地鐵工程車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)接口方案研究

張 軼

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

0 引言

在我國(guó)大多數(shù)大城市，地鐵已成為市民出行的主要交通工具之一，且開(kāi)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(wǎng)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路共19條（含磁浮線），運(yùn)營(yíng)里程達(dá)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(kù)；還有相當(dāng)數(shù)量的工程車，其主要用于車輛段場(chǎng)調(diào)車作業(yè)、線路施工和養(yǎng)護(hù)、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(wù)員經(jīng)驗(yàn)、目視信號(hào)等操控現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)冒進(jìn)信號(hào)、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(hù)，地鐵工程車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)（intelligent safety monitoring system, ISM）[1-4]應(yīng)運(yùn)而生。本文主要介紹了ISM系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)接口方案，從中通過(guò)接口匹配來(lái)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn)之一。

1 ISM系統(tǒng)與信號(hào)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(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共有3種方案，分別是段場(chǎng)聯(lián)鎖接口方案、各線路線路側(cè)運(yùn)行控制中心-列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（operation control center-automatic train supervision, OCC-ATS）接口方案以及數(shù)據(jù)中心大樓（3C大樓） 3C-COCC（center of operation control center）-ATS方案。3種信號(hào)接口方案比較如表1所示。

表1 信號(hào)接口方案對(duì)比Tab. 1 Comparison of signal interface schemes

綜合比較來(lái)看，3C-ATS方案從成本和可實(shí)施性上最具優(yōu)勢(shì)；但是由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸路徑較長(zhǎng)，延時(shí)時(shí)間能否滿足本系統(tǒng)的要求尚未可知，因此需要對(duì)其進(jìn)行試點(diǎn)驗(yàn)證，并同時(shí)考慮后備方案。以下將3C-ATS接口方案統(tǒng)稱為“網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號(hào)接口方案”，而聯(lián)鎖及OCCATS接口方案統(tǒng)稱為“線路側(cè)信號(hào)接口方案”。

1.2 接口設(shè)備需求

為了保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，無(wú)線傳輸將采用安全通信機(jī)制，其能識(shí)別由于硬件故障、電磁干擾等原因?qū)е碌耐ㄐ佩e(cuò)誤，對(duì)接口設(shè)備的主要要求包括：

（1）數(shù)據(jù)的發(fā)送端應(yīng)具備安全檢驗(yàn)數(shù)據(jù)代碼的功能。

（2）數(shù)據(jù)的接收端應(yīng)具備數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)功能。接收端一旦檢測(cè)到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性以及實(shí)時(shí)性方面的錯(cuò)誤后，應(yīng)能進(jìn)行相應(yīng)的安全防護(hù)處理。

（3）每幀傳輸數(shù)據(jù)必須能夠被唯一地識(shí)別。傳輸數(shù)據(jù)的識(shí)別采用識(shí)別碼（ID）方式進(jìn)行，每幀傳輸數(shù)據(jù)的識(shí)別碼應(yīng)至少包括數(shù)據(jù)類型（安全/非安全）、數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備與部件的編號(hào)、數(shù)據(jù)編號(hào)等。

滿足以上要求，則可以盡可能準(zhǔn)確地獲取聯(lián)鎖系統(tǒng)中表示站場(chǎng)設(shè)備、設(shè)施狀態(tài)的信息，包括列車信號(hào)機(jī)狀態(tài)、調(diào)車燈信號(hào)狀態(tài)、道岔開(kāi)放方向、軌道區(qū)段占用和出清狀態(tài)等。

2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號(hào)接口方案

2.1 接口方案介紹

3C大樓信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)消息隊(duì)列路徑如圖1所示，其主要包含

（1）線路側(cè)的列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)ATS（automatic train supervision）；

（2）位于生產(chǎn)網(wǎng)側(cè)的中央前端處理器CFEP(center front end processor )，用于收集匯總ATS數(shù)據(jù)；

（3）用于隔離生產(chǎn)網(wǎng)與管理網(wǎng)的擺渡系統(tǒng)及用于管理網(wǎng)的CFEP。

圖1中，線路ATS與生產(chǎn)網(wǎng)CFEP間、生產(chǎn)網(wǎng)CFEP與單向擺渡系統(tǒng)間、單向擺渡系統(tǒng)與管理網(wǎng)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(gè)TCP連接，信息提供者為Server，信息接收者為Client。即每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，若為上游節(jié)點(diǎn)，則被設(shè)置為Client；若為下游節(jié)點(diǎn)，則被設(shè)置為Server，并采用TCP/IP協(xié)議。單向擺渡系統(tǒng)之間為萬(wàn)兆單向網(wǎng)閘，使用UDP協(xié)議，并配置了一個(gè)反向的串口通信，用于實(shí)現(xiàn)單向擺渡系統(tǒng)之間的雙向通信。

圖1 3C大樓信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)消息隊(duì)列路徑Fig. 1 Data message queue path of signal system for 3C building

對(duì)于單向擺渡系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單線每秒約有200包左右的數(shù)據(jù)量，而萬(wàn)兆單向網(wǎng)閘每秒最多提供10 000包的數(shù)據(jù)傳輸，因此該系統(tǒng)原則上能夠滿足30條線同時(shí)擺渡的需求。

ISM系統(tǒng)服務(wù)器定位于管理網(wǎng)段，因此ISM系統(tǒng)與3C的接口也必須位于生產(chǎn)輔助網(wǎng)側(cè)。接口設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是信息的接入源，其既可來(lái)自生產(chǎn)輔助網(wǎng)單向擺渡系統(tǒng)，也可來(lái)自生產(chǎn)輔助網(wǎng)CFEP，甚至可以來(lái)自數(shù)據(jù)中心；二是接口數(shù)據(jù)可以經(jīng)過(guò)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(jìn)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(wǎng)CFEP接口，通過(guò)3C-CFEP將數(shù)據(jù)交由工程車專用CFEP進(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)單獨(dú)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(jīng)3C-CFEP解析，直接給ISM-FEP（ISM-front end processor），再傳送給ISM系統(tǒng)服務(wù)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(wǎng)CFEP接口，3C-CFEP轉(zhuǎn)發(fā)所有收到的信息直接給ISM-FEP，或集成了過(guò)濾功能后只轉(zhuǎn)發(fā)所有需要的數(shù)據(jù)給ISM-FEP，再給ISM系統(tǒng)服務(wù)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(shù)據(jù)中心”接口，3C-CFEP將數(shù)據(jù)送給“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”將數(shù)據(jù)送給“申通數(shù)據(jù)中心”，由數(shù)據(jù)中心對(duì)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(duì)比

5種接口方案對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯?，方案一將導(dǎo)致生產(chǎn)網(wǎng)側(cè)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(chǎn)網(wǎng)側(cè)CFEP請(qǐng)求設(shè)備全量狀態(tài)數(shù)據(jù)，將造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因此要求ISM必須嚴(yán)格遵守客戶端在本連接建立有效期內(nèi)，只發(fā)送一次全量數(shù)據(jù)的要求，且這兩種方案并不能有效減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，因?yàn)殡m然節(jié)省了3C-CFEP的解析和轉(zhuǎn)發(fā)，但仍需要有ISM-FEP的存在，網(wǎng)絡(luò)總體延時(shí)基本一致。方案五由于數(shù)據(jù)中心原有數(shù)據(jù)不包含ISM系統(tǒng)所需信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，若需使系統(tǒng)數(shù)據(jù)滿足ISM系統(tǒng)的要求，對(duì)3C-COCC數(shù)采系統(tǒng)和申通數(shù)據(jù)中心的協(xié)議改動(dòng)量較大，且與數(shù)據(jù)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(píng)估分析，推薦采用方案二。

表2 3C信號(hào)接口方案對(duì)比Tab. 2 Comparison of the signal interface schemes for 3C

ISM系統(tǒng)通過(guò)新增工程車專用CFEP服務(wù)器，接收由管理網(wǎng)側(cè)的CFEP服務(wù)器發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。全網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署及網(wǎng)絡(luò)連接示意如圖7所示。

圖7 全網(wǎng)絡(luò)3C接口地面設(shè)備部署及網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，彩色方框表示ISM系統(tǒng)新增設(shè)備。受原單向網(wǎng)閘冗余策略的影響，主、備3C-CFEP不同時(shí)向ISM-CFEP A和ISM-CFEP B發(fā)送數(shù)據(jù)，但單個(gè)3C-CFEP需同時(shí)向ISM-CFEP A和ISM-CFEP B發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣處理一是可保證系統(tǒng)的冗余性，以防單臺(tái)ISM-CFEP出錯(cuò)時(shí)系統(tǒng)癱瘓；二是因原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致只有一臺(tái)3C-CFEP可以發(fā)送數(shù)據(jù)，因此采用該種方案。

3 線路側(cè)信號(hào)接口方案

為適應(yīng)上海地鐵不同線路線路側(cè)設(shè)備不統(tǒng)一的情況，研究確定了4種設(shè)備部署及網(wǎng)絡(luò)接口方案，其連接方式如圖8所示。接下來(lái)將對(duì)這4種方式進(jìn)行說(shuō)明。

圖8 線路側(cè)信號(hào)接口設(shè)備部署及網(wǎng)絡(luò)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(guò)串口接口與段場(chǎng)的聯(lián)鎖MMI(man machine interface)進(jìn)行通信。信號(hào)供應(yīng)商的主要工作量為

（1）開(kāi)發(fā)通信協(xié)議；

（2）聯(lián)鎖MMI存在多個(gè)版本，需要多次開(kāi)發(fā)定制產(chǎn)品。

上海地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線和4號(hào)線可采用該方案。12號(hào)線、13號(hào)線、16號(hào)線、17號(hào)線、15號(hào)線和18號(hào)線采用直連架構(gòu)，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(guò)串口接口與段場(chǎng)的聯(lián)鎖維護(hù)臺(tái)進(jìn)行通信。信號(hào)供應(yīng)商的主要工作量為

（1）開(kāi)發(fā)通信協(xié)議；

（2）段場(chǎng)聯(lián)鎖SDM（system diagnosis mainte-nance system）軟件存在多個(gè)版本，需要多次開(kāi)發(fā)定制產(chǎn)品。

上海地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、4號(hào)線、12號(hào)線、13號(hào)線、16號(hào)線和17號(hào)線可采用方案二。15號(hào)線和18號(hào)線已經(jīng)采用集中監(jiān)測(cè)CMSS(centralized maintenance support system)的架構(gòu)，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(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與線路ATS進(jìn)行通信。信號(hào)供應(yīng)商的主要工作量為

（1）開(kāi)發(fā)通信協(xié)議；

（2）通過(guò)OCC-FEP與ISM系統(tǒng)通信；

（3）各線ATS版本不一致，需要多次開(kāi)發(fā)定制產(chǎn)品。

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

3.4 方案四

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與段場(chǎng)或單獨(dú)線路的OCC的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信。信號(hào)供應(yīng)商的主要工作量為

（1）開(kāi)發(fā)通信協(xié)議；

（2）部分地鐵既有線路的監(jiān)測(cè)終端需要升級(jí)為最新系統(tǒng)以適配新監(jiān)測(cè)軟件，6號(hào)線、7號(hào)線和4號(hào)線蒲匯塘停車場(chǎng)已經(jīng)改造完成；12號(hào)線、13號(hào)線和16號(hào)線正在進(jìn)行平臺(tái)改造；其他未進(jìn)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(wù)器，且與網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號(hào)3C接口方案相似性較高。鑒于此，信號(hào)接口方案采用方案二進(jìn)行試點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)ISM系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)接口方案進(jìn)行對(duì)比研究，提出了5種網(wǎng)絡(luò)側(cè)方案及4種線路側(cè)方案。通過(guò)上述方案的對(duì)比研究，網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號(hào)接口方案推薦采用ISM系統(tǒng)與管理網(wǎng)CFEP接口方案，在略增加了現(xiàn)有管理網(wǎng)側(cè)3C-CFEP的處理壓力情況下，可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)聯(lián)鎖信息與ISM系統(tǒng)的接口，并對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)不會(huì)造成影響。而線路側(cè)信號(hào)接口方案網(wǎng)絡(luò)延遲明顯優(yōu)于網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號(hào)接口方案，但由于其要求在各個(gè)段場(chǎng)增加設(shè)備，因此整體費(fèi)用會(huì)明顯高于網(wǎng)絡(luò)側(cè)方案，且因基地及OCC地理位置分散導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)難度相應(yīng)提升。因此，ISM系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)接口推薦采用網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號(hào)接口方案。

后續(xù)將針對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)信號(hào)接口方案的網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)全網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)鎖信息進(jìn)行統(tǒng)一采集與分析，在實(shí)現(xiàn)ISM系統(tǒng)對(duì)工程車冒進(jìn)信號(hào)、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等事故的防護(hù)功能的同時(shí)，對(duì)全網(wǎng)工程車進(jìn)行靈活調(diào)配，實(shí)現(xiàn)平峰時(shí)與地鐵列車混跑，積極推動(dòng)城市軌道交通的智能化。