城市轨道交通信号系统的实时数据接口研究

李润锦 许华阳

(广州铁科智控有限公司，510710，广州//第一作者，工程师)

城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制(ATC)系统和车辆段信号控制系统两大部分组成，具备列车进路控制、列车间隔控制、调度指挥、信息管理、设备工况监测及维护管理等功能。它是一个高效的综合自动化系统，是保证列车安全运行、实现行车指挥和列车运行现代化，以及提高运输效率的关键设备。

目前,我国城市轨道交通的信号系统厂商主要有西门子、GRS(通用铁路信号有限公司)、阿尔斯通、阿尔卡特、卡斯柯、铁科院等，各厂商的信号系统选择的技术路线、实现方式、系统结构等各不相同，甚至同一个厂家早期的信号系统与后续经过改进的信号系统也不尽相同。同时，由于信号系统在设计上一般都比较封闭，因此每一条城市轨道交通线路的信号系统基本都是独立运行、单独调度和监测。为方便管理，线网运营需要将各个系统整合并进行集中监测，因此城市轨道交通信号系统实时数据接口的研究显得尤为重要。

本文针对广州地铁采用的信号系统，提出信号系统数据传输方式及接口标准，并结合工程实际情况取得了一定的应用成果。

1 信号系统实时数据接口方案分析

针对目前广州地铁采用的信号系统，建立实时数据传输接口，该接口可适配于各个信号厂商系统，可对数据进行采集处理。根据实时数据接口的特性，各信号系统的数据架构和设备类型均存在一定差异，因而系统产生的相关信息在数据格式、传输方式、传输协议及数据存储等方面均不相同。

1.1 报警数据

通过标准接口的建立，实现其与信号系统的报警信息数据同步(标准接口一般与信号系统中的轨旁设备监测系统连接)，以及实现集中报警监测。报警信息原则上包含以下内容：

1)报警标志：信号系统内部用于对每条报警信息标记的唯一性ID(标志)；

2)报警级别：按重要程度和影响程度分为3个等级，一般按 A、B、C 3个等级进行划分，且每一种报警信息等级需单独定义；

3)报警时间：用于记录信号系统产生报警时的系统时间；

4)报警代码：信号系统内部用于标记报警信息的唯一性代号；

5)报警类型：用于对信号系统内部的同类报警信息进行分组，一般以设备类型或模块进行分类；

6)报警设备：用于确定发生报警的具体设备或模块，亦可以是关联的系统或设备(该条目信息不一定存在)；

7)报警内容：包含详细的报警信息内容和说明，用于提示维修人员快速确定报警设备并对其进行快速修复；

8)备注：用于记录其他尽可能详细的辅助信息。

标准接口以“报警状态+报警值”的方式进行统一设计，以实现各信号系统报警信息的标准化。报警信息中的“报警类型”即为报警状态，具体的“报警内容”即为报警值，且各信号系统的报警信息均应遵循统一规范。

1.2 列车状态数据

在城市轨道交通信号系统中，列车状态数据主要包括列车运行速度、驾驶模式及列车位置等信息。监测城市轨道线路上列车的运行状态，形成线网级的集中管理，一般需要包括以下信息：

1)时间戳：信号系统通过接口传输列车状态数据时显示的系统时间；

2)状态标志：用于对信号系统内部的每条列车状态信息进行标记的唯一性ID；

3)车次号：当前信息所属的列车车次号；

4)车体号：当前信息所属的列车设备编号；

5)目的地码：用于标记当前列车的目的地编码；

6)列车速度：用于指示当前列车的运行速度；

7)驾驶模式：用于指示当前列车运行的模式，包括人工驾驶模式和自动驾驶模式；

8)列车位置：用于指示列车在当前线路上所处的具体位置。信号系统一般使用计轴、应答器及区段等表示列车位置，并通过预先配置的相关信息对接口传输的数据进行解读和匹配。

列车状态数据的接口一般通过ATS(列车自动监控)系统实现，ATS系统中的报警数据格式应遵循统一的报警数据接口规范。

1.3 数据传输方式

目前，广州地铁使用的信号系统整体运行稳定，网络管理比较严格，病毒防范要求亦较高。因此，对于新增接口建议采用以下两种方式：

1)串口传输。信号系统的设计通常较为严格，特别是对于网络的要求亦非常高。为避免新增接口对原系统造成影响，防范病毒入侵，可考虑在原有接口的基础上使用串口的方式接入，通过串口外接数据接收设备，自定义数据传输协议，实现数据单向传输及报警信息实时同步。

2)网络传输。考虑到目前使用的信号系统整体运行稳定，不适宜对原系统的设计做太大改动，故应保持原信号系统数据传输的一致性，再加上列车状态数据的传输量非常大，因此可以使用网络接口RJ45，通过TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)来传输数据，这样既可以保证数据的及时传输，又不需要对原有信号系统进行大幅改动。同时，为了防范病毒入侵，一般在接入点增加硬件防火墙设备，通过配置防火墙参数，限制外部接口接入，保证信号系统安全运行。

3)网络转串口传输。为满足网络综合安全性和大数据量传输的要求，可使用网络转串口的设备模块。目前该类型的设备模块较多，技术比较成熟，既能满足大数据量的传输需要，又能达到网络隔离的效果。

1.4 传输协议

传输协议的数据格式应统一标准。实际操作时应首先确定传输方式，再规约需要的传输协议对数据进行封装。对于不同类型的数据以及不同的传输方式，均使用相同的传输协议，以实现后续各线路信号系统的无缝接入。

标准的传输协议包含帧头、版本号、帧类型、数据段长度、数据域、帧尾等项目，其相关内容和具体长度，应由各方在项目实施时具体确定。各方应遵循统一的传输协议格式，灵活配置帧头和帧尾(一般建议统一)，通过“帧类型”的数据帧来区分不同的信息，并进行相应解读和处理。

除报警数据和列车状态数据外，需额外增加心跳包，其中心跳间隔可灵活配置，以便用于监测接口是否正常运行。

1.5 数据存储

在数据接收设备上运行自主研发的适配器软件，根据约定的接口标准对接收数据进行翻译和处理，并增加线路信息，实时将相关数据保存到数据库，以实现数据的标准化及统一管理。通过在中央服务器建立的相关数据分析软件，实时对相关报警数据进行推送，同时前台软件界面通过数据调用，实时展现各线路运行图，实现多线路信号系统的线网级集中监测和管理，如图1所示。

图1 数据传输原理图

1.6 主要技术

1.6.1 网络结构模式

为了提高数据访问的便捷性及系统的可用性，降低系统的使用门槛，实时监测系统的前端应用宜采用B/S(浏览器/服务器)模式进行开发。

B/S架构是WEB(万维网)兴起后的一种网络结构模式。WEB浏览器是客户端采用的最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统可实现的部分核心功能集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器，即可实现数据的访问和交互，因而系统较易在多个终端上使用。

1.6.2 多线程技术

多线程技术是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。该技术可以充分利用系统资源，使得程序响应速度更快，从而提升整体处理性能。

信号系统的接口数据量非常大，只有通过优化数据处理的方式才能提升接口性能。应用多线程技术如同设置多人同时工作，当接收到大量数据并需要处理时，各线程可以按照自身设定的任务逻辑，同步处理各自需要处理的数据，避免了在单线程的条件下，数据因需逐个排队处理、耗费大量等待时间的情况。

1.6.3 模块化设计

模块化设计是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统。将这些子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，从而产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。

因信号系统厂家较多及线路逐渐增加，考虑到今后接口的扩展需要，接口的设计必须灵活配置，以便随时接入新的信号系统或新的线路。因此，接口应按功能模块进行设计，结合多线程技术，通过配置新接入的信号系统所匹配的功能模块，以独立线程运行的方式处理接入的数据，实现模块化的灵活配置，以及新系统或新线路的快速接入。

2 接口适配器软件的创新性

根据接口的设计规范进行接口适配器软件的开发。该软件用于配置与信号系统数据接口的连接，并对接收到的数据进行加工处理，从而提供给后台程序使用。信号系统报警数据的接收界面和前端数据的展示界面如图2所示。

图2 信号系统报警数据的接收界面

接口适配器软件的开发在我国城市轨道交通信号系统中尚属首创，该软件实现了多个信号系统的数据整合，其创新性主要体现在以下方面：

1)具备模块化、可扩展化的特性，针对不同信号系统定制不同的处理模块；

2)高效采集整合不同线路信号系统的报警信息，典型关键设备的故障准确率达92%以上；

3)可通过个人电脑、平板、手机等终端设备实时监测城市轨道交通信号系统的相关信息。

3 结语

接口适配器软件在城市轨道交通信号系统平台化建设中起着关键作用，通过软件可实现城市轨道交通不同线路信息的统一存储，实现管理信息的共享，从而提高线网运营的有效协作和快速反应。通过对不同厂商协议进行分析，便于制定后续标准数据接口规范，从而形成统一管理平台，不同信号厂商系统的数据在同一平台上集成利用。