新一代城轨信息化体系中 ATS系统发展

郜春海，刘 波，简锐锋，郭 辉



新一代城轨信息化体系中 ATS系统发展

郜春海，刘 波，简锐锋，郭 辉

（交控科技股份有限公司，北京 100070）

首先介绍城市轨道交通信息化建设的发展趋势，即通过采用云平台和大数据技术解决当前城轨信息化建设中的问题。随后讨论在新一代信息化建设的大背景下，作为城轨信息化体系中ATS（列车自动监控）系统的发展方向。根据ATS系统自身发展的需要，进一步说明ATS系统应该深度融合到城轨新一代信息化建设中。基于这些趋势分析，从ATS系统既有系统架构特点、数据流、安全完整度需求、信息安全需求、网络化发展等方面，重点论述ATS纳入云平台的可行性，并对ATS系统的云部署方案进行深入探讨。

城市轨道交通；信息化；云平台；列车自动监控系统；云部署

1 云平台和大数据技术是城轨新一代信息化建设的发展趋势

随着我国城市化进程的不断深入，城市规模不断扩大，城市人口不断增多。交通拥堵、出行不便已经成为城市发展的顽疾。为了解决这些问题，许多城市的轨道交通已经开始从单线运营向线网运营转变。由于多采用系统分立建设方式，当前城市轨道交通信息化建设中相应弊端也逐渐显现。各系统自成体系，各自为政；相互之间资源无法共享，信息不能融合，“信息孤岛”由此产生[1]。

为解决上述问题，业内专家提出了采用云计算和大数据技术的新一代城轨信息化体系解决方案[2]。云计算采用计算机集群技术，通过资源池共享和弹性计算方式，可以提高资源复用率。采用云计算技术意味着不再一味追求硬件高性能，而是综合考虑成本、可用性等因素，利用规模经济降低单位运行成本，在保证系统功能和性能的前提下实现系统成本的最优[3]（见图1）。在城轨信息化建设中，统一规划、统一建设各信息系统共用的云平台，有助于解决传统建设模式带来的弊端。采用大数据技术，有助于各信息系统数据融合、数据挖掘，发现数据背后隐藏的规律和知识，提升运营水平，实现城轨从“业务运营”向“数据运营”转变。因此，采用云平台和大数据技术的新一代信息化系统解决方案是城轨信息化建设的发展趋势[4]。

图1 云平台示意

2 ATS融入城轨新一代信息化体系是其自身发展的需要

信号系统是城市轨道交通列车控制的神经中枢，负责保证列车运行安全，提高运营效率。作为信号系统主要组成的列车自动监控系统（ATS），同时也是城轨信息化体系中的重要组成系统。信号系统的发展方向之一是ATS系统的云平台化、数据融合化，从而深度参与城轨信息体系的一体化建设进程。作为城轨日常运输生产活动的管理核心，ATS系统云平台化和数据深度融合的发展需求，来自于行车调度指挥的发展需求。

2.1 行车调度指挥智能化和集成化的需要

智慧交通是城市轨道交通追求的目标。在城轨调度指挥方面，智慧交通体现在智能化行车指挥调度和智能化综合监控，即形成以智能化的行车调度指挥为核心，由城轨运营生产有关方面（例如：信号、供电、机电、CCTV、PIS、FAS等）组成统一的综合调度系统，具备综合决策能力，实现资源利用的最优化和调度决策的高效化。因此，智能化和集成化是城轨行车调度指挥的未来发展方向。

城轨行车调度指挥智能化期望达成的目标：当出现列车运行故障、客流突发性变化以及突发情况或灾害等非正常情况时，结合运营各方面信息以及成功处理历史案例，系统自动快速合理地确定调度方案，及时处理各种异常情况，最大限度地消除突发问题对线路运营造成的影响[5]。

城轨行车调度指挥集成化期望达成的目标：当城轨运营发生异常事件时，在有限时间内通过与其他运营生产系统的自动联动关系，完成问题的处理。这要求城轨行车调度与其他专业调度信息互通、资源共享、密切联动，从而提高城轨整体运营调度的可靠性、及时性和正确性。

2.2 网络化运营的需要

对于逐渐形成网络的城市轨道交通，多条线路的运营必须协调，整个城市轨道交通体系才能更加安全、可靠，运行效率才更高。各条运营线路之间信息需要充分共享，以便统一指挥与协调。当一条线路出现突发情况时，可以启动应急预案，统一协调指挥，各线路运营相配合，使异常情景对整个线网运营影响最小化[6]。建立一个集监测、控制和管理为一体的统一的线网调度中心是城轨网络化发展的要求。

2.3 全自动运行的需要

全自动运行系统是城轨列车控制自动化发展的新阶段；在客运、维护维修、行车控制等方面，与既有轨道交通系统相比均有大幅度的提升，实现了高可用、高可靠和高安全。目前全自动运行系统在城市轨道交通建设领域呈现逐渐升温的态势[7]。

全自动运行对多系统间信息交互的准确性、及时性提出更高的要求。通过将信号、综合监控、视频监视、乘客信息、广播、站台门等多专业系统深度集成，实现系统间的数据流向简洁化，统一数据源，加快系统信息化，增强系统间联动，从而形成综合调度系统，为全自动运行提供有力支撑。在北京地铁燕房线中所采用的以行车指挥为核心的综合自动化系统架构示意如图2所示。

智能化和集成化行车调度指挥、网络化运营、运营应急管理发展和全自动运行的需要，促使ATS系统云平台化和数据融合化，为形成高水平的综合调度奠定坚实基础。

图2 以行车指挥为核心的综合自动化系统架构

3 实施ATS系统云平台化的方式

ATS云平台化方案需要满足ATS既有系统架构特点、系统性能需求以及安全完整度要求，同时需要考虑在新一代信息化统一云平台中的ATS信息安全；此外，还需要兼顾ATS系统智能化和集成化的发展趋势，满足信息融合需求，实现网络化的综合智能调度指挥系统。

3.1 既有ATS系统的特点

单线ATS系统由中心ATS和车站ATS组成，其典型系统结构如图3所示。

图3 单线ATS系统典型结构

它具有如下的特点和要求。

3.1.1 主备双中心ATS设置

既有的城轨运营调度指挥一般采用双中心ATS设置，即控制中心ATS和备用中心ATS。控制中心ATS是主用的中心控制系统。当控制中心ATS故障时，可以使用备用中心ATS，继续对全线列车进行自动监控。主、备中心ATS之间需要同步状态数据，保证控制状态的一致。

3.1.2 车站ATS

车站ATS实现对本集中站站区信号设备和列车的就近监控，在车站ATS基础上，中心ATS实现全线指挥调度功能。运营期间，如果中心发生故障，则要求在车站ATS仍可保证列车按照当日计划继续正常运行。因此，车站ATS是整个ATS系统监控功能的基础保证。

ATS系统与其他信号系统是在车站ATS层面实现接口。由于各信号系统SIL（安全完整性等级）各不相同，例如ATP、CI是SIL4级，而ATS是SIL2级。为了保证不同级别系统的安全性，ATP、CI等系统与ATS系统的网络是分别设置的：ATP、CI等系统采用信号安全网，而ATS系统采用ATS网。车站ATS作为ATS系统的基础，与信号安全网接口，实现ATS与其他信号系统数据的交互。

3.1.3 关键设备冗余热备配置

为了保障城轨运营监控的稳定，需要保证ATS系统的高可靠性。ATS系统的关键设备，例如车站分机、中心应用服务器等，需要采用冗余热备配置，系统整体不能存在单点故障。通过设备的冗余配置，实现系统的高可靠性。

3.1.4 采用封闭的数据流

为了保证监视信息和控制命令的准确可靠，保证行车监控的安全，ATS显示和命令数据流应是封闭的。即数据流的各处理节点应属于ATS系统。

3.1.5 与其他生产系统接口

在控制中心和备用中心，ATS系统需与PA、PIS、无线、时钟、综合监控、TCC/SCC系统接口。

3.1.6 与线网级ATS接口

各单线ATS需与线网级ATS接口机通信，向线网级ATS汇报线路状态，接受线网ATS的控制命令。

3.1.7 安全完整度等级要求

ATS系统安全相关功能（例如：临时限速设置与取消）需要达到SIL2级要求。需通过通信回路的二次交互确认安全软件开发流程，保证安全功能的实现。

3.1.8 信息安全要求

ATS系统作为信号系统的组成，在既有城轨信息安全建设中，一般从信号系统整体角度考虑信息安全问题。信号系统网络是专有的相对封闭的网络，相对于公用网络，面对的信息安全威胁较小。需从网络、主机、应用和数据4方面来保证信号系统的信息安全。例如，将信号系统网络设置为一个安全域，网络对外出口设置防火墙；在信号网络边界处部署入侵检测系统和边界流量监测，并对日志进行分析审计；部署杀毒软件等。

随着城轨运营网络化以及中心调度集成化、智能化的发展，在ATS系统基础上，提出了建设城轨线网级ATS的需求。线网级ATS是基于整个城轨线网层面的监控系统，集中监视线网运营状况，并根据网络化运行图组织各线运营，从而实现线网统一调度和跨线运营等。在发生紧急事件时，可在线网级ATS启动应急预案，统一协调处理突发事件。在中心，线网级ATS需要与各单线ATS接口，收集各线路的状态信息和运营数据，下发运行计划和控制命令。

3.2 ATS云部署要点

基于以上单线ATS系统和线网级ATS的要求和特点，结合云平台技术现状，ATS云平台化的部署如图4所示。

1）中心ATS纳入城轨中心云平台中。其中，工作站宜采用桌面云终端，应用服务器、数据库服务器、接口设备采用云主机服务。为保证ATS存储数据的安全可靠，应设置专有的磁盘阵列设备。而对于城轨双控制中心设置，虽然当前云平台可以提供双活中心方案，但主备中心之间难以实现进程级的内存状态同步。所以，仍需要ATS系统自身进行处理，在应用级实现控制状态的同步，保证控制中心故障时切换到备用中心仍可维持正常的列车监控。

图4 ATS云部署示意

2）车站ATS是整个ATS系统监控功能的基础，同时又与信号安全网接口。为了避免对信号安全网造成影响，且保证在城轨列车运行监控的稳定可靠，现阶段建议车站ATS不采用云部署方式，而维持传统的独立物理机部署方式。

3）云平台可以提供主用虚拟机故障情况下备用虚拟机自动启用功能（HA），甚至提供内存同步方式下虚拟机主备切换功能（FT），而其故障检测最多细化到进程终止检测。ATS进程中更细的故障检测，只能由ATS应用实现。因此，部署在云平台中的ATS关键设备的冗余热备方式仍需由ATS应用自身实现。对于这些部署在云平台的采用冗余热备配置的ATS设备，相互热备的虚拟机应采用反亲和性设置，避免当主机故障时导致相互热备的虚拟机同时失效。

4）ATS系统的数据流应是封闭的，数据流处理节点应由ATS系统提供，这要求ATS软件应与云平台分离，软件具有独立性。因此，ATS部署到云平台中宜采用IAAS方式，即，可将既有ATS软件部署到云平台虚拟机中，而ATS软件和数据流不受云部署影响。

5）在控制中心和备用中心采用统一的云平台，各专业生产系统纳入云平台后，就可具备实现数据融合的数据平台。在此数据平台基础上，ATS系统可与其他生产系统实现数据的共享和交互[8]。

6）线网级ATS可完全纳入中心云平台，其工作站可采用桌面云终端，线网级ATS服务器、数据库服务器都可采用云主机服务，并可采用云分布式存储方式。依托云平台中的数据融合平台，线网级ATS可以实现与单线ATS、各专业生产系统的数据融合与交互，极大提高线网级ATS的综合指挥能力。

7）对于ATS云平台化后的信息安全，由于云平台的桌面虚拟化、服务器虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化，需要重点考虑这些虚拟化带来的影响[9]。在单线中心ATS和线网级ATS部署到云平台后，可以考虑整个信号系统分为3个安全域：信号系统非云部署部分（含车站ATS）、云部署中心ATS部分、云部署线网ATS部分。在信号系统非云部署部分与云部署中心ATS之间，设置传统物理防火墙。在云部署中心ATS与云部署线网ATS之间，设置虚拟防火墙[10]。需保证ATS虚拟机只在本安全域内迁移。ATS安全域内的虚拟机和网络都需要部署入侵检测系统，对网络报文和虚拟机系统审计日志进行分析检测。

3.3 云部署对ATS安全完整度影响

ATS是涉及行车安全的SIL2级系统，需要重点讨论中心ATS采用云部署，是否会影响ATS系统的安全完整度。以ATS系统的典型安全功能“临时限速”为例，采用FMEA方法进行安全分析，识别保证临时限速功能安全所需采用的安全措施。通过分析云部署对这些安全措施的影响，从而说明云部署对ATS安全完整度的影响。

临时限速是城轨列车运行速度限制的重要手段。当线路存在异常或进行维修时，需要降低列车的通过速度，以保证安全。临时限速包含设置和取消功能，可以对指定线路范围设置列车通过的速度上限；当线路恢复时，可以取消所设置的临时限速。临时限速设置命令由ATS发出，由数据存储单元（DSU）处理和保存。

对临时限速功能进行FMEA分析如表1所示。从表中可看到，为保证临时限速功能的安全性，需采用的安全措施是：操作人员二次确认、ATS与DSU通信回路的二次交互、采用安全通信协议。这些措施依次属于界面设计、数据流设计和通信协议，都属于软件范畴。采用IAAS方式实现中心ATS的云部署，不会影响ATS既有的安全措施，所以不会影响临时限速功能的安全性。同样分析也满足于ATS其他安全功能。因此，采用IAAS方式的中心ATS云部署，不会影响ATS系统的安全完整度。

表1 临时限速功能FEMA

4 结语

云计算技术日新月异，笔者所提出的ATS云平台化方式不会一成不变，但ATS系统进一步智能化、集成化和云平台化的趋势不会改变。在未来的云技术支撑下，ATS将发展为更高水平的综合智能调度指挥系统，服务于城轨交通。

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（编辑：王艳菊）

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，从事城市轨道交通信号系统设计与研究，bo.liu@bj-tct.com