雷錫絨

*西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 講師,710014 西安

移動(dòng)閉塞是運(yùn)用無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)車(chē)-地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)?。西安地鐵 2號(hào)線一期工程信號(hào)系統(tǒng)采用基于無(wú)線通信移動(dòng)閉塞列車(chē)控制 (CBTC)技術(shù),能夠安全、可靠地實(shí)現(xiàn)全功能、全方位的列車(chē)運(yùn)行控制。該系統(tǒng)采用最新科學(xué)技術(shù),可實(shí)現(xiàn) 90 s行車(chē)間隔;設(shè)備數(shù)量有效減少,后期維護(hù)量小;運(yùn)用統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),便于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。分析研究典型城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng) CBTC技術(shù)方案,可對(duì)城市軌道交通的發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 西安地鐵 2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)組成

西安地鐵 2號(hào)線一期工程采用分布式信號(hào)系統(tǒng),主要的子系統(tǒng)和設(shè)備組成如圖 1所示。

圖 1 信號(hào)控制系統(tǒng)總體框圖

1.中心列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng) (ATS)由監(jiān)控設(shè)備、光纜、電纜、計(jì)算機(jī) (Linux操作系統(tǒng))及外設(shè)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、軟件等組成。

2.區(qū)域控制器 (ZC)是基于處理器的安全控制器,安裝在軌旁,每個(gè) ZC三取二冗余配置。

3.數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)單元 (DSU)由軌道數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)所用的冗余服務(wù)器組成。

4.聯(lián)鎖控制器 (MicroLokⅡ)是一個(gè)專(zhuān)為鐵路安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)的基于微處理器 (68322安全微處理器)的邏輯控制器,位于設(shè)備集中站信號(hào)設(shè)備室內(nèi),雙機(jī)熱備配置,相鄰聯(lián)鎖控制器之間用光纖連線。

5.本地車(chē)站控制 (ATS)工作站安裝在車(chē)站,設(shè)備與控制中心所用設(shè)備相同。

6.MicrolokⅡ本地控制工作站(LCW)配備一套操作和顯示設(shè)備(工業(yè)控制機(jī))作為車(chē)站現(xiàn)地工作站。車(chē)站值班員可操作鼠標(biāo)或鍵盤(pán)進(jìn)行控制。

7.車(chē)載控制器 (CC)是基于微處理器的控制器,是車(chē)載子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,分別安裝在車(chē)頭和車(chē)尾,三取二冗余配置。

8.數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng) (DCS)是一個(gè)寬帶通信系統(tǒng),提供開(kāi)放的通信接口和體系架構(gòu),最大程度地采用現(xiàn)成的商業(yè)化設(shè)備。DCS系統(tǒng)由軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) (主要由軌旁設(shè)備、接入交換機(jī)和軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成)、車(chē)-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)和車(chē)載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) 3部分構(gòu)成。

上述中心 ATS子系統(tǒng)、ZC、DSU、遠(yuǎn)程 ATS車(chē)站控制工作站和 DCS間的通信,由 2個(gè)互為冗余的以太網(wǎng) LAN配置構(gòu)成。

2 系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

1.ATS子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全線列車(chē)運(yùn)行的管理和監(jiān)控。中心 ATS子系統(tǒng)通過(guò) DCS與其他子系統(tǒng)通信并交換數(shù)據(jù)和命令,對(duì)信號(hào)各子系統(tǒng)及其他系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控;負(fù)責(zé)列車(chē)的識(shí)別、確認(rèn);自動(dòng)或人工設(shè)置進(jìn)路;調(diào)節(jié)列車(chē)的運(yùn)行控制等級(jí)和停站時(shí)間,以維持時(shí)刻表和運(yùn)行間隔;列車(chē)運(yùn)行圖/時(shí)刻表編輯及管理;ATS事件記錄、報(bào)告和報(bào)警等。

正常情況下中心 ATS自動(dòng)監(jiān)控全線。當(dāng)中心ATS故障時(shí),自動(dòng)切換至某設(shè)備集中站設(shè)置的 ATS主服務(wù)器和通信服務(wù)器控制全線 (即本地自動(dòng)模式)。ATS還提供人工運(yùn)行控制模式,包括在車(chē)站扣車(chē)/取消扣車(chē),建立/解除速度限制,以及臨時(shí)區(qū)間封鎖 /取消。

2.區(qū)域控制器 (ZC)負(fù)責(zé)確定其控制區(qū)內(nèi)列車(chē)的移動(dòng)授權(quán),保證列車(chē)以最小的間隔安全運(yùn)行。軌旁子系統(tǒng)主要由位于設(shè)備集中站的多個(gè)分布式ZC組成。ZC通過(guò) DCS與 ATS、CC接口。每個(gè) ZC接收 ATS生成的動(dòng)態(tài)臨時(shí)限速指令和該控制區(qū)內(nèi)列車(chē)發(fā)出的位置信息,根據(jù)所有已知障礙物 (包括其他列車(chē)、封閉區(qū)段、失去狀態(tài)的道岔等)的位置和運(yùn)行權(quán)限來(lái)確定其區(qū)域內(nèi)所有列車(chē)的移動(dòng)授權(quán),并持續(xù)更新和傳輸移動(dòng)權(quán)限指令,通過(guò)移動(dòng)閉塞確保列車(chē)以最小的運(yùn)行間隔安全運(yùn)行。同時(shí) ZC也回應(yīng)相鄰 ZC的授權(quán)申請(qǐng)。ZC還與 MicrolokⅡ接口,以控制和表示軌旁設(shè)備。

3.DSU保存所有維護(hù)記錄和列車(chē)運(yùn)行線路的軌道數(shù)據(jù)。軌道數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)離線數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建,包括:土建限速信息、身份識(shí)別號(hào)碼、軌道應(yīng)答器位置、轉(zhuǎn)轍機(jī)位置、折返位置、其他障礙物的位置等相關(guān)線路信息。每個(gè) CC和 ZC都使用軌道數(shù)據(jù)庫(kù),定期與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器聯(lián)系,獲取當(dāng)前正在使用的數(shù)據(jù)庫(kù)版本號(hào)。如果 CC或 ZC需要更新數(shù)據(jù)則向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求,數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將通過(guò)發(fā)送一系列所需的軌道數(shù)據(jù)信息來(lái)回應(yīng)。

4.聯(lián)鎖控制器 MicroLokⅡ負(fù)責(zé)執(zhí)行軌旁聯(lián)鎖邏輯的安全性功能。正線計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖采用分布式聯(lián)鎖控制方式。每個(gè)聯(lián)鎖區(qū)包括有岔站和無(wú)岔站,由MicrolokⅡ控制。MicrolokⅡ的基本功能是根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行程序和一個(gè)專(zhuān)為安全功能而設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序,來(lái)處理輸入量并生成相應(yīng)輸出,達(dá)到控制安全聯(lián)鎖的功能。每個(gè) MicrolokⅡ都有一個(gè)唯一的IP地址,通過(guò)軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與 ZC保持通信。還通過(guò)安全繼電器接口電路與軌旁設(shè)備接口,采集并控制其狀態(tài)。與 MicrolokⅡ接口的軌旁設(shè)備包括本站及其聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)其他車(chē)站的信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸主機(jī)、現(xiàn)地控制盤(pán)、緊急停車(chē)按鈕、自動(dòng)折返按鈕、站臺(tái)屏蔽門(mén)及區(qū)間隔斷門(mén)等。

5.本地控制工作站 (LCW)主要用于與站級(jí)設(shè)備有關(guān)的故障模式。當(dāng)中心 ATS和本地 ATS均不可用時(shí),使用本地 (車(chē)站)人工控制模式。使用時(shí),將開(kāi)關(guān)鎖在本地控制位置,本地人工僅通過(guò)LCW進(jìn)行。人工控制僅限于該 MicrolokⅡ控制的聯(lián)鎖區(qū)域。鄰近聯(lián)鎖區(qū)仍將在其既有模式下繼續(xù)運(yùn)行。

6.車(chē)載控制器 (CC)負(fù)責(zé)列車(chē)定位、允許速度執(zhí)行、控制模式管理、移動(dòng)授權(quán)以及其他有關(guān)的ATP和ATO功能。每個(gè) CC裝載有描述列車(chē)所在線路的軌道數(shù)據(jù)庫(kù) (由 DSU傳輸)。CC通過(guò)車(chē)載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與列車(chē)的各子系統(tǒng)接口,如 CC與速度/位移傳感器和查詢(xún)應(yīng)答器接口,以確定列車(chē)的位置;CC與列車(chē)司機(jī)顯示器接口,顯示駕駛信息、設(shè)備狀況,以及給司機(jī)的報(bào)警。CC還通過(guò)車(chē)載無(wú)線臺(tái) MR(采用空間分集技術(shù))在車(chē)載設(shè)備和軌旁設(shè)備間進(jìn)行雙向高速、安全可靠、實(shí)時(shí)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸,根據(jù)軌旁 ZC發(fā)出的移動(dòng)授權(quán)指令來(lái)執(zhí)行ATP和 ATO功能。

車(chē)載 ATP和 ATO子系統(tǒng)通過(guò) 2個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)連接到 MR。ATP主要負(fù)責(zé)超速防護(hù),保障安全,包括安全速度/距離曲線的確定與執(zhí)行、CBTC運(yùn)行模式、安全列車(chē)間隔、安全門(mén)控、安全的防退行和防溜等。ATO主要負(fù)責(zé)正常情況下列車(chē)高質(zhì)量的運(yùn)行,包括自動(dòng)啟動(dòng)、速度控制、程序停站、門(mén)控等。ATO與 ATP交換數(shù)據(jù),ATO始終在 ATP的監(jiān)督下運(yùn)行。列車(chē)有 5種駕駛模式:全自動(dòng)駕駛模式 (AM)、有 ATP防護(hù)的人工駕駛模式 (ATPM)、備用駕駛模式 (BATPM)、受限的人工駕駛模式 (RM)和旁路模式 (BY)。

7.數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng) (DCS)提供中心控制室(OCC)、軌旁子系統(tǒng) (ZC、MicroLokⅡ)、車(chē)載子系統(tǒng)及其他沿線地面設(shè)備之間雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)通信。有線通信網(wǎng)絡(luò)采用 IEEE802.3以太標(biāo)準(zhǔn),無(wú)線通信采用先進(jìn)的 WLAN技術(shù) IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)。

1)軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提供各軌旁子系統(tǒng) (ZC、MicroLokⅡ等 )和軌旁無(wú)線設(shè)備 (軌旁 AP)接入數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的接口。其結(jié)構(gòu)采用骨干環(huán)網(wǎng)下掛接入網(wǎng),本地設(shè)備通過(guò)接入交換機(jī)和冗余以太網(wǎng)連接到骨干交換機(jī)上,然后到軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)由 2個(gè)獨(dú)立的互為冗余備份的軌旁網(wǎng)絡(luò)組成。接入交換機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的 10M/100Mb/s以太網(wǎng)接口,遵循國(guó)際通行的 IEEE802.3u和802.3x協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議采用 UDP/IP。

2)車(chē)-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)提供車(chē)-地之間高速、安全、可靠、實(shí)時(shí)的雙向移動(dòng)通信,即IEEE802.11g無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù),并遵循IEEE802.11i無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議。

3)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)提供各車(chē)載子系統(tǒng) (ATP、ATO等)、車(chē)載設(shè)備 (司機(jī)駕駛臺(tái) TOD、安全 I/O控制器 MTORE等)及車(chē)載無(wú)線臺(tái) (MR)之間的通信接口。車(chē)載網(wǎng)絡(luò)由 2個(gè)獨(dú)立的互為冗余的以太網(wǎng)組成。車(chē)載交換機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的 10Mb/s/100Mb/s以太網(wǎng)接口,遵循國(guó)際通行的 IEEE802.3u和 802.3x協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議采用 UDP/IP。

另外,信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案還能夠保證最不利故障情況下 (包括 ZC失效、ATS失效、通信系統(tǒng)失效)實(shí)現(xiàn)后備模式降級(jí)運(yùn)行,其功能有聯(lián)鎖、自動(dòng)站間閉塞、點(diǎn)式列車(chē)超速防護(hù) (點(diǎn)式 ATP系統(tǒng))。在此模式下,列車(chē)占用檢查利用計(jì)軸設(shè)備實(shí)現(xiàn),司機(jī)以地面信號(hào)作為主體信號(hào)人工駕駛列車(chē)。

除上述功能外,信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案還支持非CBTC列車(chē) (ATP故障車(chē)、工程車(chē)、救援車(chē)等)在同一系統(tǒng)中安全運(yùn)行。非 CBTC列車(chē)的運(yùn)行是以地面信號(hào)作為主體信號(hào)。非 CBTC列車(chē)的位置檢測(cè)由輔助列車(chē)位置檢測(cè)系統(tǒng) (計(jì)軸器)完成,其位置信息傳輸給 ZC,用于 CBTC列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)特點(diǎn)

1.先進(jìn)性:車(chē)-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)中 802.11g采用的調(diào)制方案是正交頻分復(fù)用 OFDM技術(shù),能夠避免解調(diào)時(shí)不同子載波間的相互干擾。提供更強(qiáng)的抗干擾數(shù)據(jù)通信能力,802.11i可阻止未授權(quán)用戶(hù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)絡(luò),將接入交換機(jī)采用 RPR彈性分組數(shù)據(jù)環(huán)技術(shù)連接起來(lái)(集 IP的智能化、以太網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和光纖環(huán)網(wǎng)的高帶寬效率、可靠性于一體),在提高可靠性的同時(shí),降低了傳送費(fèi)用。采用華為三康公司新開(kāi)發(fā)的越區(qū)切換技術(shù) WHFT(WLAN切換優(yōu)化算法),再加上相鄰 AP彼此重疊足夠的區(qū)域 (無(wú)線網(wǎng)絡(luò)冗余),能夠?qū)崿F(xiàn) MR從一個(gè) AP移到下一個(gè) AP的零切換時(shí)間 (避免切換過(guò)程中 MR與 AP的通信中斷),確保了高速列車(chē)的行車(chē)安全。

2.開(kāi)放性:網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,能與其他供貨商提供的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。

3.擴(kuò)展性:網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)具有良好的擴(kuò)展性,包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和有線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展(線路延長(zhǎng)和與其他線的互聯(lián)),都是支持平滑擴(kuò)容與升級(jí);同時(shí)系統(tǒng)也考慮與車(chē)-地雙向?qū)崟r(shí)視頻無(wú)線傳輸系統(tǒng)共用的可能性。

4.安全性:采用多種具有世界先進(jìn)水平的安全防護(hù)措施,來(lái)保證開(kāi)放式空間接口數(shù)據(jù)通信安全。包括 128位 AES密碼數(shù)據(jù)加密,用戶(hù)認(rèn)證,動(dòng)態(tài)密碼刷新機(jī)制,數(shù)據(jù)發(fā)送方校驗(yàn),數(shù)據(jù)過(guò)濾和數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)等,滿足 CENELEC50159-2安全標(biāo)準(zhǔn)。

5.簡(jiǎn)易性:系統(tǒng)提供良好的網(wǎng)絡(luò)管理手段,為用戶(hù)提供簡(jiǎn)單、便攜的管理維護(hù)方式。

6.健壯性:系統(tǒng)具有很高的可靠性,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路的冗余,使系統(tǒng)有較強(qiáng)的故障導(dǎo)向安全的功能。無(wú)線傳輸設(shè)備全部采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,滿足溫度、震動(dòng)等環(huán)境要求。

7.抗干擾性:系統(tǒng) (特別是無(wú)線通信設(shè)備)對(duì)外界電磁干擾 (接觸網(wǎng)供電和雜散電流產(chǎn)生的電磁干擾等)以及其他工作在相同頻率的無(wú)線設(shè)備產(chǎn)生的同頻干擾具有很強(qiáng)的抵抗能力。802.11g設(shè)備的抗電磁干擾能力經(jīng)過(guò)地下環(huán)境實(shí)測(cè)合格。

目前該方案正在實(shí)施之中。

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