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        城市軌道交通CBTC系統(tǒng)精簡化研究

        2020-11-06 03:02:16姜慶陽
        現(xiàn)代城市軌道交通 2020年10期
        關鍵詞:計軸電子化區(qū)段

        姜慶陽

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

        關鍵詞:城市軌道交通;CBTC 系統(tǒng);精簡化;全電子聯(lián)鎖;聯(lián)鎖 ZC 一體化

        中圖分類號:U231+.7

        以基于通信的列車自動控制(CBTC)系統(tǒng)互聯(lián)互通自主化項目在重慶共線運營及北京燕房線全自動運行系統(tǒng)的順利實施為標志,我國城市軌道交通CBTC系統(tǒng)已經(jīng)由國產(chǎn)化階段過渡到自主化階段。隨著全自動運行系統(tǒng)的推廣應用以及各廠家互聯(lián)互通系統(tǒng)的實施,CBTC系統(tǒng)的功能越來越復雜,各設備間的耦合度越來越強;另外,既有線路改造時,對系統(tǒng)設備占用空間的要求很高,對施工量和施工時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CBTC系統(tǒng)進行適當精簡,成為當前城市軌道交通CBTC系統(tǒng)研究的重要課題之一。

        1 既有CBTC系統(tǒng)存在的問題

        CBTC系統(tǒng)由自動列車監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、CBTC軌旁系統(tǒng)(軌旁CBTC設備,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設備和車站ATS設備2部分,典型的CBTC系統(tǒng)線路設備布置示意圖如圖 1所示。

        既有自主化CBTC系統(tǒng)在我國城市化發(fā)展進程中,發(fā)揮了不可替代的作用。為降低實際工程應用中的技術風險,加快開發(fā)周期,自主化CBTC系統(tǒng)在開發(fā)初期的設計理念是盡量沿用已驗證的成熟技術,通過疊加新的子系統(tǒng)實現(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)仍存在下列問題。

        (1)采用繼電方式與現(xiàn)場設備接口,室內(nèi)占地面積大,施工配線多,繼電器需要定期檢修,維護復雜。

        (2)系統(tǒng)控制級別多,后備模式復雜,需要花費大量精力安裝、調(diào)試和維護后備模式的設備。

        (3)設備間接口的數(shù)量和層次多,各設備在功能上又相互依賴,耦合度高,存在信息代傳、迂回傳遞的問題,數(shù)據(jù)交換效率低,很難進一步提高系統(tǒng)效率;除了VOBC-VOBC之外,其他各設備之間均需要相互接口,如表 1所示。

        2 系統(tǒng)精簡化方案

        2.1 聯(lián)鎖設備的全電子化

        傳統(tǒng)的計算機聯(lián)鎖設備按照功能層次可劃分為人機交互層、聯(lián)鎖主控層、聯(lián)鎖執(zhí)行層和軌旁設備接口層4 個。傳統(tǒng)的計算機聯(lián)鎖軌旁設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、擴展等方面均存在一些不足,而計算機聯(lián)鎖設備的全電子化是針對以上不足,將傳統(tǒng)計算機聯(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象控制器(OCU)和全電子模塊,如圖 2 所示。

        聯(lián)鎖設備全電子化后,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)簡化

        隨著系統(tǒng)冗余技術的廣泛應用和系統(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)運營的故障日益減少,導致CBTC系統(tǒng)后備設備的“存在感”越來越低,這為后備系統(tǒng)的精簡提供了基本條件。

        既有CBTC系統(tǒng)大都分為3個控制級別,分別是連續(xù)級(CTC)、點式級(ITC)和聯(lián)鎖級(ILC),系統(tǒng)各控制級別所需的主要控制設備如表 3所示。

        ITC級別作為后備模式,在建設時,需要增加點式設備(LEU和有源應答器),從而提高了設備的成本及安裝、調(diào)試的工作量;在應用時,增加了系統(tǒng)維護的工作量,需要對司機和使用人員進行培訓;定期進行人工駕駛實操訓練。

        在信號設備房內(nèi)取消LEU設備,在道旁取消有源應答器,同時減少室內(nèi)與有源應答器之間的連接線纜,以及對CI設備的程序進行變更,即可取消ITC級別。ITC級別的取消,主要有以下幾個優(yōu)點:

        (1)減少系統(tǒng)設備的種類和數(shù)量,可降低設備費用;

        (2)減少設備現(xiàn)場安裝調(diào)試的工作量,可縮短建設工期;

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

        (4)有效降低系統(tǒng)維護的工作量;

        (5)使系統(tǒng)更加簡潔,同時可減少員工培訓的工作量,降低系統(tǒng)使用難度;

        (6)降低整個生命周期的成本。

        2.3 聯(lián)鎖 ZC 一體化

        既有CBTC的CI作為成熟設備,其功能相對獨立并得到現(xiàn)場充分驗證,后期開發(fā)的CBTC設備功能都盡可能在已有聯(lián)鎖功能的基礎上進行功能疊加,因此增加了ZC系統(tǒng)。在CBTC系統(tǒng)發(fā)展早期,這一設計取長補短,對CBTC系統(tǒng)的推廣和發(fā)展起到了非常重要的作用,但該設計也導致既有CBTC系統(tǒng)設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聯(lián)功能為列,說明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的問題。

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

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

        (2)計軸故障的判斷(綜合列車的位置和計軸區(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/出清信息和計軸區(qū)段故障信息,由CI 完成);

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

        (5)ATS顯示(包括計軸區(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),需要各設備交互多次后才能實現(xiàn),造成了以下幾個問題:

        (1)同一信息在各設備間迂回傳遞,延長了信息使用時間,不利于進一步提高系統(tǒng)效率;

        (2)同一信息來源于多個接口,不僅會造成顯示上的不一致,也會導致一些處理上的風險。

        在控制區(qū)域邊界,ZC和CI分別要將相關信息發(fā)送給鄰站的ZC和CI設備,設備間的信息流向會更加復雜,如圖 3所示。

        聯(lián)鎖ZC一體化是指CI和ZC系統(tǒng)使用同一套硬件設備,同時在軟件層面進行高度融合,組成一個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)鎖設備的全電子化和ITC級別的取消,進行聯(lián)鎖ZC的一體化后,WCC對外只提供以太網(wǎng)接口,因此其物理位置可以不再局限于設備集中站。隨著系統(tǒng)處理能力的增強,一個WCC也可以控制多個OCU,從而進一步對CBTC系統(tǒng)進行簡化,如圖 5所示(其中虛線表示W(wǎng)CC與OCU之間的邏輯控制關系)。

        3 結(jié)語

        通過聯(lián)鎖設備的電子化、聯(lián)鎖ZC的一體化及點式后備系統(tǒng)的取消,使既有CBTC系統(tǒng)設備的數(shù)量和層次更少,從而簡化了系統(tǒng)的設計、應用和維護,節(jié)約了整個系統(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

        責任編輯 黨選麗

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