城市軌道交通CBTC系統(tǒng)精簡(jiǎn)化研究

姜慶陽(yáng)

摘 要：分析既有城市軌道交通 CBTC 系統(tǒng)存在的若干問(wèn)題，提出包括聯(lián)鎖設(shè)備的全電子化、后備系統(tǒng)簡(jiǎn)化、聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化等系統(tǒng)精簡(jiǎn)化方案，可以減少設(shè)備數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)應(yīng)用和維護(hù)，從而降低全生命周期的成本，提升 CBTC 系統(tǒng)的效率。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;CBTC 系統(tǒng);精簡(jiǎn)化;全電子聯(lián)鎖;聯(lián)鎖 ZC 一體化

中圖分類號(hào)：U231+.7

以基于通信的列車自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)互聯(lián)互通自主化項(xiàng)目在重慶共線運(yùn)營(yíng)及北京燕房線全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的順利實(shí)施為標(biāo)志，我國(guó)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)已經(jīng)由國(guó)產(chǎn)化階段過(guò)渡到自主化階段。隨著全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的推廣應(yīng)用以及各廠家互聯(lián)互通系統(tǒng)的實(shí)施，CBTC系統(tǒng)的功能越來(lái)越復(fù)雜，各設(shè)備間的耦合度越來(lái)越強(qiáng);另外，既有線路改造時(shí)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備占用空間的要求很高，對(duì)施工量和施工時(shí)間也提出了一定的要求。因此，在滿足系統(tǒng)功能要求的前提下，如何對(duì)CBTC系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)精簡(jiǎn)，成為當(dāng)前城市軌道交通CBTC系統(tǒng)研究的重要課題之一。

1 既有CBTC系統(tǒng)存在的問(wèn)題

CBTC系統(tǒng)由自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、CBTC軌旁系統(tǒng)（軌旁CBTC設(shè)備，含區(qū)域控制器（ZC）等）、CBTC車載系統(tǒng)（VOBC）、聯(lián)鎖（CI）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）組成。其中ATS系統(tǒng)主要分為控制中心ATS設(shè)備和車站ATS設(shè)備2部分，典型的CBTC系統(tǒng)線路設(shè)備布置示意圖如圖 1所示。

既有自主化CBTC系統(tǒng)在我國(guó)城市化發(fā)展進(jìn)程中，發(fā)揮了不可替代的作用。為降低實(shí)際工程應(yīng)用中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，加快開(kāi)發(fā)周期，自主化CBTC系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)初期的設(shè)計(jì)理念是盡量沿用已驗(yàn)證的成熟技術(shù)，通過(guò)疊加新的子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這種理念在CBTC系統(tǒng)的研制初期具有合理性，但自主化CBTC系統(tǒng)仍存在下列問(wèn)題。

（1）采用繼電方式與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口，室內(nèi)占地面積大，施工配線多，繼電器需要定期檢修，維護(hù)復(fù)雜。

（2）系統(tǒng)控制級(jí)別多，后備模式復(fù)雜，需要花費(fèi)大量精力安裝、調(diào)試和維護(hù)后備模式的設(shè)備。

（3）設(shè)備間接口的數(shù)量和層次多，各設(shè)備在功能上又相互依賴，耦合度高，存在信息代傳、迂回傳遞的問(wèn)題，數(shù)據(jù)交換效率低，很難進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率;除了VOBC-VOBC之外，其他各設(shè)備之間均需要相互接口，如表 1所示。

2 系統(tǒng)精簡(jiǎn)化方案

2.1 聯(lián)鎖設(shè)備的全電子化

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備按照功能層次可劃分為人機(jī)交互層、聯(lián)鎖主控層、聯(lián)鎖執(zhí)行層和軌旁設(shè)備接口層4 個(gè)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軌旁設(shè)備接口層大都采用繼電接口，繼電接口在系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、功能、維護(hù)、擴(kuò)展等方面均存在一些不足，而計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備的全電子化是針對(duì)以上不足，將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖執(zhí)行層的輸入輸出（IO）處理單元和軌旁接口層的繼電器組合替換為對(duì)象控制器（OCU）和全電子模塊，如圖 2 所示。

聯(lián)鎖設(shè)備全電子化后，可以大幅提升系統(tǒng)在各方面的表現(xiàn)，如表 2所示。

2.2 后備系統(tǒng)簡(jiǎn)化

隨著系統(tǒng)冗余技術(shù)的廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)可靠性的提升，系統(tǒng)故障主要以單車或單系統(tǒng)故障為主，發(fā)生影響系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的故障日益減少，導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)后備設(shè)備的“存在感”越來(lái)越低，這為后備系統(tǒng)的精簡(jiǎn)提供了基本條件。

既有CBTC系統(tǒng)大都分為3個(gè)控制級(jí)別，分別是連續(xù)級(jí)（CTC）、點(diǎn)式級(jí)（ITC）和聯(lián)鎖級(jí)（ILC），系統(tǒng)各控制級(jí)別所需的主要控制設(shè)備如表 3所示。

ITC級(jí)別作為后備模式，在建設(shè)時(shí)，需要增加點(diǎn)式設(shè)備（LEU和有源應(yīng)答器），從而提高了設(shè)備的成本及安裝、調(diào)試的工作量;在應(yīng)用時(shí)，增加了系統(tǒng)維護(hù)的工作量，需要對(duì)司機(jī)和使用人員進(jìn)行培訓(xùn);定期進(jìn)行人工駕駛實(shí)操訓(xùn)練。

在信號(hào)設(shè)備房?jī)?nèi)取消LEU設(shè)備，在道旁取消有源應(yīng)答器，同時(shí)減少室內(nèi)與有源應(yīng)答器之間的連接線纜，以及對(duì)CI設(shè)備的程序進(jìn)行變更，即可取消ITC級(jí)別。ITC級(jí)別的取消，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少系統(tǒng)設(shè)備的種類和數(shù)量，可降低設(shè)備費(fèi)用;

（2）減少設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的工作量，可縮短建設(shè)工期;

（3）減少室內(nèi)數(shù)據(jù)制作及驗(yàn)證的工作量，設(shè)備可更快地布置到現(xiàn)場(chǎng);

（4）有效降低系統(tǒng)維護(hù)的工作量;

（5）使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，同時(shí)可減少員工培訓(xùn)的工作量，降低系統(tǒng)使用難度;

（6）降低整個(gè)生命周期的成本。

2.3 聯(lián)鎖 ZC 一體化

既有CBTC的CI作為成熟設(shè)備，其功能相對(duì)獨(dú)立并得到現(xiàn)場(chǎng)充分驗(yàn)證，后期開(kāi)發(fā)的CBTC設(shè)備功能都盡可能在已有聯(lián)鎖功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能疊加，因此增加了ZC系統(tǒng)。在CBTC系統(tǒng)發(fā)展早期，這一設(shè)計(jì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，對(duì)CBTC系統(tǒng)的推廣和發(fā)展起到了非常重要的作用，但該設(shè)計(jì)也導(dǎo)致既有CBTC系統(tǒng)設(shè)備間的接口和層次增多，功能相互依賴，系統(tǒng)耦合度高，阻礙系統(tǒng)向更高一步發(fā)展。下面以列車的位置確定及其關(guān)聯(lián)功能為列，說(shuō)明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題。

列車的位置信息來(lái)源于計(jì)軸區(qū)段的占用/出清和列車的自主定位，地面控制系統(tǒng)通過(guò)綜合這2個(gè)信息計(jì)算出列車的位置，列車位置的確定功能與幾個(gè)核心功能相關(guān)，包括：

（1）邏輯區(qū)段的占用/出清（綜合列車的位置和計(jì)軸區(qū)段的占用/出清，由ZC完成）;

（2）計(jì)軸故障的判斷（綜合列車的位置和計(jì)軸區(qū)段的占用/出清，由ZC完成）;

（3）邏輯區(qū)段的鎖閉和解鎖（使用邏輯區(qū)段占用/出清信息和計(jì)軸區(qū)段故障信息，由CI 完成）;

（4）移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算（使用邏輯區(qū)段鎖閉信息，由ZC完成）;

（5）ATS顯示（包括計(jì)軸區(qū)段占用/出清，邏輯區(qū)段占用/出清及列車的位置信息）。

這些核心功能被分配在不同的系統(tǒng)，需要各設(shè)備交互多次后才能實(shí)現(xiàn)，造成了以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）同一信息在各設(shè)備間迂回傳遞，延長(zhǎng)了信息使用時(shí)間，不利于進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率;

（2）同一信息來(lái)源于多個(gè)接口，不僅會(huì)造成顯示上的不一致，也會(huì)導(dǎo)致一些處理上的風(fēng)險(xiǎn)。

在控制區(qū)域邊界，ZC和CI分別要將相關(guān)信息發(fā)送給鄰站的ZC和CI設(shè)備，設(shè)備間的信息流向會(huì)更加復(fù)雜，如圖 3所示。

聯(lián)鎖ZC一體化是指CI和ZC系統(tǒng)使用同一套硬件設(shè)備，同時(shí)在軟件層面進(jìn)行高度融合，組成一個(gè)新的軌旁控制中心系統(tǒng)（WCC），這樣系統(tǒng)間的接口數(shù)量和層次都大大減少，降低了設(shè)備間的耦合度，從而提升了系統(tǒng)效率，如圖 4所示。

結(jié)合聯(lián)鎖設(shè)備的全電子化和ITC級(jí)別的取消，進(jìn)行聯(lián)鎖ZC的一體化后，WCC對(duì)外只提供以太網(wǎng)接口，因此其物理位置可以不再局限于設(shè)備集中站。隨著系統(tǒng)處理能力的增強(qiáng)，一個(gè)WCC也可以控制多個(gè)OCU，從而進(jìn)一步對(duì)CBTC系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖 5所示（其中虛線表示W(wǎng)CC與OCU之間的邏輯控制關(guān)系）。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)聯(lián)鎖設(shè)備的電子化、聯(lián)鎖ZC的一體化及點(diǎn)式后備系統(tǒng)的取消，使既有CBTC系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量和層次更少，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)，節(jié)約了整個(gè)系統(tǒng)的生命周期成本;在保證系統(tǒng)核心功能不降低的前提下，提升了系統(tǒng)效率。

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收稿日期 2020-04-23

責(zé)任編輯 黨選麗