城市轨道交通信号系统冗余设计及备用控制中心配置方案

徐 峰

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司,200235,上海∥工程师)

在城市轨道交通CBTC(基于通信的列车控制)系统中,在线路控制中心设置的ATS(列车自动监控)子系统承担着运行监控、调度指挥、外部通信等重要功能,一旦出现故障,将对正常行车秩序造成极大影响。因此,ATS的SRS(中央服务器)通常为双套配置,其热备冗余设计是系统可用性和可靠性的实现方式和重要保证。当前,部分城市为了进一步提高ATS系统设备可靠性和冗余性,会在车辆段部署备用控制中心,额外配置单套的ATS系统中央服务器,共同构成ATS系统中央服务器的三重冗余。三套服务器都通过DCS(数据通信系统)网络互联,同时接收其他ATC(列车自动控制)子系统信息和外部接口系统信息,并将接收到的信息下发给所有与骨干网连接的ATS系统工作站进行显示。

日常运营中,一般将OCC(运营控制中心)中的ATS系统设备作为主用,中央调度员对其有控制权。BOCC(备用控制中心)中的ATS系统设备的作用与OCC中的没有差异,同样具备监控功能。当OCC中的双套ATS系统服务器都处于故障状态时,BOCC中的ATS系统服务器将自动无扰接管;中央调度员仍可以继续指挥调度线路上所有运营列车。如果有需要,通过控制权限移交,BOCC的调度员可以控制线路上的列车。本文主要介绍备用控制中心的配置方案及方案设计理念。

1 备用控制中心功能定位

备用控制中心作为主控制中心的备份,其在网络结构、系统冗余以及安全等级方面的要求与主控制中心相同。BOCC的主要功能定位是,当出现自然灾害或其他突发事件导致主控制中心完全丧失功能或与外部通信终断的极端情况下,接管线路的行车指挥权,继续组织全线路运营以避免造成影响。因此,BOCC的系统设备要实时保持热备状态,并具有OCC的系统设备的监督和控制功能。另外,BOCC与OCC通常设置于不同的物理位置,以避免诸如自然灾害、大面积断电等意外事件影响两个控制中心的工作。

2 ATS子系统设计

当线路设置有BOCC时,在进行ATS系统设计时需综合考虑冗余结构、主备切换过程以及主备同时故障时降级车站控制方案等,需同时满足OCC和BOCC不同功能定位产生的功能需求。

2.1 冗余结构

设计冗余的目的是使ATS系统正常运行不受如单台SRS宕机等局部故障影响,同时可以实现在线维护,使故障设备能够及时恢复。

对于配置主用和备用控制中心的线路,在其OCC部署双套冗余服务器;在其BOCC部署单套服务器,并分别在主用和备用控制中心部署其各自的数据记录器和调度工作站(即客户端);主用和备用控制中心的3套ATS系统中央服务器形成热备冗余结构,在硬件设备冗余的基础上,为充分考虑接口的冗余性,均采用交叉互联的通信接口方式。此外,对于BOCC的ATS系统服务器,除一部分外部接口未设置外,其余设备设置均与OCC的保持一致,可以完整实现OCC的基本功能,形成冗余架构。

通过心跳来判断3套ATS系统服务器主用和备用状态,备用控制中心服务器作为远程冗余服务器,使用较长的心跳超时(2 s)。3套ATS系统服务器优先级从高到低为SRS1、 SRS2和SRS3。正常运行时,全线路的工作站,都与ATS系统服务器相连。当OCC的SRS1或SRS2中至少有一台为可用时,BOCC的SRS3不会被激活;只有当SRS1和SRS2都不可用时,SRS3才会被激活;当SRS1和SRS2都不可用时,可用的SRS3会自动被激活;如果之后SRS1或SRS2恢复可用,不会自动从SRS3切换至SRS1或SRS2,此时需要通过人工切换才能恢复至控制中心服务器处于激活状态。无论是OCC还是BOCC的服务器被激活,OCC和BOCC以及车站的工作站均与被激活的ATS系统服务器相连。ATS子系统的冗余架构如图1所示。

图1 ATS系统冗余架构

2.2 主备切换过程

OCC正常运行时,SRS1(或SRS2)处于激活状态,BOCC的SRS3处于备用状态,如图2所示。当BOCC的ATS系统服务器检测到OCC的ATS系统服务器、三层交换机、保密器件或ATS系统骨干网交换机节点出现双重故障时,ATS系统将从 OCC 的服务器切换到BOCC的服务器,SRS3被激活,由BOCC的ATS系统服务器接管全部列车并与轨旁相关控制单元建立通信,如图3所示。

图2 OCC中ATS系统正常运行时设备状态

图3 BOCC中ATS系统运行时设备状态

BOCC中的ATS系统服务器将根据列车的作业任务自动办理进路、发出指令,如临时限速、开放/关闭轨道、设置/取消进路、引导、操作道岔等。ATS系统在从OCC的服务器切换到BOCC的服务器过程中,在区间以ATO(列车自动运行)模式或ATPM(ATP防护下的人工驾驶)模式运行的列车均继续行驶到前方车站停车,直到BOCC的ATS系统服务器申请到新的进路。切换过程中,列车正常运行不受影响。ATS系统从 OCC的服务器切换到BOCC的服务器情况同样遵循上述过程。

2.3 主备同时故障

在极端情况下,若OCC和BOCC的ATS系统服务器全部故障,车站ATS系统服务器将被激活。车站ATS系统操作员使用具有车站ATS系统服务器配置功能的工作站控制本站所辖区域。车站ATS系统服务器将根据列车的作业任务自动办理进路、发出指令。在切换至车站ATS系统服务器的过程中,在区间运行的列车可按照已有的进路授权继续行驶到前方车站停车,然后将由车站ATS系统服务器申请新的进路。主备控制中心同时故障时ATS系统连接状态如图4所示。

图4 主备控制中心同时故障时ATS系统设备状态

3 信号系统内部接口设计方案

3.1 与DCS子系统接口

DCS系统网络支持OCC和BOCC的网络连接。OCC和BOCC的ATS系统所有冗余设备应配置不同的IP(网级互联协议)地址,支持ATS系统的三重冗余,以及与各子系统之间的通信。DCS系统需在OCC和BOCC分别部署LTE(长期演进)核心网和两个安全保密设备。ATS系统外部接口防火墙将连接 ATS系统骨干网络,用于ATS系统外部接口与3套ATS系统服务器的通信。

为实现OCC的工作站和BOCC的工作站可以连接任一激活的OCC或BOCC的ATS服务器,并确保OCC和BOCC的ATS系统服务器之间的可靠连接和无扰切换,降低通信延时和提高稳定性,需要将OCC和BOCC的内部局域网进行互联,增加上下行光纤芯数各4芯(使用2芯,备用2芯)。

3.2 与ATC子系统接口

ATC系统包括设置于轨旁的ZC(区域控制器)和设置于车上的VOBC(车载控制器)。为适应ATS系统服务器三重冗余的设计,在原有SRS1、SRS2设置端口20001和20002的基础上,对于新设置的BOCC的ATS系统服务器SRS3需添加端口20003,ZC和VOBC设备分别增加与BOCC的通信连接。

对轨旁ZC进行通信协议的修改,使之可以与OCC和BOCC的3套ATS系统服务器进行通信。同样,将车载VOBC通信协议修改为可以与OCC和BOCC的ATS系统服务器进行通信的协议。在车载SDR(保密器件)的中转发端口配置中增加备用控制中心服务器。ATC子系统与ATS系统网络连接如图5所示。

4 信号系统外部接口设计方案

信号系统通过ATS子系统提供的接口与外部系统连接,包括CLK、PSD(站台门系统)、DLP(大屏系统)、Radio、PA(广播系统)、PIS(乘客信息系统)和ISCS(综合监控系统)。为适应主备控制中心的不同功能需求,需对原仅考虑单一设置于OCC的ATS系统的外部接口设计进行适配性调整。CLK同时与OCC和BOCC 的ATS服务器连接,进行授时。每个车站的PSD 同时与OCC/BOCC的ATS服务器连接,只有主ATS服务器会向PSD发送命令。DLP 仅在控制中心配置,只与本地的DLP接口服务器相连,获取大屏显示信息。

控制中心和备用控制中心的Radio、PA、PIS和ISCS为多冗余热备配置,可无缝切换。正常时每个子系统只有一台服务器为主机,与ATS系统主机进行通信。ISCS 仅部署在 OCC 中,冗余 ISCS 服务器与3套 ATS 系统的服务器连接。

考虑灾备情况下的时钟同步,时钟系统在OCC和BOCC都提供主时钟,信号系统分别与OCC和BOCC的主时钟系统接口,实现主时钟时间同步。

5 BOCC信号系统配置方案对比分析

方案一:BOCC的信号系统机房内的服务器、交换机等设备均处于冷备状态,平时不开启,处于关闭状态。该方案优点为:设备处于关闭状态可以节省能耗,在BOCC不需要配置很多信号系统维护和值守人员,只需要安排全天候值守人员进行应急处置即可,相应地也节省了人力成本。该方案缺点为:一旦需要启用备控信号系统,值守人员需要到机房开启设备,手动操作切换服务器和交换机到主用,比较耗费时间,容易造成较大的时间晚点。

方案二:BOCC的信号系统机房内的服务器、交换机等设备均处于开启的热备状态,但主用控制中心的系统一旦故障需切换至备用系统时需要人为手动操作。该方案优点为:备用控制中心的信号设备一直处于热备状态,不用再进行人工开启设备,节省了一定的时间。该方案缺点为:设备能耗较高,且需要维护人员每天进行巡检检查,提高了维护成本。

方案三:BOCC的信号系统机房内的服务器、交换机等设备均处于开启的热备状态,但主备服务器是自动切换的,出现双点故障后系统自动切换到BOCC服务器。该方案的优点为:对于运营的影响是最小的,基本不会有晚点情况发生。该方案缺点为:设备能耗较高,且需配置全天候值守人员进行日常巡检和基本的维护作业。

方案选择的关键因素为:主备控制中心的切换必须无缝连接,不能对运营造成影响;BOCC设备规格和OCC的保持一致,非重要外部接口设备可以删减;BOCC设置在有人值守的站点或段场,减少人力成本和建设成本。考虑到实际情况和综合因素,杭州地铁16号线和上海轨道交通14号线的备用控制中心均采用了方案三的配置。

6 结语

城市轨道交通发展已进入网络化时期,备用控制中心信号系统设备配置的必要性和合理性也在逐步加重。本文分析了信号系统备用控制中心配置方案和设计理念,并阐述了冗余切换对运营场景影响。杭州地铁16号线和上海轨道交通14号线的备用控制中心采用方案三的配置方案,在大幅提升信号系统的可靠性、冗余性,以及提高信号系统抗灾害能力的同时,可降低运营成本。