城市轨道交通信号系统的简化架构研究与实践

城市轨道交通信号系统的简化架构研究与实践

江鹏良陈志航

福州地铁集团有限公司运营事业部，福建 福州 350000

摘要：在城市轨道交通工程中，信号系统是非常重要的内容。信号系统在城市轨道交通运营中发挥着关键控制作用，对列车的可靠运行至关重要。设施设备的维护是保证信号系统持续正常工作的前提之一。本文就城市轨道交通信号系统的简化架构进行研究，以供参考。

关键词：城市轨道交通;信号系统;简化架构

引言

随着城市轨道交通线路及CBTC系统的落地实践数量增加，现有城市轨道交通信号系统的结构性问题也逐渐暴露出来，如不同层级子系统依赖性过高、各种数据接口多而复杂、系统较为封闭信息闭塞等。这些问题导致了线网层级的信号系统设备利用率较低，增加了建设投资维护成本，并制约了线网统筹运营管理，提高了互联互通、维护改造的执行难度。

1信号系统的列车控制模型

城市轨道交通线路信号系统一般采用基于通信的列车自动控制系统（CBTC），CBTC采用《基于通信的串控制（CBTC）性能和功能要求》（IEEE1474.1-2004）关于移动闭塞列车控制（以下简称“列控”）系统推荐的典型安全制动模型，根据系统的列控安全模型，在系统控制模式下，需要考虑列车自动运行（ATO）停车点与列车自动防护（ATP）停车点之间的距离以及列车位置的不确定性。列车在运行过程中，车载系统会给出2条运行曲线，一条是ATO运行曲线，列车按ATO推荐速度运行；一条是ATP运行曲线，当列车运行速度突破ATP速度限制时，会触发紧急制动，列车将按ATP运行曲线运行。对应2条运行曲线的停车点，分别称之为ATO停车点和ATP停车点，2个停车点一般情况下不重合。信号系统在控制列车运行的过程中，由于列车定位误差、测速误差、车辆牵引制动参数的漂移等因素，致使在控制列车定位过程中，存在一定的位置不确定性。2个停车点差值距离与位置不确定性距离之和体现在工程设计中，即为信号系统的保护区段。信号系统保护区段的长度对车站、车辆基地的建筑规模有着较大的影响。下文所述信号系统需满足以下条件：（1）采用基于无线通信方式的移动闭塞制式；（2）列车最高运行速度不超过120km/h；（3）列车的运行由ATP/ATO系统完成，不考虑人为操作延迟的影响。

2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。

3城市轨道交通信号系统简化架构的具体实践与方法

3.1基本架构

信号系统不仅包含ATP、CI等与行车安全密切相关、安全性需求高的子系统，也包含ATS、MSS等安全性需求适中的子系统。根据安全需求的不同，信号云平台可以划分为2部分，其中涉及列车运行控制安全功能的部分为行车安全云，具体包括测速测距、移动授权计算、联锁逻辑处理和安全数据交互等；而其他如仅涉及调度指挥、设备维护诊断功能的部分则为通用安全云。安全云服务器应与硬件绑定，并与非安全云或其他云的硬件实现物理隔离，保证安全云应用服务对于硬件资源独享性，确保整个逻辑计算处理存储过程的独立安全。此外，传统CBTC信号系统包括许多嵌入式系统设备，在信号系统功能上云后，尽管新的云平台硬件、软件会替代部分原有信号系统设备，但也有一些重要功能无法通过虚拟化方式实现，如采集、执行、供电等功能。因此，仍需保留相关功能设备并部署于安全云平台边缘，包括轨旁设备（如转辙机、信号机、计轴和应答器等）、列车车载设备、执行单元、硬件接口单元及电源设备等。

3.2列车区间运行等级冗余

列车区间运行等级在日常运行设置为中间档位，通常还设置有更高运行等级和较低的运行等级，运行等级越高的区间运行速度也越快，因此区间运行时间也将缩短。最高运行等级即为此区间线路允许的最大速度。

2.3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。

2.4计算资源架构

计算资源包括服务器（应用服务器、数据库服务器、接口服务器）、工作站（调度员/调度长工作站、时刻表/运行图编辑工作站、维护工作站）。中心级服务器硬件（应用/接口服务器采用云主机，云管从虚拟资源池统一分配计算资源，数据库服务器考虑信号系统特殊性采用裸金属服务器）纳入云平台管理，软件由ATS系统提供，保留ATS系统既有架构不变。虽然云平台本身具有冗余和备份功能，但不能满足ATS系统主/备无扰切换需求，因此ATS系统切换逻辑由主/备双套的ATS系统软件完成。此外，云平台还可以为同一专业多条线路的数据库服务器提供共享存储空间，提高服务器利用率。培训系统相关设备一般仅在培训时开机，可以考虑将其纳入云平台，使用时通过云管为其分配相应的虚拟机分区即可。也可以保留其全套硬件，作为信号系统初期调试的备份系统使用。

2.5安全性要求

系统安全。满足信息安全三级等保要求，确保系统主机安全、网络安全等。业务安全。云平台需满足与业务要求一致的SIL等级要求，保证安全性、可靠性。根据信号系统安全云平台的基本架构，云平台部分包括行车安全云和通用安全云。信号系统中与行车安全密切相关的子系统，如联锁、ATP等子系统一般需满足SIL4安全等级，而其他子系统如ATS子系统等则满足SIL2安全等级即可。由于系统功能上云后云平台部分也应满足相应的安全等级要求，因此，行车安全云需满足SIL4安全等级，而通用安全云则需满足SIL2安全等级。

结语

信号系统故障产生影响的本质是列车无法按图运行，最终表现为延误。制定运输组织方案的主要目的通常是为了消除或控制故障产生的延误。因此，根据延误传播理论，划分延误类型为单列车延误和连带延误，若连带延误持续影响即产生延误的传播。信号系统作为涉及行车安全的重要系统，系统运行数据是作为现在轨道交通大数据平台的重要组成部分。信号ATS系统作为列车行车调度指挥的“大脑”，存储着大量线网列车运营数据，对于将其融合到线网大数据云平台，为实现城轨智能化、智慧化有着非常重要的意义。

参考文献

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［3］戴翌清．城市轨道交通信号系统更新改造需求分析［J］．城市轨道

交通研究，2022，25(11):14－17，22．