劉敏杰 吳 剛

(1.常州地鐵集團(tuán)有限公司,213010,常州; 2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,510010,廣州)

信號(hào)系統(tǒng)在城市軌道交通中承擔(dān)行車(chē)調(diào)度指揮的重要功能,傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下,線網(wǎng)內(nèi)各線路信號(hào)系統(tǒng)獨(dú)立完成線路級(jí)的調(diào)度指揮。在云計(jì)算、信息安全、人工智能等信息技術(shù)不斷成熟以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策支持下,云平臺(tái)在國(guó)內(nèi)各主要城市的軌道交通中已逐步開(kāi)展應(yīng)用。云平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)線網(wǎng)級(jí)調(diào)度提供了良好平臺(tái),有利于打破各線路調(diào)度指揮的壁壘,實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)層面的行車(chē)調(diào)度,提升運(yùn)營(yíng)管理效率。本文結(jié)合常州地鐵新一輪地鐵建設(shè)方案的需求,通過(guò)調(diào)研總結(jié)國(guó)內(nèi)云平臺(tái)和信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)方案的經(jīng)驗(yàn),提出基于云架構(gòu)的信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)方案。

1 傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

在基于傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)下,信號(hào)系統(tǒng)均為獨(dú)自垂直開(kāi)發(fā)系統(tǒng),與外部系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。未采用云平臺(tái)架構(gòu)的地鐵線路均采用傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)部署,各站點(diǎn)均獨(dú)立設(shè)置服務(wù)器。在當(dāng)時(shí)的建設(shè)環(huán)境下,獨(dú)立建設(shè)信號(hào)系統(tǒng)能降低各系統(tǒng)之間的相互影響,提高建設(shè)效率。網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)時(shí)代,城市軌道交通各系統(tǒng)間彼此關(guān)聯(lián)越來(lái)越緊密,系統(tǒng)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性也越來(lái)越強(qiáng),原來(lái)獨(dú)立建設(shè)的信號(hào)系統(tǒng)會(huì)面臨如下問(wèn)題:

1) 硬件使用不均衡,難以動(dòng)態(tài)調(diào)整?？刂浦行拇蟛糠窒到y(tǒng)硬件剛投入時(shí)使用率不足30%。隨著系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間及上線列車(chē)數(shù)不斷增加,系統(tǒng)服務(wù)器的使用率會(huì)達(dá)到70%～90%,使得系統(tǒng)疲憊不堪。國(guó)內(nèi)某地鐵線路在上線列車(chē)數(shù)達(dá)到52列時(shí),數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的CPU占用率尖峰值為84%。信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備長(zhǎng)期工作于高負(fù)載率工況將降低設(shè)備使用壽命,容易造成信號(hào)系統(tǒng)宕機(jī),而傳統(tǒng)硬件架構(gòu)不具備性能動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。

2) 軟件綁定硬件,系統(tǒng)改造困難。軟件和硬件耦合度高,軟件綁定硬件。軟件基于硬件開(kāi)發(fā),存在訂制化產(chǎn)品停產(chǎn)、備品備件種類多等問(wèn)題,設(shè)備到年限后面臨停產(chǎn)而不得不重新建立新的生產(chǎn)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)已有數(shù)條地鐵線路的信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行了改造,如北京地鐵1、2號(hào)線,上海軌道交通5號(hào)線等,基本上都是采用信號(hào)系統(tǒng)整體更新方案,改造費(fèi)用高,改造時(shí)間長(zhǎng),且引起其他系統(tǒng)如車(chē)輛系統(tǒng)等較大的連帶改造。

3) 不同供貨商難以實(shí)施互聯(lián)互通。傳統(tǒng)城市軌道交通建設(shè)模式下,由于不同設(shè)備供應(yīng)商提供的產(chǎn)品不同,各線路ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)的硬件配置、接口數(shù)據(jù)形式存在較大差異,構(gòu)建線網(wǎng)層調(diào)度指揮系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)線路互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)存在較大困難,不僅需要不同供貨商共同配合進(jìn)行接口設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議等的統(tǒng)一和互聯(lián)互通測(cè)試,而且存在對(duì)接周期較長(zhǎng)、銜接成功率低等問(wèn)題。

在不改變信號(hào)系統(tǒng)既有控制中心、車(chē)載和車(chē)站級(jí)區(qū)域分布結(jié)構(gòu)的前提下,將信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備融入云平臺(tái),充分結(jié)合云平臺(tái)資源統(tǒng)一管理,具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、兼容度高、部署成本低和生命周期成本低等特性,不僅能夠提升信號(hào)系統(tǒng)的處理能力,減少硬件設(shè)備數(shù)量,還有利于實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)資源信息互通,促進(jìn)調(diào)度智能化發(fā)展。

2 信號(hào)系統(tǒng)云化定義和可行性分析

2.1 信號(hào)系統(tǒng)云化定義

信號(hào)云定義為:為信號(hào)系統(tǒng)提供云計(jì)算及云服務(wù)的各類軟硬件系統(tǒng)、組件的集合,是組織指揮列車(chē)運(yùn)行、保證行車(chē)安全、提高運(yùn)輸效率、傳遞信息、改善行車(chē)人員勞動(dòng)條件的重要的城市軌道交通設(shè)施[1]。

信號(hào)系統(tǒng)云化是指發(fā)揮云計(jì)算和存貯技術(shù)適用于大規(guī)模部署、資源共享的技術(shù)優(yōu)勢(shì),利用城市軌道交通云平臺(tái)提供的硬件資源和軟件資源承載信號(hào)系統(tǒng)部分或全部軟硬件。

2.2 信號(hào)系統(tǒng)云化需求

信號(hào)系統(tǒng)云化在行業(yè)內(nèi)已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和案例來(lái)支撐和驗(yàn)證。目前,信號(hào)系統(tǒng)云化的主要是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的ATS子系統(tǒng)。ATS監(jiān)督列車(chē)運(yùn)行,根據(jù)列車(chē)時(shí)刻表為列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)設(shè)定進(jìn)路,并對(duì)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,實(shí)施列車(chē)運(yùn)行管理。ATS是行車(chē)調(diào)度設(shè)備,具有較大數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)需求,適合部署在城市軌道交通云平臺(tái)上以提高數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)能力。另外,ATS的安全、可靠及可擴(kuò)展性都將直接或間接影響到列車(chē)運(yùn)行管理。作為城市軌道交通日常運(yùn)輸生產(chǎn)活動(dòng)的管理核心,ATS云化是行車(chē)調(diào)度指揮的發(fā)展需求。

針對(duì)信號(hào)系統(tǒng)涉及行車(chē)安全的ATP/ATO(列車(chē)自動(dòng)防護(hù)/列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)及聯(lián)鎖系統(tǒng),其云化可行性分析仍需綜合考慮信號(hào)系統(tǒng)的安全性、計(jì)算性能、芯片特殊要求、軟硬件架構(gòu)、云化實(shí)施成熟度及運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)等多方面因素影響,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)云的技術(shù)保障、工期保障及運(yùn)營(yíng)運(yùn)維保障。

2.3 ATS云化可行性分析

信號(hào)系統(tǒng)的ATS云化可行性分析如表1所示。

表1 ATS云化可行性分析[2]

3 信號(hào)系統(tǒng)云化方案

3.1 常州地鐵云平臺(tái)建設(shè)方案

結(jié)合中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的要求,以及國(guó)內(nèi)城市軌道交通云平臺(tái)建設(shè)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn),常州地鐵也適時(shí)提出了符合常州地鐵高質(zhì)量發(fā)展的軌道交通云平臺(tái)建設(shè)規(guī)劃,即:構(gòu)建一個(gè)自主可控、功能完備、技術(shù)領(lǐng)先、安全可靠、可持續(xù)發(fā)展的城市軌道交通云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通業(yè)務(wù)應(yīng)用的統(tǒng)一部署承載和資源動(dòng)態(tài)分配[3]。

不同城市的軌道交通線網(wǎng)規(guī)模不同,其云平臺(tái)建設(shè)方案也稍有區(qū)別。常州地鐵通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)軌道交通線網(wǎng)及線路調(diào)度指揮系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析,提出基于云平臺(tái)和數(shù)據(jù)共享方式的線網(wǎng)及線路層融合調(diào)度指揮系統(tǒng)建設(shè)方案。

3.2 線網(wǎng)統(tǒng)一的ATS建設(shè)方案

基于云平臺(tái)的兼容性、可擴(kuò)展性,由云平臺(tái)統(tǒng)一為線網(wǎng)ATS和各線路中央級(jí)ATS提供各類計(jì)算、存儲(chǔ)服務(wù)資源、云桌面資源和網(wǎng)絡(luò)資源。線網(wǎng)統(tǒng)一的ATS建設(shè)方案如圖1所示。分別根據(jù)線網(wǎng)ATS設(shè)備和線路ATS設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算性能及網(wǎng)絡(luò)通信需求劃分獨(dú)立的資源池,不同層級(jí)ATS與不同線路ATS分別搭載在不同的物理機(jī)上,并配套建立網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)以實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立,從而使云計(jì)算資源得以高效利用。線網(wǎng)調(diào)度工作站、線路調(diào)度工作站及線路運(yùn)行圖編輯工作站均采用云桌面形式,通過(guò)接入交換機(jī)接入ATS云網(wǎng)絡(luò),并與虛擬化的服務(wù)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。線網(wǎng)層ATS與線路層ATS、線網(wǎng)層ATS與云平臺(tái)承載的線網(wǎng)其他系統(tǒng)、線路層ATS與云平臺(tái)承載的其他系統(tǒng)直接通過(guò)內(nèi)部云網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖1 線網(wǎng)統(tǒng)一的ATS建設(shè)方案

3.3 ATS云化范圍

SIL(安全完整性等級(jí))是風(fēng)險(xiǎn)降低的定量度量,是系統(tǒng)在使用過(guò)程中降低事故風(fēng)險(xiǎn)所必須達(dá)到的可靠性程度,分為1～4級(jí)。SIL2級(jí)要求每小時(shí)、每一功能可能承受的危險(xiǎn)側(cè)故障率應(yīng)大于10-7且小于10-6。ATS云化后,也應(yīng)通過(guò)開(kāi)展SIL2級(jí)評(píng)估,防止因云平臺(tái)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足而降低信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合ATS云化后能否通過(guò)SIL2級(jí)評(píng)估,ATS云化分為全部云化和部分云化。信號(hào)系統(tǒng)ATS中的調(diào)度工作站及與聯(lián)鎖/ATP系統(tǒng)接口的網(wǎng)關(guān)涉及安全命令,其上云后能否通過(guò)SIL2級(jí)決定了ATS能否全部上云。

1) 全部云化。若云平臺(tái)提供的云化系統(tǒng)SIL能滿足信號(hào)系統(tǒng)安全性的需求,或能配合安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)通過(guò)ATS安全認(rèn)證,那可將ATS軟硬件完全由云平臺(tái)承載。

2) 部分云化。若云平臺(tái)無(wú)法達(dá)到上述SIL要求,則可對(duì)涉及行車(chē)安全的相關(guān)功能由獨(dú)立硬件承載,涉及安全控制功能部分不納入云平臺(tái)部署及管理,以滿足 ATS系統(tǒng)SIL2 級(jí)認(rèn)證要求。

常州地鐵經(jīng)過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)在建和開(kāi)通線路ATS云化的應(yīng)用情況和技術(shù)現(xiàn)狀,認(rèn)為采用ATS部分上云的方式較為穩(wěn)妥。由于國(guó)內(nèi)大多數(shù)云平臺(tái)廠家可以提供SIL2級(jí)的桌面云系統(tǒng),即對(duì)ATS中應(yīng)用服務(wù)器、通信前置機(jī)及工作站等采用裸金屬/虛擬機(jī)、云桌面方式部署,因此,考慮安全因素,與聯(lián)鎖/ATP系統(tǒng)接口的網(wǎng)關(guān)部署在云下,采用傳統(tǒng)架構(gòu)方案。具體云化部署清單如表2所示。

表2 云化部署清單

3.4 ATS對(duì)云平臺(tái)架構(gòu)的選擇

基于云平臺(tái)的城市軌道交通生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu),主要有3種建設(shè)模式:基于云的業(yè)務(wù)獨(dú)立架構(gòu)(模式一);基于云并構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)的業(yè)務(wù)架構(gòu)(模式二);基于云并構(gòu)建中臺(tái)的業(yè)務(wù)架構(gòu)(模式三)。不同建設(shè)模式系統(tǒng)架構(gòu)和特點(diǎn)如表3所示。

表3 不同建設(shè)模式系統(tǒng)架構(gòu)和特點(diǎn)

模式一是目前國(guó)內(nèi)地鐵ATS云化采用較多的模式。該模式下的云平臺(tái)更多承擔(dān)的是硬件資源整合的角色,實(shí)現(xiàn)硬件信息化設(shè)備的整合管理,但各子系統(tǒng)間通信復(fù)雜且需要進(jìn)行專門(mén)接口開(kāi)發(fā),各子系統(tǒng)間并未實(shí)際融合共享。在模式二和模式三下,目前云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)速度在亞秒級(jí),暫無(wú)法滿足實(shí)時(shí)調(diào)度中需對(duì)ATS毫秒級(jí)響應(yīng)的要求。因此,建議在云平臺(tái)統(tǒng)一設(shè)計(jì)時(shí)將應(yīng)用劃分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理部分與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理部分。實(shí)時(shí)性要求較高的(調(diào)度、聯(lián)動(dòng)類)部分仍采用既有數(shù)據(jù)直通應(yīng)用,各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立設(shè)計(jì),同時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)入非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理平臺(tái),保證非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合共享能力。

隨著云平臺(tái)技術(shù)的飛速發(fā)展,建議承載ATS的城市軌道交通云平臺(tái)架構(gòu)在滿足安全性、實(shí)時(shí)性的前提下,逐步從模式一向模式三過(guò)渡,并應(yīng)具備更新迭代的能力,以滿足未來(lái)“智慧城軌”不斷變化的上層應(yīng)用需求。

3.5 ATS互聯(lián)互通

基于云平臺(tái)建立線網(wǎng)級(jí)信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn),使各條線路同在一朵云下?lián)碛型瑯拥脑骗h(huán)境,同樣的安全控制軟件的接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)定義,實(shí)現(xiàn)車(chē)/軌旁設(shè)備和云之間的交互信息。云化后的ATS的互聯(lián)互通,主要通過(guò)建立云平臺(tái)環(huán)境下統(tǒng)一的ATS軟件接口、數(shù)據(jù)定義及通信協(xié)議,形成統(tǒng)一的接口形式,實(shí)質(zhì)上是屬于云端不同線路之間ATS應(yīng)用與各線路信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通?；ヂ?lián)互通的ATS應(yīng)支持與不同供貨商車(chē)載設(shè)備、地面ATP設(shè)備和聯(lián)鎖設(shè)備的接口連接,實(shí)現(xiàn)ATS對(duì)不同線路列車(chē)的運(yùn)營(yíng)管理。

ATS接口支撐的功能包括互聯(lián)互通線路站場(chǎng)信息共享、跨線運(yùn)行列車(chē)信息共享、跨線運(yùn)行列車(chē)計(jì)劃調(diào)整信息共享、跨線運(yùn)行列車(chē)接入站首站跳停命令下達(dá)功能等。互聯(lián)互通的ATS接口,應(yīng)根據(jù)行業(yè)內(nèi)各信號(hào)系統(tǒng)供貨商ATS接口數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量、長(zhǎng)度、類型進(jìn)行包容性設(shè)計(jì),并預(yù)留一定碼位和字節(jié)數(shù)以滿足后期擴(kuò)展需求。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通云平臺(tái)已逐步在國(guó)內(nèi)主要城市的軌道交通中推廣應(yīng)用,信號(hào)系統(tǒng)與云平臺(tái)融合也已成為重要發(fā)展趨勢(shì)。改變傳統(tǒng)硬件配置方式后,信號(hào)系統(tǒng)硬件配置的通用化水平有了較大提高,從而更有利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化,為線網(wǎng)層面信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通提供良好基礎(chǔ)。本文提出的基于云架構(gòu)的信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)方案,既不失信號(hào)系統(tǒng)作為行車(chē)控制系統(tǒng)的高安全性、高可靠性,也為真正實(shí)現(xiàn)平臺(tái)融合、數(shù)據(jù)整合及資源共享打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著云平臺(tái)技術(shù)及信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展,已經(jīng)出現(xiàn)了智能調(diào)度、云聯(lián)鎖等新技術(shù),相信在未來(lái)會(huì)有更適合于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的建設(shè)方案和智慧化應(yīng)用。