基于云计算的现代有轨电车行车指挥综合自动化系统研究

李 弘

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

伴随着国内城市化进程的推进，城市轨道交通规模呈现出稳步增长的趋势。现代有轨电车属于中、低运量城市轨道交通方式，具备节能环保、安全快捷的优势，与地铁相比建设投资小、建设周期短，适合作为城市地铁交通主干网的延展和补充，对于提升整个城市轨道交通的覆盖范围和运营效率有重要的意义。因此，现代有轨电车逐渐迎来了广阔的市场前景。

现代有轨电车运营管理涉及的专业多达数十个，这些专业最初采用分立建设的方案，各自独立成系统，彼此间通过各种接口进行数据交换。伴随现代有轨电车运营经验的不断累积及自动化技术水平的快速发展，运营单位对各专业系统信息融合、集中控制、综合管理的需求日益强烈，有轨电车行车指挥综合自动化系统成为了必然的发展趋势。该系统能够通过集成或互联的方式将各专业系统整合，实现以行车为核心的综合运营平台。

云计算技术在互联网领域的应用日趋成熟，近年来已逐渐推广至城市轨道交通运营管理领域，云计算技术的应用为有轨电车行车指挥综合自动化系统提供了统一的软硬件平台，为各专业系统的深度集成提供有力的技术保障。

本文将介绍有轨电车行车指挥综合自动化系统（以下简称“行车综自系统”）特点，并探讨在云计算技术条件下实现该系统的解决方案。

2 行车综自系统

有轨电车行车指挥综合自动化系统深度集成行车指挥、电力监控、机电监控等核心专业，与运营相关其他专业互联，依托统一的信息平台实现以行车为核心的有轨电车综合运营调度。

有轨电车各个系统均是为保障运输的安全、高效而服务的，有轨电车的神经中枢即为信号系统，以行车指挥为核心的综合自动化系统将信号系统中的ATS 子系统深度集成，为实现各个系统协调动作直接服务于“运输”提供统一技术平台。

近年来的有轨电车建设呈现出以下特点：线路成网、非优先路权、平交路口增多、人行道增多。伴随着上述特点的出现，有轨电车运营环境越来越复杂，因此在面对突发状况时，调度指挥系统要在极短的时间内做出正确的判断，并向各专业下达正确的处理措施。行车综自系统通过集成或互联其他系统建立以行车为核心的联动模式，提升运营单位的应急反应能力。

行车综自系统深度集成的系统包括行车指挥、电力监控和环境与设备监控，实现车、电、机一体化监控功能。系统可根据实际工程情况集成或互联与列车运营有紧密联系的系统，例如：乘客信息系统、广播系统、视频监控系统、门禁安防系统、火灾报警系统等。

基于云计算的行车综自系统应与部分系统保持互联关系，例如：

1) 从安全完整性角度考虑，应与信号系统中的涉安子系统保持互联；

2) 从信息安全角度考虑，应与客票系统、城市道路交通信号控制系统保持互联；

3) 从装备专业性角度考虑，应与传输系统、无线系统、电话系统、时钟系统保持互联。

本文中系统采用在控制中心深度集成核心专业系统的方案，即：行车综自系统在控制中心依托云计算平台深度集成行车指挥系统、电力监控系统、机电监控系统；行车综自系统与乘客信息系统、广播系统、视频监控系统、门禁安防系统、火灾报警系统、客票系统、时钟系统通过接口互联。

3 行车综自系统的组成

行车综自系统设备全部部署在线路控制中心，如图1 所示，在控制中心与乘客信息系统、广播系统、视频监控系统、客票系统、时钟系统通过控制中心主干网互联，与信号系统的道岔控制系统、路口控制系统、车载控制系统、场段联锁系统通过主干网互联，与变电所（包含一般变电所、箱式变电所等）、停车场/车辆段内的各专业现地级监控系统通过主干网互联，包括变电所综合自动化系统、门禁安防系统、火灾报警系统、环境与设备监控系统。

系统在线路控制中心的设备主要包括：云计算平台设备、网络设备、行车调度工作站、设备调度工作站、信息调度工作站等各类调度工作站。

图1 行车综自系统组成Fig.1 Composition for the integrated automation system of traffic control

云计算平台是系统的核心，采用私有云方案，硬件采用高密度云计算服务器集群，软件采用云计算管理软件，为行车综自系统提供IaaS（Infrastructure as a Service）服务，实现系统数据库服务器、业务应用服务器、接口服务器等服务器的虚拟化，通过虚拟化网络管理功能提供系统虚拟化服务器与主干网的网络通信。

与各专业系统分立的传统方案相比，基于云计算平台的行车综自系统具备以下几个特点。

1）统一的资源管理。系统通过高密度云计算服务器集群代替了传统的服务器设备、存储设备和网络设备，利用云计算管理软件统一管理计算资源、存储资源、网络资源。统一的资源管理能够简化系统硬件结构，提升系统资源利用率，降低运营维护成本。

2) 统一的软件平台。在云计算平台的基础上，根据业务特点提供多种操作系统虚拟机，并建立基础软件平台，包括：实时通信总线、实时数据库、历史数据库、数据采集基础协议库等。

3) 统一的网络通信。系统内部设备通过统一的网络实现数据交互。系统利用虚拟网络管理功能，在云平台内设置不同的VLAN 和端口组，实现内部网络和外部网络的隔离。

4) 统一的可用性管理。系统根据业务需要设置虚拟服务器的冗余方式，例如：故障恢复要求在分钟级的业务，为其虚拟服务器设置HA（High Availability）方式，即云平台部分硬件故障导致业务中断，可在云平台中其他硬件设备中重启虚拟服务器；故障恢复要求在秒级或要求无缝切换的业务，为其虚拟服务器设置FT（Fault Tolerance）方式，即云平台为该虚拟服务器构建非活动副本，并实现内存级同步，当业务中断时，云平台激活副本，保证业务无缝切换。

5) 统一的信息安全管理。通过云计算平台安全管理组件实现系统的信息安全管理。系统根据具体工程的信息安全等级保护要求配置相关设备。

系统依托云计算平台高可用性等技术特点，优化系统功能分配方案，主要表现在以下几个方面。

1) 信号系统架构优化。道岔控制系统、路口控制系统、车载控制系统保留对现地、车辆的基本监控功能，将涉及行车计划、运营管理的功能，上提至控制中心的行车综自系统。例如，在停车场/车辆段不再设置联锁操作工作站，行车综自系统通过主干网与联锁主机互联，将列车运用管理工作站移至控制中心，在控制中心实现场段信号设备监控和列车运用管理工作。

2) 变电所实现综合监控。变电所电力监控综合自动化系统实现对环控设备、门禁设备、安防设备、火灾报警系统设备等所内设备综合监控。行车综自系统不必在所内设置接口设备，通过与变电所综自系统互联，在控制中心实现对变电所的全面监控。

3) 场段机电监控系统优化。场段内的门禁安防、火灾报警、环境与设备监控系统仅保留现地级监控功能，其他运营相关功能上提至中心行车综自系统。系统通过主干网与场段机电监控系统互联，在控制中心实现对场段机电设备的全面监控。

4) 冗余主干网保证通信可用性。主干网为两个双向自愈、独立链路的环网，单网故障或单点故障下不影响控制中心与现场、变电所、停车场/车辆段的网络通信。

基于云计算的行车综自系统，通过对云计算平台的合理应用和系统功能分配优化，实现了运营管理的岗位综合化、业务中心化、设备简约化，明显提升了运营管理效率、降低了运营人工成本、减少了设备维护成本。

4 行车综自系统的架构

如图2 所示，行车综自系统架构分为5 个层次：资源层、虚拟化层、系统层、平台层、应用层。

资源层由高密度云计算服务器实现，为系统提供硬件资源；虚拟化层由云计算管理系统实现，为系统提供各项资源管理、可用性管理等；系统层由Linux、Windows 等操作系统实现；资源层、虚拟化层、系统层为核心专业系统设备的深度整合提供了必要的支撑。

平台层由以下通用组件构成。

1) 实时通信总线：以开放式的协议实现系统内各类应用模块的实时通信，并能够保证各模块间通信的实时性、可靠性、安全性，是多专业系统协同的关键信息通道。

2) 实时数据库：为各类应用模块提供通用接口，支撑应用模块的大容量实时数据存储与访问，是各专业实时数据全面开放共享的关键技术基础。

3) 历史数据库：提供统一的存储访问接口，为各专业数据深度融合的关键基础。

4) 通用通信协议：封装行业内多种标准协议，例如，RSSP-I、RSSP-II、MODBUS、IEC104 规约等，支撑系统与外部系统的数据交互。

同时，平台层提供多种功能性通用组件，包括：GIS 服务组件、权限管理组件、日志管理组件等，有力支撑各专业应用模块的功能实现。

图2 行车综自系统架构Fig.2 Architecture for the integrated automation system of traffic control

应用层主要包括：列车自动监控业务软件、电力监控业务软件、环境与设备监控业务软件、与其他专业接口软件等。应用层软件通过实时通信总线实现信息交互，通过实时数据库实现实时信息共享，通过通用组件实现通用性功能，通过通用通信协议库实现与外部系统的数据交互。

5 行车综自系统的功能

基于各专业系统深度整合的系统结构，行车综自系统在实现所集成专业系统的全部传统功能的基础上，具备多专业信息融合、多专业联动的功能特点。

以行车指挥为核心的综合自动化系统，在列车自动监控界面上能够综合展示与运营紧密相关的设备状态，同时具备设备操作功能，例如：

1) 在列车监控全景图中显示牵引供电设备（供电区段状态或充电装置）的状态；显示隧道通风设备、各类电梯等机电设备的状态；显示视频监控设备、乘客信息系统设备、广播系统设备等通信专业的设备状态，显示火灾报警状态，显示车站实时客流状态等；

2) 在电力监控全线接触轨图或全线一次图中实时显示列车信息，包括：列车车组号、列车方向以及列车的位置等，当某段接触轨的电力负载接近超限或某列车充电异常时，显示显著的颜色标识，并可发出警示；

3) 在列车监控全景图中，提供通过点击列车识别号图标下达车载调度命令、列车无线呼叫、发布列车PIS 信息、发布列车PA 信息功能；

4) 在列车监控界面，通过点击车站、列车、设备标识，实现各专业界面切换。

行车综自系统多专业信息融合功能消除了信息孤岛现象，提升了运营单位对线路运营情况全面掌控的能力，运营人员能简单、迅速地获取所需要的数据，降低了不同岗位之间的沟通成本，提升了运营指挥效率。

行车综自系统具备以行车指挥为核心的跨专业系统联动功能，并能够根据工程需求配置。在满足联动触发条件时，系统通过自动、半自动或手动的方式，指挥多专业协同动作。例如：

1) 早间运营模式：根据列车运行时刻表中首辆车到站时间和正线实际运营情况，提前执行电力监控系统、环境与设备监控系统、乘客信息系统、广播系统等的早间运营联动；

2) 晚间停运模式：根据列车运行时刻表中末辆车离站时间和正线实际运营情况，滞后执行电力监控系统、环境与设备监控系统、乘客信息系统、广播系统等的晚间停运联动；

3) 突发事件（如火灾、交通事故等）模式：根据突发事件车站、列车、区间触发联动，产生报警信息，推送现场视频监控画面。系统提示运营人员更换运行计划，并推荐合理的交路计划；

4) 车站客流过多：根据客流量统计结果对中心运营人员发出车站客流过多的报警并提示运营人员是否增派临时客车；

5) 列车停站超时：当列车停站超时，在调度界面报警，并推送现场视频监控画面。

行车综自系统的跨专业联动功能打破了系统间的专业壁垒，提升了运营单位的综合指挥能力、缩短了事故反应时间、加强了应急处置能力，有力地保障运营安全，提升运营效率。

6 结束语

有轨电车综合自动化系统通过各专业系统信息的紧密有序融合及各专业系统的联动控制机制，依托云计算平台实现车、电、机等核心专业的一体化集中监控。系统能够提升运营效率，降低运营成本，提高运营人员对突发事件的应急处理能力，为有轨电车的平稳运营提供牢固的保障。本文介绍了基于云计算的有轨电车综合自动化系统的概念，并从系统组成、系统架构、系统功能的角度进行论述，形成了一种系统解决方案。