城市軌道交通 CBTC 互聯(lián)互通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元系統(tǒng)研究

唐凱林

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

1 概述

隨著我國城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的快速發(fā)展，對(duì)跨線運(yùn)行、線路互聯(lián)互通的要求越來越高。目前，城市軌道交通基本采用各條線路獨(dú)立運(yùn)營的方式，難以實(shí)現(xiàn)線路間互聯(lián)互通，從而完成列車跨線運(yùn)行的需求。城市軌道交通目前主要采用的信號(hào)系統(tǒng)是基于通信的列車自動(dòng)控制(CBTC)系統(tǒng)，其主要包含車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)包含區(qū)域控制中心(Zone Controller，ZC)系統(tǒng)[1]，其作用是為列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)；聯(lián)鎖(Computer Interlocking，CI)系統(tǒng)，其作用是控制信號(hào)機(jī)、道岔和進(jìn)路等；列車自動(dòng)監(jiān)督(Automatic Train Supervision，ATS)系統(tǒng)[2]，其作用是管理列車運(yùn)行圖、時(shí)刻表等。車載系統(tǒng)安裝在列車上，與地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取線路上信號(hào)機(jī)、應(yīng)答器等信號(hào)設(shè)備具體情況來完成列車的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)可以減小列車追蹤間隔、提高行車效率，但無法完成列車的跨線運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題，結(jié)合國外城市軌道交通的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，基于網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營設(shè)計(jì)的互聯(lián)互通思想應(yīng)運(yùn)而生。該思想既有利于實(shí)現(xiàn)資源合理分配，又能系統(tǒng)化提高服務(wù)水平；既能彌補(bǔ)單線獨(dú)立運(yùn)營帶來的很多不足，又可以避免運(yùn)營后再花時(shí)間和精力改造線路和車站[3]。城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通是指裝備有不同型號(hào)的車載設(shè)備列車能夠在裝備有不同型號(hào)軌旁設(shè)備的線路上運(yùn)營。

在現(xiàn)有的CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)中，存在以下亟需解決的問題：①如何讓列車從一條線路無需整備即可運(yùn)行到另一條線路上。該問題是實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通[4-5]的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其中最基礎(chǔ)也是最為重要的是車載系統(tǒng)如何獲取各線路上的線路數(shù)據(jù)庫[6]。目前CBTC系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)庫均存儲(chǔ)在車載系統(tǒng)內(nèi)，如果列車需要運(yùn)行到其他線路，必須人工在停運(yùn)的情況下將車載系統(tǒng)上的線路數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，這樣既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也無法在運(yùn)營時(shí)臨時(shí)調(diào)度列車去其他線路，而且，如果在運(yùn)營時(shí)發(fā)現(xiàn)更新的線路數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)了問題，將嚴(yán)重影響該列車的正常運(yùn)行，最終會(huì)影響到整條線路的運(yùn)營。②如何實(shí)現(xiàn)跨ZC區(qū)域下發(fā)臨時(shí)限速信息。臨時(shí)限速是保證列車安全運(yùn)行的一種重要措施，指在正常運(yùn)營時(shí)，如線路某段發(fā)生故障或因某種原因臨時(shí)需要控制該區(qū)域的速度時(shí)，由調(diào)度員下達(dá)相關(guān)限速命令，但現(xiàn)有系統(tǒng)由于整條線路會(huì)劃分為幾個(gè)ZC區(qū)域進(jìn)行管理，單個(gè)ZC區(qū)域只能存儲(chǔ)該區(qū)域的線路數(shù)據(jù)庫，無法存儲(chǔ)其他區(qū)域線路數(shù)據(jù)庫，因而無法實(shí)現(xiàn)跨ZC區(qū)域的限速命令。為了解決上述問題，研究設(shè)計(jì)CBTC互聯(lián)互通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(Data Storage Unit，DSU)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域下達(dá)臨時(shí)限速信息的需求，提升跨線運(yùn)營的效率。

2 城市軌道交通 CBTC 互聯(lián)互通 DSU 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 DSU 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于原CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中未考慮DSU系統(tǒng)，車載系統(tǒng)線路數(shù)據(jù)庫的更新通常采用人工方式進(jìn)行更新，需要運(yùn)行到本線路的其他線路車輛提前人工更新車載線路數(shù)據(jù)庫。當(dāng)ATS系統(tǒng)需要下發(fā)跨ZC區(qū)域的臨時(shí)限速信息時(shí)，需要分別對(duì)2個(gè)ZC控區(qū)分別下達(dá)各自區(qū)域范圍內(nèi)的臨時(shí)限速信息，而不能下載跨ZC區(qū)域的臨時(shí)限速。為此，在原CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入了DSU系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含地面系統(tǒng)和車載系統(tǒng)2部分，其中地面系統(tǒng)包含ATS系統(tǒng)、ZC系統(tǒng)、CI系統(tǒng)和DSU系統(tǒng)。CBTC互聯(lián)互通DSU系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 CBTC互聯(lián)互通DSU系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 System architecture for CBTC interoperability

由圖1可以看到，車載系統(tǒng)、ZC系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)增加了新的接口。一是車載系統(tǒng)增加數(shù)據(jù)下載接口，用于與DSU系統(tǒng)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫相關(guān)操作。當(dāng)本線車輛需要運(yùn)行到其他線路上，或臨時(shí)其他線路沒有備車需從其他線路調(diào)車時(shí)，車載系統(tǒng)只需要直接通過DSU系統(tǒng)下載相應(yīng)線路的線路數(shù)據(jù)庫，然后直接運(yùn)行到相應(yīng)線路即可，無需人工參與操作，這樣既節(jié)省了時(shí)間也避免了人工操作可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)。二是ZC系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)增加與DSU系統(tǒng)之間的臨時(shí)限速接口，ATS系統(tǒng)與DSU系統(tǒng)共同完成整個(gè)線路限速任務(wù)的工作(包含跨ZC區(qū)域)，每個(gè)ZC區(qū)域都需與DSU系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲取各自區(qū)域的臨時(shí)限速信息，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給各區(qū)域內(nèi)的列車。

DSU系統(tǒng)負(fù)責(zé)建立和維護(hù)整個(gè)CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，并向ATS系統(tǒng)、ZC系統(tǒng)和VOBC系統(tǒng)提供所需數(shù)據(jù)和通信接口，是CBTC系統(tǒng)的安全系統(tǒng)之一，在CBTC系統(tǒng)中起著十分重要的作用。為了滿足城市軌道交通對(duì)可靠性和安全性的要求，以及考慮后期系統(tǒng)維護(hù)、軟件更新便捷等方面，DSU系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)采用成熟且穩(wěn)定的二乘二取二的安全冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]。

2.2 DSU系統(tǒng)功能分析

按照DSU系統(tǒng)的功能需求，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合城市軌道交通運(yùn)營要求，將其劃分為臨時(shí)限速模塊、線路數(shù)據(jù)庫模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊。臨時(shí)限速模塊主要是為了完成CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)要求的跨ZC區(qū)域的臨時(shí)限速相關(guān)功能需求；線路數(shù)據(jù)庫模塊主要是為ZC系統(tǒng)和車載系統(tǒng)提供線路數(shù)據(jù)庫下載和校驗(yàn)的接口，實(shí)現(xiàn)列車跨線的系統(tǒng)需求；系統(tǒng)維護(hù)模塊主要為運(yùn)營人員提供可視化的數(shù)據(jù)查詢功能。

2.2.1 臨時(shí)限速模塊

臨時(shí)限速模塊主要是通過調(diào)度中心對(duì)臨時(shí)限速進(jìn)行管理，完成臨時(shí)限速初始化和下達(dá)的功能，需要與ZC系統(tǒng)、ATS系統(tǒng)相互配合完成。

（1）臨時(shí)限速初始化功能。調(diào)度員在調(diào)度中心進(jìn)行臨時(shí)限速初始化之前，需要調(diào)度員人工確認(rèn)之前所下達(dá)的臨時(shí)限速信息是否已經(jīng)全部完成，如果有未確認(rèn)的臨時(shí)限速，則臨時(shí)限速初始化將無法完成。調(diào)度員在調(diào)度中心通過ATS系統(tǒng)將信息下發(fā)，信息傳給DSU系統(tǒng)，DSU系統(tǒng)根據(jù)線路數(shù)據(jù)庫內(nèi)對(duì)整條線路的ZC區(qū)域劃分情況，將信息分別發(fā)給各ZC區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)ZC系統(tǒng)收到信息后，完成臨時(shí)限速初始化任務(wù)。調(diào)度中心臨時(shí)限速初始化流程如圖2所示。

圖2 調(diào)度中心臨時(shí)限速初始化流程Fig.2 TSR initialization process of traffic center

（2）臨時(shí)限速下達(dá)功能。調(diào)度員根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營情況，對(duì)整條線路進(jìn)行速度限制。調(diào)度員通過人機(jī)界面操作ATS系統(tǒng)，將限速信息發(fā)送給DSU系統(tǒng)，DSU系統(tǒng)檢查限速合法性，并將檢查結(jié)果反饋給ATS系統(tǒng)，ATS系統(tǒng)通過人機(jī)界面顯示，讓調(diào)度員進(jìn)行2次確認(rèn)，并再次下發(fā)該限速信息，DSU系統(tǒng)再次收到該信息后，檢查通過并根據(jù)信息內(nèi)容區(qū)分限速所屬ZC區(qū)域，此時(shí)，如果限速信息包含了2個(gè)ZC區(qū)域，DSU系統(tǒng)會(huì)根據(jù)存儲(chǔ)的線路數(shù)據(jù)庫自動(dòng)進(jìn)行拆分，將信息發(fā)送給相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的ZC系統(tǒng)，ZC系統(tǒng)檢查通過后，將該限速信息發(fā)送給將要通過該區(qū)域的列車，列車上的車載系統(tǒng)根據(jù)限速值來控制列車實(shí)際運(yùn)行速度。整個(gè)過程采用2次確認(rèn)的方式，可以降低調(diào)度員誤操作對(duì)運(yùn)營造成的影響。臨時(shí)限速命令交互流程如圖3所示。

2.2.2 線路數(shù)據(jù)庫模塊

線路數(shù)據(jù)庫模塊主要是完成對(duì)線路數(shù)據(jù)庫的下載和校驗(yàn)功能，ZC系統(tǒng)和車載系統(tǒng)可以根據(jù)自身運(yùn)營需要，向DSU系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)功能的請(qǐng)求。

（1）ZC系統(tǒng)。當(dāng)ZC系統(tǒng)首次啟動(dòng)，并且調(diào)度員未完成限速初始化任務(wù)時(shí)，每個(gè)區(qū)域的ZC系統(tǒng)首先會(huì)自動(dòng)與DSU系統(tǒng)建立通信鏈接，并請(qǐng)求進(jìn)行線路數(shù)據(jù)庫版本校驗(yàn)，DSU系統(tǒng)會(huì)根據(jù)ZC系統(tǒng)的請(qǐng)求，將自身存儲(chǔ)的相應(yīng)線路的數(shù)據(jù)庫版本反饋給ZC系統(tǒng)，ZC系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。如果校驗(yàn)成功，后續(xù)調(diào)度員才可以成功完成限速初始化任務(wù)；如果校驗(yàn)失敗，ZC系統(tǒng)無法進(jìn)入正常工作模式，需更新線路數(shù)據(jù)庫與DSU系統(tǒng)所存版本一致，更新完成且ZC系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式后，才可以完成限速初始化命令。

圖3 臨時(shí)限速命令交互流程圖Fig.3 Interactive flow chart for TSR orders

（2）車載系統(tǒng)。當(dāng)裝有互聯(lián)互通車載系統(tǒng)的列車要開始運(yùn)營前，車載系統(tǒng)主動(dòng)與DSU系統(tǒng)建立通信，并申請(qǐng)獲取DSU系統(tǒng)內(nèi)所存儲(chǔ)的線路1數(shù)據(jù)庫版本。如果車載系統(tǒng)檢測(cè)到自身數(shù)據(jù)庫版本與獲取到的版本不一致，車載系統(tǒng)會(huì)向DSU系統(tǒng)申請(qǐng)重新下載該線路數(shù)據(jù)庫，直到車載系統(tǒng)確認(rèn)其線路數(shù)據(jù)庫與DSU系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫一致后，才可進(jìn)行下一步工作。然后車載系統(tǒng)會(huì)與ZC系統(tǒng)建立首次通信鏈接，并與ZC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫版本的比較，2個(gè)版本經(jīng)比較一致后，列車上的人機(jī)交互界面會(huì)提示司機(jī)線路數(shù)據(jù)庫一切正常，司機(jī)匯報(bào)給調(diào)度中心，列車才可駛?cè)脒\(yùn)營區(qū)域，開始正常運(yùn)營。列車線路數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備過程如圖4所示。

當(dāng)裝有互聯(lián)互通車載系統(tǒng)的列車要進(jìn)行跨線運(yùn)行時(shí)，列車在即將駛?cè)刖€路2前，車載系統(tǒng)主動(dòng)與DSU系統(tǒng)建立通信(在正常運(yùn)營時(shí)，車載系統(tǒng)無需與DSU系統(tǒng)始終保持通信連接狀態(tài)，這樣可以減小系統(tǒng)的通信壓力)，并申請(qǐng)獲取DSU系統(tǒng)內(nèi)所存儲(chǔ)的線路2數(shù)據(jù)庫版本。如果車載系統(tǒng)檢測(cè)到自身數(shù)據(jù)庫版本與獲取到的版本不一致，車載系統(tǒng)會(huì)向DSU系統(tǒng)申請(qǐng)重新下載線路2數(shù)據(jù)庫，當(dāng)列車數(shù)據(jù)庫下載完成并與DSU系統(tǒng)、ZC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫版本一致后，列車的人機(jī)交互界面會(huì)提示司機(jī)，線路2數(shù)據(jù)庫已準(zhǔn)備完成，司機(jī)向調(diào)度中心匯報(bào)該情況，當(dāng)司機(jī)收到調(diào)度中心的反饋后，可以不停車正常運(yùn)行到線路2。如果在此過程中出現(xiàn)了問題，列車需?？吭诰€路1與線路2邊界前，將自身線路2的數(shù)據(jù)庫更新完畢后，才可以正常駛?cè)刖€路2進(jìn)行運(yùn)營。列車跨線運(yùn)行示意圖如圖5所示。

圖4 列車線路數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備過程Fig.4 Train line database preparation process

圖5 列車跨線運(yùn)行示意圖Fig.5 Schematic diagram of train cross line operation

2.2.3 系統(tǒng)維護(hù)模塊

系統(tǒng)維護(hù)模塊是DSU系統(tǒng)的可視化部分，主要包括數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)查詢和系統(tǒng)報(bào)警等功能[8]。

（1）數(shù)據(jù)記錄與查詢。該功能整合了DSU系統(tǒng)與外部系統(tǒng)在運(yùn)營過程中的各數(shù)據(jù)信息，為故障分析或預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。該數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)方式按時(shí)間順序，維護(hù)人員可根據(jù)需要，自行查詢各時(shí)間段系統(tǒng)運(yùn)行情況。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)視。該功能通過讀取臨時(shí)限速模塊的限速信息，顯示各條線路具體限速運(yùn)行情況。此外，該功能可以讀取線路數(shù)據(jù)庫信息，顯示各條線路的基本線路信息，如信號(hào)機(jī)、計(jì)軸區(qū)段、道岔等。

（3）系統(tǒng)報(bào)警。該功能可以監(jiān)測(cè)ZC系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、ATS系統(tǒng)與DSU系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互過程中產(chǎn)生的異常情況，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。此外，該功能還可以通過分析記錄的數(shù)據(jù)，可以起到一定的預(yù)警作用，提高列車運(yùn)營效率，加強(qiáng)列車運(yùn)營安全。

3 結(jié)束語

針對(duì)CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)的特點(diǎn)和對(duì)DSU系統(tǒng)功能的要求，CBTC互聯(lián)互通DSU系統(tǒng)兼顧數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、?shí)時(shí)性和效率要求，解決了在處理臨時(shí)限速和列車跨線運(yùn)行中存在的問題，彌補(bǔ)了CBTC互聯(lián)互通系統(tǒng)無法跨ZC區(qū)域下發(fā)臨時(shí)限速信息的缺陷，方便各線路列車及ZC系統(tǒng)獲取線路數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了列車無需整備即可跨線運(yùn)行的功能，進(jìn)一步提升互聯(lián)互通運(yùn)營效率，使我國城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營更加靈活、便捷。