CBTC和TBTC兼容性車載系統(tǒng)設(shè)計

呂新軍 施 聰 陸鑫源

(1.卡斯柯信號有限公司，200072，上海；2.上海地鐵維護保障有限公司，200235，上?！蔚谝蛔髡撸呒壒こ處?

2000年前，地鐵項目多采用TBTC(基于軌道電路的列車控制)系統(tǒng)。2004年后，國內(nèi)新建和改造地鐵項目大多采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)[1]。如今，CBTC系統(tǒng)代表了當(dāng)今成熟信號系統(tǒng)的最高技術(shù)水平，提供了連續(xù)的列車保護，更精確的列車定位，更小的運營間隔，滿足用戶的多樣化運營需求[2]。因此，既有線路的TBCT系統(tǒng)在大修改造時升級為CBTC系統(tǒng)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。既有線路改造往往分段開通，且各段開通間隔時間較長。則改造期間的列車需同時兼容TBTC和CBTC兩種制式。

本文給出了一種兼容TBTC和CBTC的車載系統(tǒng)方案，研究了其系統(tǒng)組成和接口，提出了安全評估框架，并在上海地鐵2號線增購列車中投入應(yīng)用。

1 TBTC車載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

上海軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)在建設(shè)之初就采用TBTC系統(tǒng)。每列列車在車頭車尾各安裝1套TBTC車載系統(tǒng)。這2套車載系統(tǒng)相互獨立。每套車載系統(tǒng)包括主備2套ATP(列車自動防護)設(shè)備和1套ATO(列車自動運行)設(shè)備。備用ATP設(shè)備為溫備冗余。TBTC車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TBTC車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主備ATP設(shè)備通過各自的軌道電路處理板處理從同一對軌道電路接收線圈接收到的軌道電路信號，獲得軌道電路ID(編碼)、方向、目標(biāo)點速度和距離及軌道電路穿越情況等信息，并通過2個獨立的里程計來測量列車的位移和速度。ATO設(shè)備通過TWC處理板來處理TWC環(huán)線信號，實現(xiàn)精確定位停車及車地通信功能。此外，ATP設(shè)備通過無線通信與軌旁聯(lián)鎖設(shè)備通信來傳遞屏蔽門的開關(guān)命令信息，并通過顯示單元實現(xiàn)與司機的信息交互。

2 CBTC車載系統(tǒng)

iCC200型CBTC車載系統(tǒng)使用2乘2取2的安全計算機[3]，滿足CENELEC(歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會) SIL4(安全完整度等級 4級)的標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見，在每列列車的車頭和車尾各安裝1套CBTC車載系統(tǒng)，并在車頭車尾形成冗余系統(tǒng)。有冗余結(jié)構(gòu)的CBTC車載系統(tǒng)具有高安全性和高可用性。

圖2 iCC200型CBTC車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CBTC車載系統(tǒng)通過安全型編碼里程計獲得列車的位移和速度(可按需選配雷達)，并通過信標(biāo)天線讀取軌旁信標(biāo)信息來實現(xiàn)列車的定位。在CBTC模式下，CBTC車載系統(tǒng)通過無線通信獲取軌旁信標(biāo)的變量信息和列車移動授權(quán)；在CBTC降級運行的點式模式下，CBTC車載系統(tǒng)通過信標(biāo)天線從軌旁有源信標(biāo)獲得移動授權(quán)。CBTC車載系統(tǒng)主要通過DMI(人機交互界面)來實現(xiàn)與司機的信息交互。

在車頭車尾冗余部署核心處理單元，在單端冗余部署輸入輸出單元。這樣避免了單點故障，保證了列車運行控制系統(tǒng)的高可靠性。

3 兼容性車載系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兼容性車載系統(tǒng)兼具CBTC和TBTC功能，其CBTC模式與TBTC模式的切換，以及冗余切換均不影響列車的正常運行。考慮到iCC200型CBTC車載系統(tǒng)的冗余特性，采用以iCC200型CBTC車載系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成原TBTC車載系統(tǒng)的軌道電路模塊和TWC處理模塊，進而形成COS(兼容性車載系統(tǒng))。COS結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 COS結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 內(nèi)部接口

COS接口如圖4所示。COS在列車每端各增加1個獨立的軌道電路和環(huán)線處理模塊，在車底安裝1對軌道電路接收線圈和TWC天線；接收線圈、TWC天線與處理模塊之間采用專用電纜連接，并由車輛獨立供電；接收線圈同時連接到兩端的處理模塊；軌道電路和環(huán)線處理模塊通過獨立的網(wǎng)絡(luò)與核心處理模塊連接。

圖4 COS接口示意圖

3.3 模塊組成

軌道電路和環(huán)線處理模塊為獨立模塊，負責(zé)處理軌道電路信息和TWC信息。為保證COS的高可用性，列車兩端的2個軌道電路和環(huán)線處理模塊互為冗余，只要其中1個模塊正常工作就可以保證車載系統(tǒng)的正常工作。

輸入輸出單元單端冗余部署，同時采集列車狀態(tài)和司機輸入信息并發(fā)送給列車兩端的核心處理單元。

核心處理單元部署于列車兩端，能同時接收處理兩端的軌道電路和環(huán)線處理模塊信息。核心處理單元根據(jù)編碼里程計和信標(biāo)信息(軌道電路信息作為輔助)計算列車的速度和定位信息。在CBTC模式下，核心處理單元通過無線通信，從軌旁區(qū)域控制器獲取移動授權(quán)控制列車；在TBTC模式下，核心處理單元根據(jù)從軌道電路和環(huán)線處理模塊接收的軌道電路信息，來獲知軌道電路ID、方向信息、目標(biāo)速度和目標(biāo)點距離，進而計算出列車的運行授權(quán)并控制列車。控制命令通過輸入輸出模塊輸出至車輛，相應(yīng)的司機駕駛信息在司機顯示單元上顯示。

3.4 對外接口

COS對外接口有軌道電路接口、CBI(計算機聯(lián)鎖)系統(tǒng)接口、ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)接口、ZC(區(qū)域控制器)系統(tǒng)接口及車輛接口。其中，對于ZC系統(tǒng)接口和車輛接口與傳統(tǒng)CBTC中的接口一致，下文不做分析。

3.4.1 COS與軌道電路接口

軌旁軌道電路使用移頻鍵控方式以鋼軌為媒介傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。COS使用載頻為9.5 kHz、10.5 kHz、11.5 kHz、12.5 kHz、13.5 kHz、14.5 kHz、15.5 kHz、16.5 kHz。每個軌道電路使用和其相鄰軌道電路不同的載頻發(fā)送數(shù)據(jù)，載頻中心偏移為±200 Hz，采用BFSK(二進制移頻鍵控)載波調(diào)制，波特率為200 bit/s。其中，9.5 kHz和16.6 kHz為特殊區(qū)段頻率，用于傳遞停穩(wěn)信息。軌道電路和環(huán)線處理模塊將濾波器調(diào)諧到正確頻率，可僅接收當(dāng)前軌道電路的機車信號數(shù)據(jù)。安全機車信號數(shù)據(jù)包由報頭、數(shù)據(jù)包和安全冗余校驗碼組成。

軌道電路發(fā)送給COS的數(shù)據(jù)信息包括軌道電路ID、列車方向、當(dāng)前頻率、下一頻率、目標(biāo)距離、線路速度、目標(biāo)速度及停站信息等。

3.4.2 COS與CBI接口

在CBTC和TBTC模式中，COS與CBI系統(tǒng)通過無線通信接口來實現(xiàn)屏蔽門控制功能。在既有線改造中，COS需能與既有CBI系統(tǒng)接口(如有)，COS與CBI系統(tǒng)之間通過冗余網(wǎng)絡(luò)(紅藍網(wǎng))接口來傳遞屏蔽門安全信息。COS與CBI系統(tǒng)接口的OSI(開放式系統(tǒng)互聯(lián))模型如圖5所示。

圖5 COS與CBI系統(tǒng)接口的OSI模型

COS發(fā)送給CBI系統(tǒng)的信息包括列車類型、列車停穩(wěn)、屏蔽門命令等；CBI系統(tǒng)發(fā)送給COS的信息包括屏蔽門狀態(tài)等。

3.4.3 COS與ATS接口

CBTC模式下，COS通過無線通信網(wǎng)絡(luò)接口與ATS交互列車狀態(tài)信息和列車控制信息。該接口同傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的車載系統(tǒng)與ATS間接口相同。

當(dāng)無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或列車工作在TBTC模式下時，ATS與列車通過軌旁TWC來實現(xiàn)狀態(tài)信息和控制信息的交互。

ATS通過TWC發(fā)送給COS的信息包括列車ID、軌道ID、目的地ID、時間信息、ATP命令(靜態(tài)測試、門測試等)、ATO命令(跳停、扣車、運行等級、停站制動率等)、TWC停車參考點信息等。

車載通過TWC發(fā)送給ATS的信息包括：列車ID、軌道ID、ATP報警信息(緊急制動施加、打滑、制動不緩、制動故障等)、ATP狀態(tài)(門狀態(tài)、列車運行方向、停車狀態(tài)、駕駛模式、車長等)、ATP測試信息(靜態(tài)測試狀態(tài)、門測試狀態(tài))、目的地及ATO狀態(tài)(運行等級、扣車狀態(tài)等)。

4 安全評估框架

COS在既有iCC200型CBTC車載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成了軌道電路和環(huán)線模塊及相應(yīng)的設(shè)備。CBTC車載系統(tǒng)同軌道電路和環(huán)線模塊之間采用安全通信接口，且接口邊界清晰。根據(jù)EN50129和EN50126的標(biāo)準(zhǔn)要求[5]，可在CBTC車載系統(tǒng)、軌道電路和環(huán)線模塊均獨立通過安全評估的基礎(chǔ)之上，將兩者集成后再進行完整COS的安全評估。

5 結(jié)語

本文結(jié)合CBTC車載系統(tǒng)和TBTC車載系統(tǒng)的功能和特點，提出了COS設(shè)計方案。根據(jù)該方案實現(xiàn)的COS已于2019年4月在上海軌道交通北翟路基地試車線完成了TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的獨立功能測試，于2019年7月通過第三方SIL4安全評估，并于2019年9月在2號線增購的列車中投入使用。使用結(jié)果表明，該COS能夠很好地兼容CBTC和TBTC，具有良好的實用性和穩(wěn)定性。