城市軌道交通信號系統(tǒng)解決方案

■ 徐國平

0 引言

隨著國內(nèi)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的大力發(fā)展，近10年來，有20多個大中城市建設(shè)近千公里的城市軌道交通線路。作為城市軌道交通“大腦”的信號控制系統(tǒng)，是提高運營效率、保證行車安全及乘客舒適度的關(guān)鍵?；谕ㄐ诺囊苿娱]塞系統(tǒng)（CBTC）是當前世界軌道交通列車控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是近年來國內(nèi)外使用的最先進的一種閉塞系統(tǒng)。

為打破國外軌道交通信號技術(shù)壟斷，加速我國城市軌道交通信號系統(tǒng)國產(chǎn)化進程，卡斯柯信號有限公司從1994年開始啟動智能列車監(jiān)控子系統(tǒng)（iTS）的開發(fā)。2009年智能安全型計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)（iLOCK）開發(fā)完成并通過國際第三方獨立安全認證?，F(xiàn)在智能列車控制子系統(tǒng)（iTC）開發(fā)完成。歷經(jīng)17載的技術(shù)攻關(guān)，最終開發(fā)并推出了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的城市軌道交通信號系統(tǒng)解決方案——基于通信的智能型移動列車控制系統(tǒng)（i CMTC）。

1 iCMTC系統(tǒng)方案

基于通信的智能型移動列車控制系統(tǒng)采用目前最先進的基于通信的移動閉塞技術(shù)，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)地面與車載控制、車站與中央控制相結(jié)合，是一個集行車指揮、運行調(diào)整、安全間隔防護以及列車自動駕駛等功能為一體的移動閉塞列車運行控制系統(tǒng)。

1.1 iCMTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

iCMTC系統(tǒng)繼承了卡斯柯信號有限公司現(xiàn)有的成熟地鐵信號系統(tǒng)解決方案（URBALIS 888系統(tǒng)）良好的架構(gòu)設(shè)計。

i CMTC系統(tǒng)由以下子系統(tǒng)組成：

（1）iTC。監(jiān)控列車安全運行，通過iTC車載部分和軌旁部分構(gòu)成信息閉環(huán)控制，實現(xiàn)移動閉塞控制功能。

iTC是iCMTC系統(tǒng)的一個核心子系統(tǒng)，由車載和軌旁兩部分組成。車載部分包括車載控制器（iCC）和駕駛員接口（DMI）；軌旁部分包括區(qū)域控制器（ZC）、線路控制器（L C）、編碼器（L E U）和歐式信標（BEACON）（見圖1）。

（2）iTS。提供自動或由人工控制進路功能，實現(xiàn)行車調(diào)度指揮，并向行車調(diào)度員和外部系統(tǒng)提供信息。

（3）iLOCK。執(zhí)行iTS功能命令，管理進路、道岔和信號控制，并將進路、計軸、道岔和信號等狀態(tài)信息提供給iTS和iTC子系統(tǒng)。

（4）DCS。通過網(wǎng)絡(luò)通信和無線通信，實現(xiàn)iCMTC系統(tǒng)各設(shè)備之間的安全信息和非安全信息傳輸。

（5）MSS。對iCMTC系統(tǒng)各設(shè)備的狀態(tài)進行檢測、診斷和集中報警，幫助維護人員進行故障設(shè)備定位和維修。

i CMTC系統(tǒng)中，iLOCK、iTS、DCS和MSS子系統(tǒng)為既有成熟產(chǎn)品，已在多個項目中應用。iTC子系統(tǒng)正按照EN 50126/50128/50129標準自主研發(fā)，已處在系統(tǒng)集成和現(xiàn)場中試階段。

圖1 iCMTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 iTC

1.2.1 子系統(tǒng)組成

（1）i C C。主要實現(xiàn)兩大功能：一是自動列車防護（ATP）。根據(jù)安裝在列車車身上的編碼里程計、信標天線和安裝在軌旁的歐式應答器進行列車安全測速和定位。通過采集駕駛員輸入和軌旁有源信標或區(qū)域控制器獲得的變量信息和EOA信息，確定列車的駕駛模式，并對列車的速度、間隔、能量、退行、車門開關(guān)等進行監(jiān)控，在列車發(fā)生超速、超能、冒進、退行時對列車施加緊急制動，保證列車運行和乘客安全；二是自動列車駕駛（ATO）。根據(jù)安裝在列車車身上的編碼里程計、信標天線和安裝在軌旁的歐式應答器進行列車精確測速和定位。根據(jù)運行調(diào)整指令（來自iTS的運行調(diào)整命令或司機人工調(diào)整停站時間）自動駕駛列車運行，保證列車運行時的乘客舒適性和自動精確停站。

（2）DMI。用于顯示車載控制器信息的專用車載嵌入式計算機，通過車載以太網(wǎng)與列車頭尾2個車載控制器連接。DMI是車載控制器與列車駕駛員的接口，根據(jù)車載控制器請求，通過聲音、圖像等方式將列車運行狀態(tài)和輔助駕駛信息通知列車駕駛員，從而輔助駕駛員駕駛列車。

（3）ZC。實現(xiàn)移動閉塞控制的核心設(shè)備，對其管轄區(qū)域范圍內(nèi)所有列車的安全間隔進行防護和管理。ZC根據(jù)車載控制器發(fā)送的位置報告或軌道區(qū)段的占用檢測，為每列列車創(chuàng)建自動保護區(qū)域（AP），通過管理區(qū)域內(nèi)的AP和軌旁狀態(tài)為每一列通信列車計算移動授權(quán)（EOA）和安全變量信息，并將其發(fā)送給車載控制器，以實現(xiàn)對列車安全間隔的防護。

（4）LC。管理iTC子系統(tǒng)內(nèi)部軟件版本和安全時鐘同步，并接收來自iTS子系統(tǒng)的臨時速度限制（TSR）設(shè)置和修改，將線路TSR發(fā)送給車載控制器。

（5）LEU和BEACON。LEU接收iLOCK子系統(tǒng)的軌旁變量信息，將其編碼后通過信標發(fā)送給車載控制器。BEACON分為有源信標和無源信標。信標沿軌道布置，用于列車越過信標時定位列車。有源信標與LEU連接，將軌旁變量信息傳遞給車載控制器。LEU和信標提供軌旁iLOCK子系統(tǒng)和車載控制器之間的接口，用于實現(xiàn)后備模式（降級模式）功能。

1.2.2 開發(fā)流程

iTC核心子系統(tǒng)嚴格按照歐洲鐵路應用標準EN 50126/50128/50129開發(fā)，執(zhí)行高標準的質(zhì)量控制。（1）項目開發(fā)采用設(shè)計、測試、安全和質(zhì)量相獨立的組織結(jié)構(gòu)。（2）系統(tǒng)開發(fā)過程采用安全生命周期模型（V Cycle），安全生命周期模型各個階段的輸入和輸出嚴格通過審核、驗證和批準。（3）系統(tǒng)確認測試采用嚴格的零缺陷出口標準。（4）系統(tǒng)開發(fā)過程和安全由國際第三方安全機構(gòu)進行獨立安全認證。（5）系統(tǒng)開發(fā)采用標準推薦的組合故障安全和反應故障安全技術(shù)。（6）安全相關(guān)軟件采用標準推薦的形式化開發(fā)方法，使用經(jīng)過SIL4級認證的SCADE工具進行開發(fā)。

1.2.3 主要技術(shù)特點

iTC子系統(tǒng)符合“故障-安全”原則，安全完整性等級為SIL4。主要技術(shù)特點體現(xiàn)在以下方面：（1）車載控制器硬件采用“2取2”結(jié)構(gòu)，通過相異設(shè)計和雙通道安全輸出比較來提高系統(tǒng)的安全性。（2）車載控制器軟件采用安全編碼處理器（VCP）技術(shù)和數(shù)字集成安全保證邏輯（NISAL）編碼技術(shù)，使系統(tǒng)發(fā)生隨機錯誤的不可檢出率達到SIL4級要求，保證系統(tǒng)的高安全性。（3）車頭車尾的車載控制器構(gòu)成冗余，根據(jù)設(shè)備的可用性等級實現(xiàn)自動主備切換，保證系統(tǒng)的高可用性。（4）軌旁設(shè)備統(tǒng)一采用卡斯柯信號有限公司自主研發(fā)的通過國際第三方SIL4級獨立安全認證的軌旁安全平臺（TSP）。該平臺采用雙系并行控制的“2乘2取2”技術(shù)、在線檢測（BIT）技術(shù)和相異性（DIV）技術(shù)，以保證軌旁系統(tǒng)的安全完整性等級達到SIL4級要求。（5）車載輸入/輸出模塊的安全輸入和輸出采用并接方式連接，構(gòu)成雙驅(qū)雙采工作方式。（6）系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間采用SACEM安全通信技術(shù)，使用雙24位SACEM編碼和時間標簽技術(shù)，保證安全數(shù)據(jù)交換的安全性和時效性。

1.3 iLOCK

iLOCK是iCMTC系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)符合“故障-安全”原則，是以微處理器為基礎(chǔ)的計算機聯(lián)鎖信號控制系統(tǒng)。它是卡斯柯信號有限公司引進法國阿爾斯通公司（ALSTOM）SMARTLOCK系統(tǒng)核心技術(shù)，結(jié)合我國鐵路運營技術(shù)條件，經(jīng)過二次國產(chǎn)化開發(fā)而成的一種安全型計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

iLOCK綜合運用“反應故障-安全”、“組合故障-安全”和“固有故障-安全”技術(shù)，采用雙CPU表決輸出方式，比采用單一安全技術(shù)的系統(tǒng)具備更高的安全性。

該系統(tǒng)自2009年開始已廣泛應用于我國國家鐵路、地鐵等領(lǐng)域，如滬杭高速鐵路，虹橋樞紐，北京地鐵2號線、機場線和房山線，上海地鐵10號線，深圳地鐵2號線和5號線等。

iLOCK子系統(tǒng)的主要技術(shù)特點是：（1）采用“2取2”雙CPU結(jié)構(gòu)和NISAL技術(shù)。NISAL技術(shù)在基本邏輯運算之外提供一種獨立的安全校核，使得iLOCK系統(tǒng)比一般的“2取2”雙CPU結(jié)構(gòu)具有更高的安全度等級，保證系統(tǒng)的高安全性。（2）采用“故障－安全”通信協(xié)議與iTC系統(tǒng)交換安全數(shù)據(jù)，保證安全系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的安全性和時效性。（3）采用“2乘2取2”結(jié)構(gòu)和采集共享、并行驅(qū)動技術(shù)，最大程度地提高iLOCK系統(tǒng)的可靠性。（4）采用多處理器、相互獨立的計算機電源保護、防浪涌和雙重電源防雷、機箱屏蔽接地、分區(qū)濾波等技術(shù)，使iLOCK具有較高的防雷和抗干擾能力。（5）NISAL技術(shù)的采用能確保輸出驅(qū)動安全性的同時，簡化接口電路，降低系統(tǒng)成本。

1.4 iTS

iTS是基于現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的分布式實時計算機控制系統(tǒng)，與iLOCK子系統(tǒng)、iTC子系統(tǒng)、站臺設(shè)備等連接，為控制中心行車調(diào)度員和車站行車值班員提供信號和列車的監(jiān)控功能，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對列車的自動化調(diào)度和運行調(diào)整，從而減輕調(diào)度員和值班員的工作強度，優(yōu)化線路運行效率。

作為卡斯柯信號有限公司的既有成熟產(chǎn)品，iTS子系統(tǒng)在國內(nèi)外地鐵項目中得到了廣泛的應用，如伊朗德黑蘭地鐵1號線和2號線，北京地鐵2號線、9號線、機場線、房山線，上海地鐵1號線、10號線，深圳地鐵2號線和5號線等。

i T S子系統(tǒng)的主要特點是：（1）關(guān)鍵單元采用“1+1”防護，故障情況下冗余設(shè)備自動實現(xiàn)無擾切換。（2）采用分散自律功能配置，在中央故障時仍可完成大部分自動控制功能。（3）對于涉及安全的操作，采用高完整性控制安全協(xié)議（HILC），提供安全操作的二次確認，以確保安全。（4）對惡意入侵的實時監(jiān)測，保障系統(tǒng)的信息安全。（5）符合人機工程原理的標準化圖形用戶界面。（6）完善的故障診斷功能，減少系統(tǒng)維護時間。

1.5 DCS

DCS為iCMTC系統(tǒng)提供可靠的通信連接，主要由兩大部分組成：（1）DCS有線傳輸系統(tǒng)。為iCMTC信號系統(tǒng)提供信息交互傳輸通道，保證地面應用間正確的通信連接，同時也為軌旁設(shè)備和車載設(shè)備通信提供接口。（2）DCS無線傳輸系統(tǒng)。包括車載無線設(shè)備和軌旁無線單元，為軌旁和車載設(shè)備提供可靠、持續(xù)、雙向的通信服務(wù)。

DCS有線傳輸系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)采用基于同步數(shù)字傳輸（SDH）技術(shù)的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)解決方案，利用同步數(shù)字傳輸技術(shù)完善的保護機制確保信號應用通信具有更高的可靠性。DCS無線傳輸系統(tǒng)用于實現(xiàn)車輛與地面設(shè)備間的無線通信，根據(jù)車-地無線傳輸方式不同，系統(tǒng)支持自由無線和波導管兩種無線方案。DCS子系統(tǒng)采用冗余設(shè)計（紅網(wǎng)和藍網(wǎng)），具有高可用性、高帶寬、雙向自愈、組網(wǎng)靈活等特點。

1.6 MSS

MSS對iCMTC信號系統(tǒng)所有設(shè)備（包括電源設(shè)備）的工作狀態(tài)和電氣性能指標進行在線監(jiān)測和集中報警，收集并顯示包括iTS、iTC、iLOCK等子系統(tǒng)設(shè)備的報警信息，幫助維修調(diào)度人員計劃和制定預防性和糾正性維護作業(yè)。MSS子系統(tǒng)是iCMTC系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和維護輔助工具，具有智能化診斷、功能易擴展等特點。

2 iCMTC系統(tǒng)特點

iCMTC系統(tǒng)設(shè)計充分考慮國內(nèi)城市軌道交通現(xiàn)狀和用戶操作習慣，能夠滿足兼顧安全和高效運營的需要。主要技術(shù)特點體現(xiàn)在以下方面：（1）系統(tǒng)集成了多個既有的成熟子系統(tǒng)（iLOCK、iTS、DCS和MSS），這些子系統(tǒng)經(jīng)過充分應用驗證，技術(shù)穩(wěn)定可靠。（2）整個信號系統(tǒng)中所有安全子系統(tǒng)的安全完整性等級達到SIL4級，導致危險側(cè)的故障率低于10-9/h，確保系統(tǒng)的高安全性。（3）所有關(guān)鍵設(shè)備采用冗余熱備配置，故障情況下冗余設(shè)備之間自動實現(xiàn)切換，不影響系統(tǒng)正常運營。（4）在同一線路上，系統(tǒng)支持CBTC模式列車和點式后備模式列車的混合運營，并提供完整的SIL4級安全防護。（5）在點式后備模式下提供ATO功能，提高系統(tǒng)后備模式運營效率。（6）支持3種不同等級的運營模式——聯(lián)鎖模式、點式后備模式和CBTC模式，當無線通信不能正常工作時，系統(tǒng)可降級為后備模式或更低的聯(lián)鎖模式運行。（7）提供電信級的SDH骨干網(wǎng)，具有高帶寬、雙向自愈、組網(wǎng)靈活，可同時承載信號和實時多媒體，以及視頻監(jiān)控等多項附加應用等特點。（8）采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)項目需求靈活裁剪和擴充系統(tǒng)功能，滿足系統(tǒng)用戶需求。

3 iCMTC系統(tǒng)研發(fā)歷程

從1994年啟動iTS子系統(tǒng)自主研發(fā)到現(xiàn)在整個iCMTC系統(tǒng)的集成和中試，iCMTC系統(tǒng)解決方案的設(shè)計和開發(fā)集結(jié)了眾多中外信號專家的智慧與豐富經(jīng)驗。iCMTC系統(tǒng)具體研發(fā)歷程如下：

1994年，啟動iTS子系統(tǒng)的自主研發(fā)；

1998年，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的iTS子系統(tǒng)成功應用于伊朗德黑蘭地鐵1號線和2號線；

2002年，啟動iLOCK子系統(tǒng)的自主研發(fā)；

2005年，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的iLOCK子系統(tǒng)（采用“2乘2取2”結(jié)構(gòu)）研發(fā)成功；

2006年，iLOCK子系統(tǒng)通過鐵道部技術(shù)審查，被批準在客運特等站——上海南站投入使用；

2007年，啟動iTC核心子系統(tǒng)自主研發(fā)，從概念、設(shè)計到開發(fā)，整個過程由國際第三方進行獨立安全審查和認證；

2008年，iTS、iLOCK作為國產(chǎn)化URBALIS 888信號解決方案的子系統(tǒng)，成功應用于北京地鐵2號線和北京首都機場線；

2009年，iLOCK子系統(tǒng)通過國際第三方SIL4級獨立安全認證；

2011年，iTC子系統(tǒng)獲準在上海軌道交通10號線試車線進行現(xiàn)場動車調(diào)試；

2011年，iCMTC獲準在上海軌道交通張江實訓基地進行中試；

2012年，計劃iTC子系統(tǒng)通過國際第三方SIL4級獨立安全認證；

2012年，計劃推出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的城市軌道交通信號系統(tǒng)解決方案——i CMTC系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

隨著iTC子系統(tǒng)開發(fā)完成并通過國際第三方SIL4級獨立安全認證，以及與既有成熟子系統(tǒng)集成，卡斯柯信號有限公司將為中國城市軌道交通提供一個高安全性、高可靠性的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CBTC信號系統(tǒng)解決方案——i CMTC系統(tǒng)，這將成為中國城市軌道交通國產(chǎn)信號控制系統(tǒng)發(fā)展的里程碑。

i CMTC系統(tǒng)是基于車-地高速無線通信的移動閉塞系統(tǒng)，將在上海張江實訓基地完成現(xiàn)場中試，使其在系統(tǒng)可靠性、安全性、可用性、可維護性、行車間隔、停車精度以及可擴展性能等方面滿足運營要求，可應用于國內(nèi)大中城市的軌道交通線路。