周公建 李建全
卡斯柯信号有限公司
FAOTS型全自动列车控制系统是卡斯柯信号有限公司全自主研发的面向海外用户的全自动列车操控系统，安全等级达到SIL2。该系统采用适合于海外项目的组态化设计，灵活适配当地用户习俗及操作习惯；功能方面不仅可实现对列车的自动唤醒、自动运行、自动洗车以及存车休眠等，还集成了最新的区间入侵检测、智能化列车区间运行监视和区间失电检测等综合联动功能，满足海外项目集中化控制（Integrated Central Centre）的应用场景，提升调度决策效率，完全适配海外项目的人员精简化的智能运营要求。
1、FAOTS型全自动列车控制系统说明
卡斯柯信号有限公司在轨道交通行业中有着34年的列车运行控制技术积累，所研制的自动列车监控系统（ATS）已成功应用于国内数十条地铁线路。2012年底，卡斯柯作为总承包方开通了北京地铁6号线以ATS为核心的综合调度系统，在国内首次集成十多个跨专业调度监控类系统。
基于这些基础，卡斯柯研制的全自动列车操控系统（GOA4），成功应用于香港地铁南岛线、澳大利亚悉尼西北线等已开通运营项目，目前正在实施的项目还包括澳大利亚悉尼西南线项目, 墨西哥轨道交通项目。这标志着该系统得到业界认可，同时，借助于海外项目获取的全新运营理念和项目实施经验，有力推动国内同类产品的升级换代，确保我国的轨道交通列车运行控制技术始终站在全球的技术前沿。
FAOTS系统的研发严格遵循EN50126、EN50128和EN50129相关标准和流程，安全、测试和质量独立于开发工作，项目开发之初就与德国技术监督协会（TUV）签署安全认证合同，采用开发认证同步进行的方式，使项目的开发从开始到结束全过程都在第三方的安全监督下进行，保证系统本身和开发过程的安全性。
2、FAOTS型全自动列车控制系统架构
ATS系统作为地铁信号系统的重要组成部分服务于行车调度领域，为行调人员提供良好的可视化界面，使其能够即时了解现场信号设备状态和列车运行情况，控制列车按计划运行，方便地处理各种突发事件。
ATS采用区域集中式架构，分为中心和车站子系统，系统架构分别如下图1所示：
控制中心设备房包括：应用服务器，数据库服务器，通信服务器和网关服务器。控制中心大厅包括：调度员工作站，运行图工作站和维护工作站。车站设备包括车站本地服务器，车站工作站等设备。所有的设备借助于ATS的深灰和浅灰网络连接在一起。外部接口通信服务器考虑网络信息安全，部署在特定隔离区(DMZ)中，信号系统和外部系统均通过防火墙实现信息交互，从而确保整个信息系统的信息安全。
全自动列车操作系统满足SIL2安全要求、满足信息安全等级保护三级信息安全要求、符合地铁运输需要的轨道交通智能列车调度及运营管控，实现实时数据统一获取和存储、多维数据融合处理、跨业务智能联动等功能。
全自动列车操作系统是一套跨专业多源大数据融合的集成系统，以行车指挥为核心，集成与行车指挥密切相关的专业子系统，利用大数据和人工智能分析技术，对车、电、机进行统一监督管理，对设备进行全生命周期的维护和管理，全面实现轨道交通运营的自动化和智能化。全自动列车操作系统除了具备信号设备管理、ATC设备管理、列车追踪和管理、在线时刻表管理、自动列车调整、扣车/跳停管理、出入库管理、自动进路管理、离线时刻表管理、区域管理、事件/报警管理、乘客信息管理、车辆管理、回放和培训、统计分析、降级联动管理等常规基本功能外，还集成了最新的区间入侵检测、智能化列车区间运行监视和区间失电检测等众多一体化综合联动功能，大大提升了调度决策效率，缩短了指挥反应时间，满足全自动无人驾驶项目集中化管控（ICC）运营要求。
为适配海外国家和地区的用户习俗、操作习惯及特殊功能需求，系统技术方案采用集中化维护管控，自动采集来自列车的各种故障信息和状态信息，采取可视化界面，模拟实图显示列车当前的状态，并且针对告警采取动画模拟的方式，实时显示现场的故障点和故障类型，使得维护人员一目了然。参考各国对设备告警的要求（基于可替换单元设计），告警界面功能设计采用面向故障处理为中心的设计理念，全面平衡行调，值班员和维护人员之间的职责分配和相关业务的协调沟通功能。
3、FAOTS系统的创新点
FAOTS系统在研制过程中，充分吸取了传统有人驾驶项目的实施经验，同时在面向海外用户需求的基础上，重新设计了全自动列车操作系统，并引入了一系列的创新点：
1) 区域集中化的系统架构
该系统在架构设计上参考了国内分散自律的主流ATS设计架构，改为采用更加符合海外项目要求的“区域集中化“的系统架构设计，实现集中式轻量级部署，具备高度的系统配置灵活性和成本优势。如下图2所示，明确定义了整个FAOTS的系统组件分布和明确对外部的接口信息。
图2 FAOTS型系统组件部署图
2) 基于多源信息融合的综合业务安全实时处理平台
基于多业务信息融合，具体的信息源包括多专业各个调度监控系统等，各种业务数据源的数据将通过适配器转换为标准格式，并通过高速缓存接入到系统中。用于多业务信息融合的数据清洗、信息抽取和数据融合等服务将通过数据共享总线以微服务的方式实现，这样可以增加系统的灵活性。融合后的数据将导入到支持大数据存储的数据仓库中，同时将通过并行处理框架来实现在大规模集群下的并行处理。大数据分析的结果将作为业务处理的依据，存储到业务库中。自底向上分为如下几层：
数据存储层：使用关系型数据库对结构化数据进行存储；使用NoSQL数据库来存储半结构化和非结构化数据。两种数据存储都采用主从备份和读写分离技术来提高数据访问的效率和可靠性。
数据访问网关：通过这一层从各种异构数据源中获取数据，以屏蔽异构性的统一的数据格式为关系融合和处理提供数据。同时，为了进一步提高数据访问的效率，将构建分布式缓存。
联动引擎控制：通过服务总线将各项服务集成在一起，采用基于活动事件的联动引擎设计，负责多业务处理等操作流程的控制。
3）基于组态的触摸屏设计
采用了组态化显示技术和最新的FO图符显示技术，全面支持目前桌面PC操作/移动终端触摸屏设计，用户在日常人工干预过程中，借助于多种终端设备直接完成现场设备的控制动作。整个界面根据当地国家的语言、文化、法律、习惯要求，对界面布局及图标设计进行不断的优化和改进，满足系统人性化使用要求，并避免当地运营人员的错误理解或是错误操作。如图3所示，界面分为告警栏，主站场图界面和操作工具栏三部分；不同级别的告警采用不同的颜色表示。主界面采用形象化设计，便于分析和操控。操作工具栏存放全局相关操作，区分站场图操作。
图3 FAOTS型ATS系统站场显示图
4）多专业集成联动设计
为解决全自动无人驾驶系统中多专业缺少协调联动的问题，系统集成了最新的区间入侵检测、智能化列车区间运行监视和区间失电检测等众多一体化综合联动功能，实现多系统之间的信息交互和集成互动，现场多专业同步控制，提升了对城市日常运营的管理水平和一些紧急情况的自动提前干预，将故障的影响降至最低。系统大幅提升了调度决策效率，缩短指挥反应时间，使得无人驾驶控制系统更加自动化、智能化和人性化。
强大的多专业集成联动的运营辅助决策。对于部分区域故障中断运营的情况下，本系统则直接设计了现场的各种故障模式，自动提供故障情况下，辅助决策功能，经调度员确认后，直接投入运营，快速帮助调度员恢复现场的运行。
几种典型的联动场景如下：
为防范列车火灾，一般都增设车载火灾自动报警系统，具备车载烟感探测器，列车控制管理系统也会将相应的告警信息上传至控制中心。控制中心的操作员需要第一时间进行判定。在控制中心的操作员需要第一时间对火灾进行响应，因此全自动控制系统需要自动关联相关的综合监控专业，视频监控专业，广播系统和信号专业等多专业进行联合动作。
列车区间属于全封闭空间，维修人员需要通过部署在区间隔断的防侵门方可以进入区间作业。为提高对维护人员的防护，需要对防侵门和区间线路进行监控，一旦检测到门被打开，或者视频监控检测到轨道区间有人员走动。如图4所示，外部入侵点可能存在误报，系统提供了分化的旁路功能，便于操作员根据现场情况，处理相应的错误输入，避免对运营的影响。同时，主界面也会通过不同的颜色区分显示，便于用户了解现场是否有设备被旁路。
图4 联动控制点状态显示图
为了避免现场突然发生的失电情况下，后续运行的列车运行至失电区间，进而导致列车救援困难的情况发生，系统需要对失电区间提前自动执行扣车，防止正在运行的后续列车再次闯入失电区域。同时对于已经进入该区间的列车执行停车控制，尽量防止列车进入过多进入失电区域，从而尽可能避免机车救援。
5）最严格的安全认证要求
为满足海外用户对功能安全的严苛要求，专门设计了安全交互协议，如下图5所示，确保整个交互的可靠性和防止人为操作错误。系统研发严格按照EN50128:2011标准进行，并增加了数据审核，应用工具方面的证据收集，细化操作系统接口函数的分析，同时除了侧重流程上的要求，更加强化了功能安全的设计要求，最终顺利通过了独立第三方SIL2评估认证，树立了同类产品的研发标杆。
图5 FAOTS型安全交互图
6）完善的信息安全方案：
为应对日益增强的信息安全威胁，系统强化信息安全框架建设，在应用安全方面采用基于双因素认证的身份鉴别技术，建立面向角色和控制区域的权限管理体系、并通过动态密钥协商算法、加密算法和消息认证码来确保通信的完整性和保密性。
7）基于告警的设备维护模式
提供了丰富的可视化车载全方位信息的展示页面，所有的告警均经过精心的设计，真正实现了用户基于告警来进行设备的维护，强大的车次窗信息显示，实时反馈无人驾驶列车的运行状态，一旦现场有任何故障都会立刻以最明显的状态显示。图6就是整个车辆信息的监控画面，仿照列车的外形，根据设备的布置位置，形象化罗列了车辆的设备运行状态，极大方便了现场维护人员的维护。
图6 FAOTS型车辆信息监控图
4、FAOTS系统在海外项目中的应用
本项目研发的全自动列车操作系统已成功应用于香港地铁南岛线、澳大利亚悉尼西北线等已开通全自动无人驾驶运营项目，不仅实现了对列车的自动唤醒、自检、自动出库回库、正线运行、自动洗车以及存车休眠等各种工况的全自动化管理，还可以实现对线路故障情况下的降级运营支持，大大提高了系统的自动化智能化程度和安全性，提高了运营和维护效率，得到各地业主的一致好评。同时，借助于海外项目获取的全新运营理念和项目实施经验，有力推动国内同类产品的升级换代，确保我国的轨道交通列车运行控制技术始终站在全球的技术前沿。
