摘要：描述了CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了當前聯(lián)鎖和區(qū)域控制器相互獨立所帶來的一些問題，并對聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化進行了技術(shù)探討。通過實現(xiàn)一體化設(shè)計，能夠在系統(tǒng)功能增強、性能提升、維護簡潔等方面帶來一系列的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：計算機聯(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用，已成為列車控制的主流制式。隨著計算機、通信和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，處理器的運算能力越來越高，無線通信技術(shù)日益成熟和穩(wěn)定，針對CBTC系統(tǒng)簡化系統(tǒng)構(gòu)架的需求也越來越高。本文對CBTC系統(tǒng)中的聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的一體化設(shè)計可行性進行技術(shù)分析和探討。

1典型CBTC系統(tǒng)構(gòu)成

在IEEE 1474.1標準中描述了一種典型CBTC系統(tǒng)，包括列車自動監(jiān)督（ATS）、計算機聯(lián)鎖（CI）、列車自動防護（ATP，包含車載ATP和區(qū)域控制器ZC）、列車自動駕駛（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)定的時序下控制軌旁的道岔和信號機，為列車運行建立進路，確保進路上軌道區(qū)段、道岔、信號機等之間的安全聯(lián)鎖，以保證列車運行安全。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)、進路狀態(tài)、臨時限速狀態(tài)等信息，進行列車位置跟蹤，實時產(chǎn)生針對所控列車的移動授權(quán)（MA），并通過無線通信系統(tǒng)傳輸給車載子系統(tǒng)，實現(xiàn)以移動閉塞方式安全控制列車運行的目標。

2存在的問題分析

國內(nèi)已開通CBTC系統(tǒng)是一個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)置相對獨立。由于系統(tǒng)獨立分布設(shè)置，控制方式分離、維護信息分散，會導致一些問題的存在。

2.1通信延時問題

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)域控制器間進行實時更新和交互。聯(lián)鎖和區(qū)域控制器系統(tǒng)設(shè)備往往采用周期運行方式，隨著通信環(huán)節(jié)的增加，會造成系統(tǒng)整體響應速度變慢，降低了運行效率，影響客運能力的提高。同時，聯(lián)鎖與區(qū)域控制器之間交互的應用數(shù)據(jù)量會受到傳輸媒介、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，將對列車運行和系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響。由此對分設(shè)系統(tǒng)的時鐘一致性和通信實時性、可靠性、各系統(tǒng)處理能力要求較高。

2.2系統(tǒng)維護問題

聯(lián)鎖和區(qū)域控制器設(shè)備相互獨立設(shè)計，設(shè)備數(shù)量增加自然造成故障點增多，兩個設(shè)備中的任一設(shè)備發(fā)生故障均會影響列車的正常運行。而各自的維護單元也相互獨立，也給運營維護的管理人員造成困擾。當CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，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，維護人員需要通過各個系統(tǒng)的維護單元下載日志記錄，對所有的設(shè)備信息及各系統(tǒng)之間的交互信息進行逐個分析后才能進行故障原因定位。同時，各維護單元由于軟件開發(fā)環(huán)境不同造成的顯示風格、操作方式等風格迥異也給運營維護人員造成了麻煩和困擾。

2.3系統(tǒng)成本問題

由于系統(tǒng)獨立分布設(shè)置，每套系統(tǒng)都需要配置相應的人機界面、維護單元、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。當線路設(shè)計變更、聯(lián)鎖或者區(qū)域控制器內(nèi)部發(fā)生變化或者升級檢修時，需要同時維護、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)標準的不統(tǒng)一，進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)備獨立分布設(shè)置給系統(tǒng)造成的不利影響，而一體化設(shè)計可以有效避免和解決上述問題。下面對聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化的可行性進行分析。

3.1硬件構(gòu)成

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件構(gòu)成通常為聯(lián)鎖主機、控顯機和維護機三部分，其中聯(lián)鎖主機為二乘二取二的硬件冗余結(jié)構(gòu)，它的設(shè)計理念是遵守故障-安全原則。區(qū)域控制器的硬件構(gòu)成由區(qū)域控制器主機和維護機兩部分構(gòu)成，區(qū)域控制器主機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、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)鎖主機和區(qū)域控制器主機具有相似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，聯(lián)鎖維護機與區(qū)域控制器維護機也均為工控機，具備一體化設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

設(shè)備一體化還需要硬件平臺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，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)安全計算機硬件平臺發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。相比于性能不斷提升的安全計算機硬件平臺，聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的軟件規(guī)模是有限的。隨著硬件平臺的發(fā)展和更新?lián)Q代，將當前聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的硬件集成和實現(xiàn)一體化設(shè)計是完全具備基礎(chǔ)條件的。

3.2軟件構(gòu)成

聯(lián)鎖和區(qū)域控制器軟件都運行在安全計算平臺上，主要軟件結(jié)構(gòu)模塊劃分均為平臺軟件模塊、應用邏輯軟件模塊以及接口通信軟件模塊，其中平臺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)鎖應用邏輯軟件主要完成軌旁信號設(shè)備及進路控制，保證列車運行安全。區(qū)域控制器應用邏輯軟件主要完成列車移動授權(quán)計算，防護管轄范圍內(nèi)的列車安全運行。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)鎖的進路相關(guān)信息，軌旁設(shè)備狀態(tài)信息等。進行聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化集成后，兩個系統(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)傳輸錯誤及延時。

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，與維護監(jiān)測系統(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，與維護監(jiān)測系統(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，與維護監(jiān)測系統(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立分設(shè)聯(lián)鎖、區(qū)域控制器的系統(tǒng)有較大優(yōu)勢，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)畸變風險，降低信息傳輸延遲引起的命令失效風險，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，需要維護的硬件設(shè)備、系統(tǒng)間通信通道和故障環(huán)節(jié)也相應減少，總維護工作量大幅下降。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、運算及傳輸?shù)囊恢滦?，又減少了軟件數(shù)據(jù)配置、測試以及現(xiàn)場調(diào)試的工作量，為工程順利開通節(jié)省了時間。因此聯(lián)鎖與區(qū)域控制器一體化乃至信號系統(tǒng)的一體化應是我國軌道交通信號系統(tǒng)裝備發(fā)展的后續(xù)目標和方向。

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作者簡介：田超（1983.02-），男，北京，當前職務：產(chǎn)品集成中心副主任，當前職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：城市軌道交通列車自動控制。