呂新軍 施 聰 陸鑫源

(1.卡斯柯信號(hào)有限公司，200072，上海；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200235，上?！蔚谝蛔髡?，高級(jí)工程師)

2000年前，地鐵項(xiàng)目多采用TBTC(基于軌道電路的列車(chē)控制)系統(tǒng)。2004年后，國(guó)內(nèi)新建和改造地鐵項(xiàng)目大多采用CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)[1]。如今，CBTC系統(tǒng)代表了當(dāng)今成熟信號(hào)系統(tǒng)的最高技術(shù)水平，提供了連續(xù)的列車(chē)保護(hù)，更精確的列車(chē)定位，更小的運(yùn)營(yíng)間隔，滿足用戶(hù)的多樣化運(yùn)營(yíng)需求[2]。因此，既有線路的TBCT系統(tǒng)在大修改造時(shí)升級(jí)為CBTC系統(tǒng)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。既有線路改造往往分段開(kāi)通，且各段開(kāi)通間隔時(shí)間較長(zhǎng)。則改造期間的列車(chē)需同時(shí)兼容TBTC和CBTC兩種制式。

本文給出了一種兼容TBTC和CBTC的車(chē)載系統(tǒng)方案，研究了其系統(tǒng)組成和接口，提出了安全評(píng)估框架，并在上海地鐵2號(hào)線增購(gòu)列車(chē)中投入應(yīng)用。

1 TBTC車(chē)載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

上海軌道交通2號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“2號(hào)線”)在建設(shè)之初就采用TBTC系統(tǒng)。每列列車(chē)在車(chē)頭車(chē)尾各安裝1套TBTC車(chē)載系統(tǒng)。這2套車(chē)載系統(tǒng)相互獨(dú)立。每套車(chē)載系統(tǒng)包括主備2套ATP(列車(chē)自動(dòng)防護(hù))設(shè)備和1套ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)設(shè)備。備用ATP設(shè)備為溫備冗余。TBTC車(chē)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TBTC車(chē)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主備ATP設(shè)備通過(guò)各自的軌道電路處理板處理從同一對(duì)軌道電路接收線圈接收到的軌道電路信號(hào)，獲得軌道電路ID(編碼)、方向、目標(biāo)點(diǎn)速度和距離及軌道電路穿越情況等信息，并通過(guò)2個(gè)獨(dú)立的里程計(jì)來(lái)測(cè)量列車(chē)的位移和速度。ATO設(shè)備通過(guò)TWC處理板來(lái)處理TWC環(huán)線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精確定位停車(chē)及車(chē)地通信功能。此外，ATP設(shè)備通過(guò)無(wú)線通信與軌旁聯(lián)鎖設(shè)備通信來(lái)傳遞屏蔽門(mén)的開(kāi)關(guān)命令信息，并通過(guò)顯示單元實(shí)現(xiàn)與司機(jī)的信息交互。

2 CBTC車(chē)載系統(tǒng)

iCC200型CBTC車(chē)載系統(tǒng)使用2乘2取2的安全計(jì)算機(jī)[3]，滿足CENELEC(歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)) SIL4(安全完整度等級(jí) 4級(jí))的標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在每列列車(chē)的車(chē)頭和車(chē)尾各安裝1套CBTC車(chē)載系統(tǒng)，并在車(chē)頭車(chē)尾形成冗余系統(tǒng)。有冗余結(jié)構(gòu)的CBTC車(chē)載系統(tǒng)具有高安全性和高可用性。

圖2 iCC200型CBTC車(chē)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CBTC車(chē)載系統(tǒng)通過(guò)安全型編碼里程計(jì)獲得列車(chē)的位移和速度(可按需選配雷達(dá))，并通過(guò)信標(biāo)天線讀取軌旁信標(biāo)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。在CBTC模式下，CBTC車(chē)載系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信獲取軌旁信標(biāo)的變量信息和列車(chē)移動(dòng)授權(quán)；在CBTC降級(jí)運(yùn)行的點(diǎn)式模式下，CBTC車(chē)載系統(tǒng)通過(guò)信標(biāo)天線從軌旁有源信標(biāo)獲得移動(dòng)授權(quán)。CBTC車(chē)載系統(tǒng)主要通過(guò)DMI(人機(jī)交互界面)來(lái)實(shí)現(xiàn)與司機(jī)的信息交互。

在車(chē)頭車(chē)尾冗余部署核心處理單元，在單端冗余部署輸入輸出單元。這樣避免了單點(diǎn)故障，保證了列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的高可靠性。

3 兼容性車(chē)載系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兼容性車(chē)載系統(tǒng)兼具CBTC和TBTC功能，其CBTC模式與TBTC模式的切換，以及冗余切換均不影響列車(chē)的正常運(yùn)行?？紤]到iCC200型CBTC車(chē)載系統(tǒng)的冗余特性，采用以iCC200型CBTC車(chē)載系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成原TBTC車(chē)載系統(tǒng)的軌道電路模塊和TWC處理模塊，進(jìn)而形成COS(兼容性車(chē)載系統(tǒng))。COS結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 COS結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 內(nèi)部接口

COS接口如圖4所示。COS在列車(chē)每端各增加1個(gè)獨(dú)立的軌道電路和環(huán)線處理模塊，在車(chē)底安裝1對(duì)軌道電路接收線圈和TWC天線；接收線圈、TWC天線與處理模塊之間采用專(zhuān)用電纜連接，并由車(chē)輛獨(dú)立供電；接收線圈同時(shí)連接到兩端的處理模塊；軌道電路和環(huán)線處理模塊通過(guò)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)與核心處理模塊連接。

圖4 COS接口示意圖

3.3 模塊組成

軌道電路和環(huán)線處理模塊為獨(dú)立模塊，負(fù)責(zé)處理軌道電路信息和TWC信息。為保證COS的高可用性，列車(chē)兩端的2個(gè)軌道電路和環(huán)線處理模塊互為冗余，只要其中1個(gè)模塊正常工作就可以保證車(chē)載系統(tǒng)的正常工作。

輸入輸出單元單端冗余部署，同時(shí)采集列車(chē)狀態(tài)和司機(jī)輸入信息并發(fā)送給列車(chē)兩端的核心處理單元。

核心處理單元部署于列車(chē)兩端，能同時(shí)接收處理兩端的軌道電路和環(huán)線處理模塊信息。核心處理單元根據(jù)編碼里程計(jì)和信標(biāo)信息(軌道電路信息作為輔助)計(jì)算列車(chē)的速度和定位信息。在CBTC模式下，核心處理單元通過(guò)無(wú)線通信，從軌旁區(qū)域控制器獲取移動(dòng)授權(quán)控制列車(chē)；在TBTC模式下，核心處理單元根據(jù)從軌道電路和環(huán)線處理模塊接收的軌道電路信息，來(lái)獲知軌道電路ID、方向信息、目標(biāo)速度和目標(biāo)點(diǎn)距離，進(jìn)而計(jì)算出列車(chē)的運(yùn)行授權(quán)并控制列車(chē)?？刂泼钔ㄟ^(guò)輸入輸出模塊輸出至車(chē)輛，相應(yīng)的司機(jī)駕駛信息在司機(jī)顯示單元上顯示。

3.4 對(duì)外接口

COS對(duì)外接口有軌道電路接口、CBI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)系統(tǒng)接口、ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)接口、ZC(區(qū)域控制器)系統(tǒng)接口及車(chē)輛接口。其中，對(duì)于ZC系統(tǒng)接口和車(chē)輛接口與傳統(tǒng)CBTC中的接口一致，下文不做分析。

3.4.1 COS與軌道電路接口

軌旁軌道電路使用移頻鍵控方式以鋼軌為媒介傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。COS使用載頻為9.5 kHz、10.5 kHz、11.5 kHz、12.5 kHz、13.5 kHz、14.5 kHz、15.5 kHz、16.5 kHz。每個(gè)軌道電路使用和其相鄰軌道電路不同的載頻發(fā)送數(shù)據(jù)，載頻中心偏移為±200 Hz，采用BFSK(二進(jìn)制移頻鍵控)載波調(diào)制，波特率為200 bit/s。其中，9.5 kHz和16.6 kHz為特殊區(qū)段頻率，用于傳遞停穩(wěn)信息。軌道電路和環(huán)線處理模塊將濾波器調(diào)諧到正確頻率，可僅接收當(dāng)前軌道電路的機(jī)車(chē)信號(hào)數(shù)據(jù)。安全機(jī)車(chē)信號(hào)數(shù)據(jù)包由報(bào)頭、數(shù)據(jù)包和安全冗余校驗(yàn)碼組成。

軌道電路發(fā)送給COS的數(shù)據(jù)信息包括軌道電路ID、列車(chē)方向、當(dāng)前頻率、下一頻率、目標(biāo)距離、線路速度、目標(biāo)速度及停站信息等。

3.4.2 COS與CBI接口

在CBTC和TBTC模式中，COS與CBI系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽門(mén)控制功能。在既有線改造中，COS需能與既有CBI系統(tǒng)接口(如有)，COS與CBI系統(tǒng)之間通過(guò)冗余網(wǎng)絡(luò)(紅藍(lán)網(wǎng))接口來(lái)傳遞屏蔽門(mén)安全信息。COS與CBI系統(tǒng)接口的OSI(開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián))模型如圖5所示。

圖5 COS與CBI系統(tǒng)接口的OSI模型

COS發(fā)送給CBI系統(tǒng)的信息包括列車(chē)類(lèi)型、列車(chē)停穩(wěn)、屏蔽門(mén)命令等；CBI系統(tǒng)發(fā)送給COS的信息包括屏蔽門(mén)狀態(tài)等。

3.4.3 COS與ATS接口

CBTC模式下，COS通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接口與ATS交互列車(chē)狀態(tài)信息和列車(chē)控制信息。該接口同傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的車(chē)載系統(tǒng)與ATS間接口相同。

當(dāng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或列車(chē)工作在TBTC模式下時(shí)，ATS與列車(chē)通過(guò)軌旁TWC來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息和控制信息的交互。

ATS通過(guò)TWC發(fā)送給COS的信息包括列車(chē)ID、軌道ID、目的地ID、時(shí)間信息、ATP命令(靜態(tài)測(cè)試、門(mén)測(cè)試等)、ATO命令(跳停、扣車(chē)、運(yùn)行等級(jí)、停站制動(dòng)率等)、TWC停車(chē)參考點(diǎn)信息等。

車(chē)載通過(guò)TWC發(fā)送給ATS的信息包括：列車(chē)ID、軌道ID、ATP報(bào)警信息(緊急制動(dòng)施加、打滑、制動(dòng)不緩、制動(dòng)故障等)、ATP狀態(tài)(門(mén)狀態(tài)、列車(chē)運(yùn)行方向、停車(chē)狀態(tài)、駕駛模式、車(chē)長(zhǎng)等)、ATP測(cè)試信息(靜態(tài)測(cè)試狀態(tài)、門(mén)測(cè)試狀態(tài))、目的地及ATO狀態(tài)(運(yùn)行等級(jí)、扣車(chē)狀態(tài)等)。

4 安全評(píng)估框架

COS在既有iCC200型CBTC車(chē)載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成了軌道電路和環(huán)線模塊及相應(yīng)的設(shè)備。CBTC車(chē)載系統(tǒng)同軌道電路和環(huán)線模塊之間采用安全通信接口，且接口邊界清晰。根據(jù)EN50129和EN50126的標(biāo)準(zhǔn)要求[5]，可在CBTC車(chē)載系統(tǒng)、軌道電路和環(huán)線模塊均獨(dú)立通過(guò)安全評(píng)估的基礎(chǔ)之上，將兩者集成后再進(jìn)行完整COS的安全評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合CBTC車(chē)載系統(tǒng)和TBTC車(chē)載系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，提出了COS設(shè)計(jì)方案。根據(jù)該方案實(shí)現(xiàn)的COS已于2019年4月在上海軌道交通北翟路基地試車(chē)線完成了TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的獨(dú)立功能測(cè)試，于2019年7月通過(guò)第三方SIL4安全評(píng)估，并于2019年9月在2號(hào)線增購(gòu)的列車(chē)中投入使用。使用結(jié)果表明，該COS能夠很好地兼容CBTC和TBTC，具有良好的實(shí)用性和穩(wěn)定性。