无线CBTC信号系统工作模式分析

2012-06-21赵晓峰

城市轨道交通研究 2012年5期

赵晓峰

（上海贝尔股份有限公司，201206，上海∥工程师）

在城市轨道交通中，信号系统是控制列车运行，保证列车运行安全的大型复杂机电系统。按照列车行车密度的不同，信号系统分为固定闭塞系统、准移动闭塞系统和移动闭塞系统。无线CBTC（基于通信的列车控制）就是移动闭塞的一种应用系统［1］。其车地通信采用IEEE802.11通用标准协议，即无线局域网通信协议。

1 无线CBTC信号系统的组成

按照功能来划分，无线CBTC信号系统的子系统主要有：ATS（列车自动监控）、联锁、ZC（区域控制器）、VOBC（车载控制器）和DCS（数据通信系统）。采用无线CBTC信号系统的轨道交通线路通常会被分成若干个区域，每个区域内都有1套区域ATS设备、1套联锁和1套ZC，每一个区域的设备可以控制若干个车站，控制中心有1套中心ATS设备；每列列车有1套VOBC。

ATS子系统主要实现对列车运行的监督和控制［2］，包括控制中心ATS服务器和人机界面，区域ATS服务器和人机界面，以及轨旁发车倒计时器。ATS有中心控制和紧急站控2种工作模式：中心控制模式是整个系统的正常控制模式，中心ATS服务器处于激活状态，负责所有的监控任务；紧急站控模式是某个区域发生故障，无法使用中心ATS服务器而被迫采取的应急模式，此时，区域ATS服务器处于激活状态，负责所在区域的监控任务。

联锁子系统以进路控制为主要内容［3］，但在无线CBTC信号系统中功能有所扩展。联锁有CBTC和后备2种工作模式：CBTC模式的联锁处于受控地位，接收ZC发送的命令，控制道岔转动和信号机显示；后备模式的联锁处于主控地位，不再接收ZC命令，而是与传统联锁功能类似。

ZC子系统的主要功能是按照移动闭塞原理计算列车运行的LMA（移动授权限制），即列车可以安全走行的距离。ZC也有CBTC和后备2种工作模式：CBTC模式的ZC可以计算LMA，并发送给列车，以此控制列车走行的距离；后备模式的ZC处于不输出的状态，整个信号系统转为固定闭塞制式，列车的安全运行由联锁子系统来保证。

联锁和ZC的两种模式之间的切换，只能通过操作员发命令来完成，不能自动切换；同时，为保证安全，两种模式之间的转换需要一定的延时。联锁和ZC必须同时处于CBTC模式或后备模式。

VOBC子系统的主要功能是与车辆接口，控制列车速度。VOBC有多种驾驶模式：ATO（列车自动驾驶模式）、ATPM（列车自动防护的人工模式）、WSP（轨旁信号保护模式）和RM（限制人工模式）。当联锁和ZC处于CBTC模式时，列车正常运行须使用ATO和ATPM模式；当VOBC与ZC失去通信时，列车正常运行只能使用WSP模式（此模式带有简单的列车防护功能）；当VOBC与ZC、ATS均失去通信时，列车正常运行须使用WSP模式，但在ATS人机界面上显示为NCT（非通信列车），操作员无法查看VOBC状态。在建立正常运营模式前，列车只能使用RM模式，包括：RMF（限制人工前进模式），限速20km／h；RMR（限制人工后退模式），限速10km／h。

DCS子系统主要提供各个子系统之间的通信传输通道，对各个子系统是透明的。DCS主要设备有位于控制中心的防火墙、控制中心和区域均有的保密器件，以及各种交换机等。防火墙主要负责保护非安全子系统之间（如ATS）的数据通信，保密器件主要负责保护涉及安全子系统（如VOBC与ZC，VOBC与ATS）的数据通信。

2 无线CBTC信号系统工作模式

目前已经开通的无线CBTC信号系统项目大多具有后备模式。当信号系统在CBTC模式和后备模式之间转换时，系统会出现多种场景，如果再考虑到ATS的中心控制模式和紧急站控模式之间的转换，还有多种列车驾驶模式的切换，整个信号系统的运作则变得灵活多样，操作命令也会随着模式不同而变化。下面依次介绍无线CBTC信号系统的各种工作模式。

2.1 全线CBTC工作模式

全线CBTC工作模式是指整条线路中各个区域的联锁和ZC均处于CBTC模式；中心ATS服务器处于激活状态，即中心控制模式。VOBC正常运行的驾驶模式是ATO或ATPM。全线CBTC工作模式如图1所示。图中的实线双箭头表示有线通信链路，实线闪电表示无线通信链路；联锁、ZC、VOBC和相邻ZC为安全设备，其余非安全设备。

处于全线CBTC工作模式的信号系统，使用移动闭塞原理控制列车运行，控制中心和区域操作员通过各自的人机界面，将各类控制命令发送至中心ATS服务器，然后下发至相关子系统。轨旁发车倒计时器可以正确显示列车停站时间。司机按照CBTC行车规则，通过VOBC人机界面控制列车运行。各区域ZC均可以与相邻区域ZC正常通信，列车在跨边界运行时，其LMA能够延伸到相邻区域，从而保证列车正常通过。

图1 全线CBTC工作模式

2.2 区域后备工作模式

当系统处于全线CBTC工作模式时，如果某个区域的联锁和ZC切换到后备模式，那么该区域就进入了区域后备工作模式。处于该区域的VOBC只能使用WSP模式。区域后备工作模式如图2所示，图中虚线的箭头和闪电表示通信中断，虚线框表示该设备不起作用。

图2 区域后备工作模式

处于区域后备工作模式的区域，使用固定闭塞原理控制列车运行，中心和区域操作员只能通过联锁来实施进路控制，其他CBTC模式下的命令，如设置临时限速、打开或关闭轨道等均无法实施，轨旁发车倒计时器仍然可以正常工作。司机根据轨旁信号机显示和VOBC人机界面显示、人工控制列车运行，同时WSP模式提供了闯红灯紧急制动的简单列车防护功能。该区域ZC无法与相邻区域ZC通信，列车在进入该区域前，需要停车转换驾驶模式至WSP，然后进入后备模式区域；在离开该区域时，列车可以用WSP模式开到相邻区域的第一个站台，然后转为ATO或ATPM，继续正常运行。

2.3 全线紧急站控CBTC工作模式

当中心ATS服务器完全故障后，各区域的ATS服务器会自动激活，联锁和ZC均处于CBTC模式，此时称为全线紧急站控CBTC工作模式。VOBC正常运行的驾驶模式仍然是ATO或ATPM。全线紧急站控CBTC工作模式如图3所示。图中大叉表示该设备故障，不能继续工作。

图3 全线紧急站控CBTC工作模式

处于全线紧急站控CBTC工作模式的信号系统，仍然可以使用移动闭塞原理控制列车运行，中心操作员无法进行任何操作；区域操作员可以通过区域ATS人机界面和服务器，向当前区域的ZC发送控制命令，如排列CBTC进路等，但对于向当前区域的VOBC发送的控制命令，如跳停、设置停站时间等均无法成功实施。由于区域ATS服务器不存储时刻表，时刻表相关功能均无法使用。轨旁发车倒计时器不会有任何显示。司机按照VOBC人机界面显示的信息来控制列车运行。

2.4 全线紧急站控后备工作模式

当系统处于全线紧急站控CBTC工作模式时，如果某个区域的联锁和ZC切换到后备模式，那么该区域就进入了全线紧急站控后备工作模式。处于该区域的VOBC只能使用WSP模式。全线紧急站控后备工作模式如图4所示。

处于全线紧急站控后备工作模式的区域，只能使用固定闭塞原理控制列车运行，联锁负责排列进路，中心操作员无法指挥列车行车，区域操作员通过各自的区域ATS人机界面和服务器发送控制命令。列车在区域ATS人机界面上显示为NCT。司机按照后备模式行车规则，通过VOBC人机界面控制列车运行。

图4 全线紧急站控后备工作模式

2.5 区域紧急站控CBTC工作模式

当区域的保密器件故障时，该区域的ATS服务器会自动激活，并切断与控制中心ATS服务器的通信，联锁和ZC处于CBTC模式，那么该区域就进入区域紧急站控CBTC工作模式。处于该区域的VOBC只能使用WSP模式。区域紧急站控CBTC工作模式如图5所示。

图5 区域紧急站控CBTC工作模式

处于区域紧急站控CBTC工作模式的区域，仍然可以使用移动闭塞原理控制列车运行，控制中心操作员可以通过中心ATS人机界面和服务器，向处于该区域的VOBC发送相关命令，如扣车、跳停等；列车在控制中心ATS人机界面上显示为WSP模式，并且可以向控制中心发送列车状态。而区域操作员则是通过区域ATS人机界面和服务器，向该区域的联锁和ZC发送相关命令，如排列进路、设置临时限速等，列车在区域ATS人机界面上显示为NCT，不能向区域ATS服务器发送状态。由于控制中心ATS服务器仍然处于激活状态，时刻表相关功能有效。轨旁发车倒计时器可以接收控制中心ATS服务器数据，显示列车当前停站时间。司机按照CBTC行车规则控制列车运行，在跨区域边界运行时，与全线正常工作模式相同。