計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在CBTC系統(tǒng)中的兩種集成方式

趙曉峰

趙曉峰:上海貝爾股份有限公司 工程師 201204 上海

在城市軌道交通中，基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)是一種新興的信號系統(tǒng)，車-地通信采用國際標(biāo)準(zhǔn)的無線通信協(xié)議，極大提高了信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通能力。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用中也獲得了新的發(fā)展，尤其在支持后備模式功能上起到了重要作用。按照重要程度的不同，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在CBTC系統(tǒng)中有兼容型和升級型2種集成方式。

1 兼容型集成方式

兼容型集成方式是指計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在系統(tǒng)中不處于功能核心地位，只是系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式后備模式而集成進(jìn)來的產(chǎn)物。換句話說，沒有計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖，該類系統(tǒng)依然可以實(shí)現(xiàn)完整的信號系統(tǒng)功能。具體集成方式見圖1。

圖1 兼容型聯(lián)鎖集成方式

由圖1可知，系統(tǒng)的功能核心是區(qū)域控制器，ATS系統(tǒng)向區(qū)域控制器發(fā)送CBTC進(jìn)路命令，區(qū)域控制器在收到命令后會(huì)進(jìn)行判斷。如果請求的進(jìn)路中沒有道岔，那么由區(qū)域控制器自己計(jì)算CBTC進(jìn)路上的移動(dòng)授權(quán)，并發(fā)送給車載控制器;如果請求的進(jìn)路中有道岔，那么區(qū)域控制器就向聯(lián)鎖發(fā)送辦理通過該道岔的聯(lián)鎖進(jìn)路命令，進(jìn)路辦理成功后，聯(lián)鎖通知區(qū)域控制器，然后區(qū)域控制器才能計(jì)算出移動(dòng)授權(quán)，并發(fā)送給車載控制器。

聯(lián)鎖主要負(fù)責(zé)與軌旁設(shè)備的接口，包括計(jì)軸、道岔、信號機(jī)、B信標(biāo)、R信標(biāo)、站臺緊急按鈕、站臺屏蔽門。B信標(biāo)和R信標(biāo)均是布置在軌旁且與信號機(jī)允許信號點(diǎn)燈電路相關(guān)聯(lián)的設(shè)備。當(dāng)信號機(jī)顯示允許信號時(shí)，B信標(biāo)才會(huì)上電，否則處于失電狀態(tài)，不同的允許信號關(guān)聯(lián)有不同的B信標(biāo)。R信標(biāo)用于指示信號機(jī)防護(hù)的進(jìn)路中的道岔位置，R信標(biāo)上電表示道岔定位，失電表示道岔反位。車載控制器通過檢測B信標(biāo)來判斷列車是否冒進(jìn)紅燈信號，檢測R信標(biāo)來決定是否需要在列車運(yùn)行前方將ATP限速降為道岔反位限速，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式后備系統(tǒng)。此外，聯(lián)鎖還負(fù)責(zé)將軌旁設(shè)備狀態(tài)發(fā)送到ATS系統(tǒng)。

采用兼容型集成方式的城軌信號項(xiàng)目有:上海6、7、8、9、11號線，北京4號線及大興線等。

2 升級型集成方式

升級型集成方式是指通過對傳統(tǒng)的、基于音頻無絕緣軌道電路的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖進(jìn)行升級，而得到CBTC系統(tǒng)環(huán)境下的新型聯(lián)鎖方式。其集成方式見圖2。

圖2 升級型聯(lián)鎖集成方式

由圖2可知，系統(tǒng)的功能核心是聯(lián)鎖，ATS系統(tǒng)向聯(lián)鎖發(fā)送進(jìn)路命令，聯(lián)鎖在建立進(jìn)路時(shí)，不再檢查區(qū)段空閑，只需檢查進(jìn)路中道岔位置正確或該道岔可以操作至規(guī)定位置，并且沒有其他敵對條件即可。當(dāng)區(qū)域控制器正常工作時(shí)，在收到聯(lián)鎖發(fā)送的進(jìn)路信息后，區(qū)域控制器回復(fù)信號滅燈命令，同時(shí)計(jì)算出該進(jìn)路上的移動(dòng)授權(quán)，并發(fā)送給車載控制器。當(dāng)區(qū)域控制器故障時(shí)，聯(lián)鎖在建立進(jìn)路后就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)燈。聯(lián)鎖向相鄰區(qū)域的聯(lián)鎖發(fā)送跨區(qū)域條件，包括:跨區(qū)列車位置、相鄰信號機(jī)狀態(tài)、方向條件等，從而確保列車跨區(qū)域的正常作業(yè)。聯(lián)鎖還與車載控制器建立無線通信，接收車載控制器發(fā)送的屏蔽門開關(guān)命令，并將屏蔽門狀態(tài)發(fā)回給車載控制器。

聯(lián)鎖主要負(fù)責(zé)與軌旁設(shè)備的接口，包括計(jì)軸、道岔、信號機(jī)、有源應(yīng)答器、LEU、站臺緊急按鈕、站臺屏蔽門。聯(lián)鎖和LEU采用串口通信，將進(jìn)路信息、道岔位置狀態(tài)信息、防護(hù)進(jìn)路鎖閉狀態(tài)信息、站臺屏蔽門開/關(guān)狀態(tài)信息等發(fā)送給LEU，由LEU通過軌旁的有源應(yīng)答器，將這些信息發(fā)送給車載控制器，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式后備系統(tǒng)。此外，聯(lián)鎖還負(fù)責(zé)將進(jìn)路狀態(tài)和軌旁設(shè)備狀態(tài)發(fā)送到ATS系統(tǒng)。

采用升級型集成方式的城軌信號項(xiàng)目有:上海10號線，北京2、9、10號線、亦莊線、昌平線、房山線，廣州4、6號線，深圳2、5號線等。

3 兩種集成方式的比較

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在CBTC系統(tǒng)中的2種集成方式在實(shí)際項(xiàng)目中均已有成功案列，不同的信號廠商根據(jù)已有系統(tǒng)特點(diǎn)和技術(shù)積累，選擇不同的集成方式。下面從操作和功能角度進(jìn)行詳細(xì)比較分析。

3.1 2種集成方式的相同點(diǎn)

2種集成方式下的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖都具有CBTC和后備2種模式。處于CBTC模式的聯(lián)鎖，均辦理聯(lián)鎖進(jìn)路，并輔助區(qū)域控制器計(jì)算移動(dòng)授權(quán);處于后備模式的聯(lián)鎖，均可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式后備，同時(shí)滿足TB/T 3027-2002《計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》的要求。

無論處于何種模式，2種集成方式下的聯(lián)鎖均與軌旁設(shè)備接口，包括計(jì)軸、道岔、信號機(jī)、站臺緊急按鈕、站臺屏蔽門等，控制軌旁設(shè)備，并將軌旁設(shè)備狀態(tài)發(fā)送至ATS系統(tǒng)。

3.2 2種集成方式的不同點(diǎn)

3.2.1 操作員角度不同

兼容型集成方式下的聯(lián)鎖不會(huì)把聯(lián)鎖進(jìn)路信息發(fā)送給ATS，而是由區(qū)域控制器發(fā)送移動(dòng)授權(quán)信息給ATS，所以ATS操作員看到的CBTC進(jìn)路其實(shí)是移動(dòng)授權(quán);而升級型集成方式下的聯(lián)鎖則會(huì)發(fā)送進(jìn)路信息給ATS，因此ATS操作員看到的進(jìn)路就是聯(lián)鎖進(jìn)路。

處于CBTC模式的聯(lián)鎖，如果是兼容型集成方式，聯(lián)鎖根據(jù)區(qū)域控制器的允許信號命令，將軌旁信號顯示相應(yīng)的允許信號，稱為點(diǎn)燈方式;如果是升級型集成方式，聯(lián)鎖則根據(jù)區(qū)域控制器的允許信號命令，將軌旁信號置為無顯示，即紅燈也沒有，稱為滅燈方式。

3.2.2 系統(tǒng)模式切換不同

兼容型集成方式下的聯(lián)鎖有明確的CBTC模式、后備模式，以及切換時(shí)的中間態(tài)——待機(jī)模式。聯(lián)鎖在2種模式之間切換時(shí)，不支持自動(dòng)切換，而只能人工切換。一個(gè)區(qū)域的聯(lián)鎖只能有一種模式，不支持區(qū)域內(nèi)的局部后備模式 (特別說明，區(qū)域內(nèi)的局部后備模式是由區(qū)域控制器和車載控制器配合完成的)。當(dāng)聯(lián)鎖接收到ATS的切換命令后，把當(dāng)前模式切換為待機(jī)模式，并啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)時(shí)間是聯(lián)鎖控制區(qū)域中進(jìn)路防護(hù)區(qū)段解鎖的最長時(shí)間，一般是180 s，以保證區(qū)域內(nèi)的列車均能停下，并且區(qū)域內(nèi)的進(jìn)路均能解鎖，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束后，該區(qū)域的聯(lián)鎖切換到人工命令要求的模式。

升級型集成方式下的聯(lián)鎖沒有明確的CBTC模式或后備模式，也沒有系統(tǒng)模式切換命令，聯(lián)鎖在2種模式之間自動(dòng)切換，所以稱之為CBTC狀態(tài)和后備狀態(tài)更為合適。當(dāng)區(qū)域控制器故障時(shí)，同一區(qū)域的聯(lián)鎖自動(dòng)轉(zhuǎn)為點(diǎn)燈方式，此時(shí)，整個(gè)區(qū)域的聯(lián)鎖切換到后備模式;當(dāng)區(qū)域內(nèi)某一列車的車載控制器通信故障，或司機(jī)主動(dòng)把列車降為點(diǎn)式級別(BLOC)運(yùn)行時(shí)，聯(lián)鎖自動(dòng)為該列車的前方信號機(jī)點(diǎn)燈，此時(shí)，區(qū)域內(nèi)的聯(lián)鎖切換到局部后備狀態(tài)。

3.2.3 后備模式原理不同

兼容型集成方式下的聯(lián)鎖通過計(jì)軸、B信標(biāo)和R信標(biāo)布置，實(shí)現(xiàn)的是雙紅燈防護(hù) (雙區(qū)間)的點(diǎn)式ATP模式，其主要特點(diǎn)是控制列車的最高允許速度。當(dāng)列車的實(shí)際運(yùn)行速度超過最高允許速度時(shí)，ATP將按制動(dòng)或緊急制動(dòng)曲線實(shí)施控制。正常運(yùn)行時(shí)，其速度-距離控制線為直線，列車在紅燈前的制動(dòng)由司機(jī)控制并完成，ATP不提供正常停車時(shí)的制動(dòng)曲線;當(dāng)列車速度超過“直線”的速度值 (區(qū)段最大允許速度)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)施緊急制動(dòng);當(dāng)列車冒進(jìn)紅燈時(shí)，系統(tǒng)實(shí)施緊急制動(dòng)。因此，B信標(biāo)往往布置在緊鄰信號機(jī)前方的位置，它距信號機(jī)的距離與列車上安裝的B信標(biāo)查詢器到最近列車邊緣的外懸距離相同。如果考慮車頭朝向問題，B信標(biāo)還需要布置在離信號機(jī)距離稍遠(yuǎn)的位置，它距信號機(jī)的距離就是列車上B信標(biāo)查詢器到最遠(yuǎn)列車邊緣外懸的長度。當(dāng)信號機(jī)防護(hù)的進(jìn)路中有道岔時(shí)，該信號機(jī)還需要關(guān)聯(lián)一個(gè)R信標(biāo)，其位置在信號機(jī)前方更遠(yuǎn)的地方，R信標(biāo)到信號機(jī)的距離應(yīng)能保證司機(jī)看到紅燈時(shí)緊急制動(dòng)能停下列車。每一組B信標(biāo)和R信標(biāo)只能反映相關(guān)聯(lián)的一架信號機(jī)的狀態(tài)，不同信號機(jī)的B信標(biāo)之間以及R信標(biāo)之間沒有任何關(guān)聯(lián)。

升級型集成方式下的聯(lián)鎖通過計(jì)軸和有源應(yīng)答器的布置，實(shí)現(xiàn)的是目標(biāo)-距離式的點(diǎn)式ATP模式，其主要特點(diǎn)是:根據(jù)列車可運(yùn)行的目標(biāo)距離，實(shí)時(shí)地計(jì)算允許列車運(yùn)行的最高速度，其速度-距離控制線為曲線。ATP系統(tǒng)為列車在紅燈前的制動(dòng)提供連續(xù)的速度控制曲線，當(dāng)列車的實(shí)際運(yùn)行速度超過實(shí)時(shí)計(jì)算所允許的最高速度或冒進(jìn)紅燈時(shí)，ATP系統(tǒng)實(shí)施緊急制動(dòng)。因此，有源應(yīng)答器也有類似B信標(biāo)和R信標(biāo)的布置原則，只是不同信號機(jī)的有源應(yīng)答器之間有關(guān)聯(lián)，即:聯(lián)鎖能通過LEU系統(tǒng)將后一架信號機(jī)的狀態(tài)關(guān)聯(lián)到前一架信號機(jī)狀態(tài)。此外，由于采用目標(biāo)-距離式的行車方式，進(jìn)路的防護(hù)區(qū)段相比雙紅燈防護(hù)的行車方式要短小，一般是100 m。

兼容型集成方式下的聯(lián)鎖所實(shí)現(xiàn)的雙紅燈防護(hù)點(diǎn)式ATP模式，僅支持列車點(diǎn)式人工ATP行車模式。

升級型集成方式下的聯(lián)鎖所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)-距離式的點(diǎn)式ATP模式，則支持列車點(diǎn)式ATO和點(diǎn)式人工ATP行車模式。

3.2.4 進(jìn)路類型不同

兼容型集成方式下的聯(lián)鎖支持的進(jìn)路類型有:自動(dòng)解鎖進(jìn)路、人工解鎖進(jìn)路、移動(dòng)閉塞進(jìn)路。處于CBTC模式的聯(lián)鎖，只有移動(dòng)閉塞進(jìn)路功能。在接收到區(qū)域控制器的進(jìn)路辦理命令后，聯(lián)鎖進(jìn)行進(jìn)路的登記、執(zhí)行和授權(quán);在接收到區(qū)域控制器的取消進(jìn)路命令后，聯(lián)鎖立即解鎖移動(dòng)閉塞進(jìn)路。移動(dòng)閉塞進(jìn)路不具備接近鎖閉功能。處于后備模式的聯(lián)鎖，則有自動(dòng)解鎖進(jìn)路和人工解鎖進(jìn)路。自動(dòng)解鎖進(jìn)路是指列車通過進(jìn)路時(shí)，經(jīng)過“三點(diǎn)檢查”，聯(lián)鎖逐段自動(dòng)解鎖該進(jìn)路;人工解鎖進(jìn)路是指列車通過進(jìn)路時(shí)，進(jìn)路不會(huì)自動(dòng)解鎖，列車完全出清進(jìn)路后，信號自動(dòng)重新開放，該類型的進(jìn)路只能人工解鎖。

升級型集成方式下的聯(lián)鎖支持的進(jìn)路類型有:普通進(jìn)路、自動(dòng)通過進(jìn)路、自動(dòng)折返進(jìn)路。普通進(jìn)路是指由人工命令或ATS自動(dòng)觸發(fā)的進(jìn)路，列車通過后，經(jīng)過“三點(diǎn)檢查”，聯(lián)鎖逐段自動(dòng)解鎖進(jìn)路;自動(dòng)通過進(jìn)路是指人工命令設(shè)置的進(jìn)路，列車通過進(jìn)路時(shí)，進(jìn)路不會(huì)自動(dòng)解鎖，列車完全出清進(jìn)路后，信號自動(dòng)重新開放，該類型進(jìn)路只能人工取消或解鎖;自動(dòng)折返進(jìn)路是指在折返站和某些有岔中間站，聯(lián)鎖根據(jù)人工命令啟用循環(huán)模式。該處理過程是:當(dāng)列車占用站臺區(qū)段，聯(lián)鎖自動(dòng)排列進(jìn)入岔區(qū)的第1條進(jìn)路，并開放信號機(jī);當(dāng)列車完全進(jìn)入折返區(qū)段后，第1條進(jìn)路自動(dòng)解鎖，信號關(guān)閉;當(dāng)列車完全踏入折返區(qū)段45 s后，并且第1條進(jìn)路解鎖，第2條進(jìn)路 (折返進(jìn)路)可以被排列，信號機(jī)自動(dòng)開放，列車順序出清折返進(jìn)路所有區(qū)段后，折返進(jìn)路自動(dòng)解鎖，信號關(guān)閉，完成一次折返。

兼容型集成方式下的聯(lián)鎖辦理引導(dǎo)進(jìn)路時(shí)有2種情況:在CBTC模式下，區(qū)域控制器先辦理一條人工解鎖CBTC進(jìn)路，并通知聯(lián)鎖辦理該進(jìn)路對應(yīng)的移動(dòng)閉塞進(jìn)路，聯(lián)鎖辦理成功后回復(fù)區(qū)域控制器，然后區(qū)域控制器再通知聯(lián)鎖該進(jìn)路已具備辦理引導(dǎo)信號的條件，聯(lián)鎖在收到區(qū)域控制器的引導(dǎo)使能條件和ATS發(fā)送的引導(dǎo)信號命令等條件滿足后，開放引導(dǎo)信號;在后備模式下，聯(lián)鎖先辦理一條人工解鎖進(jìn)路，然后ATS再發(fā)送一個(gè)引導(dǎo)信號命令，條件滿足后開放引導(dǎo)信號。

升級型集成方式下的聯(lián)鎖辦理引導(dǎo)進(jìn)路時(shí)，則是聯(lián)鎖接收到ATS發(fā)送來的人工命令后，直接辦理引導(dǎo)進(jìn)路，條件滿足后開放引導(dǎo)信號。

4 結(jié)束語

兼容型集成方式下的聯(lián)鎖有涇渭分明的CBTC模式和后備模式，操作員比較容易分辨當(dāng)前區(qū)域所處的模式，從而可以更好地控制列車運(yùn)行。CBTC模式下，聯(lián)鎖辦理和解鎖進(jìn)路需要區(qū)域控制器命令，中間存在微小延時(shí)，在復(fù)雜情況下，會(huì)出現(xiàn)進(jìn)路辦理的死鎖現(xiàn)象;后備模式下，聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)雙紅燈防護(hù)的點(diǎn)式 ATP，只支持列車的點(diǎn)式人工 ATP模式。

升級型集成方式下的聯(lián)鎖的CBTC模式和后備模式能自動(dòng)切換，還具有區(qū)域內(nèi)局部后備模式，整個(gè)系統(tǒng)功能靈活、可用性高。CBTC模式下，聯(lián)鎖根據(jù)區(qū)域控制器命令將信號機(jī)滅燈，當(dāng)信號系統(tǒng)長期使用CBTC模式時(shí)，不利于信號機(jī)硬件設(shè)備的故障監(jiān)測和維修保養(yǎng);后備模式功能強(qiáng)大，聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)目標(biāo)-距離式點(diǎn)式ATP，支持列車的點(diǎn)式ATO和點(diǎn)式人工ATP模式。

兼容型集成方式和升級型集成方式下的聯(lián)鎖，由于在整個(gè)CBTC系統(tǒng)中重要程度不同，表現(xiàn)出不同功能和特點(diǎn)，綜合對比分析計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在CBTC系統(tǒng)中的2種集成方式，有助于信號系統(tǒng)研發(fā)人員設(shè)計(jì)出更好的系統(tǒng)集成方案，同時(shí)，對于輪崗的調(diào)度人員快速掌握多種信號系統(tǒng)也有所裨益。

［1］ 中華人民共和國鐵道部．TB/T 3027-2002計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2002．

［2］ 凌祝軍．CBTC系統(tǒng)中的聯(lián)鎖技術(shù)研究［J］．鐵道通信信號，2009(9):12－14．

［3］ 余勇，張亞影．北京市軌道交通亦莊線聯(lián)鎖子系統(tǒng)描述［J］．市政技術(shù)，2010增刊(11):375－379．

［4］ 趙曉峰．無線CBTC信號系統(tǒng)工作模式分析［J］．城市軌道交通研究，2012(5):103－105．

［5］ 張瓊燕．基于無線通信的列車控制系統(tǒng)下后備模式的選擇與應(yīng)用［J］．城市軌道交通研究，2012(7):33－36．