CBTC系统电子地图升级管控方案研究

陈 超

（常州地铁集团有限公司，江苏常州 213000）

1 电子地图更新方案研究背景

在基于通信的列车自动控制系统（CBTC）中，电子地图是确保地铁列车安全追踪距离的重要数据源，电子地图将线路按照一定的原则划分为若干个逻辑区段，CBTC系统安全逻辑软件通过读取CBTC列车在电子地图逻辑区段的占用信息、位置信息、进路信息、速度等计算列车移动授权。逻辑区段的划分主要依据线路的曲线、坡度、限速以及线路起始点、信号机位置、计轴轨道区段长度、道岔位置等信息进行划分。电子地图中包含了列车运行线路上所有信号系统设备，如信号机、道岔、轨道区段、逻辑区段、站台、屏蔽门、停车点、应答器、线路曲线、坡度、线路限速等，所有信号设备均有唯一的命名及相关的位置里程等信息。

电子地图数据按照最高安全等级SIL4进行设计，其数据应用于车载以及轨旁区域控制器系统，电子地图采用数据准备工具软件将在建线路数据依次录入，数据采用特定数据架构与格式，供车载系统通过车辆测速设备、定位设备测量，测量数据匹配电子地图数据以确定当前列车状态并发送至轨旁安全系统进行移动授权计算。

电子地图作为CBTC系统列车安全运行控制的重要基础数据，其可维护性、可靠性和安全性直接影响信号系统的整体安全。电子地图的数据由其版本号的唯一性决定，在线路建设期分段开通，以及后期线网互联互通要求，均需对电子地图数据进行升级更新，因此对电子地图的版本管理是直接影响运营安全的关键工作内容。

在现行模式下，电子地图数据维护均由信号系统设备供应商（以下简称供应商）利用自有的电子地图管理工具，在线路分段开通、线路改造以及线网互联互通运营时均需对电子地图数据进行更新。更新时需要依次对停运列车车载主板人工手动数据升级，此种电子地图的更新模式对运营效率、运营安全均造成重大影响。

2 现行电子地图更新方案问题分析

现行电子地图数据由于采用不同供应商离线的数据准备工具，在线路基础设施改造、线路分段开通、线网互联互通过程中，由于不同供应商对电子地图数据准备工具安全完善度等级(SIL等级)要求不一致，数据准备人员专业能力、数据准备管控流程不可控，使得电子地图数据的可维护性、可靠性和数据安全性有待提高。

2.1 电子地图数据的维护性

不同设备供应商采用不同的数据管理工具进行电子地图数据准备，其结果是数据管理工具不同、软件工具安全完善度等级不同、数据格式不同，当线网运营需要互联互通时，电子地图数据会存在多种格式；当本线在分段开通过程中或线网互联互通时，电子地图数据需要频繁升级、多厂家分别进行数据准备，电子地图升级时需要运营列车停运，人工依次升级对每列车车载主板电子地图数据，升级操作复杂、时间长，对列车运营造成很大影响。

2.2 电子地图数据的可靠性和安全性

电子地图数据在设备供应商利用数据工具升级过程中，数据准备的管控只由设备供应商负责，地铁业主不能对其流程进行监控，对数据是否正确无法检查。在数据更新过程中如果只修改版本号而未修改数据或数据修改不完全，系统仍可正常工作，一旦出现问题，轻则需要重新升级数据，重则影响运营安全。

电子地图数据由设备供应商存储并保管，尤其一些设备供应商为外方独资或外方合资公司，地铁线路数据一旦泄露或将对地铁列车的运营安全甚至国防安全带来严重的安全隐患。

因此，对地铁现行CBTC系统电子地图数据准备、升级的管控将是本文研讨的重点。

3 电子地图升级管控方案的研究

为规避现行电子地图数据存在的不足以及安全隐患，在电子地图数据软件工具开发、安全认证、CBTC系统硬件架构、软件架构以及数据准备、管控以及电子地图升级方式上进行优化，将大大提高电子地图数据的可维护性、可靠性以及安全性，同时节省电子地图升级时间，提高运营效率。

3.1 电子地图数据工具的开发

开发一套统一的地铁电子地图管理系统工具软件，采用统一的数据架构及数据格式，聘用第三方安全认证公司对数据准备工具软件进行SIL4级安全认证，包括：

1）集业内主流设备供应商电子地图优秀的软件开发工程；

2）制定统一的满足SIL4级安全要求的电子地图数据架构及数据格式并经业内专家审核批准；

3）按照SIL4级软件开发流程进行工具软件开发；

4）软件工具增加审核管控机制，未经授权人员数据准备、审核数据无法使用；

5）取得第三方安全认证公司SIL4软件安全认证后推广使用。

3.2 CBTC系统硬件架构及软件架构优化

现行CBTC系统电子地图数据采用设备供应商离线的数据准备工具，电子地图数据只在车载设备中更新并存储，系统只检查版本号，无法进行全部数据校核。为此，需对系统的软硬件架构、数据准备流程进行优化，包括：

1）系统硬件架构优化，在中心系统中增加电子地图数据终端，运行数据准备工具软件，生成电子地图数据；

2）在中心数据库存储经审核的地图版本号及数据，数据具备存储、检查功能；

3）中心系统增加电子地图自动存储、检查及下发软件模块，该模块独立于安全控制逻辑，不对原系统安全功能产生影响；

4）中心系统增加电子地图数据安全加密、数据编码程序及数据下发模块，防止黑客攻击以及数据传输错误；

5）车载系统软件优化数据下载及存储、版本及数据校核机制。

3.3 电子地图升级的风险管控

1）数据准备风险管控

电子地图是依据轨旁设备配置生成的数据，采用新模式电子地图升级模式在数据准备阶段须进行相应的风险管控，包括：

a.当轨旁设备确认已经完成安装调试，设备位置信息、配置及功能信息正确后才能启动电子地图数据准备阶段；

b.电子地图数据的修改须对系统定义的信号平面图设备信息进行修改，电子地图终端软件须有两级确认过程（厂家数据修改，运营确认），须经授权的有能力的人员通过密码确认，方能执行确认流程，经确认后自动生成新的电子地图数据。

c.电子地图数据严禁手动生成，数据采用编码加密。对数据的任何手动修改，系统均应自动识别，系统应拒绝加载并产生报警信息。

2）电子地图加载风险管控

电子地图数据是影响列车安全运行的重要因素，采用新模式电子地图加载方式虽然可以降低数据加载的复杂程度，但数据加载须按照流程严格进行，包括：

a.确认轨旁设备调试完毕、电子地图数据正确后启动数据加载程序；

b.数据加载应由经授权的人员通过密码方式进入加载控制程序，加载须输入列车识别号对指定列车进行加载，加载前系统自动识别新电子地图数据版本号等，加载是否成功应弹窗提示；

c.在天窗点先行加载一列车更新数据，在不载客情况下完成运行试验；

d.确认数据正确后启动自动加载模式，对线上停运列车进行数据加载。当有新增列车需要数据更新时，必须确认列车在停运状态，在途载客列车严禁升级。

3.4 系统电子地图数据升级检查模式优化

通过对中心、车载系统软硬件架构及数据管控方式优化后，当需要电子地图升级更新时，不再需要列车回库停运后依次对列车数据进行更新，当需要对电子地图进行升级时，中心系统自动通过车地无线通信下发并检查数据，更新方式包括：

1）中心系统在列车注册上线时检查车载电子地图版本号及完整数据；

2）不一致时禁止列车投入运营，下发最新电子地图版本号及数据；

3）再次核对中心与车载电子地图版本与数据，一致后列车投入运营；

4）电子地图优化系统框如图1所示。

图1 电子地图优化系统框Fig.1 System frame of the optimization of electronic map

3.5 优化后数据更新管控模式优点

采用优化后的电子地图升级更新模式解决了数据由设备供应商负责、数据格式不统一、管控流程不严谨等问题，使数据准备、检查、审核、升级操作安全可控，升级时无需人工依次停车更新、实现一键自动更新，提高了电子地图的可维护性；电子地图准备工具安全认证、授权人数据处理、数据安全加密传输、数据安全存储提高了电子地图数据的可靠性和安全性。

4 结论

本文论述的电子地图数据的准备、管控、存储以及数据传输方式，优化了现有CBTC系统电子地图数据升级管控方式。对现有CBTC系统软件安全架构、安全逻辑计算不产生影响，软硬件具有较强的可实施性。同时解决了在基础设施改造、线路分段开通以及线网互联互通过程中电子地图升级对运营效率以及运营安全的影响。考虑国内地铁线网改造、建设、互联互通需求、数据安全管控要求，建议结合某一项目进行试点开发，同时在国家层面制定相关技术标准，确保电子地图升级后的列车运营安全。