新一代基于云架構信號系統(tǒng)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(tǒng)在城市軌道交通中承擔行車調度指揮的重要功能,傳統(tǒng)運營模式下,線網內各線路信號系統(tǒng)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(yè)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(xiàn)信號系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)建設方案的經驗,提出基于云架構的信號系統(tǒng)建設方案。

1 傳統(tǒng)信號系統(tǒng)面臨的問題

在基于傳統(tǒng)服務器架構下,信號系統(tǒng)均為獨自垂直開發(fā)系統(tǒng),與外部系統(tǒng)相對獨立。未采用云平臺架構的地鐵線路均采用傳統(tǒng)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(huán)境下,獨立建設信號系統(tǒng)能降低各系統(tǒng)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(tǒng)間彼此關聯(lián)越來越緊密,系統(tǒng)間數(shù)據(jù)關聯(lián)性也越來越強,原來獨立建設的信號系統(tǒng)會面臨如下問題:

1) 硬件使用不均衡,難以動態(tài)調整?？刂浦行拇蟛糠窒到y(tǒng)硬件剛投入時使用率不足30%。隨著系統(tǒng)設備運行時間及上線列車數(shù)不斷增加,系統(tǒng)服務器的使用率會達到70%～90%,使得系統(tǒng)疲憊不堪。國內某地鐵線路在上線列車數(shù)達到52列時,數(shù)據(jù)庫服務器的CPU占用率尖峰值為84%。信號系統(tǒng)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(tǒng)宕機,而傳統(tǒng)硬件架構不具備性能動態(tài)調整功能。

2) 軟件綁定硬件,系統(tǒng)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(fā),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(tǒng)。國內已有數(shù)條地鐵線路的信號系統(tǒng)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(tǒng)整體更新方案,改造費用高,改造時間長,且引起其他系統(tǒng)如車輛系統(tǒng)等較大的連帶改造。

3) 不同供貨商難以實施互聯(lián)互通。傳統(tǒng)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(jiān)控)的硬件配置、接口數(shù)據(jù)形式存在較大差異,構建線網層調度指揮系統(tǒng)以及實現(xiàn)線路互聯(lián)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(xié)議等的統(tǒng)一和互聯(lián)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(tǒng)既有控制中心、車載和車站級區(qū)域分布結構的前提下,將信號系統(tǒng)設備融入云平臺,充分結合云平臺資源統(tǒng)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(tǒng)的處理能力,減少硬件設備數(shù)量,還有利于實現(xiàn)線網資源信息互通,促進調度智能化發(fā)展。

2 信號系統(tǒng)云化定義和可行性分析

2.1 信號系統(tǒng)云化定義

信號云定義為:為信號系統(tǒng)提供云計算及云服務的各類軟硬件系統(tǒng)、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(tǒng)云化是指發(fā)揮云計算和存貯技術適用于大規(guī)模部署、資源共享的技術優(yōu)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(tǒng)部分或全部軟硬件。

2.2 信號系統(tǒng)云化需求

信號系統(tǒng)云化在行業(yè)內已有相關標準和案例來支撐和驗證。目前,信號系統(tǒng)云化的主要是城市軌道交通信號系統(tǒng)的ATS子系統(tǒng)。ATS監(jiān)督列車運行,根據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)展需求。

針對信號系統(tǒng)涉及行車安全的ATP/ATO(列車自動防護/列車自動運行)系統(tǒng)及聯(lián)鎖系統(tǒng),其云化可行性分析仍需綜合考慮信號系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(xié)會發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)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(fā)展的軌道交通云平臺建設規(guī)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(xù)發(fā)展的城市軌道交通云平臺,實現(xiàn)對城市軌道交通業(yè)務應用的統(tǒng)一部署承載和資源動態(tài)分配[3]。

不同城市的軌道交通線網規(guī)模不同,其云平臺建設方案也稍有區(qū)別。常州地鐵通過對傳統(tǒng)軌道交通線網及線路調度指揮系統(tǒng)現(xiàn)狀進行分析,提出基于云平臺和數(shù)據(jù)共享方式的線網及線路層融合調度指揮系統(tǒng)建設方案。

3.2 線網統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)一的ATS建設方案如圖1所示。分別根據(jù)線網ATS設備和線路ATS設備對數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)、線路層ATS與云平臺承載的其他系統(tǒng)直接通過內部云網絡進行通信。

圖1 線網統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)設計不足而降低信號系統(tǒng)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(tǒng)ATS中的調度工作站及與聯(lián)鎖/ATP系統(tǒng)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(tǒng)SIL能滿足信號系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)狀,認為采用ATS部分上云的方式較為穩(wěn)妥。由于國內大多數(shù)云平臺廠家可以提供SIL2級的桌面云系統(tǒng),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(lián)鎖/ATP系統(tǒng)接口的網關部署在云下,采用傳統(tǒng)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(yè)務系統(tǒng)架構,主要有3種建設模式:基于云的業(yè)務獨立架構(模式一);基于云并構建大數(shù)據(jù)平臺的業(yè)務架構(模式二);基于云并構建中臺的業(yè)務架構(模式三)。不同建設模式系統(tǒng)架構和特點如表3所示。

表3 不同建設模式系統(tǒng)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(xiàn)硬件信息化設備的整合管理,但各子系統(tǒng)間通信復雜且需要進行專門接口開發(fā),各子系統(tǒng)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(shù)據(jù)平臺的技術對于系統(tǒng)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(tǒng)一設計時將應用劃分為實時數(shù)據(jù)處理部分與非實時數(shù)據(jù)處理部分。實時性要求較高的(調度、聯(lián)動類)部分仍采用既有數(shù)據(jù)直通應用,各子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫獨立設計,同時數(shù)據(jù)進入非實時數(shù)據(jù)處理平臺,保證非實時數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)融合共享能力。

隨著云平臺技術的飛速發(fā)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(lián)互通

基于云平臺建立線網級信號系統(tǒng)互聯(lián)互通標準,使各條線路同在一朵云下?lián)碛型瑯拥脑骗h(huán)境,同樣的安全控制軟件的接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)定義,實現(xiàn)車/軌旁設備和云之間的交互信息。云化后的ATS的互聯(lián)互通,主要通過建立云平臺環(huán)境下統(tǒng)一的ATS軟件接口、數(shù)據(jù)定義及通信協(xié)議,形成統(tǒng)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(tǒng)的互聯(lián)互通?；ヂ?lián)互通的ATS應支持與不同供貨商車載設備、地面ATP設備和聯(lián)鎖設備的接口連接,實現(xiàn)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(lián)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。互聯(lián)互通的ATS接口,應根據(jù)行業(yè)內各信號系統(tǒng)供貨商ATS接口數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量、長度、類型進行包容性設計,并預留一定碼位和字節(jié)數(shù)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(tǒng)與云平臺融合也已成為重要發(fā)展趨勢。改變傳統(tǒng)硬件配置方式后,信號系統(tǒng)硬件配置的通用化水平有了較大提高,從而更有利于實現(xiàn)信號系統(tǒng)接口的標準化,為線網層面信號系統(tǒng)互聯(lián)互通提供良好基礎。本文提出的基于云架構的信號系統(tǒng)建設方案,既不失信號系統(tǒng)作為行車控制系統(tǒng)的高安全性、高可靠性,也為真正實現(xiàn)平臺融合、數(shù)據(jù)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(tǒng)技術的迅速發(fā)展,已經出現(xiàn)了智能調度、云聯(lián)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(tǒng)的建設方案和智慧化應用。