基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)中軌旁控制子系統(tǒng)一體化研究

喬高鋒 耿 鵬 宿秀元 劉 佳 張 勇

(1.通號城市軌道交通技術(shù)有限公司， 100070， 北京；2.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心， 100044， 北京∥第一作者， 工程師)

目前投入運(yùn)營的城市軌道交通線路中，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的軌旁控制子系統(tǒng)大多通過分別設(shè)置計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的方式來共同管理列車運(yùn)行，保證列車運(yùn)行安全。這種軌旁控制方案不僅車地接口冗余重復(fù)、設(shè)備間耦合度高，導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)營和維護(hù)成本較高、運(yùn)行效率較低，還增加了地面控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、故障-安全技術(shù)的不斷完善和成熟，有必要對目前的CBTC系統(tǒng)進(jìn)行反思，對CBTC系統(tǒng)的地面設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

1 CBTC系統(tǒng)分析

1.1 國內(nèi)CBTC系統(tǒng)分析

目前國內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通線路的CBTC系統(tǒng)均采用IEEE 1474.1TM—2004標(biāo)準(zhǔn)中描述的典型CBTC系統(tǒng)[1]。在典型CBTC的架構(gòu)中，CBI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、ZC(區(qū)域控制器)、ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、車載ATP(列車自動(dòng)防護(hù))、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)等設(shè)備均作為獨(dú)立的設(shè)備，相互間采用接口連接。其主要特點(diǎn)是：① 線路資源(如計(jì)軸區(qū)段、信號機(jī)和道岔等)的管理和分配由CBI完成，同時(shí)CBI將設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送至ZC；② 列車移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算和發(fā)送由ZC完成，ZC根據(jù)管轄范圍內(nèi)的列車位置信息和CBI發(fā)送的線路設(shè)備狀態(tài)信息為列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給列車；③ ZC把來自車載的列車位置信息和來自CBI的計(jì)軸區(qū)段占用信息進(jìn)行綜合處理，以計(jì)算列車的位置關(guān)系。

無線CBTC系統(tǒng)應(yīng)用初期采用上述架構(gòu)，是考慮到CBTC系統(tǒng)在工程上一次性全功能開通的可行性，以及新采用的基于無線車-地通信技術(shù)的可靠性[2]。因此，將CBI和ZC作為2個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，在當(dāng)時(shí)的CBTC系統(tǒng)方案中是合理、可行的選擇。

典型CBTC系統(tǒng)的架構(gòu)有ZC和CBI 2個(gè)區(qū)域控制核心，存在如下問題[3]：

1) 子系統(tǒng)間接口復(fù)雜，降低了系統(tǒng)可靠性和可用性。移動(dòng)閉塞的控制邏輯必須經(jīng)過車載ATP、ZC和CBI 3個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理，為了提高雙核心架構(gòu)的系統(tǒng)效率，引入了很多的請求/確認(rèn)機(jī)制。這種設(shè)計(jì)雖然可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能，卻使得系統(tǒng)的整體可靠性降低。請求/確認(rèn)機(jī)制中任何環(huán)節(jié)中斷都會對系統(tǒng)的可用性帶來挑戰(zhàn)。

2) 后備系統(tǒng)的存在增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。CBTC需配置后備信號系統(tǒng)的要求，使得所有與安全相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)均需考慮CBTC模式和后備模式，且需考慮這2種模式隨時(shí)切換的場景，導(dǎo)致軌旁設(shè)備眾多，安裝和維護(hù)的工作量大。而在實(shí)際運(yùn)營中，因ZC故障必須降到后備模式的情況極少。

1.2 國外CBTC系統(tǒng)分析

國外提供CBTC系統(tǒng)解決方案的主要供應(yīng)商不少于5家，提供的CBTC系統(tǒng)解決方案不少于150種[4]。依據(jù)CBTC系統(tǒng)解決方案是否有獨(dú)立的聯(lián)鎖系統(tǒng)這一判斷條件，列出了國外主要CBTC系統(tǒng)供應(yīng)商的解決方案，如表1所示。由表1可以看出，在目前的CBI和ZC的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)軌旁控制子系統(tǒng)一體化，在技術(shù)上是可行的。基于優(yōu)化CBTC系統(tǒng)的目的，本文提出對既有CBI和ZC的功能整合進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)軌旁控制子系統(tǒng)的一體化。

表1 國外主要CBTC系統(tǒng)供應(yīng)商及解決方案

2 軌旁控制子系統(tǒng)一體化方案研究

2.1 一體化CBTC系統(tǒng)方案介紹

按照融合方式的不同，軌旁控制子系統(tǒng)一體化的CBTC系統(tǒng)有以下3種實(shí)現(xiàn)方案[5]：

1) 方案1，CBI和ZC放置在同一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，各自采用獨(dú)立硬件和軟件，2個(gè)子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)等高速通信接口連接。

2) 方案2，CBI和ZC采用同一硬件，2個(gè)軟件同時(shí)運(yùn)行在該硬件中，接口信息通過共享內(nèi)存的方式進(jìn)行交互。

3) 方案3，CBI和ZC采用同一硬件和同一軟件。

方案1和方案2能夠在一定程度上緩解通信延遲，但無法完全解決ZC和CBI單獨(dú)設(shè)置帶來的問題。本文重點(diǎn)對方案3進(jìn)行研究，方案3的CBTC系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。方案3中，采用全電子接口平臺替代了典型CBTC系統(tǒng)中的繼電器組合架，其負(fù)責(zé)采集室外設(shè)備的狀態(tài)和控制室外設(shè)備到指定狀態(tài)。軌旁控制子系統(tǒng)同時(shí)具備了典型CBTC系統(tǒng)中的CBI功能和ZC功能。

2.2 軌旁控制子系統(tǒng)為列車計(jì)算行車許可的方法

CBTC系統(tǒng)中以移動(dòng)授權(quán)代替信號機(jī)作為行車憑證。在軌旁控制子系統(tǒng)一體化的CBTC系統(tǒng)中，由于軌旁控制子系統(tǒng)既可以實(shí)時(shí)獲取列車的位置信息，又可以直接對線路設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行管理，因此，可以根據(jù)軌旁控制子系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的行車許可計(jì)算方法，如圖 2所示。其中：CBTC列車表示軌旁控制子系統(tǒng)能為其計(jì)算移動(dòng)授權(quán)的列車；非CBTC列車表示軌旁控制子系統(tǒng)與其有通信、但不能為其計(jì)算移動(dòng)授權(quán)的列車，或者與其沒有通信的列車；移動(dòng)閉塞進(jìn)路表示為CBTC列車辦理的進(jìn)路；普通進(jìn)路表示為非CBTC列車辦理的進(jìn)路；障礙點(diǎn)為列車移動(dòng)授權(quán)不可越過的點(diǎn)。

2.2.1 進(jìn)路辦理

ATS根據(jù)不同類型的列車，向軌旁控制子系統(tǒng)下達(dá)不同的進(jìn)路辦理申請。

1) 對于CBTC列車，ATS下達(dá)的移動(dòng)閉塞進(jìn)路辦理申請主要包括路徑標(biāo)識號、進(jìn)路起點(diǎn)、進(jìn)路終點(diǎn)等信息，此時(shí)進(jìn)路的起點(diǎn)是列車車尾所在區(qū)段的始端，終點(diǎn)是進(jìn)路辦理申請的目的地再延伸一個(gè)保護(hù)距離的位置。

2) 對于非CBTC列車，ATS將下達(dá)普通進(jìn)路辦理申請，此時(shí)進(jìn)路的起點(diǎn)是列車車頭所在計(jì)軸區(qū)段的末端，終點(diǎn)是進(jìn)路辦理申請的目的地再延伸一個(gè)完整的計(jì)軸區(qū)段的位置。此處需要強(qiáng)調(diào)的是，信號機(jī)到信號機(jī)的進(jìn)路屬于普通進(jìn)路。

注：PSD——屏蔽門；LEU——軌旁電子單元。

圖2 軌旁控制子系統(tǒng)的行車許可計(jì)算方法

2.2.2 進(jìn)路解鎖

移動(dòng)閉塞進(jìn)路和普通進(jìn)路均可通過自動(dòng)解鎖和人工解鎖2種方式解鎖進(jìn)路。

1) 采用自動(dòng)解鎖進(jìn)路方式時(shí)：① 對于移動(dòng)閉塞進(jìn)路，隨著CBTC列車沿著移動(dòng)授權(quán)方向前行，列車車尾后面的區(qū)段將自動(dòng)解鎖；② 對于普通進(jìn)路，鎖閉區(qū)段需經(jīng)過“三點(diǎn)檢查”后方能自動(dòng)解鎖。

2) 采用人工解鎖進(jìn)路方式時(shí)：① 對于移動(dòng)閉塞進(jìn)路，若列車的移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)未達(dá)到進(jìn)路始端或未進(jìn)入該進(jìn)路，則進(jìn)路立即解鎖。否則，軌旁控制子系統(tǒng)將向車載ATP詢問是否能在該進(jìn)路前停下，若車載ATP回復(fù)可以停下，則軌旁控制子系統(tǒng)立即解鎖該進(jìn)路；② 對于普通進(jìn)路，軌旁控制子系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)路的接近區(qū)段是否被占用來判斷解鎖時(shí)機(jī)。若該進(jìn)路的接近區(qū)段有列車占用，則在收到解鎖命令后并不立即執(zhí)行，等待固定時(shí)間(如5 s)后，再解鎖該進(jìn)路；若接近區(qū)段無列車占用，則立即解鎖該進(jìn)路。

2.2.3 行車許可計(jì)算

1) 對于CBTC列車，軌旁控制子系統(tǒng)為其辦理移動(dòng)閉塞進(jìn)路成功后，根據(jù)移動(dòng)閉塞進(jìn)路范圍內(nèi)是否存在障礙點(diǎn)設(shè)置移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn)。若不存在障礙點(diǎn)，移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn)為進(jìn)路的終端回縮一段安全距離的位置；若存在障礙點(diǎn)，則根據(jù)障礙點(diǎn)的類型回縮移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn)。列車根據(jù)軌旁控制子系統(tǒng)計(jì)算的移動(dòng)授權(quán)向前行駛。

2) 對于非CBTC列車，軌旁控制子系統(tǒng)在辦理普通進(jìn)路成功后將點(diǎn)亮信號機(jī)。非CBTC列車的駕駛員通過瞭望室外信號機(jī)的亮燈狀態(tài)來控制列車運(yùn)行。

3 一體化CBTC系統(tǒng)和典型CBTC系統(tǒng)的對比

典型CBTC系統(tǒng)中需要ZC和CBI相互配合的功能包括開放信號機(jī)、關(guān)閉信號機(jī)、人工解鎖進(jìn)路、解鎖保護(hù)區(qū)段[6]及CBI采集列車包絡(luò)占用區(qū)段延時(shí)檢測[7]等。對于這些功能的實(shí)現(xiàn)方式，一體化的CBTC系統(tǒng)與典型CBTC系統(tǒng)比較的結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的比較結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，一體化CBTC系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上述功能時(shí)，取消了典型CBTC系統(tǒng)中引入的請求/確認(rèn)機(jī)制，減少了列車包絡(luò)占用區(qū)段檢測延時(shí)。與典型CBTC系統(tǒng)相比，一體化CBTC系統(tǒng)的時(shí)效性更好，可用性更高。

表2 一體化CBTC系統(tǒng)與典型CBTC系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方式對比

4 結(jié)語

綜上所述，采用本文的軌旁控制子系統(tǒng)一體化CBTC系統(tǒng)不但可以簡化系統(tǒng)間接口、降低系統(tǒng)復(fù)雜性、減少運(yùn)營維護(hù)成本，也可解決典型CBTC系統(tǒng)中軟件功能耦合所帶來的問題，而且計(jì)算行車許可的延時(shí)更小，準(zhǔn)確度更高，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。