杜 凡,郝明雷,鄭 軍
(1.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100068;2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司,北京100081)
城市軌道交通是一個(gè)復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程,涉及的大大小小的專業(yè)有上百個(gè)。各業(yè)務(wù)形成了獨(dú)立系統(tǒng),例如環(huán)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)之間通過(guò)各種接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和控制。隨著地鐵運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的不斷累積和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展,地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)于系統(tǒng)之間信息的快速共享,突發(fā)事件的綜合、快速應(yīng)對(duì)能力的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈,因此,綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,做到了多系統(tǒng)的整合,通過(guò)統(tǒng)一的軟、硬件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)控、電力、屏蔽門、通信等多系統(tǒng)的監(jiān)督、控制、管理和協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)功能,提高了運(yùn)營(yíng)效率,解決了運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的相關(guān)問(wèn)題[1]。
多年來(lái),綜合監(jiān)控系統(tǒng)是以電力監(jiān)控為核心,并未與行車直接相關(guān)的列車自動(dòng)監(jiān)控(ATS,Automatic Train Supervision)系統(tǒng)進(jìn)行集成,城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS,Integrated Supervision and Control System)與ATS系統(tǒng)之間仍采用傳統(tǒng)的接口互聯(lián)方式,實(shí)現(xiàn)行車信息的交互和運(yùn)營(yíng)組織[2]。如今,城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)在各地相繼應(yīng)用,全自動(dòng)無(wú)人駕駛功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有行車管理和運(yùn)營(yíng)指揮也提出了更高的要求。目前,軌道交通行車指揮綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(TIAS,Traffic Control Integrated Automation System)被認(rèn)為是全自動(dòng)無(wú)人駕駛場(chǎng)景下滿足運(yùn)營(yíng)需求的優(yōu)選方案。該系統(tǒng)融合了ISCS、ATS系統(tǒng)、車輛調(diào)度子系統(tǒng)、乘客調(diào)度子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了各個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動(dòng)作和更為便利的數(shù)據(jù)交互,使系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性顯著提高,直接服務(wù)于運(yùn)營(yíng),并能提供更豐富有效、以行車運(yùn)營(yíng)為核心的聯(lián)動(dòng)功能,真正實(shí)現(xiàn)了圍繞行車指揮綜合自動(dòng)化的建設(shè)目標(biāo)[3]。
目前,TIAS有多種實(shí)現(xiàn)方案,本文根據(jù)ATS系統(tǒng)和ISCS的特性,以ISCS為基礎(chǔ),充分融入ATS系統(tǒng)的功能,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了TIAS的集成方案。
傳統(tǒng)的ISCS與ATS系統(tǒng)是采用分立式的接口通信方式,保持系統(tǒng)的獨(dú)立性,以及既有接口的不變性。ISCS和ATS系統(tǒng)分別獨(dú)自實(shí)現(xiàn)各自功能,對(duì)于全自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)功能,則共同或者相互配合實(shí)現(xiàn)[4]。
ISCS和ATS系統(tǒng)的分立式模式如圖1所示。
圖1 ISCS和ATS系統(tǒng)的分立式模式
ISCS與ATS系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)不同的調(diào)度角色,ISCS系統(tǒng)負(fù)責(zé)電調(diào)、環(huán)調(diào)、乘客調(diào)、行車輔助/車輛調(diào),ATS系統(tǒng)負(fù)責(zé)行調(diào)和車輛調(diào)。ISCS與ATS系統(tǒng)通過(guò)接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互,圖中箭頭①為ISCS提供給ATS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息,包含:全線變電所供電設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、全線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及火警探測(cè)信號(hào)、全線車站(含區(qū)間)風(fēng)水電重要設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、車站及區(qū)間緊急狀態(tài)告警信息,以及其他聯(lián)動(dòng)功能所需信息。圖中箭頭②為ATS系統(tǒng)提供給ISCS的數(shù)據(jù)信息,包含:全線信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、全線列車位置及列車阻塞信息、軌道占用信息、列車類型、車組號(hào)信息、車次號(hào)信息、列車到/離站臺(tái)時(shí)間,以及其他聯(lián)動(dòng)功能所需信息。
ISCS和ATS系統(tǒng)之間這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方式保證了系統(tǒng)獨(dú)立性,各自核心業(yè)務(wù)獨(dú)立自主處理,實(shí)施責(zé)任范圍清晰,使ISCS與ATS系統(tǒng)可分別調(diào)試,各系統(tǒng)的責(zé)任范圍相對(duì)清晰。但是,這種數(shù)據(jù)交互方式接口信息繁多,幾乎涵蓋了所有的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。當(dāng)覆蓋的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景越完善時(shí),系統(tǒng)接口需要交互的信息量越大,同時(shí)也使功能的實(shí)現(xiàn)變得分散,出現(xiàn)重復(fù)的情況。
TIAS是以軌道交通行車指揮為核心的綜合自動(dòng)化系統(tǒng),融合了地鐵運(yùn)營(yíng)的兩大核心專業(yè):ATS系統(tǒng)和電力監(jiān)控(PSCADA,Power Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng),并對(duì)其他輔助系統(tǒng)以集成或互聯(lián)的方式實(shí)行監(jiān)控[5]。
TIAS提供了一個(gè)高效的、面向全專業(yè)的綜合調(diào)度功能,可以及時(shí)地為調(diào)度人員提供多專業(yè)、全面的行車信息及設(shè)備信息,提高系統(tǒng)之間快速聯(lián)動(dòng)和反應(yīng)速度,解決各專業(yè)間的信息孤島問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)全專業(yè)信息共享與聯(lián)動(dòng),提高運(yùn)營(yíng)組織效率。同時(shí),TIAS也提供了一個(gè)統(tǒng)一的維護(hù)功能,具有各專業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備管理功能,提高整體維護(hù)效率,降低人員成本及設(shè)備維護(hù)成本,為軌道交通安全和高效運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐[6]。TIAS架構(gòu)如圖2所示。
圖2 TIAS架構(gòu)
(1)實(shí)時(shí)性及安全性:需滿足ATS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及安全性要求,滿足ATS系統(tǒng)與ISCS聯(lián)動(dòng)功能的實(shí)時(shí)性及安全性要求。
(2)數(shù)據(jù)容量大:滿足ATS系統(tǒng)與ISCS的數(shù)據(jù)大容量要求。
(3)擴(kuò)展性高:分專業(yè)開(kāi)通時(shí),滯后開(kāi)通的系統(tǒng)對(duì)已開(kāi)通的系統(tǒng)無(wú)影響,線路分期開(kāi)通時(shí),后期接入的部分只涉及相關(guān)子系統(tǒng)的銜接操作。
(4)可靠性高:各子系統(tǒng)按既有業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行冗余切換,實(shí)時(shí)服務(wù)器可分專業(yè)進(jìn)行冗余切換。
TIAS在繼承ISCS原有功能的基礎(chǔ)上,將ATS系統(tǒng)的全部功能融合進(jìn)來(lái),如線路靜態(tài)信息監(jiān)視、線路信號(hào)設(shè)備監(jiān)視、列車運(yùn)行監(jiān)控、基本計(jì)劃、時(shí)刻表管理、在線計(jì)劃管理和車站ATS系統(tǒng)本地控制。
為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的無(wú)人駕駛功能,TIAS集成了車輛調(diào)度子系統(tǒng)和乘客調(diào)度子系統(tǒng),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)行車、設(shè)備、乘客和環(huán)境的綜合智能化管理與控制,更好地支撐全自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí),TIAS通過(guò)聯(lián)動(dòng)模塊,將所有專業(yè)關(guān)聯(lián)起來(lái),提高全自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景的反應(yīng)速度[7]。
TIAS采集數(shù)據(jù)流如圖3所示。
圖3 TIAS采集數(shù)據(jù)流
TIAS對(duì)各專業(yè)采用分開(kāi)采集的方式,并獨(dú)立運(yùn)行各自的處理服務(wù)。同時(shí),各專業(yè)數(shù)據(jù)由相應(yīng)服務(wù)器來(lái)處理,彼此之間互不影響,這種方式能夠避免因維護(hù)某一專業(yè)數(shù)據(jù)而影響其他專業(yè)信息的問(wèn)題。TIAS各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)有序集成,這些數(shù)據(jù)在不相互影響時(shí)可共享。
TIAS的數(shù)據(jù)庫(kù)采用共用方式,無(wú)論是搭建Oracle,還是MySQL,都是服務(wù)器設(shè)備共用、專業(yè)數(shù)據(jù)分開(kāi)。本文以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫(kù)的部署為例,配置TIAS數(shù)據(jù)庫(kù),如圖4所示。
圖4 TIAS數(shù)據(jù)庫(kù)配置
TIAS采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù),在歷史服務(wù)器上創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例,ATS系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表空間,PSCADA和環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS,Building Automation System)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表空間,兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表空間之間互不影響。PSCADA和BAS同庫(kù)不同表,即在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表空間下,但是采用不同的遙信/遙測(cè)表;不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)也互不影響。
(1)不同數(shù)據(jù)表空間互不影響
列車監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)服務(wù)器處理加載列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表空間中的專業(yè)數(shù)據(jù),不會(huì)影響電力監(jiān)控實(shí)時(shí)服務(wù)器及其他實(shí)時(shí)服務(wù)器加載處理另一數(shù)據(jù)庫(kù)表空間的電力、機(jī)電等專業(yè)數(shù)據(jù)。
電力監(jiān)控實(shí)時(shí)服務(wù)器及其他專業(yè)實(shí)時(shí)服務(wù)器加載處理本數(shù)據(jù)庫(kù)表空間中的相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù),不會(huì)影響列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)服務(wù)器處理加載列車監(jiān)控專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)表空間的專業(yè)數(shù)據(jù)。
(2)同數(shù)據(jù)表空間不同數(shù)據(jù)表互不影響
電力監(jiān)控實(shí)時(shí)服務(wù)器加載處理電力監(jiān)控專業(yè)參數(shù)表的數(shù)據(jù),其他實(shí)時(shí)服務(wù)器加載處理如BAS、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(FAS,F(xiàn)ire Alarm System)、廣播(PA,Public Address)系統(tǒng)、閉路電視(CCTV,Closed Circuit Television)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)(PIS,Passenger Information System)、站臺(tái)安全門(PSD,Platform Safe Door)系統(tǒng)、進(jìn)入控制系統(tǒng)(ACS,Access Control System)(又稱門禁系統(tǒng))、自動(dòng)售檢票(AFC,Automatic Fare Collection)系統(tǒng)等專業(yè)參數(shù)表的數(shù)據(jù),這兩組服務(wù)器之間分別處理的參數(shù)表不同,更新升級(jí)變更時(shí)互不影響。
TIAS軟件平臺(tái)以綜合監(jiān)控軟件框架為基礎(chǔ),采用相同的計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言及界面框架,將ATS系統(tǒng)的終端功能全部重構(gòu)到TIAS的人機(jī)界面終端。后臺(tái)數(shù)據(jù)通信采用統(tǒng)一的通信中間件,將各專業(yè)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,信息共享,完成平臺(tái)的功能整合,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的用戶監(jiān)視、操作和維護(hù)功能。
TIAS軟件平臺(tái)的架構(gòu)如圖5所示。
圖5 TIAS軟件平臺(tái)架構(gòu)
3.2.1基礎(chǔ)服務(wù)層
基礎(chǔ)服務(wù)層為系統(tǒng)提供支撐平臺(tái),是系統(tǒng)跨平臺(tái)和分布式運(yùn)行的核心。
虛擬操作系統(tǒng)(VOS,Virtual Operating System):為整個(gè)系統(tǒng)提供不同的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)下的適應(yīng),屏蔽了不同硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)下的差異,為上層應(yīng)用提供了一致的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。
分布式運(yùn)行環(huán)境(DRE,Distributed Running Environment):提供網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)程管理、冗余管理、分布運(yùn)行等方面的支持。
關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(RDBMS,Relational Database Management System):支 持 常 用 數(shù) 據(jù) 庫(kù),提供數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。
虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)(VDB,Virtual Database):為整個(gè)系統(tǒng)提供整合后的數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一接口。VDB整合商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和訪問(wèn)接口,屏蔽不同商用數(shù)據(jù)庫(kù)的差異,為上層應(yīng)用提供一致的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。
3.2.2接口平臺(tái)層
接口平臺(tái)層為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來(lái)源,是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。
根據(jù)專業(yè)物理接口位置的不同,分為中心接口和車站接口。
車站接口的ISCS和ATS系統(tǒng)仍采用獨(dú)立設(shè)置,保留原各自系統(tǒng)對(duì)外接口。ISCS前置機(jī)負(fù)責(zé)PSCSDA系統(tǒng)接口、BAS接口、FAS接口、PSD系統(tǒng)接口、CCTV系統(tǒng)接口、PA系統(tǒng)接口、AFC系統(tǒng)接口的數(shù)據(jù)采集及通信。ATS系統(tǒng)的信號(hào)專用前置機(jī)負(fù)責(zé)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口、區(qū)域控制器(ZC,Zone Controler)接口、列車發(fā)車計(jì)時(shí)器(TDT,Train Departure Timer)接口、車輛系統(tǒng)接口、車載控制器(VOBC,Vehicle on board controller)接口、PSD系統(tǒng)接口(ATS系統(tǒng)專用)的數(shù)據(jù)采集及通信。
中心接口由TIAS完成整合,如圖5中紅框標(biāo)記,主要涉及系統(tǒng)接口為乘客信息、廣播、無(wú)線列調(diào)、軌道交通指揮中心(TCC,Traffic Control Center)接口方案,同時(shí)新增綜合承載(實(shí)現(xiàn)車載PIS、CCTV、PA、緊急呼叫等功能)、中心ZC(雨雪模式、全線限速)等接口。
3.2.3數(shù)據(jù)處理平臺(tái)層
數(shù)據(jù)處理平臺(tái)層為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力及數(shù)據(jù)處理能力,是系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)支撐。
數(shù)據(jù)處理平臺(tái)層可分為兩大類:平臺(tái)共用服務(wù)部分、ISCS和ATS系統(tǒng)專用模塊。平臺(tái)共用服務(wù)部分主要為系統(tǒng)平臺(tái)支撐進(jìn)程,涉及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)服務(wù)、報(bào)警服務(wù)、事件服務(wù)、圖形對(duì)象驅(qū)動(dòng)、權(quán)限管理、對(duì)時(shí)服務(wù)、用戶管理、虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)。TIAS對(duì)ATS系統(tǒng)提供公共接口,允許ATS系統(tǒng)調(diào)用TIAS的公共接口,實(shí)現(xiàn)TIAS平臺(tái)底層的融合。由于有了底層平臺(tái)融合,TIAS可以更便捷的訪問(wèn)ISCS及ATS系統(tǒng)的功能,減少了一層網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程,可以更快速的應(yīng)對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景。
ISAS和ATS系統(tǒng)專用模塊分別針對(duì)各自的接口專業(yè)功能,與傳統(tǒng)模式?jīng)]有區(qū)別,但是在中間插件部分有個(gè)進(jìn)一步的升級(jí)。通信中間件采用ISCS的RPC通信方式,RPC提供了一套服務(wù)器對(duì)象開(kāi)發(fā)支持和客戶端遠(yuǎn)程對(duì)象調(diào)用支持,TIAS根據(jù)功能需求可以更快速的交互數(shù)據(jù)信息。聯(lián)動(dòng)模塊主要為全自動(dòng)運(yùn)行提供服務(wù)支持,TIAS通過(guò)此模塊將各專業(yè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來(lái),針對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行下的場(chǎng)景做出最快速的反應(yīng)。車輛信息轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要為車輛調(diào)監(jiān)控功能提供支持。
3.2.4應(yīng)用表現(xiàn)層
應(yīng)用表現(xiàn)層是系統(tǒng)直接展示給用戶的最上層,直接為用戶提供操作服務(wù)。TIAS采用統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)環(huán)境及加載中間件,將ISCS與ATS系統(tǒng)的人機(jī)界面融合,實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度、環(huán)境調(diào)度、乘客調(diào)度、維修調(diào)度、車輛調(diào)度、行車調(diào)度等所有功能界面的統(tǒng)一操作。
TIAS網(wǎng)絡(luò)由3部分組成:中心局域網(wǎng)、主干網(wǎng)和車站局域網(wǎng),即由ISCS與ATS系統(tǒng)共同組網(wǎng)。
集成具有以下優(yōu)勢(shì)。
(1)數(shù)據(jù)獨(dú)立:各專業(yè)參數(shù)分離存儲(chǔ),互不影響,可單獨(dú)導(dǎo)入導(dǎo)出。
(2)采集獨(dú)立:各專業(yè)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)分離管理,可部署在不同的采集節(jié)點(diǎn)上,互不影響,可單獨(dú)配置。
(3)處理模塊獨(dú)立:各專業(yè)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)分離管理,可部署在不同的處理節(jié)點(diǎn)上,互不影響,可單獨(dú)配置。
(4)專業(yè)應(yīng)用圖形獨(dú)立:各專業(yè)的應(yīng)用圖形單獨(dú)形成工程資料包,獨(dú)立進(jìn)行版本控制,互不影響,可單獨(dú)修改更新。
(5)開(kāi)發(fā)模塊相對(duì)獨(dú)立:ATS系統(tǒng)與ISCS各自開(kāi)發(fā)既有模塊,互不影響。
(6)工程實(shí)施階段軟件部署、維護(hù)和管理都具有較高的靈活度。
(7)系統(tǒng)負(fù)荷較為均衡,用戶響應(yīng)及時(shí)性增強(qiáng)。
以全自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景中的站臺(tái)火災(zāi)場(chǎng)景為例,TIAS對(duì)比原有模式在響應(yīng)速度上有了很大的提升。本文以火災(zāi)場(chǎng)景為例,分析原有模式和現(xiàn)有模式的區(qū)別。
原有模式:站臺(tái)火災(zāi)信息由FAS發(fā)送給ISCS(T1),經(jīng)由ISCS處理后,執(zhí)行響應(yīng)操作(T2),同時(shí)在由ISCS發(fā)送給ATS系統(tǒng)(T3),ATS系統(tǒng)處理后,在執(zhí)行列車調(diào)整操作(T4)。此過(guò)程示意如圖6所示。
圖6 傳統(tǒng)站臺(tái)火災(zāi)場(chǎng)景
TIAS模式:站臺(tái)火災(zāi)信息由FAS發(fā)送給TIAS(T1),經(jīng)由TIAS處理后,執(zhí)行響應(yīng)操作(T2),同時(shí)執(zhí)行列車調(diào)整操作(T4)。此過(guò)程如圖7所示。
圖7 TIAS站臺(tái)火災(zāi)場(chǎng)景
本文對(duì)比傳統(tǒng)全自動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式,介紹了行車指揮綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的集成方案、軟件架構(gòu)、集成技術(shù),以及方案實(shí)施的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。
全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)具有更安全、更高效、更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)、更高服務(wù)水平的突出優(yōu)點(diǎn),已成為城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向,針對(duì)其規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)的特點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)效率及安全性的提升,多專業(yè)融合的TIAS的推廣必不可少[8]。TIAS將作為連接各個(gè)專業(yè)間的橋梁,協(xié)調(diào)處理各個(gè)專業(yè)間的需求,更好地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展,確保信息的快速傳輸。