對(duì)CBTC系統(tǒng)中車載信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)管理的研究

董俊超，李兆齡

(通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 概述

在CBTC系統(tǒng)中，車載信號(hào)設(shè)備利用本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)完成列車定位、限速計(jì)算及自動(dòng)駕駛等功能。當(dāng)線路或地面設(shè)備信息發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)車載信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行更新和驗(yàn)證。中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)近期發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出了網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的建設(shè)目標(biāo)，在CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)攻克后，利用CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)將是今后的主要趨勢(shì)。工程實(shí)施過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的更新難以避免，線路延伸后，需對(duì)線網(wǎng)內(nèi)所有車載信號(hào)設(shè)備以人工方式逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，實(shí)施成本巨大且容易引入安全風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問(wèn)題，需要一種自動(dòng)化的、便于管理的車載信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)管理方式及配套系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)內(nèi)容及應(yīng)用場(chǎng)景分析

車載信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)可以分為3部分：電子地圖、設(shè)備參數(shù)、車輛參數(shù)。

根據(jù)城市軌道交通《基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC） 互聯(lián)互通系統(tǒng)規(guī)范》第3部分：車載電子地圖，電子地圖數(shù)據(jù)內(nèi)容包括線路數(shù)據(jù)、軌道區(qū)段數(shù)據(jù)、軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)及安全通信協(xié)議棧數(shù)據(jù)。當(dāng)工程應(yīng)用中出現(xiàn)線路改造、延長(zhǎng)線開(kāi)通、支線開(kāi)通等情況時(shí)，電子地圖數(shù)據(jù)將發(fā)生變化，車載信號(hào)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

設(shè)備參數(shù)是指車載信號(hào)設(shè)備相關(guān)的參數(shù)，例如通信延時(shí)閾值、采集濾波周期等。一般情況下，當(dāng)使用環(huán)境或使用場(chǎng)景發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備參數(shù)可能需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。設(shè)備故障等原因?qū)Υ鎯?chǔ)設(shè)備參數(shù)的硬件進(jìn)行更換時(shí)，需要對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行備份。

車輛參數(shù)是指車輛相關(guān)的參數(shù)，例如最大加速/減速度、輪徑值等，設(shè)備故障等原因?qū)Υ鎯?chǔ)設(shè)備參數(shù)的硬件進(jìn)行更換時(shí)，需要對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行備份及更新。

3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）由數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)操作終端組成，電子地圖數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)以及車輛參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中。如圖1所示，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過(guò)CBTC系統(tǒng)安全網(wǎng)與車載信號(hào)設(shè)備及地面信號(hào)設(shè)備建立通信連接。

圖1 車載信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Onboard signaling equipment data management system structure

3.2 電子地圖數(shù)據(jù)更新

3.2.1 電子地圖下載方案

為滿足數(shù)據(jù)更新時(shí)的倒切需求，數(shù)據(jù)服務(wù)器中可存儲(chǔ)多個(gè)版本的電子地圖數(shù)據(jù)并設(shè)置管理標(biāo)簽（例如測(cè)試中、未啟用、已啟用）。操作人員通過(guò)數(shù)據(jù)操作終端將電子地圖數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器后，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)并檢查與地面信號(hào)設(shè)備中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)版本的適配性，通過(guò)后方可使用。

需對(duì)車載信號(hào)設(shè)備電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時(shí)，操作人員通過(guò)數(shù)據(jù)操作終端啟動(dòng)電子地圖下發(fā)流程。

1） 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)向車載信號(hào)設(shè)備發(fā)送“數(shù)據(jù)下發(fā)”命令。

2） 車載信號(hào)設(shè)備在確保行車安全的前提下，完成命令校驗(yàn)后反饋“準(zhǔn)備接收”信息。

3） 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收到“準(zhǔn)備接收”信息后，向該設(shè)備發(fā)送電子地圖數(shù)據(jù)。

4） 車載信號(hào)設(shè)備完成數(shù)據(jù)接收后進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)時(shí)反饋“接收成功”信息，數(shù)據(jù)下發(fā)流程結(jié)束。

5）若車載信號(hào)設(shè)備對(duì)電子地圖數(shù)據(jù)的校驗(yàn)失敗，反饋“接收失敗”信息，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)重新向該設(shè)備發(fā)送電子地圖數(shù)據(jù)。

6）電子地圖下發(fā)流程中出現(xiàn)異常時(shí)，終止本次數(shù)據(jù)下發(fā)流程。

為降低存儲(chǔ)元器件隨機(jī)失效引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，車載信號(hào)設(shè)備應(yīng)定期對(duì)本地存儲(chǔ)的電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞時(shí)，車載信號(hào)設(shè)備可向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)起“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)后啟動(dòng)電子地圖下發(fā)流程。

3.2.2 電子地圖下載方案工作量分析

對(duì)車載信號(hào)設(shè)備的電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行更新需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)測(cè)試、數(shù)據(jù)升級(jí)3個(gè)階段。

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段完成數(shù)據(jù)的編制及室內(nèi)驗(yàn)證工作。

2）數(shù)據(jù)測(cè)試活動(dòng)要在不影響信號(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通常在非運(yùn)營(yíng)時(shí)段使用單列車進(jìn)行新數(shù)據(jù)測(cè)試工作并在運(yùn)營(yíng)前恢復(fù)為運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。由于測(cè)試時(shí)間有限，數(shù)據(jù)變化較大時(shí)需進(jìn)行多輪次的數(shù)據(jù)測(cè)試活動(dòng)。

3）數(shù)據(jù)升級(jí)階段，需要對(duì)所有車載信號(hào)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)更新及數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作。

引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)前，需要在指定時(shí)段內(nèi)對(duì)車載信號(hào)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)更新并進(jìn)行測(cè)試工作，測(cè)試結(jié)束后需要恢復(fù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)并重新驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。由于數(shù)據(jù)更新、恢復(fù)及驗(yàn)證占用了大量時(shí)間，實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)間較少。

引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)編制完成后即可在數(shù)據(jù)服務(wù)器中存儲(chǔ)新的電子地圖數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)啟用前不會(huì)對(duì)正常運(yùn)營(yíng)造成影響。數(shù)據(jù)測(cè)試階段可快速完成數(shù)據(jù)倒切并進(jìn)行測(cè)試工作。由于數(shù)據(jù)倒切過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)完成，降低了因人為失誤引入的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，恢復(fù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)后無(wú)需進(jìn)行驗(yàn)證工作。引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)前后的數(shù)據(jù)測(cè)試工作量對(duì)比如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)測(cè)試工作量對(duì)比Fig.2 data test workload comparison

引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)前，需要以人工方式逐一對(duì)每套車載信號(hào)設(shè)備進(jìn)行電子地圖的更新和驗(yàn)證。

引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)后，通過(guò)數(shù)據(jù)終端可同時(shí)向所有車載信號(hào)設(shè)備下發(fā)電子地圖數(shù)據(jù)，且通過(guò)自檢確保數(shù)據(jù)的一致性，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)前后的數(shù)據(jù)升級(jí)工作量對(duì)比如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)升級(jí)工作量對(duì)比Fig.3 Data update workload comparison

綜上所述，引入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以有效降低電子地圖更新的工作量，同時(shí)提高數(shù)據(jù)更新過(guò)程的可靠性。

3.2.3 電子地圖實(shí)時(shí)傳輸方案

電子地圖下載方案中考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的限制，電子地圖依然需要提前存儲(chǔ)在車載信號(hào)設(shè)備中。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，目前LTE技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域已進(jìn)入實(shí)用化的階段，對(duì)5G技術(shù)的應(yīng)用處于探索階段，新的通信技術(shù)使電子地圖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸成為可能。通過(guò)調(diào)整電子地圖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制可實(shí)現(xiàn)電子地圖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，如圖4所示。

圖4 電子地圖實(shí)時(shí)通信方案Fig.4 Real-time communication scheme of electric map

電子地圖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸方案中，地面信號(hào)設(shè)備可通過(guò)應(yīng)答器向車載信號(hào)設(shè)備提供基本線路數(shù)據(jù)。車載信號(hào)設(shè)備通過(guò)應(yīng)答器完成定位后，若缺少可用的電子地圖數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)電子地圖傳輸流程。

車載信號(hào)設(shè)備向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)送包含列車位置的“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收到“數(shù)據(jù)請(qǐng)求”后，根據(jù)列車位置以及地面信號(hào)設(shè)備提供的運(yùn)營(yíng)信息判斷列車運(yùn)行范圍，篩選需要發(fā)送的電子地圖數(shù)據(jù)后向車載信號(hào)設(shè)備發(fā)送“數(shù)據(jù)下發(fā)”信息。車載信號(hào)設(shè)備收到“數(shù)據(jù)下發(fā)”信息后，在確保行車安全的前提下，反饋“準(zhǔn)備接收”信息。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收到車載信號(hào)設(shè)備反饋的“準(zhǔn)備接收”信息后，發(fā)送電子地圖數(shù)據(jù)。車載信號(hào)設(shè)備完成數(shù)據(jù)接收后進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)時(shí)反饋“接收成功”信息，傳輸流程結(jié)束。若車載信號(hào)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)失敗，反饋“接收失敗”信息，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)重新向該設(shè)備發(fā)送電子地圖數(shù)據(jù)。若在電子地圖更新流程中發(fā)現(xiàn)異常，終止本次電子地圖傳輸流程并報(bào)警。

為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通跨線運(yùn)行及分階段開(kāi)通需求，電子地圖數(shù)據(jù)可分區(qū)域存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中。如圖5所示，當(dāng)線路數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化時(shí)，僅需要修改或新增區(qū)域數(shù)據(jù)，對(duì)其他區(qū)域數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5 電子地圖分區(qū)存儲(chǔ)及發(fā)送Fig.5 Electric map storage in partitions and transmission

為避免車載信號(hào)設(shè)備因使用老舊數(shù)據(jù)而發(fā)生異常，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)送的電子地圖數(shù)據(jù)中應(yīng)包含數(shù)據(jù)有效期信息，車載信號(hào)設(shè)備需對(duì)數(shù)據(jù)有效期進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)失效或即將失效時(shí)，車載信號(hào)設(shè)備可以重新向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)出電子地圖數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

實(shí)時(shí)傳輸方案中電子地圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)更加靈活，能夠進(jìn)一步降低電子地圖數(shù)據(jù)更新的時(shí)間和成本。

3.3 設(shè)備參數(shù)及車輛參數(shù)備份與恢復(fù)

為了在車載信號(hào)設(shè)備硬件更換時(shí)快速恢復(fù)原有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)需要提供設(shè)備參數(shù)及車輛參數(shù)備份服務(wù)。設(shè)備參數(shù)和車輛參數(shù)可能存在差異，需要根據(jù)設(shè)備ID分別進(jìn)行存儲(chǔ)。由于備份數(shù)據(jù)存在時(shí)效性，錯(cuò)誤地使用舊數(shù)據(jù)可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此必須采技術(shù)或管理措施來(lái)確保備份數(shù)據(jù)的時(shí)效性。當(dāng)設(shè)備參數(shù)及車輛參數(shù)需要更新時(shí)，提供3種數(shù)據(jù)備份方案。

方案一：維護(hù)人員分別更新車載信號(hào)設(shè)備和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，確保其一致性。

方案二：維護(hù)人員通過(guò)數(shù)據(jù)操作終端修改數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將更新后的數(shù)據(jù)下發(fā)至車載信號(hào)設(shè)備，并根據(jù)反饋信息檢查數(shù)據(jù)更新的正確性。

方案三：當(dāng)維護(hù)人員于車載信號(hào)設(shè)備端對(duì)設(shè)備參數(shù)及車輛參數(shù)進(jìn)行更新時(shí)，車載信號(hào)設(shè)備向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)送備份數(shù)據(jù)，僅當(dāng)數(shù)據(jù)備份成功時(shí)車載信號(hào)設(shè)備使用該數(shù)據(jù)。

為了在確?？捎眯院驼_性的基礎(chǔ)上盡可能降低人工成本，可將上述3種方案進(jìn)行結(jié)合，采用方案二或方案三，數(shù)據(jù)更新發(fā)生異常時(shí)，人工介入并按照方案一進(jìn)行處理。

當(dāng)車載信號(hào)設(shè)備出現(xiàn)異常需要恢復(fù)設(shè)備參數(shù)或車輛參數(shù)時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)恢復(fù)流程如下。

車載信號(hào)設(shè)備向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)送“恢復(fù)申請(qǐng)”信息，該信息包含設(shè)備ID及恢復(fù)數(shù)據(jù)的類型（設(shè)備參數(shù)、車輛參數(shù)）。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收到申請(qǐng)后，根據(jù)設(shè)備ID及恢復(fù)數(shù)據(jù)的類型取出備份數(shù)據(jù)并提示維護(hù)人員確認(rèn)數(shù)據(jù)正確性。維護(hù)人員確認(rèn)數(shù)據(jù)正確后，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)向車載信號(hào)設(shè)備發(fā)送備份數(shù)據(jù)。車載信號(hào)設(shè)備接收備份數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)時(shí)反饋“恢復(fù)成功”。若車載信號(hào)設(shè)備對(duì)備份數(shù)據(jù)的校驗(yàn)失敗，反饋“接收失敗”信息，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)重新向該設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。若在數(shù)據(jù)恢復(fù)流程中發(fā)現(xiàn)異常，終止本次數(shù)據(jù)恢復(fù)流程并報(bào)警，由人工介入處理。

通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備參數(shù)和車輛參數(shù)進(jìn)行管理、維護(hù)，提供直觀的、可視化的操控界面輔助維護(hù)人員進(jìn)行判斷和處理，能夠有效提高管理效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供車載信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)管理、更新及故障恢復(fù)的方法，能夠有效的降低數(shù)據(jù)更新的成本。通過(guò)自動(dòng)化控制及檢測(cè)手段降低了因人為失誤引入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)周期采集并維護(hù)車載信號(hào)設(shè)備的數(shù)據(jù)狀態(tài)并提供可視化信息，使維護(hù)人員能夠直觀的進(jìn)行監(jiān)控和管理，提高管理效率。