城轨信号系统一体化工具平台分析与设计

骆正新，耿 鹏，邱锡宏

（通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070）

1 概述

自主知识产权的基于通信的列车控制（Communication Based Train Control，CBTC）系统目前作为市场主流信号系统，成功应用于国内城市轨道交通各条线路。随着城市轨道交通的不断建设和发展，针对信号系统开发和完善的关注度也在不断提高，对于信息化企业也提出了更高的要求[1]。CBTC是基于通信的列车控制系统[2]，包括车载控制器（Vehicle On Board Computer，VOBC）、列车自动监控（Automatic Train Supervision，ATS）、区域控制器（Zone Controller，ZC）、计算机联锁（Computer-Based Interlocking，CBI）等子系统，各子系统均需要配备数据配置、调试分析、安装部署、自动编译等工具。目前城市轨道交通系统集成项目各个生产环节存在自动化工具少、重复工作量大、资料共享实时性差、自动化程度不够、效率提升不明显等问题。为了解决上述问题，开展数据配置、调试分析、安装部署等CBTC 系统配套功能的一体化工具平台研究，并重点解决如下问题。

1）传统方式下，信号系统各产品相关工具单独设计，数据录入工作量大且低效。在输入数据上，包括图形化录入的站场数据及工程数据在各个产品由于格式或结构不一致存在重复，且无法直接共享。

2）传统方式下，图纸设计与产品数据隔离[3]。设计图纸与产品数据录入表的编制相互独立，容易出现图纸与数据无法完全对应的情况。

3）传统方式下，人工化的数据管理模式。数据基于本地存储模式极大依赖管理者的工作水平，工程项目整体的数据缺乏有效的统一管理工具。

4）传统方式下，数据配置、自动测试、自动编译、自动部署、调试分析相关工作质量和效率不高，且缺乏统一的管理和设计。

基于上述原因，随着城市轨道交通的快速发展，传统方式的配套工具已经无法与当前的系统集成任务量相匹配。

2 一体化工具平台分析与设计

本文研究的一体化工具平台，是集信号设计、数据配置、自动编译、自动部署、自动测试、安装调试、维护分析等各阶段的工具服务为一体的工具服务和数据管理平台。一体化设计克服了分散设计不完整性和片面性的缺点，提高了数据的利用率[4]。

一体化工具平台将CBTC 系统所有的配套生产工具的设计作为一个整体来考虑，利用设计图纸作为统一的数据来源，并梳理提取出所有工具需要的数据输入，形成一体化数据表。为了将既有工具快速实现平台化管理，在不修改既有工具原有逻辑及实现方式的情况下，提出了工具微服务化的重构设计方法，用最小的代价实现了配套生产工具的统一调用和版本管理。

2.1 一体化的标准数据表设计

问题1：如何解决各个产品相关工具的输入数据由于格式或结构不一致，导致重复录入并低效的问题

解决方案：“一体化的标准数据表”。

一体化的标准数据表是包括工程数据、设备编号、IP 地址、联锁表、各产品参数表等一系列的输入表。标准数据表的设计原则如下所示。

1）数据涵盖所有产品的输入：数据表的格式统一且前后版本兼容，可以方便CBTC 信号系统升级需要灵活扩展，如增加新的属性。

2）一体化标准数据表中的数据不存在重复，且方便录入校核，配套产品工具可以直接读取相应数据列或根据相应的数据列经逻辑推理转换得到其需要的输入数据。

3）一体化标准数据表按照集成业务中的工作阶段、内容、职责权限、产品或专业进行分表、分页、分列，并设置标记和权限，便于录入、校核和管理。

通过一体化数据表的梳理，也初步形成了平台综合数据库中最基本的数据。同时，平台配套的各工具服务，在输入数据上可以与平台解耦，完全可以单独通过人工审核确认的一体化数据表作为输入而完成配套功能服务。

2.2 一体化绘图工具设计

问题2：如何解决设计图纸与产品数据隔离的问题

解决方案：“一体化的绘图工具”。

一句话概括，使设计图纸标准化，让图纸会说话。

一体化标准数据表中所有的信息大部分来源于设计。设计给的输出是设计图纸或相关设计输入表，需要减少或避免数据录入工作，并避免出现设计与产品不一致。

基于CAD 软件二次开发，扩展CAD 的功能，根据设计图例及设计原则，实现标准的信号图元图例。在图纸的绘制过程中，自动获取、推理并表达出设计图纸的内涵，内涵包含了一体化标准数据表中需要的内容。

一体化绘图工具是以基于CAD 二次开发技术，利用标准化图元，提供信号图元绘制、编辑、属性编辑及部分自动绘制、图元关系导出及存储的功能，通过信号平面图和其他输入获取工程相关数据，建立统一的数据平台。同时，利用信号平面图等设计文件为输入，作为统一的数据源，并预留转换为信号系统各产品需要的输入数据接口，以及导出设计相关图纸接口，如联锁表和配线图等。

平台基于设计阶段的数据源，为信号系统集成全过程提供统一的标准数据库，确保在后续数据配置、测试验证等阶段的工作具备一致的输入，减免二次绘图、数据重复处理以及标准化等工作，可极大提高集成实施的效率。

2.3 一体化的数据管理平台设计

正确完整的数据，是保证城市轨道交通信号系统软件实现各种功能、满足用户需求、保证列车安全运行的前提。设计图纸在整个工程系统集成设计阶段中，可能根据实际情况不断调整，从而引起一体化标准数据表、信号系统数据配置等后续产品数据的变化。需要保证所有环节的数据变化实时协同联动数据变化及时且正确。

1）如图1 所示，以设计图纸和相关输入作为统一的数据源，通过在平台上更新上传对应的设计图纸后，平台根据图纸重新建立并更新综合数据库中数据源，并支持自动更新导出一体化标准数据表中的对应数据。

图1 一体化工具平台数据流Fig.1 Data flow of integrated tool platform

2）按照工程项目，实现对集成业务各阶段的数据链条的记录与查询。

各个产品输入输出以及测试、发布等这些数据均可以通过平台上记录的数据进行查询和追踪。

2.4 一体化的工具管理平台设计

CBTC 系统配套的单个生产工具自身相对较独立，基于微服务的架构，均可以封装成一个或拆分作为一体化工具平台中的1 个或多个微服务。利用Spring Cloud 分布式服务治理，通过消息总线通信实现对所有配套工具服务的管理和调用。

3 平台整体架构设计

一体化工具平台整体采用C/S 架构，如图2 所示，平台分为3 个部分，主要包括用户层、应用管理层以及综合数据平台。

图2 一体化工具平台软件整体架构Fig.2 Software overall architecture of integrated tool platform

用户层：个人终端运行一体化绘图软件或数据配置相关客户端，用于提供用户界面以及相关辅助功能。

应用管理层：应用服务器运行平台的核心运算部分，提供辅助绘图、数据采集以及图纸、数据版本管理、自动编译等CBTC 系统配套生产工具服务。

综合数据平台：数据库服务器运行综合数据平台相关组件，设计以及数据配置阶段的数据存储。CBTC 集成业务的统一数据源，数据库包含设计阶段以及数据配置阶段的所有数据，为后续图纸以及数据配置文件的生成提供基础。一体化工具平台主要功能设计如下。

1）CBTC 产业化全周期配套工具服务

一体化工具平台的工具服务集，作为提供城轨信号系统项目配套产业化的工具使用管理功能，支撑集成业务从系统设计至完成工程版软件发布等阶段的全周期业务。

2）数据的查询和数据转换服务

一体化工具平台的综合数据库，存储了信号系统的工程数据图图形化录入数据和相关工程输入参数，为信号系统所有产品提供统一的数据源，支持站场界面数据、一体化标准数据表自动生成和导出，并可提供差异化转换实现各产品需要的输入数据的生成。

3）各阶段数据管理

一体化工具平台的后台服务，提供对城轨信号系统集成项目各阶段配套工具使用过程中的输入及输出及整个数据链的所有数据的管理和追朔功能，并支持对设计图纸及数据的修改、保存、上传和下载。

4）对配套生产工具的统一调用和版本管理。

采用微服务架构[5]设计理念，将单个工具设计为单个或多个服务，平台实现配套生产工具服务的统一调用和管理。微服务架构中，业务因拆分而变得独立，且可以带来诸多好处，帮助解决单体架构或面向服务架构中的一系列问题[6]。基于微服务架构，对既有的单机版生产工具(单体架构)可以进行封装，实现软件模块的微服务化，同时实现软件的远程调用。通过以上封装方式不需要改变现有基础功能模块的编码方式，只需在原有程序架构上进行封装与调用，在实现软件基础功能的同时，提供网络化在线服务。基于微服务的单机版工具重构方法，包含基于微服务的一体化工具平台接口和单机版生产工具程序封装两部分，如图3 所示。

图3 工具微服务化重构设计方法Fig.3 Tool microservice refactoring design method

a.一体化工具平台：实现对单机版工具服务端口的监听与请求命令；

b.单机版工具服务：包含对既有单机版工具服务功能的封装及对服务端口的监听与响应。

一体化工具平台提供的配套工具服务主要包括城轨综合数据库、辅助设计工具、各子系统数据转换以及配置工具、自动编译工具以及现场调试工具等，如图4 所示。

图4 一体化工具平台配套工具服务Fig.4 Supporting tool services of integrated tool platform

4 一体化平台配套工具服务设计

4.1 辅助设计服务

一体化绘图工具，用于提供辅助设计功能，实现辅助设计的输入数据共享[7]。基于CAD 二次开发，支持对信号图元和图元属性自定义，图元相关属性和关联关系自动计算，可实现设计图纸的辅助绘制或自动生成，如完成室内图纸、室外图纸、工程数据表等的自动生成，并以可视化的界面提供设计数据的调整。

为辅助设计快速绘图，如可支持自定义常规典型站并加入图库配置，并可通过拼接或裁剪等方式完成信号平面图或工程数据图的快速绘制。

一体化绘图工具的功能如图5 所示，通过设计图纸获取工程相关数据，建立统一的综合数据库平台。实现工程数据图的辅助绘制，定义图中各元素属性，并生成设计数据表格（联锁表、工程数据对照表、驱采表等）。工具提供界面对相关数据进行审核，并生成各子系统统一数据库。最终通过调取数据库数据，并结合设计配线规则生成设计图纸。

图5 一体化绘图工具功能流程示意Fig.5 Functional flow diagram of integrated drawing tool

4.2 信号系统数据配置服务

基于服务平台实现产品数据配置，能够有效衔接信号系统多产品的配置过程，加强数据共享，提高数据配置效率。同时能够搜集过程数据，总览工作过程及数据拓扑关系，实现过程分析，促进生产调优[8]。CBTC 系统涉及VOBC、ZC、CBI、ATS、仿真测试环境等各个子系统。各子系统实现相应的功能需求进行数据配置。系统数据作为各子系统的基础数据，是将信号机、道岔、检测设备等设备的位置及相互关系，通过工具根据相关规则进行有效配置，转换成信号系统的软件逻辑[9]。

数据配置服务用于支持CBTC 系统中所有产品的数据配置工作。基于一体化数据作为输入，实现VOBC、ZC、CBI、ATS、仿真测试环境等配置数据的自动生成，同时提供审核以及修改界面，实现数据的审核以及修改。

如图6 所示，对于功能安全等级为SIL4 的设备，如CBI 设备，由于其数据的准确性对信号系统的安全性与可靠性至关重要[10]，一体化工具平台通过提供双链数据配置工具服务，保障数据安全性。配置数据可用于安全计算机平台，既可作为计算数据使用，也可为软件组件提供初始值等[11]。对于T3 类数据配置工具，安全产品数据配置工具采用双链设计理念，即工具研发时采用不同的开发语言、不同的开发团队；工具使用时在输入数据相同的基础上，对比双链工具输出结果的一致性，提高数据准确性。

图6 双链数据配置工具输入与输出Fig.6 Dual-link data configuration tool input and output

4.3 平台支撑管理服务

平台支撑管理服务用于实现对综合数据平台的支撑管理，实现用户管理、系统配置管理、设计以及数据版本管理、设计以及数据变更记录、数据查询等功能。作为CBTC 集成业务的统一数据，数据库包含设计阶段以及数据配置阶段的所有数据，为后续图纸以及数据配置文件的生成提供基础。通过一体化工具平台统一提供对图纸的更新上传和下载，确保在后续数据配置、测试验证等阶段的工作使用的输入与前期一致，并减免其他产品二次绘图、数据重复录入等工作，提高整体集成实施的效率。

5 结语

通过集信号设计、数据配置、自动编译、自动部署、自动测试、安装调试等城轨信号系统集成各阶段的工具服务为一体的工具平台设计理念，实现配套生产工具的平台化管理及数据链条的平台化管理，相关成果已经通过天津4 号线、杭海城际线、西安机场线等十几条实际工程的检验，提升了城轨信号系统集成实施效率和管理质量。一体化工具平台提供的CBTC 信号系统产业化工具会随着工程应用不断推广而更加完善，除了创造的经济效益，平台带来的整体效率和管理质量的提升会愈发显著。工具服务的平台化管理及工程项目数据链的平台化管理，作为城轨列控系统数字化生产链条的关键一环，将会为保障信号系统安全可靠运行，实现城轨事业高质量发展保驾护航。