地鐵工程監控系統與信號系統接口方案

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摘　要：目前，地鐵工程車主要依靠乘務員經驗、目視信號等方式操控車輛行進。為了改變工程車作業無技防手段的現狀，地鐵工程車智能安全監控系統得到廣泛應用，該系統可對冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等安全事故進行智能化安全防護，為實現上述功能需解決聯鎖信號上車的問題。依據目前上海地鐵聯鎖信息獲取情況，文章主要闡述了從段場聯鎖側、各線路線路側運行控制中心－列車自動監控系統（OCC-ATS）側及3C大樓數據中心－列車自動監控系統（3C-ATS）側獲取聯鎖信息的3種方案，并對各方案進行了細致分析及對比研究。在滿足系統安全防護條件下，ISM系統與管理網CFEP接口方案集成度高、可靠性高，對其他系統的影響小，可實現信息的互聯互通。

關鍵詞：地鐵工程車；智能安全監控系統；聯鎖信息；系統接口

0 引言

在我國大多數大城市，地鐵已成為市民出行的主要交通工具之一，且開通城市軌道交通的城市也逐年增加。截至2021年6月，上海地鐵全網已開通運營線路共19條（含磁浮線），運營里程達722km（含磁浮線29km）。與之配套的不僅有眾多的維修基地以及停車庫；還有相當數量的工程車，其主要用于車輛段場調車作業、線路施工和養護、正線突發事故救援等工作。為了改變地鐵工程車主要依靠乘務員經驗、目視信號等操控現狀，實現對冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋及列車沖突等安全事故的智能化防護，地鐵工程車智能安全監控系統（intelligentsafetymonitoringsystem,ISM）[1-4]應運而生。本文主要介紹了ISM系統與信號系統接口方案，從中通過接口匹配來獲取聯鎖信息[2-3]，以提高系統智能化程度，這已成為整個系統設計的重點及難點之一。

1 ISM系統與信號系統接口方案研究

1.1 接口方案分析

ISM系統獲得信號系統數據共有3種方案，分別是段場聯鎖接口方案、各線路線路側運行控制中心-列車自動監控系統（operationcontrolcenter-automatictrainsupervision,OCC-ATS）接口方案以及數據中心大樓（3C大樓）3C-COCC（centerofoperationcontrolcenter）-ATS方案。綜合比較來看，3C-ATS方案從成本和可實施性上最具優勢；但是由于基礎數據傳輸路徑較長，延時時間能否滿足本系統的要求尚未可知，因此需要對其進行試點驗證，并同時考慮后備方案。以下將3C-ATS接口方案統稱為“網絡側信號接口方案”，而聯鎖及OCC-ATS接口方案統稱為“線路側信號接口方案”。

1.2 接口設備需求

為了保障數據傳輸的安全性，無線傳輸將采用安全通信機制，其能識別由于硬件故障、電磁干擾等原因導致的通信錯誤，對接口設備的主要要求包括：

（1）數據的發送端應具備安全檢驗數據代碼的功能。

（2）數據的接收端應具備數據傳輸錯誤檢測功能。接收端一旦檢測到數據準確性、完整性以及實時性方面的錯誤后，應能進行相應的安全防護處理。

（3）每幀傳輸數據必須能夠被唯一地識別。傳輸數據的識別采用識別碼（ID）方式進行，每幀傳輸數據的識別碼應至少包括數據類型（安全/非安全）、數據發送設備與部件的編號、數據編號等。滿足以上要求，則可以盡可能準確地獲取聯鎖系統中表示站場設備、設施狀態的信息，包括列車信號機狀態、調車燈信號狀態、道岔開放方向、軌道區段占用和出清狀態等。

2 網絡側信號接口方案

2.1 接口方案介紹

3C大樓信號系統數據消息隊列路徑，其主要包含

（1）線路側的列車自動監控系統ATS（automatictrainsupervision）；

（2）位于生產網側的中央前端處理器CFEP(centerfrontendprocessor)，用于收集匯總ATS數據；

（3）用于隔離生產網與管理網的擺渡系統及用于管理網的CFEP。線路ATS與生產網CFEP間、生產網CFEP與單向擺渡系統間、單向擺渡系統與管理網CFEP間的接口通信方式和協議均相同，都是接口雙方建立一個TCP連接，信息提供者為Server，信息接收者為Client。即每一個節點，若為上游節點，則被設置為Client；若為下游節點，則被設置為Server，并采用TCP/IP協議。單向擺渡系統之間為萬兆單向網閘，使用UDP協議，并配置了一個反向的串口通信，用于實現單向擺渡系統之間的雙向通信。對于單向擺渡系統來說，單線每秒約有200包左右的數據量，而萬兆單向網閘每秒最多提供10000包的數據傳輸，因此該系統原則上能夠滿足30條線同時擺渡的需求。ISM系統服務器定位于管理網段，因此ISM系統與3C的接口也必須位于生產輔助網側。接口設計時主要考慮兩個問題：一是信息的接入源，其既可來自生產輔助網單向擺渡系統，也可來自生產輔助網CFEP，甚至可以來自數據中心；二是接口數據可以經過現有系統解析再傳送給ISM系統，或直接從信息源傳送給ISM系統的FEP?；诖?，有以下5種接口方案：

（1）方案一

ISM系統與單向擺渡系統接口，增加工程車專用CFEP進行解析，再傳送給工程車ISM系統。

（2）方案二

ISM系統與管理網CFEP接口，通過3C-CFEP將數據交由工程車專用CFEP進行解析，再傳送給ISM系統。以上兩個方案中新增的工程車專用CFEP都需要集成ISM-FEP的功能，該功能可實現對單獨線路聯鎖信息的解析、翻譯及篩選。

（3）方案三ISM

系統與單向擺渡系統接口，不經3C-CFEP解析，直接給ISM-FEP（ISM-frontendprocessor），再傳送給ISM系統服務器。

（4）方案四

ISM系統與管理網CFEP接口，3C-CFEP轉發所有收到的信息直接給ISM-FEP，或集成了過濾功能后只轉發所有需要的數據給ISM-FEP，再給ISM系統服務器。

（5）方案五

ISM系統與“申通數據中心”接口，3C-CFEP將數據送給“數據采集系統”，“數據采集系統”將數據送給“申通數據中心”，由數據中心對外接口

。2.2 接口方案對比

可以看出，方案一將導致生產網側單向擺渡系統壓力翻倍。方案二雖然略增加了3C-CFEP的處理壓力，但集成管理可保證3C不受影響。方案三和方案四中如果ISM周期性地向生產網側CFEP請求設備全量狀態數據，將造成嚴重的網絡負載，因此要求ISM必須嚴格遵守客戶端在本連接建立有效期內，只發送一次全量數據的要求，且這兩種方案并不能有效減少網絡延時，因為雖然節省了3C-CFEP的解析和轉發，但仍需要有ISM-FEP的存在，網絡總體延時基本一致。方案五由于數據中心原有數據不包含ISM系統所需信號系統數據，若需使系統數據滿足ISM系統的要求，對3C-COCC數采系統和申通數據中心的協議改動量較大，且與數據中心的定位不符，因此該方案存在不可行性，在此不予考慮。ISM系統通過新增工程車專用CFEP服務器，接收由管理網側的CFEP服務器發送的實時數據。受原單向網閘冗余策略的影響，主、備3C-CFEP不同時向ISM-CFEPA和ISM-CFEPB發送數據，但單個3C-CFEP需同時向ISM-CFEPA和ISM-CFEPB發送數據。這樣處理一是可保證系統的冗余性，以防單臺ISM-CFEP出錯時系統癱瘓；二是因原有系統結構導致只有一臺3C-CFEP可以發送數據，因此采用該種方案。

3 線路側信號接口方案

為適應上海地鐵不同線路線路側設備不統一的情況，研究確定了4種設備部署及網絡接口方案

。3.1 方案一

通過串口接口與段場的聯鎖MMI(manmachineinterface)進行通信。信號供應商的主要工作量為（1）開發通信協議；（2）聯鎖MMI存在多個版本，需要多次開發定制產品。上海地鐵1號線、2號線、3號線和4號線可采用該方案。12號線、13號線、16號線、17號線、15號線和18號線采用直連架構，不再配置聯鎖MMI,因此需要采用其他方案。

3.2 方案二

通過串口接口與段場的聯鎖維護臺進行通信。信號供應商的主要工作量為

（1）開發通信協議；

（2）段場聯鎖SDM（systemdiagnosismaintenancesystem）軟件存在多個版本，需要多次開發定制產品。上海地鐵1號線、2號線、3號線、4號線、12號線、13號線、16號線和17號線可采用方案二。15號線和18號線已經采用集中監測CMSS(centralizedmaintenancesupportsystem)的架構，不再配置聯鎖SDM，因此需要考慮采用其他方案。

3.3 方案三

通過網絡接口與線路ATS進行通信。信號供應商的主要工作量為

（1）開發通信協議；

（2）通過OCC-FEP與ISM系統通信；

（3）各線ATS版本不一致，需要多次開發定制產品。上海地鐵還有幾條既有線路，包括1號線、3號線和4號線，因設備老舊，目前的系統架構不能支持該接口方案。

3.4 方案四

通過網絡接口與段場或單獨線路的OCC的監測系統進行通信。信號供應商的主要工作量為

（1）開發通信協議；

（2）部分地鐵既有線路的監測終端需要升級為最新系統以適配新監測軟件，6號線、7號線和4號線蒲匯塘停車場已經改造完成；12號線、13號線和16號線正在進行平臺改造；其他未進行改造線路目前不支持該接口方案。綜合比較，線路方案四可行性較高、覆蓋范圍較大；然而如果采用方案四亦需新增前置服務器，且與網絡側信號3C接口方案相似性較高。鑒于此，信號接口方案采用方案二進行試點。

4 結語

本文針對ISM系統與信號系統接口方案進行對比研究，提出了5種網絡側方案及4種線路側方案。通過上述方案的對比研究，網絡側信號接口方案推薦采用ISM系統與管理網CFEP接口方案，在略增加了現有管理網側3C-CFEP的處理壓力情況下，可實現全網聯鎖信息與ISM系統的接口，并對現有的系統不會造成影響。而線路側信號接口方案網絡延遲明顯優于網絡側信號接口方案，但由于其要求在各個段場增加設備，因此整體費用會明顯高于網絡側方案，且因基地及OCC地理位置分散導致系統維護難度相應提升。因此，ISM系統與信號系統接口推薦采用網絡側信號接口方案。后續將針對網絡側信號接口方案的網絡延遲問題進行優化設計，并對全網絡的聯鎖信息進行統一采集與分析，在實現ISM系統對工程車冒進信號、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等事故的防護功能的同時，對全網工程車進行靈活調配，實現平峰時與地鐵列車混跑，積極推動城市軌道交通的智能化。

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作者： 張軼  單位：上海申中軌道交通運行安全工程技術研究有限公司