喬高鋒 耿 鵬 宿秀元 劉 佳 張 勇

(1.通號城市軌道交通技術(shù)有限公司， 100070， 北京；2.北京交通大學(xué)軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心， 100044， 北京∥第一作者， 工程師)

目前投入運營的城市軌道交通線路中，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的軌旁控制子系統(tǒng)大多通過分別設(shè)置計算機聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的方式來共同管理列車運行，保證列車運行安全。這種軌旁控制方案不僅車地接口冗余重復(fù)、設(shè)備間耦合度高，導(dǎo)致系統(tǒng)的運營和維護成本較高、運行效率較低，還增加了地面控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、故障-安全技術(shù)的不斷完善和成熟，有必要對目前的CBTC系統(tǒng)進行反思，對CBTC系統(tǒng)的地面設(shè)備進行重新設(shè)計。

1 CBTC系統(tǒng)分析

1.1 國內(nèi)CBTC系統(tǒng)分析

目前國內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通線路的CBTC系統(tǒng)均采用IEEE 1474.1TM—2004標準中描述的典型CBTC系統(tǒng)[1]。在典型CBTC的架構(gòu)中，CBI(計算機聯(lián)鎖)、ZC(區(qū)域控制器)、ATS(列車自動監(jiān)控)、車載ATP(列車自動防護)、ATO(列車自動運行)等設(shè)備均作為獨立的設(shè)備，相互間采用接口連接。其主要特點是：① 線路資源(如計軸區(qū)段、信號機和道岔等)的管理和分配由CBI完成，同時CBI將設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送至ZC；② 列車移動授權(quán)的計算和發(fā)送由ZC完成，ZC根據(jù)管轄范圍內(nèi)的列車位置信息和CBI發(fā)送的線路設(shè)備狀態(tài)信息為列車計算移動授權(quán)，并將計算結(jié)果發(fā)送給列車；③ ZC把來自車載的列車位置信息和來自CBI的計軸區(qū)段占用信息進行綜合處理，以計算列車的位置關(guān)系。

無線CBTC系統(tǒng)應(yīng)用初期采用上述架構(gòu)，是考慮到CBTC系統(tǒng)在工程上一次性全功能開通的可行性，以及新采用的基于無線車-地通信技術(shù)的可靠性[2]。因此，將CBI和ZC作為2個獨立的子系統(tǒng)，在當時的CBTC系統(tǒng)方案中是合理、可行的選擇。

典型CBTC系統(tǒng)的架構(gòu)有ZC和CBI 2個區(qū)域控制核心，存在如下問題[3]：

1) 子系統(tǒng)間接口復(fù)雜，降低了系統(tǒng)可靠性和可用性。移動閉塞的控制邏輯必須經(jīng)過車載ATP、ZC和CBI 3個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理，為了提高雙核心架構(gòu)的系統(tǒng)效率，引入了很多的請求/確認機制。這種設(shè)計雖然可以實現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能，卻使得系統(tǒng)的整體可靠性降低。請求/確認機制中任何環(huán)節(jié)中斷都會對系統(tǒng)的可用性帶來挑戰(zhàn)。

2) 后備系統(tǒng)的存在增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。CBTC需配置后備信號系統(tǒng)的要求，使得所有與安全相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計均需考慮CBTC模式和后備模式，且需考慮這2種模式隨時切換的場景，導(dǎo)致軌旁設(shè)備眾多，安裝和維護的工作量大。而在實際運營中，因ZC故障必須降到后備模式的情況極少。

1.2 國外CBTC系統(tǒng)分析

國外提供CBTC系統(tǒng)解決方案的主要供應(yīng)商不少于5家，提供的CBTC系統(tǒng)解決方案不少于150種[4]。依據(jù)CBTC系統(tǒng)解決方案是否有獨立的聯(lián)鎖系統(tǒng)這一判斷條件，列出了國外主要CBTC系統(tǒng)供應(yīng)商的解決方案，如表1所示。由表1可以看出，在目前的CBI和ZC的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)軌旁控制子系統(tǒng)一體化，在技術(shù)上是可行的?；趦?yōu)化CBTC系統(tǒng)的目的，本文提出對既有CBI和ZC的功能整合進行研究，以期實現(xiàn)軌旁控制子系統(tǒng)的一體化。

表1 國外主要CBTC系統(tǒng)供應(yīng)商及解決方案

2 軌旁控制子系統(tǒng)一體化方案研究

2.1 一體化CBTC系統(tǒng)方案介紹

按照融合方式的不同，軌旁控制子系統(tǒng)一體化的CBTC系統(tǒng)有以下3種實現(xiàn)方案[5]：

1) 方案1，CBI和ZC放置在同一個機柜內(nèi)，各自采用獨立硬件和軟件，2個子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)等高速通信接口連接。

2) 方案2，CBI和ZC采用同一硬件，2個軟件同時運行在該硬件中，接口信息通過共享內(nèi)存的方式進行交互。

3) 方案3，CBI和ZC采用同一硬件和同一軟件。

方案1和方案2能夠在一定程度上緩解通信延遲，但無法完全解決ZC和CBI單獨設(shè)置帶來的問題。本文重點對方案3進行研究，方案3的CBTC系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。方案3中，采用全電子接口平臺替代了典型CBTC系統(tǒng)中的繼電器組合架，其負責采集室外設(shè)備的狀態(tài)和控制室外設(shè)備到指定狀態(tài)。軌旁控制子系統(tǒng)同時具備了典型CBTC系統(tǒng)中的CBI功能和ZC功能。

2.2 軌旁控制子系統(tǒng)為列車計算行車許可的方法

CBTC系統(tǒng)中以移動授權(quán)代替信號機作為行車憑證。在軌旁控制子系統(tǒng)一體化的CBTC系統(tǒng)中，由于軌旁控制子系統(tǒng)既可以實時獲取列車的位置信息，又可以直接對線路設(shè)備的狀態(tài)進行管理，因此，可以根據(jù)軌旁控制子系統(tǒng)的特點設(shè)計新的行車許可計算方法，如圖 2所示。其中：CBTC列車表示軌旁控制子系統(tǒng)能為其計算移動授權(quán)的列車；非CBTC列車表示軌旁控制子系統(tǒng)與其有通信、但不能為其計算移動授權(quán)的列車，或者與其沒有通信的列車；移動閉塞進路表示為CBTC列車辦理的進路；普通進路表示為非CBTC列車辦理的進路；障礙點為列車移動授權(quán)不可越過的點。

2.2.1 進路辦理

ATS根據(jù)不同類型的列車，向軌旁控制子系統(tǒng)下達不同的進路辦理申請。

1) 對于CBTC列車，ATS下達的移動閉塞進路辦理申請主要包括路徑標識號、進路起點、進路終點等信息，此時進路的起點是列車車尾所在區(qū)段的始端，終點是進路辦理申請的目的地再延伸一個保護距離的位置。

2) 對于非CBTC列車，ATS將下達普通進路辦理申請，此時進路的起點是列車車頭所在計軸區(qū)段的末端，終點是進路辦理申請的目的地再延伸一個完整的計軸區(qū)段的位置。此處需要強調(diào)的是，信號機到信號機的進路屬于普通進路。

注：PSD——屏蔽門；LEU——軌旁電子單元。

圖2 軌旁控制子系統(tǒng)的行車許可計算方法

2.2.2 進路解鎖

移動閉塞進路和普通進路均可通過自動解鎖和人工解鎖2種方式解鎖進路。

1) 采用自動解鎖進路方式時：① 對于移動閉塞進路，隨著CBTC列車沿著移動授權(quán)方向前行，列車車尾后面的區(qū)段將自動解鎖；② 對于普通進路，鎖閉區(qū)段需經(jīng)過“三點檢查”后方能自動解鎖。

2) 采用人工解鎖進路方式時：① 對于移動閉塞進路，若列車的移動授權(quán)終點未達到進路始端或未進入該進路，則進路立即解鎖。否則，軌旁控制子系統(tǒng)將向車載ATP詢問是否能在該進路前停下，若車載ATP回復(fù)可以停下，則軌旁控制子系統(tǒng)立即解鎖該進路；② 對于普通進路，軌旁控制子系統(tǒng)根據(jù)進路的接近區(qū)段是否被占用來判斷解鎖時機。若該進路的接近區(qū)段有列車占用，則在收到解鎖命令后并不立即執(zhí)行，等待固定時間(如5 s)后，再解鎖該進路；若接近區(qū)段無列車占用，則立即解鎖該進路。

2.2.3 行車許可計算

1) 對于CBTC列車，軌旁控制子系統(tǒng)為其辦理移動閉塞進路成功后，根據(jù)移動閉塞進路范圍內(nèi)是否存在障礙點設(shè)置移動授權(quán)的終點。若不存在障礙點，移動授權(quán)的終點為進路的終端回縮一段安全距離的位置；若存在障礙點，則根據(jù)障礙點的類型回縮移動授權(quán)的終點。列車根據(jù)軌旁控制子系統(tǒng)計算的移動授權(quán)向前行駛。

2) 對于非CBTC列車，軌旁控制子系統(tǒng)在辦理普通進路成功后將點亮信號機。非CBTC列車的駕駛員通過瞭望室外信號機的亮燈狀態(tài)來控制列車運行。

3 一體化CBTC系統(tǒng)和典型CBTC系統(tǒng)的對比

典型CBTC系統(tǒng)中需要ZC和CBI相互配合的功能包括開放信號機、關(guān)閉信號機、人工解鎖進路、解鎖保護區(qū)段[6]及CBI采集列車包絡(luò)占用區(qū)段延時檢測[7]等。對于這些功能的實現(xiàn)方式，一體化的CBTC系統(tǒng)與典型CBTC系統(tǒng)比較的結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的比較結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，一體化CBTC系統(tǒng)在實現(xiàn)上述功能時，取消了典型CBTC系統(tǒng)中引入的請求/確認機制，減少了列車包絡(luò)占用區(qū)段檢測延時。與典型CBTC系統(tǒng)相比，一體化CBTC系統(tǒng)的時效性更好，可用性更高。

表2 一體化CBTC系統(tǒng)與典型CBTC系統(tǒng)功能實現(xiàn)方式對比

4 結(jié)語

綜上所述，采用本文的軌旁控制子系統(tǒng)一體化CBTC系統(tǒng)不但可以簡化系統(tǒng)間接口、降低系統(tǒng)復(fù)雜性、減少運營維護成本，也可解決典型CBTC系統(tǒng)中軟件功能耦合所帶來的問題，而且計算行車許可的延時更小，準確度更高，提高了系統(tǒng)運行效率。