徐 峰

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司,200235,上?！喂こ處?

在城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)中,在線路控制中心設(shè)置的ATS(列車自動監(jiān)控)子系統(tǒng)承擔(dān)著運行監(jiān)控、調(diào)度指揮、外部通信等重要功能,一旦出現(xiàn)故障,將對正常行車秩序造成極大影響。因此,ATS的SRS(中央服務(wù)器)通常為雙套配置,其熱備冗余設(shè)計是系統(tǒng)可用性和可靠性的實現(xiàn)方式和重要保證。當(dāng)前,部分城市為了進(jìn)一步提高ATS系統(tǒng)設(shè)備可靠性和冗余性,會在車輛段部署備用控制中心,額外配置單套的ATS系統(tǒng)中央服務(wù)器,共同構(gòu)成ATS系統(tǒng)中央服務(wù)器的三重冗余。三套服務(wù)器都通過DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),同時接收其他ATC(列車自動控制)子系統(tǒng)信息和外部接口系統(tǒng)信息,并將接收到的信息下發(fā)給所有與骨干網(wǎng)連接的ATS系統(tǒng)工作站進(jìn)行顯示。

日常運營中,一般將OCC(運營控制中心)中的ATS系統(tǒng)設(shè)備作為主用,中央調(diào)度員對其有控制權(quán)。BOCC(備用控制中心)中的ATS系統(tǒng)設(shè)備的作用與OCC中的沒有差異,同樣具備監(jiān)控功能。當(dāng)OCC中的雙套ATS系統(tǒng)服務(wù)器都處于故障狀態(tài)時,BOCC中的ATS系統(tǒng)服務(wù)器將自動無擾接管;中央調(diào)度員仍可以繼續(xù)指揮調(diào)度線路上所有運營列車。如果有需要,通過控制權(quán)限移交,BOCC的調(diào)度員可以控制線路上的列車。本文主要介紹備用控制中心的配置方案及方案設(shè)計理念。

1 備用控制中心功能定位

備用控制中心作為主控制中心的備份,其在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)冗余以及安全等級方面的要求與主控制中心相同。BOCC的主要功能定位是,當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害或其他突發(fā)事件導(dǎo)致主控制中心完全喪失功能或與外部通信終斷的極端情況下,接管線路的行車指揮權(quán),繼續(xù)組織全線路運營以避免造成影響。因此,BOCC的系統(tǒng)設(shè)備要實時保持熱備狀態(tài),并具有OCC的系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)督和控制功能。另外,BOCC與OCC通常設(shè)置于不同的物理位置,以避免諸如自然災(zāi)害、大面積斷電等意外事件影響兩個控制中心的工作。

2 ATS子系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)線路設(shè)置有BOCC時,在進(jìn)行ATS系統(tǒng)設(shè)計時需綜合考慮冗余結(jié)構(gòu)、主備切換過程以及主備同時故障時降級車站控制方案等,需同時滿足OCC和BOCC不同功能定位產(chǎn)生的功能需求。

2.1 冗余結(jié)構(gòu)

設(shè)計冗余的目的是使ATS系統(tǒng)正常運行不受如單臺SRS宕機(jī)等局部故障影響,同時可以實現(xiàn)在線維護(hù),使故障設(shè)備能夠及時恢復(fù)。

對于配置主用和備用控制中心的線路,在其OCC部署雙套冗余服務(wù)器;在其BOCC部署單套服務(wù)器,并分別在主用和備用控制中心部署其各自的數(shù)據(jù)記錄器和調(diào)度工作站(即客戶端);主用和備用控制中心的3套ATS系統(tǒng)中央服務(wù)器形成熱備冗余結(jié)構(gòu),在硬件設(shè)備冗余的基礎(chǔ)上,為充分考慮接口的冗余性,均采用交叉互聯(lián)的通信接口方式。此外,對于BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器,除一部分外部接口未設(shè)置外,其余設(shè)備設(shè)置均與OCC的保持一致,可以完整實現(xiàn)OCC的基本功能,形成冗余架構(gòu)。

通過心跳來判斷3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器主用和備用狀態(tài),備用控制中心服務(wù)器作為遠(yuǎn)程冗余服務(wù)器,使用較長的心跳超時(2 s)。3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器優(yōu)先級從高到低為SRS1、 SRS2和SRS3。正常運行時,全線路的工作站,都與ATS系統(tǒng)服務(wù)器相連。當(dāng)OCC的SRS1或SRS2中至少有一臺為可用時,BOCC的SRS3不會被激活;只有當(dāng)SRS1和SRS2都不可用時,SRS3才會被激活;當(dāng)SRS1和SRS2都不可用時,可用的SRS3會自動被激活;如果之后SRS1或SRS2恢復(fù)可用,不會自動從SRS3切換至SRS1或SRS2,此時需要通過人工切換才能恢復(fù)至控制中心服務(wù)器處于激活狀態(tài)。無論是OCC還是BOCC的服務(wù)器被激活,OCC和BOCC以及車站的工作站均與被激活的ATS系統(tǒng)服務(wù)器相連。ATS子系統(tǒng)的冗余架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ATS系統(tǒng)冗余架構(gòu)

2.2 主備切換過程

OCC正常運行時,SRS1(或SRS2)處于激活狀態(tài),BOCC的SRS3處于備用狀態(tài),如圖2所示。當(dāng)BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器檢測到OCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器、三層交換機(jī)、保密器件或ATS系統(tǒng)骨干網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點出現(xiàn)雙重故障時,ATS系統(tǒng)將從 OCC 的服務(wù)器切換到BOCC的服務(wù)器,SRS3被激活,由BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器接管全部列車并與軌旁相關(guān)控制單元建立通信,如圖3所示。

圖2 OCC中ATS系統(tǒng)正常運行時設(shè)備狀態(tài)

圖3 BOCC中ATS系統(tǒng)運行時設(shè)備狀態(tài)

BOCC中的ATS系統(tǒng)服務(wù)器將根據(jù)列車的作業(yè)任務(wù)自動辦理進(jìn)路、發(fā)出指令,如臨時限速、開放/關(guān)閉軌道、設(shè)置/取消進(jìn)路、引導(dǎo)、操作道岔等。ATS系統(tǒng)在從OCC的服務(wù)器切換到BOCC的服務(wù)器過程中,在區(qū)間以ATO(列車自動運行)模式或ATPM(ATP防護(hù)下的人工駕駛)模式運行的列車均繼續(xù)行駛到前方車站停車,直到BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器申請到新的進(jìn)路。切換過程中,列車正常運行不受影響。ATS系統(tǒng)從 OCC的服務(wù)器切換到BOCC的服務(wù)器情況同樣遵循上述過程。

2.3 主備同時故障

在極端情況下,若OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器全部故障,車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器將被激活。車站ATS系統(tǒng)操作員使用具有車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器配置功能的工作站控制本站所轄區(qū)域。車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器將根據(jù)列車的作業(yè)任務(wù)自動辦理進(jìn)路、發(fā)出指令。在切換至車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器的過程中,在區(qū)間運行的列車可按照已有的進(jìn)路授權(quán)繼續(xù)行駛到前方車站停車,然后將由車站ATS系統(tǒng)服務(wù)器申請新的進(jìn)路。主備控制中心同時故障時ATS系統(tǒng)連接狀態(tài)如圖4所示。

圖4 主備控制中心同時故障時ATS系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)

3 信號系統(tǒng)內(nèi)部接口設(shè)計方案

3.1 與DCS子系統(tǒng)接口

DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持OCC和BOCC的網(wǎng)絡(luò)連接。OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)所有冗余設(shè)備應(yīng)配置不同的IP(網(wǎng)級互聯(lián)協(xié)議)地址,支持ATS系統(tǒng)的三重冗余,以及與各子系統(tǒng)之間的通信。DCS系統(tǒng)需在OCC和BOCC分別部署LTE(長期演進(jìn))核心網(wǎng)和兩個安全保密設(shè)備。ATS系統(tǒng)外部接口防火墻將連接 ATS系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò),用于ATS系統(tǒng)外部接口與3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器的通信。

為實現(xiàn)OCC的工作站和BOCC的工作站可以連接任一激活的OCC或BOCC的ATS服務(wù)器,并確保OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器之間的可靠連接和無擾切換,降低通信延時和提高穩(wěn)定性,需要將OCC和BOCC的內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián),增加上下行光纖芯數(shù)各4芯(使用2芯,備用2芯)。

3.2 與ATC子系統(tǒng)接口

ATC系統(tǒng)包括設(shè)置于軌旁的ZC(區(qū)域控制器)和設(shè)置于車上的VOBC(車載控制器)。為適應(yīng)ATS系統(tǒng)服務(wù)器三重冗余的設(shè)計,在原有SRS1、SRS2設(shè)置端口20001和20002的基礎(chǔ)上,對于新設(shè)置的BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器SRS3需添加端口20003,ZC和VOBC設(shè)備分別增加與BOCC的通信連接。

對軌旁ZC進(jìn)行通信協(xié)議的修改,使之可以與OCC和BOCC的3套ATS系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信。同樣,將車載VOBC通信協(xié)議修改為可以與OCC和BOCC的ATS系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信的協(xié)議。在車載SDR(保密器件)的中轉(zhuǎn)發(fā)端口配置中增加備用控制中心服務(wù)器。ATC子系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖5所示。

4 信號系統(tǒng)外部接口設(shè)計方案

信號系統(tǒng)通過ATS子系統(tǒng)提供的接口與外部系統(tǒng)連接,包括CLK、PSD(站臺門系統(tǒng))、DLP(大屏系統(tǒng))、Radio、PA(廣播系統(tǒng))、PIS(乘客信息系統(tǒng))和ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))。為適應(yīng)主備控制中心的不同功能需求,需對原僅考慮單一設(shè)置于OCC的ATS系統(tǒng)的外部接口設(shè)計進(jìn)行適配性調(diào)整。CLK同時與OCC和BOCC 的ATS服務(wù)器連接,進(jìn)行授時。每個車站的PSD 同時與OCC/BOCC的ATS服務(wù)器連接,只有主ATS服務(wù)器會向PSD發(fā)送命令。DLP 僅在控制中心配置,只與本地的DLP接口服務(wù)器相連,獲取大屏顯示信息。

控制中心和備用控制中心的Radio、PA、PIS和ISCS為多冗余熱備配置,可無縫切換。正常時每個子系統(tǒng)只有一臺服務(wù)器為主機(jī),與ATS系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行通信。ISCS 僅部署在 OCC 中,冗余 ISCS 服務(wù)器與3套 ATS 系統(tǒng)的服務(wù)器連接。

考慮災(zāi)備情況下的時鐘同步,時鐘系統(tǒng)在OCC和BOCC都提供主時鐘,信號系統(tǒng)分別與OCC和BOCC的主時鐘系統(tǒng)接口,實現(xiàn)主時鐘時間同步。

5 BOCC信號系統(tǒng)配置方案對比分析

方案一:BOCC的信號系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備均處于冷備狀態(tài),平時不開啟,處于關(guān)閉狀態(tài)。該方案優(yōu)點為:設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)可以節(jié)省能耗,在BOCC不需要配置很多信號系統(tǒng)維護(hù)和值守人員,只需要安排全天候值守人員進(jìn)行應(yīng)急處置即可,相應(yīng)地也節(jié)省了人力成本。該方案缺點為:一旦需要啟用備控信號系統(tǒng),值守人員需要到機(jī)房開啟設(shè)備,手動操作切換服務(wù)器和交換機(jī)到主用,比較耗費時間,容易造成較大的時間晚點。

方案二:BOCC的信號系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備均處于開啟的熱備狀態(tài),但主用控制中心的系統(tǒng)一旦故障需切換至備用系統(tǒng)時需要人為手動操作。該方案優(yōu)點為:備用控制中心的信號設(shè)備一直處于熱備狀態(tài),不用再進(jìn)行人工開啟設(shè)備,節(jié)省了一定的時間。該方案缺點為:設(shè)備能耗較高,且需要維護(hù)人員每天進(jìn)行巡檢檢查,提高了維護(hù)成本。

方案三:BOCC的信號系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備均處于開啟的熱備狀態(tài),但主備服務(wù)器是自動切換的,出現(xiàn)雙點故障后系統(tǒng)自動切換到BOCC服務(wù)器。該方案的優(yōu)點為:對于運營的影響是最小的,基本不會有晚點情況發(fā)生。該方案缺點為:設(shè)備能耗較高,且需配置全天候值守人員進(jìn)行日常巡檢和基本的維護(hù)作業(yè)。

方案選擇的關(guān)鍵因素為:主備控制中心的切換必須無縫連接,不能對運營造成影響;BOCC設(shè)備規(guī)格和OCC的保持一致,非重要外部接口設(shè)備可以刪減;BOCC設(shè)置在有人值守的站點或段場,減少人力成本和建設(shè)成本?？紤]到實際情況和綜合因素,杭州地鐵16號線和上海軌道交通14號線的備用控制中心均采用了方案三的配置。

6 結(jié)語

城市軌道交通發(fā)展已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時期,備用控制中心信號系統(tǒng)設(shè)備配置的必要性和合理性也在逐步加重。本文分析了信號系統(tǒng)備用控制中心配置方案和設(shè)計理念,并闡述了冗余切換對運營場景影響。杭州地鐵16號線和上海軌道交通14號線的備用控制中心采用方案三的配置方案,在大幅提升信號系統(tǒng)的可靠性、冗余性,以及提高信號系統(tǒng)抗災(zāi)害能力的同時,可降低運營成本。