根据交通运输部统计数据，截至2021年末，中国内地累计有51座城市开通城市轨道交通线路269条，总运营里程达8708km。其中北京、上海、广州、深圳、成都、重庆、西安、武汉、杭州、南京、天津、郑州、苏州、沈阳、青岛和大连共16座城市，运营里程超过200km，在全部开通轨道交通线路的城市中占比接近1/3。主要城市相继进入线网化运营阶段。

在中国，大型和特大型城市对轨道交通的需求强劲，线网规模仍在以每年30~40条的速度扩展，同时，伴随着城市规模的扩大，很多既有线路被延伸以缓解卫星城或新建城区的交通压力，为市民出行提供便利。

在列控系统的制式选择上，新建线路多选择CBTC系统以满足高密度运营的需求，ATS系统是CBTC系统中重要的子系统之一，主要功能是保证列车按照行车计划运行，对列车运行进行监控和调整等。当前，面对规模越来越大的城市轨道交通线网，现有ATS系统的一些缺陷逐渐暴露，限制了ATS系统的线网级应用。

（一）现有ATS系统存在的问题及相应对策

首先，现有的ATS系统不支持线网化，通常一套ATS系统只能管理一条线路，缺乏线网协同能力。

其次，系统升级工作量大，风险高。在延伸既有线或新增车站时，需要对ATS应用软件和HMI（Human Machine Interface，人机界面）进行修改，并在既有数据库中增加新的配置信息，开发工作量较大。为了不影响运营，软件升级只能在夜间进行，通常伴随着非常高的风险性，软件升级如果出现问题，可能会对第二天的运营造成影响。

第三，现有ATS系统不是无状态的，没有实现应用与数据库解耦，故障恢复后可能出现数据不一致的现象。

最后，现有ATS系统数据库主要使用国外的软件，如Oracle，SQL Server和DB2 等，尚未实现自主化。

在线网化运营阶段，上述问题一直困扰着城市轨道交通线路的运营建设和运营方。同时，随着线网规模的不断扩大，传统ATS所采用的IT架构已经无法适应线网化运营的要求，因此，为了更好的适应线网化运营的特点，需要建立一套可以管理多条线路，方便线网协同的ATS系统。

这套系统应能在新线接入，既有线延伸和新增车站时为开发人员提供便利。软件升级尽可能不影响既有系统的运行；系统应实现应用与数据库解耦，并使用国产或开源数据库系统。

线网级ATS系统应充分借鉴高并发、高可用IT架构的技术特点，采用云计算、NoSQL数据库和分布式数据库技术。

云计算因其高可扩展性、高可用性，经济以及安全等优势被越来越多的公司所重视。

Redis是当前使用最广泛的NoSQL数据库，Redis具有极高的性能，可以支持每秒十万次以上的读/写操作，远超关系型数据库。并支持集群、分布式、主从同步等配置；原则上可以无限扩展，只需要增加服务器内存即可；同时，Redis还支持一定的事务能力，这保证了高并发的场景下数据的安全和一致性。

以腾讯TDSQL为代表的分布式数据库产品，具备强一致高可用、分布式水平扩展、高性能、企业级安全等特性。目前 TDSQL 已经为超过500+的政企和金融机构提供数据库的公有云及私有云服务，客户覆盖银行、保险、证券、互联网金融、计费、第三方支付、物联网、互联网+、政务等领域。

使用云化架构，NoSQL数据库和分布式数据库，可以在实现高可用，高并发的同时，具备较好的灵活性，有效支撑线网级运营的需求，同时具有成本低，资源的利用率高等优点等。

（二）线网级ATS系统架构及其优势

图1 线网级ATS系统架构

线网级ATS系统由应用集群和数据库集群构成，架构如图1所示。

应用集群包含多个虚拟机，用于承载ATS应用。整个线网由多套ATS应用管辖，每套ATS应用管辖的线路范围可由用户综合考虑线网长度和虚拟机性能等因素确定，每套ATS应用系统部署在一对双机热备的虚拟机中。

采用虚拟机承载ATS应用，使得整个ATS系统水平扩展更加容易，新线接入或线路延伸只需要增加虚拟机数量即可，较少或不需要对既有ATS应用软件进行修改。从降低了新线接入，既有延伸时的工作量和安全风险。

数据集群包括实时数据库和历史数据库。

实时数据库可以使用Redis。集群版本Redis除了提供高速数据读写能力，拥有丰富的数据类型外，还能满足数据的持久化需求。它可以保证实时数据库工作时主节点（Master）和备节点（Slave）数据实时同步，主节点故障时，系统自动切换到备用节点接管业务，全程自动对业务没有任何影响，使得实时数据库具有非常高的可用性。

历史数据库可使用诸如腾讯TDSQL一类的自主化分布式数据库。考虑到地铁相关数据需要有极高的可用性，TDSQL可提供强一致高可用性，同时具有非常良好的线性水平扩展能力，可满足新线接入，或既有线延伸和新增车站过程中，在历史数据库中新增实例的需求。

线网级ATS系统还应实现应用与数据库解耦以及无状态ATS应用，ATS应用可利用标准化接口访问实时数据库及历史数据库，ATS应用故障恢复时，在任意虚拟机上重启ATS应用程序即可，无需考虑故障恢复后的数据同步问题。

线网级ATS系统HMI界面与ATS应用采用标准化数据接口，HMI可灵活配置，既可以每条线路使用独立的HMI，亦可多条线路合用一套HMI；新线接入或既有线延伸时，可以独立设置新的HMI工作站，无需对既有HMI工作站软件进行修改，从而降低了新线接入或既有线延伸时HMI改造的工作量。

线网级ATS系统针对新线接入的扩容施工如图2所示，延伸改造的情况与之类似。

图 2 新线接入ATS系统扩容示意图

相比于传统的ATS系统，支线网级ATS系统具有下列优势。

1、高可扩展性，系统升级和扩容和便利

新线接入或者既有线延伸时，仅需要在应用服务器集群中增加冗余的虚拟机并且在数据库集群中发放新的实时数据库和历史数据库实例即可。

新线接入，既有线的延伸线或新增车站时，可以独立设置新的HMI工作站，无需对既有HMI工作站软件进行修改。

新线接入，既有线延伸及新增车站时，对既有ATS系统应用软件、HMI和数据库无需修改或仅需进行较少修改，降低了系统升级扩容对运营的干扰，节约了施工时间，一定程度上避免了扩容施工造成的安全风险。

此外，应用集群算力，数据库集群存储空间也可按需求扩展。

2、可支持多线协同

一套ATS系统能够管理多条线路，有利于实现多线协同，可提高线路运营效率，充分利用线网运力。针对既有线网规划的不足，可以通过多线协同进行优化。此外，通过对线网资源统筹规划和统一建设，可以避免各线路资源重复建设，节约投资成本。

（三）未来的展望

时至今日，各行各业都已意识到云计算带来的诸多的便利以及利益，越来越多的企业开始重视云计算的应用和解决方案研发。云计算技术的发展，为构建线网级ATS系统奠定了基础。

当然，ATS业务上云还面临着诸多的挑战。首先，对地铁行业来说，这个全新概念的加入，必须经受严苛的运行环境的考验，技术人员以及操作流程需要花时间以及精力来适应全新的云计算技术。其次，云计算技术的引入也必将带来新的功能安全风险以及数据安全问题，必须谨慎应对。最后，统一不同厂家ATS系统间，ATS系统与列控系统接口，也需要经历艰苦的努力和漫长的过程。

线网级ATS系统是一个全新的探索性的话题，本文中提出的线网级ATS系统IT架构，虽然目前还有一些问题需要解决，但随着线网化运营的深入，我们有理由相信，线网级ATS系统具有广泛的应用前景。