西安轨道交通信号系统技术方案分析

雷锡绒

*西安铁路职业技术学院 讲师,710014 西安

移动闭塞是运用无线通信实现车-地数据传输的。西安地铁 2号线一期工程信号系统采用基于无线通信移动闭塞列车控制 (CBTC)技术,能够安全、可靠地实现全功能、全方位的列车运行控制。该系统采用最新科学技术,可实现 90 s行车间隔;设备数量有效减少,后期维护量小;运用统一的技术标准,便于实现互联互通。分析研究典型城市轨道交通信号系统 CBTC技术方案,可对城市轨道交通的发展提供技术参考。

1 西安地铁 2号线信号系统组成

西安地铁 2号线一期工程采用分布式信号系统,主要的子系统和设备组成如图 1所示。

图 1 信号控制系统总体框图

1.中心列车自动监控子系统 (ATS)由监控设备、光缆、电缆、计算机 (Linux操作系统)及外设、数据网络、软件等组成。

2.区域控制器 (ZC)是基于处理器的安全控制器,安装在轨旁,每个 ZC三取二冗余配置。

3.数据库存储单元 (DSU)由轨道数据库和系统运行参数存储所用的冗余服务器组成。

4.联锁控制器 (MicroLokⅡ)是一个专为铁路安全应用而设计的基于微处理器 (68322安全微处理器)的逻辑控制器,位于设备集中站信号设备室内,双机热备配置,相邻联锁控制器之间用光纤连线。

5.本地车站控制 (ATS)工作站安装在车站,设备与控制中心所用设备相同。

6.MicrolokⅡ本地控制工作站(LCW)配备一套操作和显示设备(工业控制机)作为车站现地工作站。车站值班员可操作鼠标或键盘进行控制。

7.车载控制器 (CC)是基于微处理器的控制器,是车载子系统的关键设备,分别安装在车头和车尾,三取二冗余配置。

8.数据通信子系统 (DCS)是一个宽带通信系统,提供开放的通信接口和体系架构,最大程度地采用现成的商业化设备。DCS系统由轨旁数据通信网络 (主要由轨旁设备、接入交换机和轨旁骨干网络构成)、车-地双向通信网络和车载数据通信网络 3部分构成。

上述中心 ATS子系统、ZC、DSU、远程 ATS车站控制工作站和 DCS间的通信,由 2个互为冗余的以太网 LAN配置构成。

2 系统功能及实现

1.ATS子系统实现对全线列车运行的管理和监控。中心 ATS子系统通过 DCS与其他子系统通信并交换数据和命令,对信号各子系统及其他系统进行监控;负责列车的识别、确认;自动或人工设置进路;调节列车的运行控制等级和停站时间,以维持时刻表和运行间隔;列车运行图/时刻表编辑及管理;ATS事件记录、报告和报警等。

正常情况下中心 ATS自动监控全线。当中心ATS故障时,自动切换至某设备集中站设置的 ATS主服务器和通信服务器控制全线 (即本地自动模式)。ATS还提供人工运行控制模式,包括在车站扣车/取消扣车,建立/解除速度限制,以及临时区间封锁 /取消。

2.区域控制器 (ZC)负责确定其控制区内列车的移动授权,保证列车以最小的间隔安全运行。轨旁子系统主要由位于设备集中站的多个分布式ZC组成。ZC通过 DCS与 ATS、CC接口。每个 ZC接收 ATS生成的动态临时限速指令和该控制区内列车发出的位置信息,根据所有已知障碍物 (包括其他列车、封闭区段、失去状态的道岔等)的位置和运行权限来确定其区域内所有列车的移动授权,并持续更新和传输移动权限指令,通过移动闭塞确保列车以最小的运行间隔安全运行。同时 ZC也回应相邻 ZC的授权申请。ZC还与 MicrolokⅡ接口,以控制和表示轨旁设备。

3.DSU保存所有维护记录和列车运行线路的轨道数据。轨道数据库通过离线数据库创建,包括:土建限速信息、身份识别号码、轨道应答器位置、转辙机位置、折返位置、其他障碍物的位置等相关线路信息。每个 CC和 ZC都使用轨道数据库,定期与数据库服务器联系,获取当前正在使用的数据库版本号。如果 CC或 ZC需要更新数据则向数据库服务器发出请求,数据库服务器将通过发送一系列所需的轨道数据信息来回应。

4.联锁控制器 MicroLokⅡ负责执行轨旁联锁逻辑的安全性功能。正线计算机联锁采用分布式联锁控制方式。每个联锁区包括有岔站和无岔站,由MicrolokⅡ控制。MicrolokⅡ的基本功能是根据一个标准的执行程序和一个专为安全功能而设计的应用程序,来处理输入量并生成相应输出,达到控制安全联锁的功能。每个 MicrolokⅡ都有一个唯一的IP地址,通过轨旁数据通信网络与 ZC保持通信。还通过安全继电器接口电路与轨旁设备接口,采集并控制其状态。与 MicrolokⅡ接口的轨旁设备包括本站及其联锁区内其他车站的信号机、转辙机、计轴主机、现地控制盘、紧急停车按钮、自动折返按钮、站台屏蔽门及区间隔断门等。

5.本地控制工作站 (LCW)主要用于与站级设备有关的故障模式。当中心 ATS和本地 ATS均不可用时,使用本地 (车站)人工控制模式。使用时,将开关锁在本地控制位置,本地人工仅通过LCW进行。人工控制仅限于该 MicrolokⅡ控制的联锁区域。邻近联锁区仍将在其既有模式下继续运行。

6.车载控制器 (CC)负责列车定位、允许速度执行、控制模式管理、移动授权以及其他有关的ATP和ATO功能。每个 CC装载有描述列车所在线路的轨道数据库 (由 DSU传输)。CC通过车载数据通信网络与列车的各子系统接口,如 CC与速度/位移传感器和查询应答器接口,以确定列车的位置;CC与列车司机显示器接口,显示驾驶信息、设备状况,以及给司机的报警。CC还通过车载无线台 MR(采用空间分集技术)在车载设备和轨旁设备间进行双向高速、安全可靠、实时连续的数据传输,根据轨旁 ZC发出的移动授权指令来执行ATP和 ATO功能。

车载 ATP和 ATO子系统通过 2个独立的以太网连接到 MR。ATP主要负责超速防护,保障安全,包括安全速度/距离曲线的确定与执行、CBTC运行模式、安全列车间隔、安全门控、安全的防退行和防溜等。ATO主要负责正常情况下列车高质量的运行,包括自动启动、速度控制、程序停站、门控等。ATO与 ATP交换数据,ATO始终在 ATP的监督下运行。列车有 5种驾驶模式:全自动驾驶模式 (AM)、有 ATP防护的人工驾驶模式 (ATPM)、备用驾驶模式 (BATPM)、受限的人工驾驶模式 (RM)和旁路模式 (BY)。

7.数据通信子系统 (DCS)提供中心控制室(OCC)、轨旁子系统 (ZC、MicroLokⅡ)、车载子系统及其他沿线地面设备之间双向、可靠、安全的数据通信。有线通信网络采用 IEEE802.3以太标准,无线通信采用先进的 WLAN技术 IEEE802.11g标准。

1)轨旁数据通信网络提供各轨旁子系统 (ZC、MicroLokⅡ等 )和轨旁无线设备 (轨旁 AP)接入数据通信子系统的接口。其结构采用骨干环网下挂接入网,本地设备通过接入交换机和冗余以太网连接到骨干交换机上,然后到轨旁骨干网络。轨旁数据通信网络由 2个独立的互为冗余备份的轨旁网络组成。接入交换机提供标准的 10M/100Mb/s以太网接口,遵循国际通行的 IEEE802.3u和802.3x协议。网络层和传输层协议采用 UDP/IP。

2)车-地双向通信网络提供车-地之间高速、安全、可靠、实时的双向移动通信,即IEEE802.11g无线局域网技术,并遵循IEEE802.11i无线网络安全协议。

3)车载网络提供各车载子系统 (ATP、ATO等)、车载设备 (司机驾驶台 TOD、安全 I/O控制器 MTORE等)及车载无线台 (MR)之间的通信接口。车载网络由 2个独立的互为冗余的以太网组成。车载交换机提供标准的 10Mb/s/100Mb/s以太网接口,遵循国际通行的 IEEE802.3u和 802.3x协议。网络层和传输层协议采用 UDP/IP。

另外,信号系统技术方案还能够保证最不利故障情况下 (包括 ZC失效、ATS失效、通信系统失效)实现后备模式降级运行,其功能有联锁、自动站间闭塞、点式列车超速防护 (点式 ATP系统)。在此模式下,列车占用检查利用计轴设备实现,司机以地面信号作为主体信号人工驾驶列车。

除上述功能外,信号系统技术方案还支持非CBTC列车 (ATP故障车、工程车、救援车等)在同一系统中安全运行。非 CBTC列车的运行是以地面信号作为主体信号。非 CBTC列车的位置检测由辅助列车位置检测系统 (计轴器)完成,其位置信息传输给 ZC,用于 CBTC列车的移动授权计算。

3 系统网络主要技术特点

1.先进性:车-地双向通信网络中 802.11g采用的调制方案是正交频分复用 OFDM技术,能够避免解调时不同子载波间的相互干扰。提供更强的抗干扰数据通信能力,802.11i可阻止未授权用户进入网络。轨旁数据通信网络中的骨干网络,将接入交换机采用 RPR弹性分组数据环技术连接起来(集 IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率、可靠性于一体),在提高可靠性的同时,降低了传送费用。采用华为三康公司新开发的越区切换技术 WHFT(WLAN切换优化算法),再加上相邻 AP彼此重叠足够的区域 (无线网络冗余),能够实现 MR从一个 AP移到下一个 AP的零切换时间 (避免切换过程中 MR与 AP的通信中断),确保了高速列车的行车安全。

2.开放性:网络体系架构采用标准协议,能与其他供货商提供的网络通信设备实现互通互联。

3.扩展性:网络体系架构的模块化设计具有良好的扩展性,包括无线网络扩展和有线网络扩展(线路延长和与其他线的互联),都是支持平滑扩容与升级;同时系统也考虑与车-地双向实时视频无线传输系统共用的可能性。

4.安全性:采用多种具有世界先进水平的安全防护措施,来保证开放式空间接口数据通信安全。包括 128位 AES密码数据加密,用户认证,动态密码刷新机制,数据发送方校验,数据过滤和数据完整性检验等,满足 CENELEC50159-2安全标准。

5.简易性:系统提供良好的网络管理手段,为用户提供简单、便携的管理维护方式。

6.健壮性:系统具有很高的可靠性,通过网络设备和链路的冗余,使系统有较强的故障导向安全的功能。无线传输设备全部采用工业级产品,满足温度、震动等环境要求。

7.抗干扰性:系统 (特别是无线通信设备)对外界电磁干扰 (接触网供电和杂散电流产生的电磁干扰等)以及其他工作在相同频率的无线设备产生的同频干扰具有很强的抵抗能力。802.11g设备的抗电磁干扰能力经过地下环境实测合格。

目前该方案正在实施之中。

[1］ 林瑜筠.城市轨道交通信号[M].北京:中国铁道出版社,2008,192.

[2］ 刘晓娟.城市轨道交通智能控制系统[M].北京:中国铁道出版社,2008,81.

[3］ 美国联合道岔与信号国际公司.西安地铁 2号线信号系统初步方案[S],2007.

[4］ 房瑛.西安地铁车-地信息数据通信系统方案浅析[J].铁道通信信号,2009(11):68.