基于云計算的現(xiàn)代有軌電車行車指揮綜合自動化系統(tǒng)研究

李 弘

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

伴隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市軌道交通規(guī)模呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的趨勢?，F(xiàn)代有軌電車屬于中、低運(yùn)量城市軌道交通方式，具備節(jié)能環(huán)保、安全快捷的優(yōu)勢，與地鐵相比建設(shè)投資小、建設(shè)周期短，適合作為城市地鐵交通主干網(wǎng)的延展和補(bǔ)充，對于提升整個城市軌道交通的覆蓋范圍和運(yùn)營效率有重要的意義。因此，現(xiàn)代有軌電車逐漸迎來了廣闊的市場前景。

現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營管理涉及的專業(yè)多達(dá)數(shù)十個，這些專業(yè)最初采用分立建設(shè)的方案，各自獨(dú)立成系統(tǒng)，彼此間通過各種接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。伴隨現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營經(jīng)驗的不斷累積及自動化技術(shù)水平的快速發(fā)展，運(yùn)營單位對各專業(yè)系統(tǒng)信息融合、集中控制、綜合管理的需求日益強(qiáng)烈，有軌電車行車指揮綜合自動化系統(tǒng)成為了必然的發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)能夠通過集成或互聯(lián)的方式將各專業(yè)系統(tǒng)整合，實現(xiàn)以行車為核心的綜合運(yùn)營平臺。

云計算技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，近年來已逐漸推廣至城市軌道交通運(yùn)營管理領(lǐng)域，云計算技術(shù)的應(yīng)用為有軌電車行車指揮綜合自動化系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的軟硬件平臺，為各專業(yè)系統(tǒng)的深度集成提供有力的技術(shù)保障。

本文將介紹有軌電車行車指揮綜合自動化系統(tǒng)（以下簡稱“行車綜自系統(tǒng)”）特點(diǎn)，并探討在云計算技術(shù)條件下實現(xiàn)該系統(tǒng)的解決方案。

2 行車綜自系統(tǒng)

有軌電車行車指揮綜合自動化系統(tǒng)深度集成行車指揮、電力監(jiān)控、機(jī)電監(jiān)控等核心專業(yè)，與運(yùn)營相關(guān)其他專業(yè)互聯(lián)，依托統(tǒng)一的信息平臺實現(xiàn)以行車為核心的有軌電車綜合運(yùn)營調(diào)度。

有軌電車各個系統(tǒng)均是為保障運(yùn)輸?shù)陌踩?、高效而服?wù)的，有軌電車的神經(jīng)中樞即為信號系統(tǒng)，以行車指揮為核心的綜合自動化系統(tǒng)將信號系統(tǒng)中的ATS 子系統(tǒng)深度集成，為實現(xiàn)各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)動作直接服務(wù)于“運(yùn)輸”提供統(tǒng)一技術(shù)平臺。

近年來的有軌電車建設(shè)呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：線路成網(wǎng)、非優(yōu)先路權(quán)、平交路口增多、人行道增多。伴隨著上述特點(diǎn)的出現(xiàn)，有軌電車運(yùn)營環(huán)境越來越復(fù)雜，因此在面對突發(fā)狀況時，調(diào)度指揮系統(tǒng)要在極短的時間內(nèi)做出正確的判斷，并向各專業(yè)下達(dá)正確的處理措施。行車綜自系統(tǒng)通過集成或互聯(lián)其他系統(tǒng)建立以行車為核心的聯(lián)動模式，提升運(yùn)營單位的應(yīng)急反應(yīng)能力。

行車綜自系統(tǒng)深度集成的系統(tǒng)包括行車指揮、電力監(jiān)控和環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控，實現(xiàn)車、電、機(jī)一體化監(jiān)控功能。系統(tǒng)可根據(jù)實際工程情況集成或互聯(lián)與列車運(yùn)營有緊密聯(lián)系的系統(tǒng)，例如：乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁安防系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等。

基于云計算的行車綜自系統(tǒng)應(yīng)與部分系統(tǒng)保持互聯(lián)關(guān)系，例如：

1) 從安全完整性角度考慮，應(yīng)與信號系統(tǒng)中的涉安子系統(tǒng)保持互聯(lián)；

2) 從信息安全角度考慮，應(yīng)與客票系統(tǒng)、城市道路交通信號控制系統(tǒng)保持互聯(lián)；

3) 從裝備專業(yè)性角度考慮，應(yīng)與傳輸系統(tǒng)、無線系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)保持互聯(lián)。

本文中系統(tǒng)采用在控制中心深度集成核心專業(yè)系統(tǒng)的方案，即：行車綜自系統(tǒng)在控制中心依托云計算平臺深度集成行車指揮系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)；行車綜自系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁安防系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、客票系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)通過接口互聯(lián)。

3 行車綜自系統(tǒng)的組成

行車綜自系統(tǒng)設(shè)備全部部署在線路控制中心，如圖1 所示，在控制中心與乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、客票系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)通過控制中心主干網(wǎng)互聯(lián)，與信號系統(tǒng)的道岔控制系統(tǒng)、路口控制系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)、場段聯(lián)鎖系統(tǒng)通過主干網(wǎng)互聯(lián)，與變電所（包含一般變電所、箱式變電所等）、停車場/車輛段內(nèi)的各專業(yè)現(xiàn)地級監(jiān)控系統(tǒng)通過主干網(wǎng)互聯(lián)，包括變電所綜合自動化系統(tǒng)、門禁安防系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)在線路控制中心的設(shè)備主要包括：云計算平臺設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、行車調(diào)度工作站、設(shè)備調(diào)度工作站、信息調(diào)度工作站等各類調(diào)度工作站。

圖1 行車綜自系統(tǒng)組成Fig.1 Composition for the integrated automation system of traffic control

云計算平臺是系統(tǒng)的核心，采用私有云方案，硬件采用高密度云計算服務(wù)器集群，軟件采用云計算管理軟件，為行車綜自系統(tǒng)提供IaaS（Infrastructure as a Service）服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器等服務(wù)器的虛擬化，通過虛擬化網(wǎng)絡(luò)管理功能提供系統(tǒng)虛擬化服務(wù)器與主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信。

與各專業(yè)系統(tǒng)分立的傳統(tǒng)方案相比，基于云計算平臺的行車綜自系統(tǒng)具備以下幾個特點(diǎn)。

1）統(tǒng)一的資源管理。系統(tǒng)通過高密度云計算服務(wù)器集群代替了傳統(tǒng)的服務(wù)器設(shè)備、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，利用云計算管理軟件統(tǒng)一管理計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源。統(tǒng)一的資源管理能夠簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)資源利用率，降低運(yùn)營維護(hù)成本。

2) 統(tǒng)一的軟件平臺。在云計算平臺的基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)提供多種操作系統(tǒng)虛擬機(jī)，并建立基礎(chǔ)軟件平臺，包括：實時通信總線、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)協(xié)議庫等。

3) 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)利用虛擬網(wǎng)絡(luò)管理功能，在云平臺內(nèi)設(shè)置不同的VLAN 和端口組，實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的隔離。

4) 統(tǒng)一的可用性管理。系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要設(shè)置虛擬服務(wù)器的冗余方式，例如：故障恢復(fù)要求在分鐘級的業(yè)務(wù)，為其虛擬服務(wù)器設(shè)置HA（High Availability）方式，即云平臺部分硬件故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，可在云平臺中其他硬件設(shè)備中重啟虛擬服務(wù)器；故障恢復(fù)要求在秒級或要求無縫切換的業(yè)務(wù)，為其虛擬服務(wù)器設(shè)置FT（Fault Tolerance）方式，即云平臺為該虛擬服務(wù)器構(gòu)建非活動副本，并實現(xiàn)內(nèi)存級同步，當(dāng)業(yè)務(wù)中斷時，云平臺激活副本，保證業(yè)務(wù)無縫切換。

5) 統(tǒng)一的信息安全管理。通過云計算平臺安全管理組件實現(xiàn)系統(tǒng)的信息安全管理。系統(tǒng)根據(jù)具體工程的信息安全等級保護(hù)要求配置相關(guān)設(shè)備。

系統(tǒng)依托云計算平臺高可用性等技術(shù)特點(diǎn)，優(yōu)化系統(tǒng)功能分配方案，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 信號系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化。道岔控制系統(tǒng)、路口控制系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)保留對現(xiàn)地、車輛的基本監(jiān)控功能，將涉及行車計劃、運(yùn)營管理的功能，上提至控制中心的行車綜自系統(tǒng)。例如，在停車場/車輛段不再設(shè)置聯(lián)鎖操作工作站，行車綜自系統(tǒng)通過主干網(wǎng)與聯(lián)鎖主機(jī)互聯(lián)，將列車運(yùn)用管理工作站移至控制中心，在控制中心實現(xiàn)場段信號設(shè)備監(jiān)控和列車運(yùn)用管理工作。

2) 變電所實現(xiàn)綜合監(jiān)控。變電所電力監(jiān)控綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)對環(huán)控設(shè)備、門禁設(shè)備、安防設(shè)備、火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)備等所內(nèi)設(shè)備綜合監(jiān)控。行車綜自系統(tǒng)不必在所內(nèi)設(shè)置接口設(shè)備，通過與變電所綜自系統(tǒng)互聯(lián)，在控制中心實現(xiàn)對變電所的全面監(jiān)控。

3) 場段機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化。場段內(nèi)的門禁安防、火災(zāi)報警、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)僅保留現(xiàn)地級監(jiān)控功能，其他運(yùn)營相關(guān)功能上提至中心行車綜自系統(tǒng)。系統(tǒng)通過主干網(wǎng)與場段機(jī)電監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，在控制中心實現(xiàn)對場段機(jī)電設(shè)備的全面監(jiān)控。

4) 冗余主干網(wǎng)保證通信可用性。主干網(wǎng)為兩個雙向自愈、獨(dú)立鏈路的環(huán)網(wǎng)，單網(wǎng)故障或單點(diǎn)故障下不影響控制中心與現(xiàn)場、變電所、停車場/車輛段的網(wǎng)絡(luò)通信。

基于云計算的行車綜自系統(tǒng)，通過對云計算平臺的合理應(yīng)用和系統(tǒng)功能分配優(yōu)化，實現(xiàn)了運(yùn)營管理的崗位綜合化、業(yè)務(wù)中心化、設(shè)備簡約化，明顯提升了運(yùn)營管理效率、降低了運(yùn)營人工成本、減少了設(shè)備維護(hù)成本。

4 行車綜自系統(tǒng)的架構(gòu)

如圖2 所示，行車綜自系統(tǒng)架構(gòu)分為5 個層次：資源層、虛擬化層、系統(tǒng)層、平臺層、應(yīng)用層。

資源層由高密度云計算服務(wù)器實現(xiàn)，為系統(tǒng)提供硬件資源；虛擬化層由云計算管理系統(tǒng)實現(xiàn)，為系統(tǒng)提供各項資源管理、可用性管理等；系統(tǒng)層由Linux、Windows 等操作系統(tǒng)實現(xiàn)；資源層、虛擬化層、系統(tǒng)層為核心專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的深度整合提供了必要的支撐。

平臺層由以下通用組件構(gòu)成。

1) 實時通信總線：以開放式的協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各類應(yīng)用模塊的實時通信，并能夠保證各模塊間通信的實時性、可靠性、安全性，是多專業(yè)系統(tǒng)協(xié)同的關(guān)鍵信息通道。

2) 實時數(shù)據(jù)庫：為各類應(yīng)用模塊提供通用接口，支撐應(yīng)用模塊的大容量實時數(shù)據(jù)存儲與訪問，是各專業(yè)實時數(shù)據(jù)全面開放共享的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

3) 歷史數(shù)據(jù)庫：提供統(tǒng)一的存儲訪問接口，為各專業(yè)數(shù)據(jù)深度融合的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

4) 通用通信協(xié)議：封裝行業(yè)內(nèi)多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如，RSSP-I、RSSP-II、MODBUS、IEC104 規(guī)約等，支撐系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

同時，平臺層提供多種功能性通用組件，包括：GIS 服務(wù)組件、權(quán)限管理組件、日志管理組件等，有力支撐各專業(yè)應(yīng)用模塊的功能實現(xiàn)。

圖2 行車綜自系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture for the integrated automation system of traffic control

應(yīng)用層主要包括：列車自動監(jiān)控業(yè)務(wù)軟件、電力監(jiān)控業(yè)務(wù)軟件、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控業(yè)務(wù)軟件、與其他專業(yè)接口軟件等。應(yīng)用層軟件通過實時通信總線實現(xiàn)信息交互，通過實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時信息共享，通過通用組件實現(xiàn)通用性功能，通過通用通信協(xié)議庫實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

5 行車綜自系統(tǒng)的功能

基于各專業(yè)系統(tǒng)深度整合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，行車綜自系統(tǒng)在實現(xiàn)所集成專業(yè)系統(tǒng)的全部傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，具備多專業(yè)信息融合、多專業(yè)聯(lián)動的功能特點(diǎn)。

以行車指揮為核心的綜合自動化系統(tǒng)，在列車自動監(jiān)控界面上能夠綜合展示與運(yùn)營緊密相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)，同時具備設(shè)備操作功能，例如：

1) 在列車監(jiān)控全景圖中顯示牽引供電設(shè)備（供電區(qū)段狀態(tài)或充電裝置）的狀態(tài)；顯示隧道通風(fēng)設(shè)備、各類電梯等機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)；顯示視頻監(jiān)控設(shè)備、乘客信息系統(tǒng)設(shè)備、廣播系統(tǒng)設(shè)備等通信專業(yè)的設(shè)備狀態(tài)，顯示火災(zāi)報警狀態(tài)，顯示車站實時客流狀態(tài)等；

2) 在電力監(jiān)控全線接觸軌圖或全線一次圖中實時顯示列車信息，包括：列車車組號、列車方向以及列車的位置等，當(dāng)某段接觸軌的電力負(fù)載接近超限或某列車充電異常時，顯示顯著的顏色標(biāo)識，并可發(fā)出警示；

3) 在列車監(jiān)控全景圖中，提供通過點(diǎn)擊列車識別號圖標(biāo)下達(dá)車載調(diào)度命令、列車無線呼叫、發(fā)布列車PIS 信息、發(fā)布列車PA 信息功能；

4) 在列車監(jiān)控界面，通過點(diǎn)擊車站、列車、設(shè)備標(biāo)識，實現(xiàn)各專業(yè)界面切換。

行車綜自系統(tǒng)多專業(yè)信息融合功能消除了信息孤島現(xiàn)象，提升了運(yùn)營單位對線路運(yùn)營情況全面掌控的能力，運(yùn)營人員能簡單、迅速地獲取所需要的數(shù)據(jù)，降低了不同崗位之間的溝通成本，提升了運(yùn)營指揮效率。

行車綜自系統(tǒng)具備以行車指揮為核心的跨專業(yè)系統(tǒng)聯(lián)動功能，并能夠根據(jù)工程需求配置。在滿足聯(lián)動觸發(fā)條件時，系統(tǒng)通過自動、半自動或手動的方式，指揮多專業(yè)協(xié)同動作。例如：

1) 早間運(yùn)營模式：根據(jù)列車運(yùn)行時刻表中首輛車到站時間和正線實際運(yùn)營情況，提前執(zhí)行電力監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等的早間運(yùn)營聯(lián)動；

2) 晚間停運(yùn)模式：根據(jù)列車運(yùn)行時刻表中末輛車離站時間和正線實際運(yùn)營情況，滯后執(zhí)行電力監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等的晚間停運(yùn)聯(lián)動；

3) 突發(fā)事件（如火災(zāi)、交通事故等）模式：根據(jù)突發(fā)事件車站、列車、區(qū)間觸發(fā)聯(lián)動，產(chǎn)生報警信息，推送現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面。系統(tǒng)提示運(yùn)營人員更換運(yùn)行計劃，并推薦合理的交路計劃；

4) 車站客流過多：根據(jù)客流量統(tǒng)計結(jié)果對中心運(yùn)營人員發(fā)出車站客流過多的報警并提示運(yùn)營人員是否增派臨時客車；

5) 列車停站超時：當(dāng)列車停站超時，在調(diào)度界面報警，并推送現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面。

行車綜自系統(tǒng)的跨專業(yè)聯(lián)動功能打破了系統(tǒng)間的專業(yè)壁壘，提升了運(yùn)營單位的綜合指揮能力、縮短了事故反應(yīng)時間、加強(qiáng)了應(yīng)急處置能力，有力地保障運(yùn)營安全，提升運(yùn)營效率。

6 結(jié)束語

有軌電車綜合自動化系統(tǒng)通過各專業(yè)系統(tǒng)信息的緊密有序融合及各專業(yè)系統(tǒng)的聯(lián)動控制機(jī)制，依托云計算平臺實現(xiàn)車、電、機(jī)等核心專業(yè)的一體化集中監(jiān)控。系統(tǒng)能夠提升運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本，提高運(yùn)營人員對突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力，為有軌電車的平穩(wěn)運(yùn)營提供牢固的保障。本文介紹了基于云計算的有軌電車綜合自動化系統(tǒng)的概念，并從系統(tǒng)組成、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能的角度進(jìn)行論述，形成了一種系統(tǒng)解決方案。