馮浩楠,王 鯤,邢科家,郜洪民

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

引言

近年來，快速發(fā)展的城市化建設(shè)對城市軌道交通信號系統(tǒng)的效率和安全性不斷增加[1-3]?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂萍夹g(shù)(CBTC)憑借其顯著優(yōu)勢，成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的首選方案[4-5]。

計(jì)軸系統(tǒng)是CBTC信號系統(tǒng)中保證行車安全的基礎(chǔ)設(shè)備之一[6-7]。主流的CBTC系統(tǒng)中，計(jì)軸系統(tǒng)通過繼電接口與CBTC信號系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備相連，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)將計(jì)軸系統(tǒng)采集的軌道占用信息處理后再傳遞給ZC、ATS等系統(tǒng)[8-9]。目前的CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口方式中，采用大量的AX型繼電器，造成房建占用、系統(tǒng)耗能、建設(shè)造價(jià)等指標(biāo)較高，對系統(tǒng)整體的維護(hù)性和可靠性也產(chǎn)生了一定的影響。因此，對CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口進(jìn)行優(yōu)化，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和工程價(jià)值。

提出一種新的CBTC系統(tǒng)中計(jì)軸系統(tǒng)接口優(yōu)化方案，通過對車站接口服務(wù)機(jī)的改造，拓展了CBTC系統(tǒng)計(jì)軸通信通道，實(shí)現(xiàn)繼電器節(jié)省、CBTC系統(tǒng)信息的整合，進(jìn)一步降低CBTC系統(tǒng)的綜合建設(shè)和維護(hù)成本。

1 現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)計(jì)軸系統(tǒng)接口

計(jì)軸系統(tǒng)集成傳感器、安全通信、故障-安全等技術(shù)，安全完整性水平為SIL4級[10]。計(jì)軸系統(tǒng)通過比較軌道區(qū)段兩端駛?cè)牒婉偝鲇?jì)軸點(diǎn)的列車軸數(shù)，完成軌道區(qū)段內(nèi)空閑與占用狀態(tài)自動檢查，用于站內(nèi)或區(qū)間等場地[11]。

當(dāng)前國內(nèi)外城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)的架構(gòu)中，部署在設(shè)備集中站的ATS設(shè)備、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、車站接口機(jī)、繼電器組合、計(jì)軸系統(tǒng)等設(shè)備之間的連接關(guān)系如圖1所示[12]。

圖1 現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口方案

計(jì)軸信息通過繼電接口通過繼電器組合傳遞給計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)(包括聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)和聯(lián)鎖IO單元)用于聯(lián)鎖運(yùn)算，再由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)分別傳遞給ATS、ZC等系統(tǒng)。行車調(diào)度員對計(jì)軸的操作命令，由ATS調(diào)度工作站，傳遞給ATS車站設(shè)備，再傳遞給計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、繼電器，最終通過繼電接口傳遞給計(jì)軸系統(tǒng)執(zhí)行。現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)中，計(jì)軸信息的通信路徑需要經(jīng)過多個中間環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)計(jì)軸信息傳輸路徑

2 改進(jìn)的CBTC系統(tǒng)計(jì)軸系統(tǒng)接口方案

計(jì)軸系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)之間傳遞的信息可分為兩類：列車占用信息和計(jì)軸復(fù)位相關(guān)信息。按照信息數(shù)量的比例，列車占用信息占1/3，計(jì)軸復(fù)位的相關(guān)信息占2/3。后者主要用于系統(tǒng)維護(hù)和顯示等目的，如果將此類信息采用通信方式與CBTC系統(tǒng)直接通信，可有效減少計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中部分硬件、繼電器和電纜數(shù)量，同時降低計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度和運(yùn)行開銷，實(shí)現(xiàn)省地降費(fèi)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，通過對車站接口機(jī)進(jìn)行改造，車站接口機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口連接起ATS系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)與計(jì)軸系統(tǒng)，成為連接車站軌旁控制設(shè)備、車站操作設(shè)備的中樞節(jié)點(diǎn)。改進(jìn)的CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口方案示意如圖3所示。車站接口機(jī)擴(kuò)展的直接通信接口功能包括：ATS系統(tǒng)對計(jì)軸系統(tǒng)進(jìn)行控制的命令的下達(dá)和對計(jì)軸系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)的顯示。同時，為了完成與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖主機(jī)、聯(lián)鎖維護(hù)工作站、ATS車站服務(wù)器、ATS現(xiàn)地操作終端等設(shè)備進(jìn)行通信，車站接口機(jī)還需整合既有的信息轉(zhuǎn)換和分發(fā)功能，即實(shí)現(xiàn)對來自ATS車站服務(wù)器、車站現(xiàn)地終端的控制命令的處理及下發(fā)，對來自聯(lián)鎖、計(jì)軸系統(tǒng)的車站控制設(shè)備的狀態(tài)處理及上傳。

圖3 改進(jìn)的CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口方案

3 計(jì)軸接口優(yōu)化方案的硬件設(shè)計(jì)

車站接口機(jī)作為各個車站設(shè)備的信息傳遞中樞，其穩(wěn)定性和可靠性顯得尤為重要，因此車站接口機(jī)采用雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)。任意一臺設(shè)備故障，不會影響系統(tǒng)的正常使用，以滿足整個CBTC系統(tǒng)的RAMS需求。

3.1 車站接口機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車站接口機(jī)包括A機(jī)和B機(jī)。每臺車站接口機(jī)都采用可靠的隔離措施與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。設(shè)計(jì)的5個功能接口包括：和計(jì)軸系統(tǒng)的J接口、和聯(lián)鎖主機(jī)的L接口、和聯(lián)鎖維護(hù)終端的M接口、和ATS車站服務(wù)器的S接口、和ATS現(xiàn)地控制工作站的T接口，如圖4所示。

圖4 車站接口機(jī)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)圖

3.1.1 計(jì)軸接口(J接口)

車站接口機(jī)實(shí)時接收計(jì)軸系統(tǒng)的現(xiàn)場狀態(tài)、故障狀況等信息，計(jì)軸系統(tǒng)接收車站接口機(jī)的復(fù)位命令信息。

車站接口機(jī)實(shí)時監(jiān)視與計(jì)軸系統(tǒng)的通信狀態(tài)，當(dāng)通信中斷后，車站接口機(jī)定時請求與計(jì)軸系統(tǒng)建立通信連接。

當(dāng)車站接口機(jī)接收到新的操作命令時，向計(jì)軸系統(tǒng)發(fā)送操作命令，通信協(xié)議應(yīng)保證計(jì)軸系統(tǒng)可靠接收車站接口機(jī)的操作命令。當(dāng)車站接口機(jī)沒有接收到新的操作命令時，定期向計(jì)軸系統(tǒng)發(fā)送心跳信號，計(jì)軸系統(tǒng)應(yīng)能檢測出計(jì)軸系統(tǒng)和車站接口機(jī)的通信狀態(tài)。

3.1.2 ATS車站服務(wù)器接口(S接口)

車站接口機(jī)和ATS車站服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通道應(yīng)采用專用的冗余傳輸通道，確保信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

車站接口機(jī)向ATS車站服務(wù)器傳遞站場實(shí)時信息、命令執(zhí)行結(jié)果等信息，主要包括：站場表示信息、控制狀態(tài)信息、心跳信息和控制模式轉(zhuǎn)換信息。ATS車站服務(wù)器向車站接口機(jī)傳遞操作命令信息，主要包括：控制狀態(tài)信息、控制命令信息、時鐘信息和心跳信息。

3.1.3 ATS現(xiàn)地終端接口(T接口)

在現(xiàn)地控制工作模式下，車站接口機(jī)實(shí)現(xiàn)和ATS現(xiàn)地控制工作站之間傳遞站場實(shí)時信息、命令執(zhí)行結(jié)果等信息。

3.1.4 聯(lián)鎖主機(jī)(L接口)

車站接口機(jī)接收計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的狀態(tài)信息，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接收車站接口機(jī)的命令信息。

車站接口機(jī)實(shí)時監(jiān)視與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信狀態(tài)，當(dāng)通信中斷后，車站接口機(jī)應(yīng)定時請求與聯(lián)鎖主機(jī)建立通信連接。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在每個運(yùn)算周期應(yīng)向車站接口機(jī)發(fā)送一次信息，實(shí)時傳送現(xiàn)場信號設(shè)備的狀態(tài)、故障狀況，以及系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障狀況等信息。

僅當(dāng)車站接口機(jī)接收到新的操作命令時，向計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送操作命令，通信協(xié)議應(yīng)保證聯(lián)鎖主機(jī)可靠接收車站接口機(jī)的操作命令。當(dāng)車站接口機(jī)沒有接收到新的操作命令時，應(yīng)定期向聯(lián)鎖主機(jī)發(fā)送心跳信號，聯(lián)鎖主機(jī)應(yīng)能檢測出聯(lián)鎖主機(jī)和車站接口機(jī)的通信狀態(tài)。

3.1.5 聯(lián)鎖維護(hù)終端接口(M接口)

車站接口機(jī)向聯(lián)鎖維護(hù)終端實(shí)時傳遞的信息主要包括：站場設(shè)備狀態(tài)(信號、道岔、計(jì)軸狀態(tài)區(qū)段、按鈕、表示燈等狀態(tài))、操作命令、報(bào)警信息和設(shè)備自身狀態(tài)。

3.2 車站接口機(jī)連接方式

車站接口機(jī)采用雙機(jī)熱備的冗余結(jié)構(gòu)，主機(jī)負(fù)責(zé)收發(fā)處理數(shù)據(jù)，備機(jī)只建立連接，不發(fā)送數(shù)據(jù)。主備機(jī)采取冗余配置的100M/1000M自適應(yīng)雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與ATS車站服務(wù)器、ATS現(xiàn)地終端、聯(lián)鎖主機(jī)和計(jì)軸系統(tǒng)均以雙網(wǎng)連接，構(gòu)成自愈網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)故障不影響與ATS設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備、計(jì)軸設(shè)備的正常通信。

4 計(jì)軸接口優(yōu)化方案的軟件設(shè)計(jì)

4.1 計(jì)軸命令集中控制模塊設(shè)計(jì)

ATS系統(tǒng)按其部署的物理位置可劃分為中心ATS子系統(tǒng)和車站ATS子系統(tǒng)[13-15]。一般情況下，計(jì)軸設(shè)備的復(fù)位操作命令，是由中央調(diào)度員通過ATS中心調(diào)度工作站發(fā)出的；當(dāng)行車組織方式需要將控制權(quán)下放的車站級時，由位于車站的車站操作員通過ATS現(xiàn)地工作站發(fā)出[16-18]。在兩種物理位置中，對同一車站的計(jì)軸設(shè)備來說，多個ATS設(shè)備可對其發(fā)送控制命令進(jìn)行控制，但中心ATS子系統(tǒng)和車站ATS子系統(tǒng)不能同時具備控制權(quán)限，需要采用合理的命令控制權(quán)交接機(jī)制，保證在同一時刻只有一個設(shè)備可以其發(fā)送控制命令，防止控制權(quán)交接錯誤[19-20]。

在車站接口機(jī)軟件中，設(shè)計(jì)計(jì)軸命令集中控制模塊，用以識別命令來源，對外提供權(quán)限申請變更功能，結(jié)合內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，對不同設(shè)備發(fā)送的控制命令進(jìn)行控制。中心或車站的ATS設(shè)備統(tǒng)一接入該模塊，完成對控制命令發(fā)送權(quán)限的集中管理。車站接口模塊示意如圖5所示。

圖5 車站接口模塊示意

計(jì)軸控制命令集中控制模塊不與外部設(shè)備直接建立通信連接，和各設(shè)備的交互由車站接口機(jī)接收模塊完成。所有通過車站接口機(jī)發(fā)送至計(jì)軸系統(tǒng)的控制命令，都通過本模塊進(jìn)行過濾控制，不符合限制條件(無權(quán)限)的命令會被屏蔽。各個ATS設(shè)備通過車站接口機(jī)的接收模塊接入車站接口機(jī)。接入的可以是中心ATS設(shè)備，也可以是車站ATS設(shè)備。計(jì)軸控制命令集中控制模塊以響應(yīng)消息的方式，向外部設(shè)備提供注冊、權(quán)限申請、狀態(tài)查詢等功能。

計(jì)軸命令集中控制模塊內(nèi)部單元主要包括：狀態(tài)機(jī)、注冊設(shè)備單元、權(quán)限審核單元、消息處理單元、消息發(fā)送單元。各單元以交互協(xié)議消息為輸入條件，經(jīng)過內(nèi)部處理通過狀態(tài)機(jī)變更當(dāng)前權(quán)限狀態(tài)或者產(chǎn)生相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)，處理控制命令流程如圖6所示。

圖6 計(jì)軸命令計(jì)軸控制模塊內(nèi)部單元處理流程

(1)消息處理單元：從ATS設(shè)備接收、識別有效的交互協(xié)議消息，并根據(jù)消息類型分流至其他單元。

(2)消息發(fā)送單元：為內(nèi)部產(chǎn)生數(shù)據(jù)的輸出接口，所有待發(fā)送數(shù)據(jù)通過該單元組裝為有效格式后進(jìn)行發(fā)送。

(3)注冊設(shè)備單元：接收ATS設(shè)備的注冊消息，完成ATS設(shè)備注冊操作；同時，從ATS設(shè)備注冊消息中提取設(shè)備標(biāo)識，并從狀態(tài)機(jī)中提取當(dāng)前權(quán)限標(biāo)識，生成并存儲相應(yīng)ATS設(shè)備對應(yīng)的權(quán)限狀態(tài)，且周期性的生成權(quán)限狀態(tài)消息，送至消息發(fā)送單元發(fā)送。

(4)狀態(tài)機(jī)：接收權(quán)限申請消息，根據(jù)所申請的權(quán)限模式及當(dāng)前所處的權(quán)限模式，完成權(quán)限轉(zhuǎn)換。

(5)權(quán)限審核單元：接收控制命令消息，從交互協(xié)議中提取控制命令源ATS設(shè)備標(biāo)識，在權(quán)限狀態(tài)消息內(nèi)進(jìn)行ATS設(shè)備與權(quán)限的匹配，根據(jù)匹配結(jié)果，選擇轉(zhuǎn)發(fā)或屏蔽操作。

4.2 計(jì)軸命令集中控制模塊的權(quán)限模式

計(jì)軸命令集中控制模塊對外提供多種權(quán)限模式，滿足不同場景的功能需求。自由模式和鎖定模式可由外部設(shè)備通過權(quán)限申請消息獲得，初始化模式和封閉模式為模塊內(nèi)部狀態(tài)，不對外提供申請途徑，只提供模塊調(diào)用接口，供模塊調(diào)用者使用。

初始化模式下，注冊設(shè)備列表內(nèi)沒有擁有權(quán)限的ATS設(shè)備，所有控制命令都會被屏蔽，任意設(shè)備發(fā)送權(quán)限申請都能夠獲得相應(yīng)的權(quán)限。

封閉模式由模塊調(diào)用者開啟與關(guān)閉，封閉模式開啟后，強(qiáng)制進(jìn)入初始化模式，且忽略所有權(quán)限申請消息；強(qiáng)制進(jìn)入初始化模式的目的是清空當(dāng)前的權(quán)限模式。

自由模式為無保護(hù)的權(quán)限，在任意ATS設(shè)備已獲得此權(quán)限的情況下，其他ATS設(shè)備只要發(fā)送權(quán)限申請消息，都能夠無條件搶奪權(quán)限。

鎖定模式為有保護(hù)的權(quán)限，在任意ATS設(shè)備已獲得權(quán)限的情況下，忽略其他設(shè)備的權(quán)限申請消息；當(dāng)獲得權(quán)限的ATS設(shè)備申請解除權(quán)限后，才重新接收權(quán)限申請消息。

各個權(quán)限模式的變遷方式如圖7所示。

圖7 權(quán)限模式變遷

T1：初始化模式下，根據(jù)接收到的權(quán)限狀態(tài)消息，進(jìn)入自由模式或者鎖定模式。自由模式下，根據(jù)接收到的權(quán)限狀態(tài)消息，進(jìn)入鎖定模式。

T2：鎖定模式下，已獲得權(quán)限的ATS設(shè)備申請解除權(quán)限，則重新進(jìn)入初始化模式。

T3：初始化模式下、自由模式下以及鎖定模式下，接收到模塊調(diào)用者的開啟封閉模式接口指令，則進(jìn)入封閉模式。

T4：封閉模式下，接收到模塊調(diào)用者的關(guān)閉封閉模式接口指令，則進(jìn)入初始化模式。

T5：自由模式下，已獲得權(quán)限的ATS設(shè)備通信中斷，則重新進(jìn)入初始化模式。鎖定模式下，已獲得權(quán)限的ATS設(shè)備通信中斷，則重新進(jìn)入初始化模式。

4.3 車站接口機(jī)的主備切換設(shè)計(jì)

主備機(jī)間的無縫切換是保證車站接口機(jī)與計(jì)軸保持不間斷通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。設(shè)定多個關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)先級規(guī)則為，由高至低，10為最高優(yōu)先級設(shè)備，1為低優(yōu)先級設(shè)備。主機(jī)將與其連接的關(guān)鍵設(shè)備和與備機(jī)連接的關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)先級進(jìn)行比較，裁定是否觸發(fā)主備切換。在CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口優(yōu)化方案中，與車站接口機(jī)連接的關(guān)鍵設(shè)備包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、計(jì)軸系統(tǒng)、ATS車站設(shè)備等，分別將聯(lián)鎖主機(jī)設(shè)備、ATS車站設(shè)備和計(jì)軸系統(tǒng)的優(yōu)先級設(shè)為N和N-1，N-2，即聯(lián)鎖設(shè)備的優(yōu)先級高于ATS車站設(shè)備、ATS車站設(shè)備的優(yōu)先級高于計(jì)軸系統(tǒng)。運(yùn)行啟動車站接口機(jī)時，雙套車站接口機(jī)程序中的倒機(jī)模塊之間建立雙機(jī)通信，進(jìn)行主備機(jī)的預(yù)設(shè)。在運(yùn)行過程中，當(dāng)關(guān)鍵設(shè)備(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，ATS車站服務(wù)器、計(jì)軸系統(tǒng))與主機(jī)連接故障時，主機(jī)按照優(yōu)先級由高到低的順序評定進(jìn)行倒機(jī)切換。評定值依賴于本地通道和連接端通道的主備狀態(tài)以及工作狀態(tài)，若主機(jī)中所述優(yōu)先級為N的關(guān)鍵設(shè)備的評定值小于備機(jī)中所述優(yōu)先級為N的關(guān)鍵設(shè)備的評定值，則觸發(fā)主備機(jī)切換，邏輯示意如圖8所示。

圖8 車站接口機(jī)主備切換

5 設(shè)備測試及應(yīng)用情況

以廣州7號線的廣州南站為測試案例，搭建CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口優(yōu)化方案的集成測試環(huán)境。測試環(huán)境包括ATS車站服務(wù)器、ATS現(xiàn)地終端、TYJL-III型CBTC聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)、CBTC聯(lián)鎖維護(hù)終端、IO仿真計(jì)算機(jī)、ARTJZ-2型計(jì)軸主機(jī)等設(shè)備。測試連接如圖9所示，測試環(huán)境包含的系統(tǒng)配置如表1所示。

圖9 CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口優(yōu)化方案測試連接

表1 測試系統(tǒng)配置

車站接口機(jī)與計(jì)軸系統(tǒng)之間使用冗余網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在每個設(shè)備集中站中，車站接口機(jī)與計(jì)軸系統(tǒng)組成單獨(dú)的局域網(wǎng)，建立兩條邏輯通信通道。

車站接口機(jī)在剛啟動或與計(jì)軸通信系統(tǒng)連接中斷之后，用A網(wǎng)和B網(wǎng)嘗試與計(jì)軸系統(tǒng)建立連接。一旦在某一網(wǎng)段建立可用連接后，不再嘗試連接另一網(wǎng)段。

車站接口機(jī)和計(jì)軸系統(tǒng)根據(jù)傳輸幀序號、呼叫應(yīng)答幀類型和順序以及CRC校驗(yàn)結(jié)果判斷呼叫應(yīng)答的正確性。發(fā)生呼叫或應(yīng)答錯誤時，雙方嘗試重新初始化幀序號。連續(xù)超過3次錯誤認(rèn)為連接中斷。

針對CBTC系統(tǒng)計(jì)軸接口優(yōu)化方案的需求，設(shè)計(jì)35條測試案例。測試結(jié)果為35條測試項(xiàng)通過，0條未通過，證明了優(yōu)化方案的可行性。

6 結(jié)論

通過車站接口機(jī)功能的升級改造，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了CBTC系統(tǒng)的計(jì)軸系統(tǒng)優(yōu)化方案，結(jié)論如下。

(1)優(yōu)化了CBTC系統(tǒng)內(nèi)計(jì)軸信息傳輸通道，通信方式實(shí)現(xiàn)了ATS系統(tǒng)與計(jì)軸系統(tǒng)間的信息傳輸，減少了繼電器組合、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的部分IO單元和電纜數(shù)量，降低計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)負(fù)荷，提高CBTC系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效能。

(2)整合車站接口機(jī)既有的信息轉(zhuǎn)換和分發(fā)功能，統(tǒng)一了ATS系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的顯示和操作終端，達(dá)到了簡化用戶操作，提高工作效率的目的。