新一代基于云架構信號系統建設方案

劉敏杰 吳 剛

(1.常州地鐵集團有限公司,213010,常州; 2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司,510010,廣州)

信號系統在城市軌道交通中承擔行車調度指揮的重要功能,傳統運營模式下,線網內各線路信號系統獨立完成線路級的調度指揮。在云計算、信息安全、人工智能等信息技術不斷成熟以及相關產業政策支持下,云平臺在國內各主要城市的軌道交通中已逐步開展應用。云平臺為實現信號系統線網級調度提供了良好平臺,有利于打破各線路調度指揮的壁壘,實現線網層面的行車調度,提升運營管理效率。本文結合常州地鐵新一輪地鐵建設方案的需求,通過調研總結國內云平臺和信號系統建設方案的經驗,提出基于云架構的信號系統建設方案。

1 傳統信號系統面臨的問題

在基于傳統服務器架構下,信號系統均為獨自垂直開發系統,與外部系統相對獨立。未采用云平臺架構的地鐵線路均采用傳統服務器架構部署,各站點均獨立設置服務器。在當時的建設環境下,獨立建設信號系統能降低各系統之間的相互影響,提高建設效率。網絡化運營時代,城市軌道交通各系統間彼此關聯越來越緊密,系統間數據關聯性也越來越強,原來獨立建設的信號系統會面臨如下問題:

1) 硬件使用不均衡,難以動態調整?？刂浦行拇蟛糠窒到y硬件剛投入時使用率不足30%。隨著系統設備運行時間及上線列車數不斷增加,系統服務器的使用率會達到70%～90%,使得系統疲憊不堪。國內某地鐵線路在上線列車數達到52列時,數據庫服務器的CPU占用率尖峰值為84%。信號系統設備長期工作于高負載率工況將降低設備使用壽命,容易造成信號系統宕機,而傳統硬件架構不具備性能動態調整功能。

2) 軟件綁定硬件,系統改造困難。軟件和硬件耦合度高,軟件綁定硬件。軟件基于硬件開發,存在訂制化產品停產、備品備件種類多等問題,設備到年限后面臨停產而不得不重新建立新的生產系統。國內已有數條地鐵線路的信號系統進行了改造,如北京地鐵1、2號線,上海軌道交通5號線等,基本上都是采用信號系統整體更新方案,改造費用高,改造時間長,且引起其他系統如車輛系統等較大的連帶改造。

3) 不同供貨商難以實施互聯互通。傳統城市軌道交通建設模式下,由于不同設備供應商提供的產品不同,各線路ATS(列車自動監控)的硬件配置、接口數據形式存在較大差異,構建線網層調度指揮系統以及實現線路互聯互通運營存在較大困難,不僅需要不同供貨商共同配合進行接口設計、標準協議等的統一和互聯互通測試,而且存在對接周期較長、銜接成功率低等問題。

在不改變信號系統既有控制中心、車載和車站級區域分布結構的前提下,將信號系統設備融入云平臺,充分結合云平臺資源統一管理,具有可擴展性強、兼容度高、部署成本低和生命周期成本低等特性,不僅能夠提升信號系統的處理能力,減少硬件設備數量,還有利于實現線網資源信息互通,促進調度智能化發展。

2 信號系統云化定義和可行性分析

2.1 信號系統云化定義

信號云定義為:為信號系統提供云計算及云服務的各類軟硬件系統、組件的集合,是組織指揮列車運行、保證行車安全、提高運輸效率、傳遞信息、改善行車人員勞動條件的重要的城市軌道交通設施[1]。

信號系統云化是指發揮云計算和存貯技術適用于大規模部署、資源共享的技術優勢,利用城市軌道交通云平臺提供的硬件資源和軟件資源承載信號系統部分或全部軟硬件。

2.2 信號系統云化需求

信號系統云化在行業內已有相關標準和案例來支撐和驗證。目前,信號系統云化的主要是城市軌道交通信號系統的ATS子系統。ATS監督列車運行,根據列車時刻表為列車運行自動設定進路,并對列車運行進行自動調整,實施列車運行管理。ATS是行車調度設備,具有較大數據運算、存儲需求,適合部署在城市軌道交通云平臺上以提高數據計算、存儲能力。另外,ATS的安全、可靠及可擴展性都將直接或間接影響到列車運行管理。作為城市軌道交通日常運輸生產活動的管理核心,ATS云化是行車調度指揮的發展需求。

針對信號系統涉及行車安全的ATP/ATO(列車自動防護/列車自動運行)系統及聯鎖系統,其云化可行性分析仍需綜合考慮信號系統的安全性、計算性能、芯片特殊要求、軟硬件架構、云化實施成熟度及運營安全風險等多方面因素影響,以實現信號云的技術保障、工期保障及運營運維保障。

2.3 ATS云化可行性分析

信號系統的ATS云化可行性分析如表1所示。

表1 ATS云化可行性分析[2]

3 信號系統云化方案

3.1 常州地鐵云平臺建設方案

結合中國城市軌道交通協會發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》的要求,以及國內城市軌道交通云平臺建設運營的經驗,常州地鐵也適時提出了符合常州地鐵高質量發展的軌道交通云平臺建設規劃,即:構建一個自主可控、功能完備、技術領先、安全可靠、可持續發展的城市軌道交通云平臺,實現對城市軌道交通業務應用的統一部署承載和資源動態分配[3]。

不同城市的軌道交通線網規模不同,其云平臺建設方案也稍有區別。常州地鐵通過對傳統軌道交通線網及線路調度指揮系統現狀進行分析,提出基于云平臺和數據共享方式的線網及線路層融合調度指揮系統建設方案。

3.2 線網統一的ATS建設方案

基于云平臺的兼容性、可擴展性,由云平臺統一為線網ATS和各線路中央級ATS提供各類計算、存儲服務資源、云桌面資源和網絡資源。線網統一的ATS建設方案如圖1所示。分別根據線網ATS設備和線路ATS設備對數據存儲、計算性能及網絡通信需求劃分獨立的資源池,不同層級ATS與不同線路ATS分別搭載在不同的物理機上,并配套建立網絡安全防護以實現相互獨立,從而使云計算資源得以高效利用。線網調度工作站、線路調度工作站及線路運行圖編輯工作站均采用云桌面形式,通過接入交換機接入ATS云網絡,并與虛擬化的服務資源進行數據交互。線網層ATS與線路層ATS、線網層ATS與云平臺承載的線網其他系統、線路層ATS與云平臺承載的其他系統直接通過內部云網絡進行通信。

圖1 線網統一的ATS建設方案

3.3 ATS云化范圍

SIL(安全完整性等級)是風險降低的定量度量,是系統在使用過程中降低事故風險所必須達到的可靠性程度,分為1～4級。SIL2級要求每小時、每一功能可能承受的危險側故障率應大于10-7且小于10-6。ATS云化后,也應通過開展SIL2級評估,防止因云平臺安全系統設計不足而降低信號系統運行的過程風險。結合ATS云化后能否通過SIL2級評估,ATS云化分為全部云化和部分云化。信號系統ATS中的調度工作站及與聯鎖/ATP系統接口的網關涉及安全命令,其上云后能否通過SIL2級決定了ATS能否全部上云。

1) 全部云化。若云平臺提供的云化系統SIL能滿足信號系統安全性的需求,或能配合安全認證機構通過ATS安全認證,那可將ATS軟硬件完全由云平臺承載。

2) 部分云化。若云平臺無法達到上述SIL要求,則可對涉及行車安全的相關功能由獨立硬件承載,涉及安全控制功能部分不納入云平臺部署及管理,以滿足 ATS系統SIL2 級認證要求。

常州地鐵經過調研國內在建和開通線路ATS云化的應用情況和技術現狀,認為采用ATS部分上云的方式較為穩妥。由于國內大多數云平臺廠家可以提供SIL2級的桌面云系統,即對ATS中應用服務器、通信前置機及工作站等采用裸金屬/虛擬機、云桌面方式部署,因此,考慮安全因素,與聯鎖/ATP系統接口的網關部署在云下,采用傳統架構方案。具體云化部署清單如表2所示。

表2 云化部署清單

3.4 ATS對云平臺架構的選擇

基于云平臺的城市軌道交通生產業務系統架構,主要有3種建設模式:基于云的業務獨立架構(模式一);基于云并構建大數據平臺的業務架構(模式二);基于云并構建中臺的業務架構(模式三)。不同建設模式系統架構和特點如表3所示。

表3 不同建設模式系統架構和特點

模式一是目前國內地鐵ATS云化采用較多的模式。該模式下的云平臺更多承擔的是硬件資源整合的角色,實現硬件信息化設備的整合管理,但各子系統間通信復雜且需要進行專門接口開發,各子系統間并未實際融合共享。在模式二和模式三下,目前云平臺和大數據平臺的技術對于系統響應速度在亞秒級,暫無法滿足實時調度中需對ATS毫秒級響應的要求。因此,建議在云平臺統一設計時將應用劃分為實時數據處理部分與非實時數據處理部分。實時性要求較高的(調度、聯動類)部分仍采用既有數據直通應用,各子系統實時數據庫獨立設計,同時數據進入非實時數據處理平臺,保證非實時數據處理平臺的數據融合共享能力。

隨著云平臺技術的飛速發展,建議承載ATS的城市軌道交通云平臺架構在滿足安全性、實時性的前提下,逐步從模式一向模式三過渡,并應具備更新迭代的能力,以滿足未來“智慧城軌”不斷變化的上層應用需求。

3.5 ATS互聯互通

基于云平臺建立線網級信號系統互聯互通標準,使各條線路同在一朵云下擁有同樣的云環境,同樣的安全控制軟件的接口、通信協議、數據定義,實現車/軌旁設備和云之間的交互信息。云化后的ATS的互聯互通,主要通過建立云平臺環境下統一的ATS軟件接口、數據定義及通信協議,形成統一的接口形式,實質上是屬于云端不同線路之間ATS應用與各線路信號系統的互聯互通?；ヂ摶ネǖ腁TS應支持與不同供貨商車載設備、地面ATP設備和聯鎖設備的接口連接,實現ATS對不同線路列車的運營管理。

ATS接口支撐的功能包括互聯互通線路站場信息共享、跨線運行列車信息共享、跨線運行列車計劃調整信息共享、跨線運行列車接入站首站跳停命令下達功能等?；ヂ摶ネǖ腁TS接口,應根據行業內各信號系統供貨商ATS接口數據的字節數量、長度、類型進行包容性設計,并預留一定碼位和字節數以滿足后期擴展需求。

4 結語

城市軌道交通云平臺已逐步在國內主要城市的軌道交通中推廣應用,信號系統與云平臺融合也已成為重要發展趨勢。改變傳統硬件配置方式后,信號系統硬件配置的通用化水平有了較大提高,從而更有利于實現信號系統接口的標準化,為線網層面信號系統互聯互通提供良好基礎。本文提出的基于云架構的信號系統建設方案,既不失信號系統作為行車控制系統的高安全性、高可靠性,也為真正實現平臺融合、數據整合及資源共享打下了堅實基礎。隨著云平臺技術及信號系統技術的迅速發展,已經出現了智能調度、云聯鎖等新技術,相信在未來會有更適合于城市軌道交通信號系統的建設方案和智慧化應用。