城市轨道交通列车运行控制系统发展方向探讨

宿秀元

近年来，城市轨道交通的发展日新月异，CBTC 系统作为目前城市轨道交通的主流信号系统得到了广泛的认可和应用。随着对CBTC 系统认识的逐步深入，既有CBTC 系统本身存在结构复杂、外围接口多、信息互通性低、系统可扩展性差的缺陷和不足也越来越明显［1］。为此，本文将对城轨信号系统新的技术发展趋势做详细的探讨，并在此基础上，提出了一种基于云技术的城轨列车运行控制系统——云信号系统。

1 既有CBTC 系统

1.1 既有CBTC 系统结构

既有CBTC 系统设备的具体结构见图1。地铁调度中心设置中心ATS，用于调度、管理整条线路的列车运营；每个设备集中区设置信号设备室，配置本集中区的联锁设备、ZC（区域控制中心）设备、ATS 分机设备，以及计轴设备、接口柜和组合架等，共同实现单一设备集中站的设备控制和运营管理；车载设备通过车地无线通信方式与轨旁设备进行信息交互，实现列车安全运行；轨旁设置信号机、道岔、应答器、屏蔽门、紧急关闭等信号设备，通过继电器接口、数据接口与室内相关采驱设备相连，发送轨旁设备状态，执行来自设备室的控制命令。

1.2 既有CBTC 系统的局限性

1）系统结构过于复杂和精细。既有CBTC 技术将车辆、轨旁、车站、控制中心等不同层级的多个子系统整合成一个统一的整体，各个子系统彼此之间的依赖非常严重，各种通信协议的数据接口也极为复杂［2］。

2）通信量大。如联锁、ZC 设备虽然都设置在信号设备室，但却是各自独立的系统，因联锁与ZC 之间的通信接口导致系统间通信延时加大，限制系统性能的提高。

图1 既有CBTC 系统结构

3）外围设备接口多样，信息传输环节多。以联锁为例，联锁子系统外围接口包括：①与道岔、区段、信号机、紧急关闭、站台门、防淹门等轨旁设备通过继电接口连接；②与ZC、相邻联锁采用以太网接口进行信息交互；③与车载ATP 通过无线网络接口进行信息交互；④与LEU 采用RS-422串行接口进行信息交互。

4） 信息孤立。为了系统的运营安全，既有CBTC 系统将自身打造为一个不容易受外界干扰的封闭系统，信息孤岛现象极为严重，大量的工业数据只能在自身系统内使用，而无法与其他系统共享。同时，每个产品都有各自的监测系统，多套监测系统造成设备多而杂，占用空间资源。

5） 系统的扩展能力有限。既有系统在线路确定后，自然就确定了系统的容量和性能；如果站型扩大，既有设备的性能和容量很难满足要求，系统也很难进行性能的提升。

2 城轨交通列控系统发展趋势

2.1 轨旁控制电子化

既有轨旁设备，例如信号机、道岔、区段、防淹门、车库门、洗车机、SPKS 等，采用继电接口，需要在信号室设置继电器组合架、接口架等进行柜内及柜间的组合配线，现场配线量大、出错概率高、实施难度大；安装继电器接口架等设备占用信号室大量面积，增加了工程的投资成本；同时，维护人员需要定期检查继电器工作状态，分析出现问题的过程也很繁杂，对人员能力要求较高。

随着全电子执行单元的成熟，且越来越被用户所接受，笨重繁杂的继电接口电路逐渐被取代，不仅减少了大量的继电器及组合柜，节约成本而且减少维护量。全电子执行单元包括交/直流信号机模块、交/直流道岔模块、轨道电路模块、道口控制模块、通用输入和输出模块等，每个全电子模块具备专门的监测信息，可发送给联锁监测设备，向维护人员提供设备状态信息及设备维护建议［3-5］。同时，在采用全电子执行单元的前提下，可实现设计标准化、调试工厂化、现场插接化的工程化要求。

2.2 地面控制一体化

地面控制一体化（联锁与ZC 合并设置）的系统结构如图2 所示，它给整个系统带来了以下变化。

1）系统延时优化。联锁与ZC 一体化设置后，区段状态、列车位置信息可在一个设备中同时接收处理，减少了联锁向ZC 发送区段占用状态，ZC 向联锁发送列车位置信息所容忍的通信延时时间，双方向延时至少缩短3s，可以明显提高系统的反应速度，增强系统的可用性。在其他设备性能不变更的前提下，仅延时减少就可以适应列车最高速度达到200 km/h 以上的控制要求。

图2 地面控制一体化系统结构

2）系统内部接口减少，网络结构简单化，系统稳定性增强。联锁、ZC 一体化设置后，车载设备对地面的无线通信接口减少50%，无重复信息，结构更紧凑；ATS 与地面设备的接口融合，减少信息冗余，系统变为地面设备、车载设备、中心设备，信息流更顺畅，结构更简单，系统更稳定。

3）降低建设、维护成本。联锁、ZC 一体化设置后，地面设备减少50%，监测设备减少50%，维护人员的工作量减少、劳动强度降低；机柜数量减少，信号室占用面积减少，使信号系统的建设成本大幅度降低。

2.3 安全平台通用化

信号系统的硬件平台，尤其是安全系统平台多是嵌入式的安全计算机系统，属于信号专有的安全计算机平台，每个子系统对平台功能和性能的要求各具特色，从而形成安全平台的多样化（联锁、ZC、车载使用不同的安全硬件平台）。这就造成了设备的差异性维护要求，增加了设备的维护难度，不利于统一、规范化的管理［6-7］。

随着通用性计算机的发展，其设备稳定性有了大幅度的提高。针对信号系统的要求，满足工业化要求的计算机硬件设备，已经在安全控制系统中有了成熟应用（例如庞巴迪的RBC 系统、美国USS的联锁系统就是用服务器搭建的）。基于此，提出构建基于通用性计算机的信号硬件平台，使满足SIL4 级要求的信号系统运行在通用性计算机上，方便后续设备维护工作的开展。通用性计算机的互换性高、可扩展性强。当元器件停产情况发生时，可以快速找到替换产品，支撑产品能够长期获得维护和升级的硬件需求；同时方便满足后续线路延长或设备增多对平台性能提升的要求。

当然，通用性计算机若要达到信号系统SIL4级要求，需要攻克以下技术难点：①所搭建的信号硬件平台，需实现二乘二取二安全软件架构的开发［8］；②可实现安全实时操作系统的功能移植。

2.4 通信接口网络化

1）与轨旁信号设备的接口，由原来的继电接口变为全电子执行单元的以太网接口。

2）与LEU 的通信，由RS-422 串行通信变为采用标准RSSP-I 协议的以太网通信。

3）与计轴设备的接口，由原来的继电接口变为采用标准RSSP-I 协议的以太网接口。

4）各个子系统之间，子系统与监测设备之间采用满足安全协议标准要求的以太网通信。

2.5 维护监测集中化

1）既有监测包括联锁监测、ZC 监测、车载监测、ATS 监测、信号集中监测等，均纳入统一的维护监测平台。

2）维护监测平台实现轨旁设备性能监测、信号设备运行状态监督、维护诊断信息统计，并与大数据、智能诊断平台具备接口功能。

轨旁控制电子化、地面控制一体化、安全平台通用化、通信接口网络化、维护监测集中化等，城轨列控系统的这些发展趋势，与云计算的技术特点有很高的切合度，用云技术实现城轨列控系统——云信号系统，成为未来城轨信号系统一种可行的选择。

3 云信号系统

3.1 云信号系统结构

云信号系统是对信号设备元件的充分数字化，并利用现代信息技术和通信技术，实现控制系统的高度集成，简化设备部署和现场施工维护等工作。强大的云计算和通信能力，将赋能轨旁控制单元的数字化、智能化，实现云端应用对末端单元的直接控制，而原来分布在车站层面的设备都可以通过上行到云端或下行到轨旁末端而省减，在大大节省信号系统土建投资、施工、人力、物力的同时，还将提升整个系统的数字化、智能化运维水平［9-10］。云信号系统结构见图3。

图3 云信号系统结构

3.2 云信号系统技术特点

1）安全云处理与隔离：①安全云处理来自轨旁设备、车辆接口、测速测距的相关信息，在云平台进行逻辑运算，并将运算结果输出给外围设备接口，从而对设备进行控制；②安全云与调度指挥、运营维护、设备诊断功能所在的云进行物理隔离，保证安全云的平台隔离；③与维护监测系统进行单向通信，用于维护监测数据的存储与显示；④与调度指挥系统云进行双向通信，两云之间做网络安全隔离。

2）介质绑定、资源独享：①对于安全云，在云平台设置时便与硬件平台绑定，保证安全云服务器硬件独立于其他云的硬件载体；②绑定的硬件平台由安全云上的安全应用系统独享所有资源，保证运算过程的独立性。

3）云平台安全冗余控制技术：①在云平台实现二乘二取二的安全冗余结构；②实现实时安全操作系统的移植。

3.3 云信号系统实现方案

根据管辖范围、设备布置位置等，云信号系统的部署可以分为分布式和集中式2 种。

3.3.1 分布式云信号系统

分布式云信号系统按照集中站区域部署，每个集中站配置边缘云平台，用于控制集中区的所有轨旁设备。轨旁全电子执行单元通过以太网与集中区的边缘云平台进行信息交互；同时，边缘云平台通过网络与云机房内设备接口。

分布式云信号系统与既有信号设备的配置类似，便于既有运营维护的承接；同时，地面信号系统安全平台统一，减少了设备维护的工作量；云平台的硬件可以扩展，便于系统扩容。其缺点是，信号室仍然保留地面边缘云平台设备。分布式部署方式见图4。

3.3.2 集中式云信号系统

集中式云信号系统部署方式如图5 所示，地面列控设备仅在线路控制中心设置中心云平台，用于整条地铁线路的列车安全运行的逻辑运算，整条线路的调度指挥，监测线路的地面轨旁设备。设备集中区仅保留全电子单元和集中区ATS 分机设备。全电子执行单元用于控制轨旁设备，接收来自云平台的控制命令，并将地面设备状态及监测信息发送给云平台。

中心云平台与设备集中区的全电子执行单元通过无线网络连接。

4 结语

综上所述，城市轨道交通列车运行控制系统作为城市轨道交通的核心安全系统，正朝着轨旁设备离散化、逻辑运算集中化、中心设备云端化、客户服务定制化的方向发展。未来云信号系统必将具有更广泛的应用前景，必将对城市轨道交通的建设管理、调度指挥、运营维护等整个产业链产生积极的影响。

图4 分布式部署方式

图5 集中式部署方式