对CBTC系统中车载信号设备数据管理的研究

2021-07-27董俊超李兆龄

铁路通信信号工程技术 2021年7期

董俊超，李兆龄

(通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070)

1 概述

在CBTC系统中，车载信号设备利用本地存储的数据完成列车定位、限速计算及自动驾驶等功能。当线路或地面设备信息发生变化时，需要对车载信号设备数据进行更新和验证。中国城市轨道交通协会近期发布的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》提出了网络化运营的建设目标，在CBTC系统互联互通技术攻克后，利用CBTC系统互联互通技术实现网络化运营将是今后的主要趋势。工程实施过程中对数据的更新难以避免，线路延伸后，需对线网内所有车载信号设备以人工方式逐一进行数据更新，实施成本巨大且容易引入安全风险。为解决这一问题，需要一种自动化的、便于管理的车载信号设备数据管理方式及配套系统。

2 数据内容及应用场景分析

车载信号设备数据可以分为3部分：电子地图、设备参数、车辆参数。

根据城市轨道交通《基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通系统规范》第3部分：车载电子地图，电子地图数据内容包括线路数据、轨道区段数据、轨旁设备数据及安全通信协议栈数据。当工程应用中出现线路改造、延长线开通、支线开通等情况时，电子地图数据将发生变化，车载信号设备需要进行数据更新。

设备参数是指车载信号设备相关的参数，例如通信延时阈值、采集滤波周期等。一般情况下，当使用环境或使用场景发生变化时，设备参数可能需要进行相应调整。设备故障等原因对存储设备参数的硬件进行更换时，需要对设备参数进行备份。

车辆参数是指车辆相关的参数，例如最大加速/减速度、轮径值等，设备故障等原因对存储设备参数的硬件进行更换时，需要对设备参数进行备份及更新。

3 数据管理系统结构和功能

3.1 系统结构

车载信号设备数据管理系统（简称数据管理系统）由数据服务器和数据操作终端组成，电子地图数据、设备参数数据以及车辆参数数据存储在数据服务器中。如图1所示，数据管理系统通过CBTC系统安全网与车载信号设备及地面信号设备建立通信连接。

图1 车载信号设备数据管理系统结构Fig.1 Onboard signaling equipment data management system structure

3.2 电子地图数据更新

3.2.1 电子地图下载方案

为满足数据更新时的倒切需求，数据服务器中可存储多个版本的电子地图数据并设置管理标签（例如测试中、未启用、已启用）。操作人员通过数据操作终端将电子地图数据上传至数据服务器后，数据管理系统对电子地图数据进行校验并检查与地面信号设备中存储数据版本的适配性，通过后方可使用。

需对车载信号设备电子地图数据进行更新时，操作人员通过数据操作终端启动电子地图下发流程。

1）数据管理系统向车载信号设备发送“数据下发”命令。

2）车载信号设备在确保行车安全的前提下，完成命令校验后反馈“准备接收”信息。

3）数据管理系统收到“准备接收”信息后，向该设备发送电子地图数据。

4）车载信号设备完成数据接收后进行校验，校验通过时反馈“接收成功”信息，数据下发流程结束。

5）若车载信号设备对电子地图数据的校验失败，反馈“接收失败”信息，数据管理系统重新向该设备发送电子地图数据。

6）电子地图下发流程中出现异常时，终止本次数据下发流程。

为降低存储元器件随机失效引起的安全风险，车载信号设备应定期对本地存储的电子地图数据进行自检。发现数据损坏时，车载信号设备可向数据管理系统发起“数据请求”，数据管理系统对“数据请求”进行校验，通过后启动电子地图下发流程。

3.2.2 电子地图下载方案工作量分析

对车载信号设备的电子地图数据进行更新需要经历数据准备、数据测试、数据升级3个阶段。

1）数据准备阶段完成数据的编制及室内验证工作。

2）数据测试活动要在不影响信号系统正常运营的基础上进行，通常在非运营时段使用单列车进行新数据测试工作并在运营前恢复为运营数据。由于测试时间有限，数据变化较大时需进行多轮次的数据测试活动。

3）数据升级阶段，需要对所有车载信号设备进行数据更新及数据验证工作。

引入数据管理系统前，需要在指定时段内对车载信号设备进行数据更新并进行测试工作，测试结束后需要恢复运营数据并重新验证数据的正确性。由于数据更新、恢复及验证占用了大量时间，实际数据测试时间较少。

引入数据管理系统，数据编制完成后即可在数据服务器中存储新的电子地图数据，该数据启用前不会对正常运营造成影响。数据测试阶段可快速完成数据倒切并进行测试工作。由于数据倒切过程由系统自动完成，降低了因人为失误引入的数据错误风险，恢复运营数据后无需进行验证工作。引入数据管理系统前后的数据测试工作量对比如图2所示。

图2 数据测试工作量对比Fig.2 data test workload comparison

引入数据管理系统前，需要以人工方式逐一对每套车载信号设备进行电子地图的更新和验证。

引入数据管理系统后，通过数据终端可同时向所有车载信号设备下发电子地图数据，且通过自检确保数据的一致性，无需进行数据验证。引入数据管理系统前后的数据升级工作量对比如图3所示。

图3 数据升级工作量对比Fig.3 Data update workload comparison

综上所述，引入数据管理系统可以有效降低电子地图更新的工作量，同时提高数据更新过程的可靠性。

3.2.3 电子地图实时传输方案

电子地图下载方案中考虑到网络传输性能的限制，电子地图依然需要提前存储在车载信号设备中。

随着通信技术的发展，目前LTE技术在城市轨道交通领域已进入实用化的阶段，对5G技术的应用处于探索阶段，新的通信技术使电子地图数据的实时传输成为可能。通过调整电子地图数据传输机制可实现电子地图数据的实时传输，如图4所示。

图4 电子地图实时通信方案Fig.4 Real-time communication scheme of electric map

电子地图数据实时传输方案中，地面信号设备可通过应答器向车载信号设备提供基本线路数据。车载信号设备通过应答器完成定位后，若缺少可用的电子地图数据，则启动电子地图传输流程。

车载信号设备向数据管理系统发送包含列车位置的“数据请求”。数据管理系统收到“数据请求”后，根据列车位置以及地面信号设备提供的运营信息判断列车运行范围，筛选需要发送的电子地图数据后向车载信号设备发送“数据下发”信息。车载信号设备收到“数据下发”信息后，在确保行车安全的前提下，反馈“准备接收”信息。数据管理系统收到车载信号设备反馈的“准备接收”信息后，发送电子地图数据。车载信号设备完成数据接收后进行校验，校验通过时反馈“接收成功”信息，传输流程结束。若车载信号设备对数据的校验失败，反馈“接收失败”信息，数据管理系统重新向该设备发送电子地图数据。若在电子地图更新流程中发现异常，终止本次电子地图传输流程并报警。

为了实现互联互通跨线运行及分阶段开通需求，电子地图数据可分区域存储在数据服务器中。如图5所示，当线路数据出现变化时，仅需要修改或新增区域数据，对其他区域数据不会产生影响。

图5 电子地图分区存储及发送Fig.5 Electric map storage in partitions and transmission

为避免车载信号设备因使用老旧数据而发生异常，数据管理系统发送的电子地图数据中应包含数据有效期信息，车载信号设备需对数据有效期进行校验。当数据失效或即将失效时，车载信号设备可以重新向数据管理系统发出电子地图数据请求。

实时传输方案中电子地图数据的存储更加灵活，能够进一步降低电子地图数据更新的时间和成本。

3.3 设备参数及车辆参数备份与恢复

为了在车载信号设备硬件更换时快速恢复原有数据，数据管理系统需要提供设备参数及车辆参数备份服务。设备参数和车辆参数可能存在差异，需要根据设备ID分别进行存储。由于备份数据存在时效性，错误地使用旧数据可能存在安全风险，因此必须采技术或管理措施来确保备份数据的时效性。当设备参数及车辆参数需要更新时，提供3种数据备份方案。

方案一：维护人员分别更新车载信号设备和数据管理系统中的数据，确保其一致性。

方案二：维护人员通过数据操作终端修改数据管理系统中的相应数据。数据管理系统将更新后的数据下发至车载信号设备，并根据反馈信息检查数据更新的正确性。

方案三：当维护人员于车载信号设备端对设备参数及车辆参数进行更新时，车载信号设备向数据管理系统发送备份数据，仅当数据备份成功时车载信号设备使用该数据。

为了在确保可用性和正确性的基础上尽可能降低人工成本，可将上述3种方案进行结合，采用方案二或方案三，数据更新发生异常时，人工介入并按照方案一进行处理。

当车载信号设备出现异常需要恢复设备参数或车辆参数时，执行数据恢复流程如下。

车载信号设备向数据管理系统发送“恢复申请”信息，该信息包含设备ID及恢复数据的类型（设备参数、车辆参数）。数据管理系统收到申请后，根据设备ID及恢复数据的类型取出备份数据并提示维护人员确认数据正确性。维护人员确认数据正确后，数据管理系统向车载信号设备发送备份数据。车载信号设备接收备份数据后进行校验，校验通过时反馈“恢复成功”。若车载信号设备对备份数据的校验失败，反馈“接收失败”信息，数据管理系统重新向该设备发送数据。若在数据恢复流程中发现异常，终止本次数据恢复流程并报警，由人工介入处理。

通过数据管理系统对设备参数和车辆参数进行管理、维护，提供直观的、可视化的操控界面辅助维护人员进行判断和处理，能够有效提高管理效率。