重庆都市快轨运营控制系统构想

2021-09-18刘皓玮刘实秋易志刚

铁道通信信号 2021年8期

刘皓玮，刘实秋，易志刚

为了促进形成以重庆为核心的大都市区空间结构，重庆市提出了轨道交通一体化发展战略，构建干线铁路、都市快轨、地铁等多网合一的轨道交通网络体系。通过建设都市快轨运营控制系统，协调轨道交通路网运营，与多种交通形式协作，提升主城内部、主城与外围核心功能组团间出行效率和能力。由于运营控制系统与运营组织模式、信号系统等密切相关，同时新技术、新装备日趋成熟可靠，既有的铁路、地铁等控制系统方案无法生搬硬套到重庆都市快轨，因此有必要提出一种先进、适用的运营控制系统方案。

1 都市快轨需求特征分析

都市快轨交通主要承担中心城区与周边城市间的快速联系［1］，交通服务范围介于国铁干线与城市轨道交通之间。

1）运营需求与基础设施条件。都市快轨线路运营里程较长，主城区线路平均站间距约5 km，设计速度为120～160 km/h，外围线路平均站间距约10 km，设计速度为120～200 km/h。拟采用基于LTE 技术的无线通信系统，兼容普速铁路信号制式。

2）运营组织模式。都市快轨通勤客流占比较大，最小追踪间隔5 min，以客流为导向，在线网内组织交路。都市快轨与城市轨道、高速铁路在主城区铁路站点、江北国际机场、重点开发区域等处，实现客流换乘的网络化衔接。为了提高旅客出行的便利性，都市快轨与普速铁路可贯通运营。

3）城市轨道信息互通。都市快轨与城市轨道衔接紧密，主城区每条线路考虑每个站点与1～3条城市轨道线路换乘，通过以行车计划为核心的行车信息共享，实现协调运营、联合互动和联合应急。

4）公共信息融合互动。都市快轨不单考虑轨道交通路网提供的交通服务，还应及时掌握气象、重大社会活动等相关状态，以及与地铁、铁路、民航、水运、公交巴士等旅客交通的衔接问题。

5）集中化运营管控体系。为了更好地满足都市快轨、干线铁路、城市轨道三网融合的需要，形成高效衔接、快慢组合的大都市区轨道交通一体化网络。都市快轨拟采用“三层管理、三级控制”管理控制模式，物理布局采用集中式，将线网指挥中心和线路控制中心合设于都市快轨运营控制系统内，同步建设灾备中心。运营控制系统内设置6 大功能中心：线路控制中心（OCC）、线网指挥中心（TCC）、应急指挥中心（ETC）、票务清分中心（ACC）、信息编播中心（ICC）和数据分析中心（DIC），其中OCC、TCC、ETC 合设于中央控制室，实现业务整合。

2 运营控制系统方案分析

2.1 国家铁路运营调度系统

国家铁路运营调度系统采用3级调度指挥架构，包括总公司调度指挥中心、调度所和基层站段，从形式上相对独立，内容上又充分体现体系化特征［2］。运营调度系统由列车调度指挥系统与调度集中系统（TDCS/CTC）、运营调度管理系统（TDMS）、电力监控系统（PSCADA）构成，采用互联集成方式实现信息共享。TDCS/CTC 系统负责列车运行监督、列车运行计划调整等调度指挥功能；TDMS系统实现营销计划编制、车辆调度、维修调度、供电调度、客服调度和货运调度等管理功能；PSCADA 系统实现牵引供电和电力配电设施监视及控制等功能。

该运营调度系统经过二十多年的建设，不断升级完善，能够满足我国铁路网客货混行的运输需要，为各专业提供了业务应用系统。但各业务应用系统为柱状结构，相互独立、自成体系。同时，各业务应用系统出于信息安全保护考虑，以及受系统架构、信息语义、编码等限制，形成信息孤岛，严重影响各业务应用系统间的连通性和互操作性，制约了业务协调和管理创新，在应对各类突发事件时，造成信息交流与指令传输不畅。运营调度系统受制于庞大的规模，信息互通、业务互动困难，在系统整体结构上存在先天不足。

2.2 地铁运营控制系统

地铁运营控制系统采用线网中心、线路中心和车站3 层分布式结构，线网中心运营控制系统和线路中心运营控制系统分别设置。同时地铁运营控制系统的设置需根据轨道交通线网规模和建设时序等因素不断调整，以满足不同阶段的运营指挥要求［3］。线网中心运营控制系统可以满足调度指挥协调、乘客服务监察，以及机电设备、防灾和安全监督等运营管理需求，为安全行车和调度指挥提供应急处置方案及信息服务。但目前地铁线网中心运营控制系统只对线路进行调度协调，不能干预线路具体的调度指挥，无法做到各条线路的联动控制，在一定程度上降低了整体网络管理效率。

线路中心运营控制系统对通信、信号、供电、机电设备系统进行集中控制，保障乘客的安全和列车运行计划，提高对轨道交通的服务质量和综合运营效率，实现线路的运营目标和运营安全。通过信息共享、信息互通，实现系统之间的业务关联与事件联动，实现线路级的应急预案调用和系统间协调，提高对事件的反应能力和速度。但线路中心运营控制系统仅能对每条线路做单独的调度协调，无法从整体轨道交通网络全局进行最优化管理，降低了运输效率。

2.3 市域轨道交通控制系统

市域轨道交通通常将线网中心与线路中心在控制中心合并设置，采用控制中心和车站2 级控制模式。控制系统采用调度集中系统（CTC），信号系统采用CTCS2+ATO，满足市域轨道交通的运营速度和运营密度等需求。控制系统独立设置，集成度不高，信息共享不畅。

控制中心合并设置既有利于同时实现路网协调和线路控制，提高协同效率，也有利于应急指挥路网级的协调和应急资源的调配。市域轨道交通基本都已考虑应急情况下的线网协调控制问题，但目前采取的在控制中心分设应急指挥中心和灾备中心的方式投资大、经济性较差，如果将应急指挥中心和灾备中心合设，虽经济性方面略有提高，却无法解决异地问题。因此，如何更好地解决紧急情况下整体系统的控制管理问题，应在设计运营控制系统构架之初就给予考虑。

对比分析国家铁路运营调度系统、地铁运营控制系统，以及市域轨道交通控制系统的体系架构，发现现有的运营控制系统在结构、效率和关联度等方面都存在问题，无法适应重庆都市快轨的发展需求。因此，需要构建一种适用于重庆都市快轨的运营控制系统。

3 重庆都市快轨管理架构

重庆都市快轨拟采用“三层管理、三级控制”的管理控制模式，见图1。三层管理包括线网指挥中心TCC、线路控制中心OCC 及车站控制层，三级控制包括控制中心层、车站控制层及现场执行层［4］。重庆都市快轨运营控制系统区别于以往轨道交通之处，是在运营控制中心可同时实现线路运营控制、线网运营协调和应急指挥的功能。

图1 重庆都市快轨管理控制模式

3.1 线路运营控制功能

都市快轨运营的基本原则是安全、高效地完成客流的集散。线路级的运营控制主要负责单条线路的运营控制，包括指挥调度、设备监控、突发事件应急、数据交换管理等功能，具有较高的可靠性和较快的响应性。在正常运营情况下，负责列车运行的调度指挥和各个系统运行状况的监控；在非正常运营情况下，负责协调各个系统联动运作，从而及时响应突发事件。

1）负责协调本线路的组织运营，实现基本日常调度，包括行车调度、电力调度、环控调度、维修调度等。

2）实现对本线路用电设备运行状况的监控。各设备负责收集自身的工作状态等数据，并传送给运营单位的设备管理人员及时掌握。同时，为了保障相关系统各类设备正常有效的运营，应根据现场的实际运营情况，对各类不同的设备进行实时、全方位的监视、控制。

3）完成突发事件的指挥及恢复工作。在突发事件发生后，各级管理人员可掌握紧急事件的变化情况以及当前的行车信息，及时下发行车命令，保障乘客人身和财产安全。

4）实现与上级管理部门及外部单位之间的数据交换和资源引入。将电力系统的主要状态数据反馈给城市电力调度中心，火灾报警系统需与城市消防系统进行数据交换和联动。

5）实现运营部门与乘客之间的信息交流。通过车内广播、线路标识、自动售检票系统、乘客信息系统、手机客户端、服务热线电话等，实现乘客与运营部门之间的信息共享与交流。

3.2 线网运营协调功能

都市快轨控制中心是为适应网络化运营条件下的多线路运输协调需求，以及在突发情况下对各线路处置而设置的控制中心机构。由于在传统运营管理模式下，各站点、各线路之间信息相对闭塞，因此很难发现潜在的故障并做出防控，最终导致事态朝着更严重的方向发展［5］。线网运营协调是从整体线网角度出发，协调不同线路的统一运作，方便各个线路和谐运营，使各个线路的运营成本最低而运营效率最高，合理分配各个效率的运输力量；同时指挥处理各类突发事件，降低事故损失，并且连通城市轨道与相关管理部门，加大运营监督力度，提高整个城市轨道系统的运营管理能力和服务水平。

1）监督管理功能。监视各运营线路列车的运行、服务水平以及客流状况，确保列车安全准时运行，保障运营服务水平。

2）运营管理功能。实现各系统功能的统一管理，包括运营计划安排、行车调度、客流组织与设备维护等内容。同时，实现与政府平台、其他市政交通指挥系统、气象系统的接口互通，满足运营管理所需的各项服务指标。在突发事件和大客流情况下，实现不同运营主体的协同处置。

3.3 应急指挥功能

运营控制中心的应急指挥功能遵循“平战结合”的原则，日常情况下能够对各条线路主要运营信息进行实时采集，监视各线运营情况；当发生重大紧急事件时，可随时进行各线路的协调指挥及应急处置。

在日常正常运营情况下，应急指挥不参与各线路的控制及运营管理，对各线路的运营控制情况只监视不控制。在突发事件情况达到一定响应级别后，按照应急处置预案，对相关各线路发出协调指令或指挥指令，通过系统平台，监视、管理各个线路的运营，集中指挥与协调，对外部系统实现信息沟通、信息共享。

4 运营控制系统实现方式

由于重庆都市快轨具有客流密度高、潮汐性强等特点，运营控制系统对信息化提出了很高的要求，因此结合运营控制系统需求及功能分析，将整体运营控制系统搭建在云平台上是最高效的实现方式。基于云平台建立运营控制系统有助于节约运营成本、提高运营控制效率及信息共享程度。刘海建［6］等提出了基于云平台的线网云平台方案，孔立志［7］提出了建立在云平台之上的铁路综合视频监控系统，这些都对重庆都市快轨运营控制系统云平台的搭建具有指导意义。

CTC 系统与城市轨道交通综合监控系统（ISCS）等以集成方式，构成行车综合自动化系统（TIAS）。TIAS 不仅可以实现都市快轨各条线路的运营控制功能，还可从整体线网角度进行统一的协调管理，并且将ISCS 与CTC 数据进一步融合后，可在紧急情况下做出及时处理，实现系统应急指挥功能。TIAS 系统主要由中心级系统、车站级系统、网络管理系统（NMS）、设备维护管理系统（DMS）、仿真培训系统（TMS）等构成。TIAS中心级系统位于都市快轨运营控制中心（主用）和灾备中心（备用），主要为都市快轨OCC线路调度人员（主要包括行调、电调、环调、维调、总调、车辆调、乘调）、TCC 线网指挥人员、ETC 应急指挥人员服务。

TIAS系统提高了不同系统、不同专业的信息共享程度，为行调人员提供各相关专业，如城市轨道交通自动售检票系统（AFC）及闭路电视监控系统（CCTV）等方面的信息，为电调和环调人员提供各线路的列车运行状态及报警信息。同时，增强各业务间的联动，便于总调人员根据获得的“综合”信息，以行车指挥为核心，处理各工种的调度信息［8］。

4.1 TIAS不同集成方案

TIAS 集成了信号、机电、通信等不同业务的应用功能，提供了统一的人机界面，具有丰富的跨系统联动功能，极大提高了调度的工作效率［9］。CTC系统与ISCS系统等集成存在以下几种方式。

1）界面集成。即ISCS 与CTC 系统的操作工作站集成，后台服务器、网络等依然各自独立，在CTC 系统中显示ISCS 与信号的接口界面，界面集成后构成TIAS。界面集成仅给用户提供了一个统一的用户界面，ISCS 系统与CTC 系统关系相对独立，其实质是集成后TIAS 与各系统间的信息互联，对都市快轨运营整体的提升作用不大，无法为各系统间快速联动和快速反应、机电系统综合维修等提供新的功能和手段。

2）内嵌集成。由TIAS提供统一的硬件、统一的人机界面和统一的基础数据平台，ISCS 以及CTC 内核软件均嵌入到TIAS 中，TIAS 系统和信号系统的物理接口界面在各设备集中站，逻辑界面在CTC系统内部的接口模块，TIAS可直接与城际铁路列车控制系统（URTC）系统接口。内嵌集成的基本思路是尽量保持CTC系统的完整性，提高都市快轨的运输和管理效率。在实施过程中要充分考虑集成系统接口和功能界面的划分，以及新的TIAS系统与URTC系统的接口和功能界面的划分。内嵌集成方式工程实施难度较低，软件方面不需要大量的二次开发，整体开发周期在可控范围内。TIAS 统一提供的硬件和数据平台还可在一定程度上降低各系统的采购成本，降低整体系统造价。

3）完全集成。即ISCS与CTC系统的软硬件平台完全一体化，深度集成为TIAS 系统，ISCS 与CTC只是作为TIAS的一个功能模块而非独立系统，各功能模块之间可实现直接通信。TIAS系统可直接在各信号系统设备集中站与URTC系统接口。完全集成要求CTC与ISCS在硬件和软件上都完全纳入TIAS系统，真正做到CTC系统与ISCS系统集成为一个整体的TIAS系统。但需要在ISCS系统平台上实现CTC 系统的全部功能，或在CTC 系统平台上全面实现ISCS功能，这都将面临大量的软件重新开发工作，工程耗时较长且实施难度最大。

因此，从技术先进性要求和系统的发展趋势，以及工程实际实施情况出发，都市快轨行车综合自动化系统应采用内嵌集成方案。

4.2 整体云平台方案

基于云平台的重庆都市快轨TIAS 系统分为线网中心云平台和实际车站层云平台2 级物理架构，线路中心控制系统虚拟在线网中心云平台，管理信息系统宜采用中心集中处理架构。运营生产各应用系统的服务器可通过云平台，虚拟化部署在云计算资源池中，应用系统在车站级可采用瘦终端及云桌面；重要应用系统可在车站级部署硬件资源，作为车站降级处理使用。

在对CTC 和ISCS 系统进行集成后，具备ISCS功能的TIAS，不仅可直接实现对城市轨道交通机电设备的分层监控，而且可直接对各线路行车进行管控，在发生特殊事件时，可从整体线网层面进行各线路的协调控制。同时，TIAS 包含了集成的内部子系统与其他独立子系统的互联，真正实现了系统间的信息共享、系统协调、系统联动。

现阶段，多地已经积极开展ISCS“云”业务的尝试应用，云ISCS 通过使用中心云资源池的服务云、桌面云统一替代传统ISCS 服务器和所有工作站，以达到集中部署设备、优化系统资源的目的［10］；而CTC 还未完成云平台的开发及搭建。采用内嵌集成方案，TIAS 可直接在目前ISCS 云架构的基础上进一步研发，同时实现对CTC 的云平台操作。基于云平台构建的TIAS 可实现各类设备在云端的集中管理，便于设备日常维护，硬件资源共享，降低系统投入成本。而云TIAS 对系统网络的要求较高，为保障不同系统在集成互联后的边界清晰，提高整体系统的安全性能，降低相关设备的部署难度，提高云平台TIAS 的数据稳定性，应在中心和车站保留传统物理前置处理器（FEP），在网络层实现对集成、互联系统的隔离。