CBTC系統(tǒng)電子地圖升級管控方案研究

陳 超

（常州地鐵集團有限公司，江蘇常州 213000）

1 電子地圖更新方案研究背景

在基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）中，電子地圖是確保地鐵列車安全追蹤距離的重要數(shù)據(jù)源，電子地圖將線路按照一定的原則劃分為若干個邏輯區(qū)段，CBTC系統(tǒng)安全邏輯軟件通過讀取CBTC列車在電子地圖邏輯區(qū)段的占用信息、位置信息、進路信息、速度等計算列車移動授權(quán)。邏輯區(qū)段的劃分主要依據(jù)線路的曲線、坡度、限速以及線路起始點、信號機位置、計軸軌道區(qū)段長度、道岔位置等信息進行劃分。電子地圖中包含了列車運行線路上所有信號系統(tǒng)設(shè)備，如信號機、道岔、軌道區(qū)段、邏輯區(qū)段、站臺、屏蔽門、停車點、應答器、線路曲線、坡度、線路限速等，所有信號設(shè)備均有唯一的命名及相關(guān)的位置里程等信息。

電子地圖數(shù)據(jù)按照最高安全等級SIL4進行設(shè)計，其數(shù)據(jù)應用于車載以及軌旁區(qū)域控制器系統(tǒng)，電子地圖采用數(shù)據(jù)準備工具軟件將在建線路數(shù)據(jù)依次錄入，數(shù)據(jù)采用特定數(shù)據(jù)架構(gòu)與格式，供車載系統(tǒng)通過車輛測速設(shè)備、定位設(shè)備測量，測量數(shù)據(jù)匹配電子地圖數(shù)據(jù)以確定當前列車狀態(tài)并發(fā)送至軌旁安全系統(tǒng)進行移動授權(quán)計算。

電子地圖作為CBTC系統(tǒng)列車安全運行控制的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其可維護性、可靠性和安全性直接影響信號系統(tǒng)的整體安全。電子地圖的數(shù)據(jù)由其版本號的唯一性決定，在線路建設(shè)期分段開通，以及后期線網(wǎng)互聯(lián)互通要求，均需對電子地圖數(shù)據(jù)進行升級更新，因此對電子地圖的版本管理是直接影響運營安全的關(guān)鍵工作內(nèi)容。

在現(xiàn)行模式下，電子地圖數(shù)據(jù)維護均由信號系統(tǒng)設(shè)備供應商（以下簡稱供應商）利用自有的電子地圖管理工具，在線路分段開通、線路改造以及線網(wǎng)互聯(lián)互通運營時均需對電子地圖數(shù)據(jù)進行更新。更新時需要依次對停運列車車載主板人工手動數(shù)據(jù)升級，此種電子地圖的更新模式對運營效率、運營安全均造成重大影響。

2 現(xiàn)行電子地圖更新方案問題分析

現(xiàn)行電子地圖數(shù)據(jù)由于采用不同供應商離線的數(shù)據(jù)準備工具，在線路基礎(chǔ)設(shè)施改造、線路分段開通、線網(wǎng)互聯(lián)互通過程中，由于不同供應商對電子地圖數(shù)據(jù)準備工具安全完善度等級(SIL等級)要求不一致，數(shù)據(jù)準備人員專業(yè)能力、數(shù)據(jù)準備管控流程不可控，使得電子地圖數(shù)據(jù)的可維護性、可靠性和數(shù)據(jù)安全性有待提高。

2.1 電子地圖數(shù)據(jù)的維護性

不同設(shè)備供應商采用不同的數(shù)據(jù)管理工具進行電子地圖數(shù)據(jù)準備，其結(jié)果是數(shù)據(jù)管理工具不同、軟件工具安全完善度等級不同、數(shù)據(jù)格式不同，當線網(wǎng)運營需要互聯(lián)互通時，電子地圖數(shù)據(jù)會存在多種格式；當本線在分段開通過程中或線網(wǎng)互聯(lián)互通時，電子地圖數(shù)據(jù)需要頻繁升級、多廠家分別進行數(shù)據(jù)準備，電子地圖升級時需要運營列車停運，人工依次升級對每列車車載主板電子地圖數(shù)據(jù)，升級操作復雜、時間長，對列車運營造成很大影響。

2.2 電子地圖數(shù)據(jù)的可靠性和安全性

電子地圖數(shù)據(jù)在設(shè)備供應商利用數(shù)據(jù)工具升級過程中，數(shù)據(jù)準備的管控只由設(shè)備供應商負責，地鐵業(yè)主不能對其流程進行監(jiān)控，對數(shù)據(jù)是否正確無法檢查。在數(shù)據(jù)更新過程中如果只修改版本號而未修改數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)修改不完全，系統(tǒng)仍可正常工作，一旦出現(xiàn)問題，輕則需要重新升級數(shù)據(jù)，重則影響運營安全。

電子地圖數(shù)據(jù)由設(shè)備供應商存儲并保管，尤其一些設(shè)備供應商為外方獨資或外方合資公司，地鐵線路數(shù)據(jù)一旦泄露或?qū)Φ罔F列車的運營安全甚至國防安全帶來嚴重的安全隱患。

因此，對地鐵現(xiàn)行CBTC系統(tǒng)電子地圖數(shù)據(jù)準備、升級的管控將是本文研討的重點。

3 電子地圖升級管控方案的研究

為規(guī)避現(xiàn)行電子地圖數(shù)據(jù)存在的不足以及安全隱患，在電子地圖數(shù)據(jù)軟件工具開發(fā)、安全認證、CBTC系統(tǒng)硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)以及數(shù)據(jù)準備、管控以及電子地圖升級方式上進行優(yōu)化，將大大提高電子地圖數(shù)據(jù)的可維護性、可靠性以及安全性，同時節(jié)省電子地圖升級時間，提高運營效率。

3.1 電子地圖數(shù)據(jù)工具的開發(fā)

開發(fā)一套統(tǒng)一的地鐵電子地圖管理系統(tǒng)工具軟件，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)及數(shù)據(jù)格式，聘用第三方安全認證公司對數(shù)據(jù)準備工具軟件進行SIL4級安全認證，包括：

1）集業(yè)內(nèi)主流設(shè)備供應商電子地圖優(yōu)秀的軟件開發(fā)工程；

2）制定統(tǒng)一的滿足SIL4級安全要求的電子地圖數(shù)據(jù)架構(gòu)及數(shù)據(jù)格式并經(jīng)業(yè)內(nèi)專家審核批準；

3）按照SIL4級軟件開發(fā)流程進行工具軟件開發(fā)；

4）軟件工具增加審核管控機制，未經(jīng)授權(quán)人員數(shù)據(jù)準備、審核數(shù)據(jù)無法使用；

5）取得第三方安全認證公司SIL4軟件安全認證后推廣使用。

3.2 CBTC系統(tǒng)硬件架構(gòu)及軟件架構(gòu)優(yōu)化

現(xiàn)行CBTC系統(tǒng)電子地圖數(shù)據(jù)采用設(shè)備供應商離線的數(shù)據(jù)準備工具，電子地圖數(shù)據(jù)只在車載設(shè)備中更新并存儲，系統(tǒng)只檢查版本號，無法進行全部數(shù)據(jù)校核。為此，需對系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)、數(shù)據(jù)準備流程進行優(yōu)化，包括：

1）系統(tǒng)硬件架構(gòu)優(yōu)化，在中心系統(tǒng)中增加電子地圖數(shù)據(jù)終端，運行數(shù)據(jù)準備工具軟件，生成電子地圖數(shù)據(jù)；

2）在中心數(shù)據(jù)庫存儲經(jīng)審核的地圖版本號及數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具備存儲、檢查功能；

3）中心系統(tǒng)增加電子地圖自動存儲、檢查及下發(fā)軟件模塊，該模塊獨立于安全控制邏輯，不對原系統(tǒng)安全功能產(chǎn)生影響；

4）中心系統(tǒng)增加電子地圖數(shù)據(jù)安全加密、數(shù)據(jù)編碼程序及數(shù)據(jù)下發(fā)模塊，防止黑客攻擊以及數(shù)據(jù)傳輸錯誤；

5）車載系統(tǒng)軟件優(yōu)化數(shù)據(jù)下載及存儲、版本及數(shù)據(jù)校核機制。

3.3 電子地圖升級的風險管控

1）數(shù)據(jù)準備風險管控

電子地圖是依據(jù)軌旁設(shè)備配置生成的數(shù)據(jù)，采用新模式電子地圖升級模式在數(shù)據(jù)準備階段須進行相應的風險管控，包括：

a.當軌旁設(shè)備確認已經(jīng)完成安裝調(diào)試，設(shè)備位置信息、配置及功能信息正確后才能啟動電子地圖數(shù)據(jù)準備階段；

b.電子地圖數(shù)據(jù)的修改須對系統(tǒng)定義的信號平面圖設(shè)備信息進行修改，電子地圖終端軟件須有兩級確認過程（廠家數(shù)據(jù)修改，運營確認），須經(jīng)授權(quán)的有能力的人員通過密碼確認，方能執(zhí)行確認流程，經(jīng)確認后自動生成新的電子地圖數(shù)據(jù)。

c.電子地圖數(shù)據(jù)嚴禁手動生成，數(shù)據(jù)采用編碼加密。對數(shù)據(jù)的任何手動修改，系統(tǒng)均應自動識別，系統(tǒng)應拒絕加載并產(chǎn)生報警信息。

2）電子地圖加載風險管控

電子地圖數(shù)據(jù)是影響列車安全運行的重要因素，采用新模式電子地圖加載方式雖然可以降低數(shù)據(jù)加載的復雜程度，但數(shù)據(jù)加載須按照流程嚴格進行，包括：

a.確認軌旁設(shè)備調(diào)試完畢、電子地圖數(shù)據(jù)正確后啟動數(shù)據(jù)加載程序；

b.數(shù)據(jù)加載應由經(jīng)授權(quán)的人員通過密碼方式進入加載控制程序，加載須輸入列車識別號對指定列車進行加載，加載前系統(tǒng)自動識別新電子地圖數(shù)據(jù)版本號等，加載是否成功應彈窗提示；

c.在天窗點先行加載一列車更新數(shù)據(jù)，在不載客情況下完成運行試驗；

d.確認數(shù)據(jù)正確后啟動自動加載模式，對線上停運列車進行數(shù)據(jù)加載。當有新增列車需要數(shù)據(jù)更新時，必須確認列車在停運狀態(tài)，在途載客列車嚴禁升級。

3.4 系統(tǒng)電子地圖數(shù)據(jù)升級檢查模式優(yōu)化

通過對中心、車載系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)及數(shù)據(jù)管控方式優(yōu)化后，當需要電子地圖升級更新時，不再需要列車回庫停運后依次對列車數(shù)據(jù)進行更新，當需要對電子地圖進行升級時，中心系統(tǒng)自動通過車地無線通信下發(fā)并檢查數(shù)據(jù)，更新方式包括：

1）中心系統(tǒng)在列車注冊上線時檢查車載電子地圖版本號及完整數(shù)據(jù)；

2）不一致時禁止列車投入運營，下發(fā)最新電子地圖版本號及數(shù)據(jù)；

3）再次核對中心與車載電子地圖版本與數(shù)據(jù)，一致后列車投入運營；

4）電子地圖優(yōu)化系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1 電子地圖優(yōu)化系統(tǒng)框Fig.1 System frame of the optimization of electronic map

3.5 優(yōu)化后數(shù)據(jù)更新管控模式優(yōu)點

采用優(yōu)化后的電子地圖升級更新模式解決了數(shù)據(jù)由設(shè)備供應商負責、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、管控流程不嚴謹?shù)葐栴}，使數(shù)據(jù)準備、檢查、審核、升級操作安全可控，升級時無需人工依次停車更新、實現(xiàn)一鍵自動更新，提高了電子地圖的可維護性；電子地圖準備工具安全認證、授權(quán)人數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)安全加密傳輸、數(shù)據(jù)安全存儲提高了電子地圖數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

4 結(jié)論

本文論述的電子地圖數(shù)據(jù)的準備、管控、存儲以及數(shù)據(jù)傳輸方式，優(yōu)化了現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)電子地圖數(shù)據(jù)升級管控方式。對現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)軟件安全架構(gòu)、安全邏輯計算不產(chǎn)生影響，軟硬件具有較強的可實施性。同時解決了在基礎(chǔ)設(shè)施改造、線路分段開通以及線網(wǎng)互聯(lián)互通過程中電子地圖升級對運營效率以及運營安全的影響?？紤]國內(nèi)地鐵線網(wǎng)改造、建設(shè)、互聯(lián)互通需求、數(shù)據(jù)安全管控要求，建議結(jié)合某一項目進行試點開發(fā)，同時在國家層面制定相關(guān)技術(shù)標準，確保電子地圖升級后的列車運營安全。