新一代城軌信息化體系中 ATS系統發展

郜春海，劉 波，簡銳鋒，郭 輝

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新一代城軌信息化體系中 ATS系統發展

郜春海，劉 波，簡銳鋒，郭 輝

（交控科技股份有限公司，北京 100070）

首先介紹城市軌道交通信息化建設的發展趨勢，即通過采用云平臺和大數據技術解決當前城軌信息化建設中的問題。隨后討論在新一代信息化建設的大背景下，作為城軌信息化體系中ATS（列車自動監控）系統的發展方向。根據ATS系統自身發展的需要，進一步說明ATS系統應該深度融合到城軌新一代信息化建設中?；谶@些趨勢分析，從ATS系統既有系統架構特點、數據流、安全完整度需求、信息安全需求、網絡化發展等方面，重點論述ATS納入云平臺的可行性，并對ATS系統的云部署方案進行深入探討。

城市軌道交通；信息化；云平臺；列車自動監控系統；云部署

1 云平臺和大數據技術是城軌新一代信息化建設的發展趨勢

隨著我國城市化進程的不斷深入，城市規模不斷擴大，城市人口不斷增多。交通擁堵、出行不便已經成為城市發展的頑疾。為了解決這些問題，許多城市的軌道交通已經開始從單線運營向線網運營轉變。由于多采用系統分立建設方式，當前城市軌道交通信息化建設中相應弊端也逐漸顯現。各系統自成體系，各自為政；相互之間資源無法共享，信息不能融合，“信息孤島”由此產生[1]。

為解決上述問題，業內專家提出了采用云計算和大數據技術的新一代城軌信息化體系解決方案[2]。云計算采用計算機集群技術，通過資源池共享和彈性計算方式，可以提高資源復用率。采用云計算技術意味著不再一味追求硬件高性能，而是綜合考慮成本、可用性等因素，利用規模經濟降低單位運行成本，在保證系統功能和性能的前提下實現系統成本的最優[3]（見圖1）。在城軌信息化建設中，統一規劃、統一建設各信息系統共用的云平臺，有助于解決傳統建設模式帶來的弊端。采用大數據技術，有助于各信息系統數據融合、數據挖掘，發現數據背后隱藏的規律和知識，提升運營水平，實現城軌從“業務運營”向“數據運營”轉變。因此，采用云平臺和大數據技術的新一代信息化系統解決方案是城軌信息化建設的發展趨勢[4]。

圖1 云平臺示意

2 ATS融入城軌新一代信息化體系是其自身發展的需要

信號系統是城市軌道交通列車控制的神經中樞，負責保證列車運行安全，提高運營效率。作為信號系統主要組成的列車自動監控系統（ATS），同時也是城軌信息化體系中的重要組成系統。信號系統的發展方向之一是ATS系統的云平臺化、數據融合化，從而深度參與城軌信息體系的一體化建設進程。作為城軌日常運輸生產活動的管理核心，ATS系統云平臺化和數據深度融合的發展需求，來自于行車調度指揮的發展需求。

2.1 行車調度指揮智能化和集成化的需要

智慧交通是城市軌道交通追求的目標。在城軌調度指揮方面，智慧交通體現在智能化行車指揮調度和智能化綜合監控，即形成以智能化的行車調度指揮為核心，由城軌運營生產有關方面（例如：信號、供電、機電、CCTV、PIS、FAS等）組成統一的綜合調度系統，具備綜合決策能力，實現資源利用的最優化和調度決策的高效化。因此，智能化和集成化是城軌行車調度指揮的未來發展方向。

城軌行車調度指揮智能化期望達成的目標：當出現列車運行故障、客流突發性變化以及突發情況或災害等非正常情況時，結合運營各方面信息以及成功處理歷史案例，系統自動快速合理地確定調度方案，及時處理各種異常情況，最大限度地消除突發問題對線路運營造成的影響[5]。

城軌行車調度指揮集成化期望達成的目標：當城軌運營發生異常事件時，在有限時間內通過與其他運營生產系統的自動聯動關系，完成問題的處理。這要求城軌行車調度與其他專業調度信息互通、資源共享、密切聯動，從而提高城軌整體運營調度的可靠性、及時性和正確性。

2.2 網絡化運營的需要

對于逐漸形成網絡的城市軌道交通，多條線路的運營必須協調，整個城市軌道交通體系才能更加安全、可靠，運行效率才更高。各條運營線路之間信息需要充分共享，以便統一指揮與協調。當一條線路出現突發情況時，可以啟動應急預案，統一協調指揮，各線路運營相配合，使異常情景對整個線網運營影響最小化[6]。建立一個集監測、控制和管理為一體的統一的線網調度中心是城軌網絡化發展的要求。

2.3 全自動運行的需要

全自動運行系統是城軌列車控制自動化發展的新階段；在客運、維護維修、行車控制等方面，與既有軌道交通系統相比均有大幅度的提升，實現了高可用、高可靠和高安全。目前全自動運行系統在城市軌道交通建設領域呈現逐漸升溫的態勢[7]。

全自動運行對多系統間信息交互的準確性、及時性提出更高的要求。通過將信號、綜合監控、視頻監視、乘客信息、廣播、站臺門等多專業系統深度集成，實現系統間的數據流向簡潔化，統一數據源，加快系統信息化，增強系統間聯動，從而形成綜合調度系統，為全自動運行提供有力支撐。在北京地鐵燕房線中所采用的以行車指揮為核心的綜合自動化系統架構示意如圖2所示。

智能化和集成化行車調度指揮、網絡化運營、運營應急管理發展和全自動運行的需要，促使ATS系統云平臺化和數據融合化，為形成高水平的綜合調度奠定堅實基礎。

圖2 以行車指揮為核心的綜合自動化系統架構

3 實施ATS系統云平臺化的方式

ATS云平臺化方案需要滿足ATS既有系統架構特點、系統性能需求以及安全完整度要求，同時需要考慮在新一代信息化統一云平臺中的ATS信息安全；此外，還需要兼顧ATS系統智能化和集成化的發展趨勢，滿足信息融合需求，實現網絡化的綜合智能調度指揮系統。

3.1 既有ATS系統的特點

單線ATS系統由中心ATS和車站ATS組成，其典型系統結構如圖3所示。

圖3 單線ATS系統典型結構

它具有如下的特點和要求。

3.1.1 主備雙中心ATS設置

既有的城軌運營調度指揮一般采用雙中心ATS設置，即控制中心ATS和備用中心ATS?？刂浦行腁TS是主用的中心控制系統。當控制中心ATS故障時，可以使用備用中心ATS，繼續對全線列車進行自動監控。主、備中心ATS之間需要同步狀態數據，保證控制狀態的一致。

3.1.2 車站ATS

車站ATS實現對本集中站站區信號設備和列車的就近監控，在車站ATS基礎上，中心ATS實現全線指揮調度功能。運營期間，如果中心發生故障，則要求在車站ATS仍可保證列車按照當日計劃繼續正常運行。因此，車站ATS是整個ATS系統監控功能的基礎保證。

ATS系統與其他信號系統是在車站ATS層面實現接口。由于各信號系統SIL（安全完整性等級）各不相同，例如ATP、CI是SIL4級，而ATS是SIL2級。為了保證不同級別系統的安全性，ATP、CI等系統與ATS系統的網絡是分別設置的：ATP、CI等系統采用信號安全網，而ATS系統采用ATS網。車站ATS作為ATS系統的基礎，與信號安全網接口，實現ATS與其他信號系統數據的交互。

3.1.3 關鍵設備冗余熱備配置

為了保障城軌運營監控的穩定，需要保證ATS系統的高可靠性。ATS系統的關鍵設備，例如車站分機、中心應用服務器等，需要采用冗余熱備配置，系統整體不能存在單點故障。通過設備的冗余配置，實現系統的高可靠性。

3.1.4 采用封閉的數據流

為了保證監視信息和控制命令的準確可靠，保證行車監控的安全，ATS顯示和命令數據流應是封閉的。即數據流的各處理節點應屬于ATS系統。

3.1.5 與其他生產系統接口

在控制中心和備用中心，ATS系統需與PA、PIS、無線、時鐘、綜合監控、TCC/SCC系統接口。

3.1.6 與線網級ATS接口

各單線ATS需與線網級ATS接口機通信，向線網級ATS匯報線路狀態，接受線網ATS的控制命令。

3.1.7 安全完整度等級要求

ATS系統安全相關功能（例如：臨時限速設置與取消）需要達到SIL2級要求。需通過通信回路的二次交互確認安全軟件開發流程，保證安全功能的實現。

3.1.8 信息安全要求

ATS系統作為信號系統的組成，在既有城軌信息安全建設中，一般從信號系統整體角度考慮信息安全問題。信號系統網絡是專有的相對封閉的網絡，相對于公用網絡，面對的信息安全威脅較小。需從網絡、主機、應用和數據4方面來保證信號系統的信息安全。例如，將信號系統網絡設置為一個安全域，網絡對外出口設置防火墻；在信號網絡邊界處部署入侵檢測系統和邊界流量監測，并對日志進行分析審計；部署殺毒軟件等。

隨著城軌運營網絡化以及中心調度集成化、智能化的發展，在ATS系統基礎上，提出了建設城軌線網級ATS的需求。線網級ATS是基于整個城軌線網層面的監控系統，集中監視線網運營狀況，并根據網絡化運行圖組織各線運營，從而實現線網統一調度和跨線運營等。在發生緊急事件時，可在線網級ATS啟動應急預案，統一協調處理突發事件。在中心，線網級ATS需要與各單線ATS接口，收集各線路的狀態信息和運營數據，下發運行計劃和控制命令。

3.2 ATS云部署要點

基于以上單線ATS系統和線網級ATS的要求和特點，結合云平臺技術現狀，ATS云平臺化的部署如圖4所示。

1）中心ATS納入城軌中心云平臺中。其中，工作站宜采用桌面云終端，應用服務器、數據庫服務器、接口設備采用云主機服務。為保證ATS存儲數據的安全可靠，應設置專有的磁盤陣列設備。而對于城軌雙控制中心設置，雖然當前云平臺可以提供雙活中心方案，但主備中心之間難以實現進程級的內存狀態同步。所以，仍需要ATS系統自身進行處理，在應用級實現控制狀態的同步，保證控制中心故障時切換到備用中心仍可維持正常的列車監控。

圖4 ATS云部署示意

2）車站ATS是整個ATS系統監控功能的基礎，同時又與信號安全網接口。為了避免對信號安全網造成影響，且保證在城軌列車運行監控的穩定可靠，現階段建議車站ATS不采用云部署方式，而維持傳統的獨立物理機部署方式。

3）云平臺可以提供主用虛擬機故障情況下備用虛擬機自動啟用功能（HA），甚至提供內存同步方式下虛擬機主備切換功能（FT），而其故障檢測最多細化到進程終止檢測。ATS進程中更細的故障檢測，只能由ATS應用實現。因此，部署在云平臺中的ATS關鍵設備的冗余熱備方式仍需由ATS應用自身實現。對于這些部署在云平臺的采用冗余熱備配置的ATS設備，相互熱備的虛擬機應采用反親和性設置，避免當主機故障時導致相互熱備的虛擬機同時失效。

4）ATS系統的數據流應是封閉的，數據流處理節點應由ATS系統提供，這要求ATS軟件應與云平臺分離，軟件具有獨立性。因此，ATS部署到云平臺中宜采用IAAS方式，即，可將既有ATS軟件部署到云平臺虛擬機中，而ATS軟件和數據流不受云部署影響。

5）在控制中心和備用中心采用統一的云平臺，各專業生產系統納入云平臺后，就可具備實現數據融合的數據平臺。在此數據平臺基礎上，ATS系統可與其他生產系統實現數據的共享和交互[8]。

6）線網級ATS可完全納入中心云平臺，其工作站可采用桌面云終端，線網級ATS服務器、數據庫服務器都可采用云主機服務，并可采用云分布式存儲方式。依托云平臺中的數據融合平臺，線網級ATS可以實現與單線ATS、各專業生產系統的數據融合與交互，極大提高線網級ATS的綜合指揮能力。

7）對于ATS云平臺化后的信息安全，由于云平臺的桌面虛擬化、服務器虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化，需要重點考慮這些虛擬化帶來的影響[9]。在單線中心ATS和線網級ATS部署到云平臺后，可以考慮整個信號系統分為3個安全域：信號系統非云部署部分（含車站ATS）、云部署中心ATS部分、云部署線網ATS部分。在信號系統非云部署部分與云部署中心ATS之間，設置傳統物理防火墻。在云部署中心ATS與云部署線網ATS之間，設置虛擬防火墻[10]。需保證ATS虛擬機只在本安全域內遷移。ATS安全域內的虛擬機和網絡都需要部署入侵檢測系統，對網絡報文和虛擬機系統審計日志進行分析檢測。

3.3 云部署對ATS安全完整度影響

ATS是涉及行車安全的SIL2級系統，需要重點討論中心ATS采用云部署，是否會影響ATS系統的安全完整度。以ATS系統的典型安全功能“臨時限速”為例，采用FMEA方法進行安全分析，識別保證臨時限速功能安全所需采用的安全措施。通過分析云部署對這些安全措施的影響，從而說明云部署對ATS安全完整度的影響。

臨時限速是城軌列車運行速度限制的重要手段。當線路存在異?；蜻M行維修時，需要降低列車的通過速度，以保證安全。臨時限速包含設置和取消功能，可以對指定線路范圍設置列車通過的速度上限；當線路恢復時，可以取消所設置的臨時限速。臨時限速設置命令由ATS發出，由數據存儲單元（DSU）處理和保存。

對臨時限速功能進行FMEA分析如表1所示。從表中可看到，為保證臨時限速功能的安全性，需采用的安全措施是：操作人員二次確認、ATS與DSU通信回路的二次交互、采用安全通信協議。這些措施依次屬于界面設計、數據流設計和通信協議，都屬于軟件范疇。采用IAAS方式實現中心ATS的云部署，不會影響ATS既有的安全措施，所以不會影響臨時限速功能的安全性。同樣分析也滿足于ATS其他安全功能。因此，采用IAAS方式的中心ATS云部署，不會影響ATS系統的安全完整度。

表1 臨時限速功能FEMA

4 結語

云計算技術日新月異，筆者所提出的ATS云平臺化方式不會一成不變，但ATS系統進一步智能化、集成化和云平臺化的趨勢不會改變。在未來的云技術支撐下，ATS將發展為更高水平的綜合智能調度指揮系統，服務于城軌交通。

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（編輯：王艷菊）

Discussion on the Development of an ATS System in the New Generation Information System of Urban Rail Transit

GAO Chunhai, LIU Bo, JIAN Ruifeng, GUO Hui

(Traffic Control Technology Co., Ltd., Beijing 100070)

This paper first introduces the development trend of urban rail transit information systems, that is, the use of a cloud platform and big-data technology to solve the current problems in urban rail information systems. The paper also discusses the development direction of Automatic Train Supervision (ATS) systems as a component of urban rail information systems under the background of the new generation of information construction. From the needs of the development of the ATS system, it is further shown that the ATS system should be deeply integrated into the new generation of urban rail information systems. From the analysis of these trends, from the aspects of ATS systems, such as current system architecture features, data flow, the requirements of safety integrity, and the requirements of information security and network development, the feasibility of integrating ATS into a cloud platform, and the cloud deployment scheme of the ATS system are thoroughly discussed.

urban rail transit; application of information technology; cloud platform; ATS system; cloud deployment

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.015

U231

A

1672-6073(2018)04-0077-05

2017-12-15

郜春海，男，教授，從事城市軌道交通信號系統設計與研究，bo.liu@bj-tct.com