自主化的移動(dòng)閉塞CBTC系統(tǒng)

陳麗君

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

1 概述

基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)由于采用先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)作為車(chē)地通信的手段，使車(chē)-地之間能夠?qū)崟r(shí)通信且能傳送大量的信息，車(chē)載設(shè)備能夠完成更多的功能，實(shí)時(shí)計(jì)算制動(dòng)距離曲線，從而進(jìn)一步縮短列車(chē)間隔，是當(dāng)今城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流方向。

目前移動(dòng)閉塞CBTC信號(hào)系統(tǒng)普遍采用國(guó)外引進(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)或部分國(guó)產(chǎn)化的信號(hào)系統(tǒng)，即使是國(guó)產(chǎn)化率很高的系統(tǒng)，也僅僅是生產(chǎn)和制造的國(guó)產(chǎn)化。隨著國(guó)家的深化改革，打造自主化的信號(hào)系統(tǒng)十分必要，自主化的信號(hào)系統(tǒng)不僅價(jià)格上有很大優(yōu)勢(shì)，而且更能貼近用戶(hù)的特殊運(yùn)營(yíng)需求，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，其維修和維護(hù)成本更加低廉，升級(jí)改造也更為便捷。

2 系統(tǒng)組成

本文介紹的JeRail?CBTC信號(hào)系統(tǒng)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到硬件軟件開(kāi)發(fā)完全是由上海富欣智能交通控制有限公司自主開(kāi)發(fā)，且其列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）都經(jīng)過(guò)了德國(guó)TUV萊因公司的最高等級(jí)安全認(rèn)證——SIL4認(rèn)證，其列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）也通過(guò)了SIL2認(rèn)證。

JeRail?CBTC信號(hào)系統(tǒng)包含6個(gè)子系統(tǒng)：列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)、區(qū)域控制器子系統(tǒng)（ZC）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)，車(chē)載子系統(tǒng)（OBCU）、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）以及維護(hù)管理子系統(tǒng)（MMS）。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)等級(jí)和模式

3.1 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)等級(jí)

JeRail?CBTC信號(hào)系統(tǒng)有3個(gè)運(yùn)營(yíng)等級(jí)：連續(xù)通信級(jí)、點(diǎn)式通信級(jí)、聯(lián)鎖級(jí)。

連續(xù)通信級(jí)：當(dāng)車(chē)地通信正常且ZC子系統(tǒng)正常時(shí)，系統(tǒng)處于CBTC模式，車(chē)載子系統(tǒng)可以連續(xù)與ZC進(jìn)行雙向通信，從ZC接收移動(dòng)授權(quán)，系統(tǒng)根據(jù)移動(dòng)閉塞的原則行車(chē)，列車(chē)控制是連續(xù)的。

點(diǎn)式通信級(jí)：當(dāng)車(chē)地雙向通信故障或ZC故障時(shí)，車(chē)載子系統(tǒng)只能與有源應(yīng)答器進(jìn)行單向通信，獲取移動(dòng)授權(quán)。若ZC處于故障狀態(tài)，系統(tǒng)則處于后備模式；若ZC處于健康狀態(tài)，系統(tǒng)也可以處于CBTC模式。但系統(tǒng)根據(jù)固定閉塞的原則行車(chē)，列車(chē)控制是點(diǎn)式的。

聯(lián)鎖級(jí)：當(dāng)單向通信故障且ZC故障時(shí)，軌旁不能為車(chē)載子系統(tǒng)提供移動(dòng)授權(quán)，整個(gè)系統(tǒng)處于后備模式，系統(tǒng)根據(jù)固定閉塞的原則由司機(jī)目視行車(chē)，系統(tǒng)沒(méi)有ATP防護(hù)。

3.2 系統(tǒng)模式

JeRail?CBTC系統(tǒng)具有CBTC模式和后備模式兩種模式。整個(gè)系統(tǒng)的模式取決于CBI處于何種模式。當(dāng)CBI為CBTC模式時(shí)，則系統(tǒng)為CBTC模式；當(dāng)CBI為后備模式時(shí)，系統(tǒng)則為后備模式。整個(gè)系統(tǒng)在CBTC模式和后備模式之間由調(diào)度員人工切換。

系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)等級(jí)和系統(tǒng)、子系統(tǒng)的模式以及車(chē)載模式的對(duì)應(yīng)如表1所示。

表1 系統(tǒng)模式對(duì)應(yīng)表

4 系統(tǒng)功能和配置

JeRail?CBTC系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)。主要設(shè)備位于控制中心和設(shè)備集中站。

4.1 ATS子系統(tǒng)功能和配置

ATS子系統(tǒng)的主要功能是為ATS調(diào)度員提供人機(jī)接口界面。ATS可以根據(jù)時(shí)刻表信息自動(dòng)向軌旁設(shè)備區(qū)域控制器或聯(lián)鎖發(fā)送進(jìn)路請(qǐng)求，也可以根據(jù)調(diào)度員的人工命令為列車(chē)排列進(jìn)路。

ATS也向ZC發(fā)送臨時(shí)限速、關(guān)閉軌道、道岔單鎖等命令，以及向列車(chē)發(fā)送停站時(shí)間、運(yùn)行等級(jí)調(diào)整等調(diào)度員命令。列車(chē)具體位置、軌旁設(shè)備（信號(hào)機(jī)、道岔、計(jì)軸區(qū)段、緊急停車(chē)按鈕、屏蔽門(mén)/安全門(mén)、防淹門(mén)、司機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)、發(fā)車(chē)指示器等）的狀態(tài)和進(jìn)路請(qǐng)求的結(jié)果顯示在ATS界面上。

此外，ATS將在中央與外部系統(tǒng)進(jìn)行接口：如大屏、電力監(jiān)控、主時(shí)鐘、無(wú)線、FAS/BAS、PAS/PIS和COCC/TCC， ATS還可對(duì)車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)的站場(chǎng)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行顯示。

ATS分為三級(jí)控制。中央控制、車(chē)站控制以及車(chē)站緊急控制。正常情況下，系統(tǒng)采用中央控制。當(dāng)中央的服務(wù)器故障時(shí)，可以自動(dòng)激活車(chē)站控制。當(dāng)中央和車(chē)站控制設(shè)備都故障時(shí)，可以啟用車(chē)站緊急控制，以確保系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)。

ATS設(shè)備在中央、車(chē)站級(jí)采用熱備冗余配置，ATS的功能滿(mǎn)足SIL2的要求。

4.2 ZC和CBI子系統(tǒng)功能和配置

在CBTC模式下，ZC通過(guò)CBI的I/O接口獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息（如信號(hào)機(jī)、道岔、計(jì)軸區(qū)段、屏蔽門(mén)/安全門(mén)、緊急停車(chē)按鈕、司機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)、防淹門(mén)、外線路信號(hào)機(jī)和與正線相鄰的軌道區(qū)段的狀態(tài)），并接收來(lái)自ATS的進(jìn)路請(qǐng)求和調(diào)度員命令（如關(guān)閉軌道，臨時(shí)限速等），然后根據(jù)上述信息和控制區(qū)域內(nèi)其余列車(chē)的狀態(tài)，為控區(qū)內(nèi)所有列車(chē)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)（MA），并通過(guò)CBI的I/O接口控制道岔的轉(zhuǎn)動(dòng)和信號(hào)機(jī)的顯示。同時(shí)，ZC將計(jì)算的MA發(fā)送給列車(chē)，以供列車(chē)在移動(dòng)授權(quán)的范圍內(nèi)運(yùn)行。在CBTC模式下，所有的進(jìn)路執(zhí)行功能和聯(lián)鎖控制功能都將在ZC內(nèi)完成，CBI只是作為輸入/輸出接口獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)并傳給ZC，并將ZC發(fā)來(lái)的控制命令送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

在CBTC模式下，ZC也與相鄰的ZC進(jìn)行通信，以監(jiān)督相鄰ZC的健康狀態(tài)，方便列車(chē)順利通過(guò)邊界。

在后備模式下，ZC將不起作用，ATS將進(jìn)路請(qǐng)求發(fā)給CBI，CBI將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，基于點(diǎn)式ATP的防護(hù)原則來(lái)進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算，控制道岔的轉(zhuǎn)動(dòng)和信號(hào)機(jī)的顯示，執(zhí)行ATS進(jìn)路。同時(shí)CBI將道岔和信號(hào)機(jī)等必要的狀態(tài)信息送給軌旁的有源應(yīng)答器，有源應(yīng)答器將信息發(fā)給信標(biāo)（接近信標(biāo)和信號(hào)機(jī)信標(biāo)），當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)有源信標(biāo)時(shí)，將獲取移動(dòng)授權(quán)，從而控制列車(chē)在點(diǎn)式ATP的防護(hù)下行車(chē)。

ZC和CBI的配置為二乘二取二，ZC和CBI的功能滿(mǎn)足SIL4級(jí)的要求。

4.3 OBCU子系統(tǒng)功能和配置

在CBTC模式下，OBCU從ZC接收移動(dòng)授權(quán)，確保列車(chē)在移動(dòng)授權(quán)范圍內(nèi)移動(dòng)，列車(chē)基于移動(dòng)閉塞的原則行車(chē)。在后備模式下，OBCU從信標(biāo)獲取移動(dòng)授權(quán)，進(jìn)行點(diǎn)式ATP防護(hù)，系統(tǒng)基于固定閉塞的原則行車(chē)。OBCU的ATP功能主要有列車(chē)運(yùn)行模式判定、列車(chē)速度監(jiān)督和防護(hù)、列車(chē)完整性監(jiān)督、車(chē)門(mén)控制等。此外，車(chē)載子系統(tǒng)也執(zhí)行ATO功能，如：根據(jù)來(lái)自于ATS的運(yùn)行等級(jí)來(lái)控制列車(chē)的速度，并且使能源消耗最小化，精確對(duì)位停車(chē)以及控制列車(chē)門(mén)的打開(kāi)。

OBCU的配置為二乘二取二，OBCU的ATP功能滿(mǎn)足SIL4級(jí)的要求，ATO功能滿(mǎn)足SIL2級(jí)的要求。

4.4 DCS子系統(tǒng)功能和配置

DCS的主要功能是在信號(hào)系統(tǒng)中包含的中央、軌旁和車(chē)載等各個(gè)列控子系統(tǒng)（ATS、ZC、CBI和OBCU之間）之間可靠地雙向傳輸列控信息，由提供端到端數(shù)據(jù)安全防護(hù)的軌旁有線通信網(wǎng)絡(luò)和車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成，具有實(shí)時(shí)性。

DCS采用具有開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和接口的通信設(shè)備。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為傳輸層和接入層，核心傳輸層采用IP/MPLS技術(shù)，接入層采用IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)地移動(dòng)通信采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。DCS采用VPN技術(shù)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)通信的保密性和數(shù)據(jù)安全。

DCS可以提供優(yōu)越的通信性能，其可靠性是通過(guò)采用穩(wěn)定的、多級(jí)冗余配置的高可靠設(shè)備來(lái)保證的。

4.5 MMS子系統(tǒng)功能和配置

MMS子系統(tǒng)具有信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)、報(bào)警與統(tǒng)計(jì)、故障診斷與處理及維修輔助管理的功能。

MMS子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的信號(hào)設(shè)備既包含外電網(wǎng)質(zhì)量、信號(hào)機(jī)LED電流報(bào)警、道岔啟動(dòng)電流和功率、斷路器熔絲狀態(tài)、電纜絕緣、接地漏流報(bào)警、外線路軌道電路狀態(tài)、設(shè)備房環(huán)境監(jiān)控等傳統(tǒng)的信號(hào)設(shè)備的檢測(cè)，同時(shí)也包含CBI/ZC/OBCU/ATS/計(jì)軸等子系統(tǒng)硬件板卡、軟件、通信狀態(tài)、與外部系統(tǒng)（FAS/BAS、SCADA、RADIO等）的連接狀態(tài)報(bào)警信息。根據(jù)上述的監(jiān)測(cè)結(jié)果和報(bào)警信息，MMS進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析，給出可能發(fā)生故障的板卡，針對(duì)已經(jīng)發(fā)生故障的情況，推薦故障的處理方式，從而實(shí)現(xiàn)在線故障診斷與處理。

此外MMS子系統(tǒng)還提供維修輔助管理的功能：對(duì)維護(hù)工單進(jìn)行自動(dòng)派發(fā)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備、軟硬件版本進(jìn)行配置管理，同時(shí)提供備件管理和維護(hù)人員的信息管理。

5 系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

5.1 自主研發(fā)的JeRail-ATP-100控制器

OBCU、ZC、CBI三大核心子系統(tǒng)采用完全自主研發(fā)、經(jīng)過(guò)德國(guó)TUV SIL4認(rèn)證的通用ATP控制器作為其硬件設(shè)備。統(tǒng)一的硬件平臺(tái)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并有利于客戶(hù)減少備品備件的種類(lèi)，從而減少維護(hù)成本。該平臺(tái)采用高度集成化、無(wú)風(fēng)扇功耗較低的處理器，大大增加了系統(tǒng)的可靠性，并降低了整個(gè)系統(tǒng)的整體能耗。

5.2 更低的維護(hù)成本

核心設(shè)備均采用可靠冗余設(shè)計(jì)，并具有完善的自診斷和報(bào)警功能；獨(dú)立的維護(hù)管理子系統(tǒng)的支持、基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的預(yù)測(cè)性維護(hù)手段為系統(tǒng)的日常運(yùn)營(yíng)提供強(qiáng)有力的保障，保證在系統(tǒng)故障的情況下對(duì)運(yùn)營(yíng)干擾最小，快速安全地處理設(shè)備故障并迅速恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)。

5.3 高性能的DCS架構(gòu)

采用了IP/MPLS骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，帶寬大于4 Gbit/s；采用包括IPSec、IPS、防攻擊等安全技術(shù)統(tǒng)一的安全管理策略；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有可拓展型，采用WPA、WPA2技術(shù)，安全性好；三層DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；準(zhǔn)網(wǎng)狀架構(gòu)提升了網(wǎng)絡(luò)流量和冗余性，當(dāng)發(fā)生廣播風(fēng)暴時(shí)，所有的業(yè)務(wù)都不會(huì)受到影響。卓越的QoS滿(mǎn)足不同性能的服務(wù)要求。

5.4 更智能的ATS

根據(jù)供電區(qū)域的最大負(fù)荷，支持多列車(chē)錯(cuò)峰啟動(dòng)，以減少觸網(wǎng)故障機(jī)率；根據(jù)電氣區(qū)段牽引供電可用性（降低或故障）情況，人工或自動(dòng)控制在這些區(qū)段內(nèi)同時(shí)運(yùn)行的列車(chē)數(shù)量，并可自動(dòng)建立覆蓋故障區(qū)域的封鎖區(qū)域。當(dāng)電力系統(tǒng)檢測(cè)到再生能時(shí)，可在滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求的前提下啟動(dòng)發(fā)車(chē)，提高再生能的利用；在時(shí)刻表編輯時(shí)，就將電力能耗分析數(shù)據(jù)作為一個(gè)因素考慮。

5.5 更靈活的系統(tǒng)架構(gòu)

在CBTC模式下，區(qū)域控制器具備聯(lián)鎖功能，對(duì)于不需要后備系統(tǒng)的客戶(hù)來(lái)講，可以不設(shè)CBI設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靈活配置，從而減少系統(tǒng)造價(jià)和維護(hù)工作量。

6 總結(jié)

JeRail?CBTC信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)在同濟(jì)大學(xué)試驗(yàn)線得到功能和安全兩方面的驗(yàn)證，目前城市軌道交通建設(shè)正處于高潮時(shí)期，采用自動(dòng)化的信號(hào)系統(tǒng)符合國(guó)家對(duì)該支柱產(chǎn)業(yè)的自主化要求，同時(shí)這對(duì)于提高信號(hào)行業(yè)的自主化能力十分關(guān)鍵。