地铁全自动运行控制中心信号系统冗余设计方案

刘 涛

城市轨道交通信号系统是保证行车安全、运输效率的重要系统，其各子系统的整体可用性、安全性、可维护性和可靠性需得到充分的满足，并能实现故障导向安全［1］。目前主要由ATS 子系统、ATO 子系统、ATP 子系统和联锁子系统构成的基于无线的CBTC 信号系统，作为轨道交通自动运行控制系统的主流技术，其系统架构在多年的运营过程中证实是成熟可靠的，其中主要应用了三取二、二取二和二乘二取二等冗余技术。城市轨道交通全自动运行信号系统是在既有CBTC 系统上进行延伸拓展，由于无人驾驶，系统的整体可用性需进一步提高，避免由于单系统故障影响运营［2-3］。

1 信号系统冗余配置需求

目前，国内各大城市纷纷开始城市轨道交通全自动运行技术的探索，上海10 号线和北京燕房线是首批开通运营的全自动运行线路，上海、北京、南京、武汉、成都等城市在既有技术基础上，开始全自动运行技术进一步的研究和建设。为更科学、高效地指导全自动运行技术的应用，中国城市轨道交通协会发布了一系列如《城市轨道交通全自动运行系统规范第1 部分：需求》《中国城市轨道交通全自动运行技术指南》等团体标准和技术指南。其中明确信号系统的可用性、安全性需进一步提高，GoA2和GoA4自动化等级线路指标对比见表1。

表1 GoA2和GoA4自动化等级线路MTBF指标要求 h

可靠性和可维修性的提高必然会提高单设备的可用性和安全性，但可用性与安全性在单套系统运用上存在一定的对立关系，通过增强冗余配置可以有效进行平衡［4-5］。

同时，全自动运行场景也要求提升冗余配置。由于全自动运行列车上没有司机，在一些系统出现单点故障时，需保证列车继续运行或者运行至故障处理点（如站台、存车线），以提高系统可用性。全自动运行对于信号系统的要求主要有：①控制中心ATS 子系统单点故障不影响运营指挥；②单控制中心瘫痪不影响运营指挥；③车载控制子系统单点故障不影响列车继续行驶［6］；④车载控制子系统与车辆接口故障确保运行至故障处理点；⑤车地无线通信单链路故障不影响数据传输。本文着重讨论控制中心信号设备的冗余配置方案。

2 控制中心信号设备冗余配置及切换方案

控制中心分为主用和备用，二者总体功能需求保持一致，备用控制中心处于热备状态，常态无运营人员值守。控制中心信号设备主要包含ATS 子系统和LTE 子系统。ATS 子系统是行车指挥、保障高效运营的关键系统；LTE 系统承载车地无线通信业务，传输控制指令及维护关键信息。

2.1 ATS子系统冗余配置及切换设计方案

ATS 子系统的主要功能是编制、管理列车运行计划，实现对全线列车的自动监控和列车运行的自动管理［7］。

对于全自动运行线路，控制中心行车指挥及应急事件处理是运营需求的核心内容，其整体可用性和灵活性是保障运营的关键。结合全自动运行需求和RAMS 指标要求，控制中心ATS 子系统冗余配置方案见图1。

图1 控制中心ATS子系统冗余配置

主用控制中心ATS子系统配备行车调度终端，各调度终端分管线路不同的控制区域，同时互为冗余配置［8］；配备ATS 运行图编辑服务器、应用服务器、数据服务器以及与外专业接口设备等。备用控制中心ATS 子系统配备同等功能及数量的调度终端及服务器，并与主用控制中心互为热备冗余。ATS 子系统与外部信息交换为双通道，信息同步收发。通信传输系统为双控制中心的ATS子系统，提供可靠的冗余数据传输通道。

双控制中心ATS 切换设计见表2。在主用和备用控制中心ATS子系统出现单点故障的场景下，单控制中心整体瘫痪均不影响控制中心的调度指挥功能。由于备用控制中心常态无人值守，在极端情况下，需要主用控制中心人员赶往备用控制中心，进行全线运营指挥［9］。

表2 双控制中心ATS切换设计

配合双控制中心冗余切换设计，图2 为双控制中心服务器之间以及与外部接口设备交互的基本数据流示意。正常工作情况下，主用与备用控制中心保持数据交互，互查心跳信息以及同步数据信息，与外部接口设备同步交互数据；当主用控制中心服务器异常或数据校验错误，则停止与外部接口设备的数据交互，启用备用控制中心数据服务器，不影响控制中心整体ATS子系统的数据收发和应用。

图2 基本数据流示意

从应用软件角度，进程输出业务交互信息时，分为主用进程和备用进程。当主用进程故障时，总线消息通信模块会通知相应的备用进程转为主用，并向故障进程发送强制转为备用的指令，从而实现进程级的热备冗余。总线消息通信模块会监测每一条心跳线以及与外部设备通信的双网状态，为避免“单点故障”提供实时信号监测依据。因此双机冗余系统中，所有应用软件进程的主用进程有可能分布在2 台设备上，既提高了硬件设备的资源利用率，同时降低了每台设备的运行负载，也使维护工作的颗粒度缩小至以软件进程为单位，从而提高了故障或问题定位的准确度，尤其是应用软件故障的定位更准确。

2.2 LTE子系统冗余配置及切换设计方案

车地无线传输采用LTE 通信技术是轨道交通行业的发展趋势［10-11］，通常采用综合承载的方式承载各个专业的数据传输业务，包括信号系统、通信系统、综合监控系统和车辆系统等。

在传统项目中，信号系统是控制列车运行的关键，车地无线组网一般采用A/B 网双网冗余方式，其中A 网单独承载信号业务，为信号提供独立通道，传输线路数据及控制信息，确保信号系统的整体可用性，其他数据业务为单独B网综合承载。业务组网方式见图3。

图3 业务组网方式

由于全自动无人驾驶在运营过程中，B 网综合承载业务是辅助控制中心调度人员判断列车环境和运行情况的主要手段，配合双控制中心各系统的冗余配置，图3 所示组网方式已无法满足全自动无人驾驶系统整体可用性和RAMS 指标要求。为提高B 网综合承载业务的整体可用性，并满足信号系统A 网的独立通道，LTE 子系统配置为图4所示的方案。在主用控制中心部署LTE-B 网设备，综合承载地铁系统全部无线业务，并与外部系统接口，通过通信传输系统与备用控制中心保持信息同步；在备用控制中心部署LTE-B 备网设备和LTE-A 网设备，LTE-A 网单独承载信号系统业务，LTE-B备网冗余承载除去信号系统外的B 网业务，并与B网BBU设备组网。

图4 控制中心LTE子系统冗余配置

通过上述配置可实现双控制中心LTE 切换设计，见表3，同时节约建设成本，LTE 子系统出现单点故障时均不影响整体系统的可用性及车地无线通信。

表3 双控制中心LTE切换设计

3 结束语

全自动运行技术的发展对机电系统的可用性和安全性提出了新的要求。本文结合实际工程项目、全自动运营需求和行业规范要求，对控制中心信号系统核心设备的配置方案进行了探讨。该方案已应用于南京地铁7 号线工程，可为城市轨道交通其他线路的建设提供一些研究思路，有助于系统设备的开发与完善。