城市轨道交通信号系统的简化架构研究与实践

朱仰瑞

(上海电气泰雷兹交通自动化系统有限公司,上海 201206)

0 引言

随着全球城市化进程的加速,部分城市出现了严重的交通拥堵问题,作为解决此问题的有效手段,城市轨道交通得到了广泛应用。但是,随着轨道交通网络的扩张及技术的发展,传统的信号系统却难以实现同步维护和升级。

城市轨道交通信号系统是轨道交通的核心组成部分,可确保列车在复杂、密集的铁路网络中安全、高效地运行。传统的信号系统基于多种设备及技术组合而成,包括轨道线路上的信号机、轨道电路、调度中心及列车上的信号设备。信号机通常位于车站和关键节点,为司机提供前方路段状态的直观信息,确保列车按照预定速度及方向行驶,避免与其他列车或障碍物相撞,其颜色为红、黄、绿灯或应用更先进的数码屏幕显示,具体形式取决于系统技术及应用环境。轨道电路在整个铁路网络中不可或缺,通过检测铁路轨道上的电流变化可准确确定列车位置及运动状态并传送到调度中心,帮助调度员做出正确决策,确保列车安全通过每一个路段。调度中心是整个信号系统的大脑,接收来自轨道电路、信号机及其他传感器的信息,为列车制定行驶计划、监控列车运行状态并在必要时做出调整。调度中心的信号设备包括计算机、通信设备及显示屏等,共同构成高度集成、自动化系统,能够处理大量信息并实时做出响应[1]。

1 轨道交通信号系统存在的问题

轨道交通信号系统由众多设备、软件及协议构成并协同工作,以确保列车安全、高效运行,此系统的高度集成与多样性意味着其维护与升级任务十分复杂,任何小的故障或不匹配都可能导致整个系统运行受到干扰,甚至出现停机情况。随着技术的更新换代,原有的信号设备及软件可能逐渐被淘汰,无法与新技术或标准相兼容,需频繁升级或替换,但成本高昂,还可能引入新的问题或漏洞。信号系统十分复杂,需由专业技术人员进行日常维护及检查,确保其正常运转,这增加了轨道交通信号系统的维护成本,对人员培训及管理提出了更高的要求[2]。随着城市发展及交通需求的增长,轨道交通线路常常需要进行扩展或重组,信号系统应具有良好的延展性,以适应新的路线、车站及交通模式,但部分传统信号系统设计并没有充分考虑未来的扩展需求,导致现有系统增加新功能及模块的难度较大。

2 城市轨道交通信号系统简化架构的具体实践与方法

2.1 硬件层面的简化与集成

传统的信号系统各种功能模块较为独立,需要复杂的接口及协议进行通信,可能导致系统复杂性增加,引发模块出现兼容性、稳定性等问题。故采用集成化的硬件设计,将多个功能模块集成到同一硬件平台上,达到简化系统结构、降低出错概率、提高系统响应速度及处理能力的目的。随着微电子技术和芯片设计技术的发展,单一硬件设备可承载更多的功能及任务,与传统分布式系统相比,现代轨道交通信号系统更加集中、紧凑,节省了空间及成本,降低能耗,提高了系统的可维护性。但硬件层面的简化与集成并非减少设备与模块,而是在保证系统功能与性能的前提下,通过优化及创新达到提高效率和降低风险的目的,其建立在严格的安全标准与验证流程之上,任何设计决策都需经过严格的测试及验证,确保其不会对系统的稳定性及安全性造成威胁,硬件层面的简化与集成基本流程如图1所示[3]。

图1 轨道交通信号系统硬件层面的简化与集成Fig.1 Simplification and integration of rail transit signal systemhardware level

2.2 软件系统的优化与模块化

软件优化是将系统运行所需的各种功能及任务更高效地执行,如提高代码的执行效率,减少不必要的计算与通信,对资源进行合理分配及调度等,以提高系统响应速度,降低能耗,延长硬件使用寿命。软件模块化则是将复杂的软件系统分解为一系列相互独立但又高度协同的模块,每个模块都有明确的功能和职责,能够独立地开发、测试及部署,当某个模块出现问题时,其他模块仍能正常运行。但软件系统的优化与模块化也存在一些问题,如确保各个模块之间的顺畅通信、避免模块间的冲突及依赖问题、确保每个模块都满足严格的安全性能标准等。随着轨道交通信号系统对软件依赖性的增加,如何确保软件的安全性、防范外部攻击及威胁成为了研究重点。软件系统的优化与模块化需要深入思考并制定综合解决方案,如软件开发流程的优化、对代码质量的严格控制及对新技术和方法的不断研究及探索。而传统的软件开发流程可能在快速变化的轨道交通环境中愈发滞后,需采用现代开发方法提供更快的迭代速度及更好的反应能力,配备持续集成(CI)和持续交付(CD),以确保代码更快、更频繁地到达生产环境,保证其质量。通过引入代码审查流程、静态与动态代码分析工具、单元测试及集成测试等方式提升代码质量,在轨道交通信号系统的安全应用程序设计中强制执行。新的编程语言、框架及工具会为轨道交通信号系统提供更高的效率,保障其安全性,应关注新技术,例如,分布式系统应用微服务架构以提供良好的模块化及可扩展性。在数据处理及分析方面,机器学习与人工智能技术将提供智能决策支持。

2.3 通信协议与接口的统一及简化

通信协议与接口是轨道交通信号系统中设备、模块及软件之间沟通的桥梁,但随着技术及应用场景的多样化发展,各种各样的通信协议与接口愈发复杂,难以维护,为了满足系统需求,确保其稳定、高效、安全运行,应执行通信协议与接口的统一及简化。通信协议与接口的统一是在轨道交通信号系统中使用一致的通信规范及数据格式,不同设备与模块都遵循同样的规范,使其通信更加顺畅,降低出现错误和冲突的可能性。统一的通信协议与接口使得系统扩展和升级更为便利,引入新设备或模块只需遵循同样的规范,可避免复杂的适配、调试。通信协议与接口的简化是去除不必要的功能及特性,只保留系统实际需求的核心部分,提高系统性能及响应速度,需深入了解系统实际需求,筛除不必要的功能及特性,进行针对性的优化[4]。

通信协议与接口的统一及简化需要综合考虑技术、经济及实际应用等多方面因素,在实际应用中由于历史原因及技术的局限性,多数轨道交通信号系统中存在多种不同的通信协议及接口。为实现统一与简化,确保既有设备与模块的顺利过渡,需对现有的通信协议及接口进行评估分析,了解每种协议与接口的功能、特性、性能、局限性及其在系统中的应用情况,确定哪些协议与接口应被替换或简化,哪些必须保留。过渡期可使用桥接技术或中间件,使不同的通信协议与接口相互通信,临时解决兼容性问题,为统一与简化提供时间与空间。根据评估结果制定明确的更新与替换计划,每次更新或替换后都需进行详尽的测试,确保新的协议或接口满足系统需求,与其他部分进行集成。为保障统一与简化效果的持续性,应制定明确的通信协议与接口标准及规范,适应未来的技术进步及需求变化。

3 城市轨道交通信号系统简化架构的应用

CBTC(基于通信的列车控制)系统的出现极大提高了运输效率,为地铁系统带来了更高的灵活性及安全性。20世纪80年代,多伦多士嘉堡快轨线和温哥华天车世博线率先应用了CBTC系统,标志着基于通信的列车控制技术在城市轨道交通中的真正落地。21世纪初,我国城市轨道交通建设引入CBTC,经过多年的发展和实践,形成了一套适应国情的、具有自主知识产权的CBTC系统架构,继承了原始CBTC系统的优点,并根据实际需求进行了一系列的优化创新,使其在众多的城市轨道交通项目中得到了广泛应用。但随着我国城市轨道交通线网规模的不断扩大,经典的CBTC系统逐渐暴露出一些问题,如系统的复杂性导致维护成本增加,其扩展性与灵活性也受到了限制[5]。为解决上述问题,可采用精简的CBTC系统架构,适应更大规模的线网及更高的运行效率。

3.1 计算机联锁与ZC的融合与ECU的革新优势

计算机联锁与ZC(区域控制器)的一体化是将这两大核心模块部署在同一个安全计算机平台上,形成统一高效的整体系统控制设备,简化系统的复杂性。传统的分散式布局意味着两个系统之间需要大量的接口及通信,这不仅增加了设计及维护的复杂度,还可能导致潜在的故障点,而一体化设计可使系统变得更加紧凑高效,提高系统的整体可靠性。随着技术的进步,新型设备取代了传统的组件,为系统的简化及可靠性提供了新的可能性。与传统的继电接口相比,ECU具有体积小、性能高、可靠性强的优势,大幅度减少需要的物理空间,由于ECU的高度集成和优化设计在运行中更加稳定,提高了系统的整体可靠性,使用ECU替代继电器设备可节约大量的设备及维护成本,确保系统的长期稳定运行。

3.2 加固CBTC主用系统

CBTC的稳定性与可靠性直接影响整个轨道交通的正常运作,该系统的架构简化可采用WSC设备,保证系统的连续性及可靠性,采用双套冗余配置,即使其中一套系统出现故障,另一套系统可以立即接管,确保整个系统的稳定运行,搭载3取2的安全计算机平台,只要三个计算单元中的两个给出相同的计算结果,那么该结果就被视为正确,抵御高达三次的计算单元故障,进一步提高系统的可用性。但无论系统内部如何稳健,外部通信的稳定性也是不容忽视的。特别是车与地之间的无线通信,一旦出现中断,可能会对轨道交通的运营产生巨大影响。为解决这一问题,可应用双套双路无线网络系统。例如,使用1.8 GHz LTE-M网络和5.8 GHz Wi-Fi6网络增强通信的稳定性,提高无线网络的可靠性。

3.3 取消点式后备系统

随着技术的进步与创新,主用CBTC系统经历了多轮升级与完善。经过深入的技术研发及应用验证后,现代CBTC系统已达到了相当高的稳定性及可靠性。因此,系统降级运行即在某些条件下切换到较低技术水平或功能的运行模式的概率大大降低。当主用CBTC系统的可靠性得到了显著提升,某些传统的、作为备用或降级方案的系统将被重新审视。点式后备系统原本是一种保障措施,确保在主用系统出现问题时轨道交通依然可以继续运营,尽管可能是在较低的效率及功能性下,但随着主用CBTC系统的加固,这种后备系统的存在价值已经被大大削弱,其功能变得多余,在经济和维护上变得不再经济。因为维持这种后备系统需要大量的资源,包括轨旁的LEU有源应答器、配套的线缆及其他相关设备。取消点式后备系统是基于技术和经济双重考量的,可节省大量的投资及运营成本,包括购买、安装、维护及更新轨旁设备的费用,表示了对主用CBTC系统的高度信任及依赖。