示，其主要包含

（1）線路側的列車自動監(jiān)控系統(tǒng)ATS（automatic train supervision）；

（2）位于生產網側的中央前端處理器CFEP(center front end processor )，用于收集匯總ATS數據；

（3）用于隔離生產網與管理網的擺渡系統(tǒng)及用于管理網的CFEP。

圖1中，線路ATS與生產網CFEP間、生產網CFEP與單向擺渡系統(tǒng)間、單向擺渡系統(tǒng)與管理網CFEP間的接口通信方式和協(xié)議均相同，都是接口雙方建立一個TCP連接，信息提供者為Server，信息接收者為Client。即每一個節(jié)點，若為上游節(jié)點，則被設置為Client；若為下游節(jié)點，則被設置為Server，并采用TCP/IP協(xié)議。單向擺渡系統(tǒng)之間為萬兆單向網閘，使用UDP協(xié)議，并配置了一個反向的串口通信，用于實現(xiàn)單向擺渡系統(tǒng)之間的雙向通信。

圖1 3C大樓信號系統(tǒng)數據消息隊列路徑Fig. 1 Data message queue path of signal system for 3C building

對于單向擺渡系統(tǒng)來說，單線每秒約有200包左右的數據量，而萬兆單向網閘每秒最多提供10 000包的數據傳輸，因此該系統(tǒng)原則上能夠滿足30條線同時擺渡的需求。

ISM系統(tǒng)服務器定位于管理網段，因此ISM系統(tǒng)與3C的接口也必須位于生產輔助網側。接口設計時主要考慮兩個問題：一是信息的接入源，其既可來自生產輔助網單向擺渡系統(tǒng)，也可來自生產輔助網CFEP，甚至可以來自數據中心；二是接口數據可以經過現(xiàn)有系統(tǒng)解析再傳送給ISM系統(tǒng)，或直接從信息源傳送給ISM系統(tǒng)的FEP。基于此，有以下5種接口方案：

（1）方案一

ISM系統(tǒng)與單向擺渡系統(tǒng)接口，增加工程車專用CFEP進行解析，再傳送給工程車ISM系統(tǒng)。其接口示意如圖2所示。

圖2 3C方案一接口示意圖Fig. 2 Interface diagram of the scheme 1 for 3C

（2）方案二

ISM系統(tǒng)與管理網CFEP接口，通過3C-CFEP將數據交由工程車專用CFEP進行解析，再傳送給ISM系統(tǒng)。其接口示意如圖3所示。

圖3 3C方案二接口示意圖Fig. 3 Interface diagram of the scheme 2 for 3C

以上兩個方案中新增的工程車專用CFEP都需要集成ISM-FEP的功能，該功能可實現(xiàn)對單獨線路聯(lián)鎖信息的解析、翻譯及篩選。

（3）方案三

ISM系統(tǒng)與單向擺渡系統(tǒng)接口，不經3C-CFEP解析，直接給ISM-FEP（ISM-front end processor），再傳送給ISM系統(tǒng)服務器。其接口示意如圖4所示。

圖4 3C方案三接口示意圖Fig. 4 Interface diagram of the scheme 3 for 3C

（4）方案四

ISM系統(tǒng)與管理網CFEP接口，3C-CFEP轉發(fā)所有收到的信息直接給ISM-FEP，或集成了過濾功能后只轉發(fā)所有需要的數據給ISM-FEP，再給ISM系統(tǒng)服務器。其接口示意如圖5所示。

圖5 3C方案四接口示意圖Fig. 5 Interface diagram of the scheme 4 for 3C

（5）方案五

ISM系統(tǒng)與“申通數據中心”接口，3C-CFEP將數據送給“數據采集系統(tǒng)”，“數據采集系統(tǒng)”將數據送給“申通數據中心”，由數據中心對外接口。其接口示意如圖6所示。

圖6 3C方案五接口示意圖Fig. 6 Interface diagram of the scheme 5 for 3C

2.2 接口方案對比

5種接口方案對比見表2?？梢钥闯?，方案一將導致生產網側單向擺渡系統(tǒng)壓力翻倍。方案二雖然略增加了3C-CFEP的處理壓力，但集成管理可保證3C不受影響。方案三和方案四中如果ISM周期性地向生產網側CFEP請求設備全量狀態(tài)數據，將造成嚴重的網絡負載，因此要求ISM必須嚴格遵守客戶端在本連接建立有效期內，只發(fā)送一次全量數據的要求，且這兩種方案并不能有效減少網絡延時，因為雖然節(jié)省了3C-CFEP的解析和轉發(fā)，但仍需要有ISM-FEP的存在，網絡總體延時基本一致。方案五由于數據中心原有數據不包含ISM系統(tǒng)所需信號系統(tǒng)數據，若需使系統(tǒng)數據滿足ISM系統(tǒng)的要求，對3C-COCC數采系統(tǒng)和申通數據中心的協(xié)議改動量較大，且與數據中心的定位不符，因此該方案存在不可行性，在此不予考慮。綜合評估分析，推薦采用方案二。

表2 3C信號接口方案對比Tab. 2 Comparison of the signal interface schemes for 3C

ISM系統(tǒng)通過新增工程車專用CFEP服務器，接收由管理網側的CFEP服務器發(fā)送的實時數據。全網絡設備部署及網絡連接示意如圖7所示。

圖7 全網絡3C接口地面設備部署及網絡連接示意Fig. 7 Schematic diagram of 3C interface ground equipment deployment and network connection in the whole network

圖7中灰色方框表示3C大樓既有設備，彩色方框表示ISM系統(tǒng)新增設備。受原單向網閘冗余策略的影響，主、備3C-CFEP不同時向ISM-CFEP A和ISM-CFEP B發(fā)送數據，但單個3C-CFEP需同時向ISM-CFEP A和ISM-CFEP B發(fā)送數據。這樣處理一是可保證系統(tǒng)的冗余性，以防單臺ISM-CFEP出錯時系統(tǒng)癱瘓；二是因原有系統(tǒng)結構導致只有一臺3C-CFEP可以發(fā)送數據，因此采用該種方案。

3 線路側信號接口方案

為適應上海地鐵不同線路線路側設備不統(tǒng)一的情況，研究確定了4種設備部署及網絡接口方案，其連接方式如圖8所示。接下來將對這4種方式進行說明。

圖8 線路側信號接口設備部署及網絡連接示意Fig. 8 Schematic diagram of line-side signal interface equipment deployment and network connection

3.1 方案一

通過串口接口與段場的聯(lián)鎖MMI(man machine interface)進行通信。信號供應商的主要工作量為

（1）開發(fā)通信協(xié)議；

（2）聯(lián)鎖MMI存在多個版本，需要多次開發(fā)定制產品。

上海地鐵1號線、2號線、3號線和4號線可采用該方案。12號線、13號線、16號線、17號線、15號線和18號線采用直連架構，不再配置聯(lián)鎖MMI,因此需要采用其他方案。

3.2 方案二

通過串口接口與段場的聯(lián)鎖維護臺進行通信。信號供應商的主要工作量為

（1）開發(fā)通信協(xié)議；

（2）段場聯(lián)鎖SDM（system diagnosis mainte-nance system）軟件存在多個版本，需要多次開發(fā)定制產品。

上海地鐵1號線、2號線、3號線、4號線、12號線、13號線、16號線和17號線可采用方案二。15號線和18號線已經采用集中監(jiān)測CMSS(centralized maintenance support system)的架構，不再配置聯(lián)鎖SDM，因此需要考慮采用其他方案。

3.3 方案三

通過網絡接口與線路ATS進行通信。信號供應商的主要工作量為

（1）開發(fā)通信協(xié)議；

（2）通過OCC-FEP與ISM系統(tǒng)通信；

（3）各線ATS版本不一致，需要多次開發(fā)定制產品。

上海地鐵還有幾條既有線路，包括1號線、3號線和4號線，因設備老舊，目前的系統(tǒng)架構不能支持該接口方案。

3.4 方案四

通過網絡接口與段場或單獨線路的OCC的監(jiān)測系統(tǒng)進行通信。信號供應商的主要工作量為

（1）開發(fā)通信協(xié)議；

（2）部分地鐵既有線路的監(jiān)測終端需要升級為最新系統(tǒng)以適配新監(jiān)測軟件，6號線、7號線和4號線蒲匯塘停車場已經改造完成；12號線、13號線和16號線正在進行平臺改造；其他未進行改造線路目前不支持該接口方案。

綜合比較，線路方案四可行性較高、覆蓋范圍較大；然而如果采用方案四亦需新增前置服務器，且與網絡側信號3C接口方案相似性較高。鑒于此，信號接口方案采用方案二進行試點。

4 結語

本文針對ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口方案進行對比研究，提出了5種網絡側方案及4種線路側方案。通過上述方案的對比研究，網絡側信號接口方案推薦采用ISM系統(tǒng)與管理網CFEP接口方案，在略增加了現(xiàn)有管理網側3C-CFEP的處理壓力情況下，可實現(xiàn)全網聯(lián)鎖信息與ISM系統(tǒng)的接口，并對現(xiàn)有的系統(tǒng)不會造成影響。而線路側信號接口方案網絡延遲明顯優(yōu)于網絡側信號接口方案，但由于其要求在各個段場增加設備，因此整體費用會明顯高于網絡側方案，且因基地及OCC地理位置分散導致系統(tǒng)維護難度相應提升。因此，ISM系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口推薦采用網絡側信號接口方案。

后續(xù)將針對網絡側信號接口方案的網絡延遲問題進行優(yōu)化設計，并對全網絡的聯(lián)鎖信息進行統(tǒng)一采集與分析，在實現(xiàn)ISM系統(tǒng)對工程車冒進信號、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等事故的防護功能的同時，對全網工程車進行靈活調配，實現(xiàn)平峰時與地鐵列車混跑，積極推動城市軌道交通的智能化。