聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化技術(shù)探討

摘要：描述了CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了當(dāng)前聯(lián)鎖和區(qū)域控制器相互獨(dú)立所帶來的一些問題，并對(duì)聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化進(jìn)行了技術(shù)探討。通過實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，能夠在系統(tǒng)功能增強(qiáng)、性能提升、維護(hù)簡(jiǎn)潔等方面帶來一系列的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖;區(qū)域控制器;一體化

Abstract：The architecture of CBTC system was described，and some problems which were generated by the individual design of CI and ZC were introduced.The integration of CI and ZC was discussed technically.By the implementation of integrated design，which could achieve many advantages，such as strengthening the system functions，improving the performances，and simplifying the maintenance.

Key Words：Computer Interlocking;Zone Controller;Integration

在中國城市軌道交通的建設(shè)中，基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）在城市軌道交通中得到了廣泛應(yīng)用，已成為列車控制的主流制式。隨著計(jì)算機(jī)、通信和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，處理器的運(yùn)算能力越來越高，無線通信技術(shù)日益成熟和穩(wěn)定，針對(duì)CBTC系統(tǒng)簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)架的需求也越來越高。本文對(duì)CBTC系統(tǒng)中的聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的一體化設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行技術(shù)分析和探討。

1典型CBTC系統(tǒng)構(gòu)成

在IEEE 1474.1標(biāo)準(zhǔn)中描述了一種典型CBTC系統(tǒng)，包括列車自動(dòng)監(jiān)督（ATS）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）、列車自動(dòng)防護(hù)（ATP，包含車載ATP和區(qū)域控制器ZC）、列車自動(dòng)駕駛（ATO）、數(shù)據(jù)通信（DCS）子系統(tǒng)等。如圖1所示。

其中聯(lián)鎖（CI）和區(qū)域控制器（ZC）是CBTC系統(tǒng)的核心地面安全設(shè)備。聯(lián)鎖的主要功能是在規(guī)定的聯(lián)鎖條件和規(guī)定的時(shí)序下控制軌旁的道岔和信號(hào)機(jī)，為列車運(yùn)行建立進(jìn)路，確保進(jìn)路上軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)等之間的安全聯(lián)鎖，以保證列車運(yùn)行安全。區(qū)域控制器的主要功能是根據(jù)車載子系統(tǒng)、地面其他子系統(tǒng)提供的列車狀態(tài)、進(jìn)路狀態(tài)、臨時(shí)限速狀態(tài)等信息，進(jìn)行列車位置跟蹤，實(shí)時(shí)產(chǎn)生針對(duì)所控列車的移動(dòng)授權(quán)（MA），并通過無線通信系統(tǒng)傳輸給車載子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以移動(dòng)閉塞方式安全控制列車運(yùn)行的目標(biāo)。

2存在的問題分析

國內(nèi)已開通CBTC系統(tǒng)是一個(gè)基于通信的分布式控制系統(tǒng)，聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的設(shè)置相對(duì)獨(dú)立。由于系統(tǒng)獨(dú)立分布設(shè)置，控制方式分離、維護(hù)信息分散，會(huì)導(dǎo)致一些問題的存在。

2.1通信延時(shí)問題

列車的安全行駛離不開聯(lián)鎖與區(qū)域控制器的積極配合以及數(shù)據(jù)交換，列車行駛中產(chǎn)生的大量軌旁設(shè)備及列車狀態(tài)信息在聯(lián)鎖與區(qū)域控制器間進(jìn)行實(shí)時(shí)更新和交互。聯(lián)鎖和區(qū)域控制器系統(tǒng)設(shè)備往往采用周期運(yùn)行方式，隨著通信環(huán)節(jié)的增加，會(huì)造成系統(tǒng)整體響應(yīng)速度變慢，降低了運(yùn)行效率，影響客運(yùn)能力的提高。同時(shí)，聯(lián)鎖與區(qū)域控制器之間交互的應(yīng)用數(shù)據(jù)量會(huì)受到傳輸媒介、通信協(xié)議、系統(tǒng)處理能力的限制。系統(tǒng)間若出現(xiàn)通信故障或延遲，將對(duì)列車運(yùn)行和系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響。由此對(duì)分設(shè)系統(tǒng)的時(shí)鐘一致性和通信實(shí)時(shí)性、可靠性、各系統(tǒng)處理能力要求較高。

2.2系統(tǒng)維護(hù)問題

聯(lián)鎖和區(qū)域控制器設(shè)備相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，設(shè)備數(shù)量增加自然造成故障點(diǎn)增多，兩個(gè)設(shè)備中的任一設(shè)備發(fā)生故障均會(huì)影響列車的正常運(yùn)行。而各自的維護(hù)單元也相互獨(dú)立，也給運(yùn)營維護(hù)的管理人員造成困擾。當(dāng)CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由于每種系統(tǒng)設(shè)備的信息都是不完備的，聯(lián)鎖具有進(jìn)路和軌旁設(shè)備狀態(tài)信息，區(qū)域控制器具有列車位置及狀態(tài)信息，維護(hù)人員需要通過各個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)單元下載日志記錄，對(duì)所有的設(shè)備信息及各系統(tǒng)之間的交互信息進(jìn)行逐個(gè)分析后才能進(jìn)行故障原因定位。同時(shí)，各維護(hù)單元由于軟件開發(fā)環(huán)境不同造成的顯示風(fēng)格、操作方式等風(fēng)格迥異也給運(yùn)營維護(hù)人員造成了麻煩和困擾。

2.3系統(tǒng)成本問題

由于系統(tǒng)獨(dú)立分布設(shè)置，每套系統(tǒng)都需要配置相應(yīng)的人機(jī)界面、維護(hù)單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等相關(guān)通用硬件設(shè)備，造成資源的浪費(fèi)。當(dāng)線路設(shè)計(jì)變更、聯(lián)鎖或者區(qū)域控制器內(nèi)部發(fā)生變化或者升級(jí)檢修時(shí)，需要同時(shí)維護(hù)、更新、檢修兩套系統(tǒng)的硬件和軟件，加之各大生產(chǎn)廠商生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，進(jìn)一步限制了相互之間的匹配度和通用性，不利于資源的合理配置，這無疑增加了系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本。

3聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化的可行性

通過前面的分析，可以看到各設(shè)備獨(dú)立分布設(shè)置給系統(tǒng)造成的不利影響，而一體化設(shè)計(jì)可以有效避免和解決上述問題。下面對(duì)聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化的可行性進(jìn)行分析。

3.1硬件構(gòu)成

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件構(gòu)成通常為聯(lián)鎖主機(jī)、控顯機(jī)和維護(hù)機(jī)三部分，其中聯(lián)鎖主機(jī)為二乘二取二的硬件冗余結(jié)構(gòu)，它的設(shè)計(jì)理念是遵守故障-安全原則。區(qū)域控制器的硬件構(gòu)成由區(qū)域控制器主機(jī)和維護(hù)機(jī)兩部分構(gòu)成，區(qū)域控制器主機(jī)也采用二乘二取二的硬件冗余結(jié)構(gòu)，設(shè)備自身的設(shè)計(jì)、有關(guān)的信息通道接口同樣符合故障-安全原則的要求。聯(lián)鎖主機(jī)和區(qū)域控制器主機(jī)具有相似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，聯(lián)鎖維護(hù)機(jī)與區(qū)域控制器維護(hù)機(jī)也均為工控機(jī)，具備一體化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

設(shè)備一體化還需要硬件平臺(tái)給予足夠的性能支撐。通過幾十年的發(fā)展，芯片的處理能力顯著增強(qiáng)，高主頻的多核處理器、高容量緩存等高性能電子設(shè)備的發(fā)展為鐵路行業(yè)安全計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相比于性能不斷提升的安全計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的軟件規(guī)模是有限的。隨著硬件平臺(tái)的發(fā)展和更新?lián)Q代，將當(dāng)前聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的硬件集成和實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)是完全具備基礎(chǔ)條件的。

3.2軟件構(gòu)成

聯(lián)鎖和區(qū)域控制器軟件都運(yùn)行在安全計(jì)算平臺(tái)上，主要軟件結(jié)構(gòu)模塊劃分均為平臺(tái)軟件模塊、應(yīng)用邏輯軟件模塊以及接口通信軟件模塊，其中平臺(tái)軟件模塊和接口通信軟件模塊在軟件構(gòu)成及邏輯處理上具備較高的相似性和通用性。聯(lián)鎖應(yīng)用邏輯軟件主要完成軌旁信號(hào)設(shè)備及進(jìn)路控制，保證列車運(yùn)行安全。區(qū)域控制器應(yīng)用邏輯軟件主要完成列車移動(dòng)授權(quán)計(jì)算，防護(hù)管轄范圍內(nèi)的列車安全運(yùn)行。雙方交互的信息主要為：聯(lián)鎖接收區(qū)域控制器發(fā)送的通信/非通信列車接近信息，列車停穩(wěn)信息，停車保證信息，屏蔽門開關(guān)命令等信息和指令;區(qū)域控制器接收聯(lián)鎖的進(jìn)路相關(guān)信息，軌旁設(shè)備狀態(tài)信息等。進(jìn)行聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化集成后，兩個(gè)系統(tǒng)可以使用相同的軌旁及列車靜態(tài)數(shù)據(jù)，保證了應(yīng)用邏輯軟件的數(shù)據(jù)同源，雙方的交互信息也由外部通信交互改為系統(tǒng)軟件內(nèi)部共享內(nèi)存方式進(jìn)行交互，可以避免由外部及通信原因造成的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤及延時(shí)。

3.3外部接口構(gòu)成

聯(lián)鎖和區(qū)域控制器與不同的系統(tǒng)/設(shè)備有不同的接口，聯(lián)鎖的主要接口包括：與ATS系統(tǒng)接口，與區(qū)域控制器接口，與維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口，與相鄰聯(lián)鎖接口，與軌旁設(shè)備接口等。區(qū)域控制器的主要接口包括：與ATS系統(tǒng)接口，與聯(lián)鎖接口，與維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口，與相鄰區(qū)域控制器接口，與DCS系統(tǒng)接口等。通過研究設(shè)備接口通信協(xié)議的可以知道，聯(lián)鎖與區(qū)域控制器存在多種相同的與外部設(shè)備的接口，包括：與ATS系統(tǒng)接口，與維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口，與相鄰聯(lián)鎖/區(qū)域控制器接口，聯(lián)鎖與區(qū)域控制器間的接口。上述接口在連接方式、傳輸介質(zhì)、和安全通信協(xié)議方面基本相同，僅是交互的數(shù)據(jù)和信息存在差異?？梢娫谂c外部設(shè)備接口方面，相同的外部接口設(shè)備及通信規(guī)格設(shè)施為聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化提供可能。

4結(jié)語

聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化后較目前獨(dú)立分設(shè)聯(lián)鎖、區(qū)域控制器的系統(tǒng)有較大優(yōu)勢(shì)，通過內(nèi)部共享內(nèi)存交互軌旁設(shè)備和列車狀態(tài)信息，減少信息重復(fù)采集和輸出，消除聯(lián)鎖與區(qū)域控制器在通信過程中的數(shù)據(jù)畸變風(fēng)險(xiǎn)，降低信息傳輸延遲引起的命令失效風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)整體的安全可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，接口集中，需要維護(hù)的硬件設(shè)備、系統(tǒng)間通信通道和故障環(huán)節(jié)也相應(yīng)減少，總維護(hù)工作量大幅下降。系統(tǒng)所采用的軌旁設(shè)備及列車信息配置均完全出自同一數(shù)據(jù)，既保證了信息、運(yùn)算及傳輸?shù)囊恢滦?，又減少了軟件數(shù)據(jù)配置、測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，為工程順利開通節(jié)省了時(shí)間。因此聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化乃至信號(hào)系統(tǒng)的一體化應(yīng)是我國軌道交通信號(hào)系統(tǒng)裝備發(fā)展的后續(xù)目標(biāo)和方向。

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作者簡(jiǎn)介：田超（1983.02-），男，北京，當(dāng)前職務(wù)：產(chǎn)品集成中心副主任，當(dāng)前職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：城市軌道交通列車自動(dòng)控制。