自主化的移动闭塞CBTC系统

2013-05-08陈丽君

铁路通信信号工程技术 2013年3期

陈丽君

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

1 概述

基于通信的列车自动控制（CBTC）系统由于采用先进的无线通信技术作为车地通信的手段，使车-地之间能够实时通信且能传送大量的信息，车载设备能够完成更多的功能，实时计算制动距离曲线，从而进一步缩短列车间隔，是当今城市轨道交通信号系统的主流方向。

目前移动闭塞CBTC信号系统普遍采用国外引进的信号系统或部分国产化的信号系统，即使是国产化率很高的系统，也仅仅是生产和制造的国产化。随着国家的深化改革，打造自主化的信号系统十分必要，自主化的信号系统不仅价格上有很大优势，而且更能贴近用户的特殊运营需求，从长远的角度看，其维修和维护成本更加低廉，升级改造也更为便捷。

2 系统组成

本文介绍的JeRail®CBTC信号系统从系统设计到硬件软件开发完全是由上海富欣智能交通控制有限公司自主开发，且其列车自动防护（ATP）和计算机联锁（CBI）都经过了德国TUV莱因公司的最高等级安全认证——SIL4认证，其列车自动监控（ATS）也通过了SIL2认证。

JeRail®CBTC信号系统包含6个子系统：列车自动监控子系统、区域控制器子系统（ZC）、计算机联锁子系统，车载子系统（OBCU）、数据通信子系统（DCS）以及维护管理子系统（MMS）。其系统架构如图1所示。

3 系统运营等级和模式

3.1 系统运营等级

JeRail®CBTC信号系统有3个运营等级：连续通信级、点式通信级、联锁级。

连续通信级：当车地通信正常且ZC子系统正常时，系统处于CBTC模式，车载子系统可以连续与ZC进行双向通信，从ZC接收移动授权，系统根据移动闭塞的原则行车，列车控制是连续的。

点式通信级：当车地双向通信故障或ZC故障时，车载子系统只能与有源应答器进行单向通信，获取移动授权。若ZC处于故障状态，系统则处于后备模式；若ZC处于健康状态，系统也可以处于CBTC模式。但系统根据固定闭塞的原则行车，列车控制是点式的。

联锁级：当单向通信故障且ZC故障时，轨旁不能为车载子系统提供移动授权，整个系统处于后备模式，系统根据固定闭塞的原则由司机目视行车，系统没有ATP防护。

3.2 系统模式

JeRail®CBTC系统具有CBTC模式和后备模式两种模式。整个系统的模式取决于CBI处于何种模式。当CBI为CBTC模式时，则系统为CBTC模式；当CBI为后备模式时，系统则为后备模式。整个系统在CBTC模式和后备模式之间由调度员人工切换。

系统运营等级和系统、子系统的模式以及车载模式的对应如表1所示。

表1 系统模式对应表

4 系统功能和配置

JeRail®CBTC系统采用分布式架构。主要设备位于控制中心和设备集中站。

4.1 ATS子系统功能和配置

ATS子系统的主要功能是为ATS调度员提供人机接口界面。ATS可以根据时刻表信息自动向轨旁设备区域控制器或联锁发送进路请求，也可以根据调度员的人工命令为列车排列进路。

ATS也向ZC发送临时限速、关闭轨道、道岔单锁等命令，以及向列车发送停站时间、运行等级调整等调度员命令。列车具体位置、轨旁设备（信号机、道岔、计轴区段、紧急停车按钮、屏蔽门/安全门、防淹门、司机保护开关、发车指示器等）的状态和进路请求的结果显示在ATS界面上。

此外，ATS将在中央与外部系统进行接口：如大屏、电力监控、主时钟、无线、FAS/BAS、PAS/PIS和COCC/TCC， ATS还可对车辆段/停车场的站场和设备状态进行显示。

ATS分为三级控制。中央控制、车站控制以及车站紧急控制。正常情况下，系统采用中央控制。当中央的服务器故障时，可以自动激活车站控制。当中央和车站控制设备都故障时，可以启用车站紧急控制，以确保系统的运营。

ATS设备在中央、车站级采用热备冗余配置，ATS的功能满足SIL2的要求。

4.2 ZC和CBI子系统功能和配置

在CBTC模式下，ZC通过CBI的I/O接口获取现场设备的状态信息（如信号机、道岔、计轴区段、屏蔽门/安全门、紧急停车按钮、司机保护开关、防淹门、外线路信号机和与正线相邻的轨道区段的状态），并接收来自ATS的进路请求和调度员命令（如关闭轨道，临时限速等），然后根据上述信息和控制区域内其余列车的状态，为控区内所有列车计算移动授权（MA），并通过CBI的I/O接口控制道岔的转动和信号机的显示。同时，ZC将计算的MA发送给列车，以供列车在移动授权的范围内运行。在CBTC模式下，所有的进路执行功能和联锁控制功能都将在ZC内完成，CBI只是作为输入/输出接口获取现场设备的状态并传给ZC，并将ZC发来的控制命令送给现场设备。

在CBTC模式下，ZC也与相邻的ZC进行通信，以监督相邻ZC的健康状态，方便列车顺利通过边界。

在后备模式下，ZC将不起作用，ATS将进路请求发给CBI，CBI将根据现场设备的状态，基于点式ATP的防护原则来进行联锁运算，控制道岔的转动和信号机的显示，执行ATS进路。同时CBI将道岔和信号机等必要的状态信息送给轨旁的有源应答器，有源应答器将信息发给信标（接近信标和信号机信标），当列车经过有源信标时，将获取移动授权，从而控制列车在点式ATP的防护下行车。

ZC和CBI的配置为二乘二取二，ZC和CBI的功能满足SIL4级的要求。

4.3 OBCU子系统功能和配置

在CBTC模式下，OBCU从ZC接收移动授权，确保列车在移动授权范围内移动，列车基于移动闭塞的原则行车。在后备模式下，OBCU从信标获取移动授权，进行点式ATP防护，系统基于固定闭塞的原则行车。OBCU的ATP功能主要有列车运行模式判定、列车速度监督和防护、列车完整性监督、车门控制等。此外，车载子系统也执行ATO功能，如：根据来自于ATS的运行等级来控制列车的速度，并且使能源消耗最小化，精确对位停车以及控制列车门的打开。

OBCU的配置为二乘二取二，OBCU的ATP功能满足SIL4级的要求，ATO功能满足SIL2级的要求。

4.4 DCS子系统功能和配置

DCS的主要功能是在信号系统中包含的中央、轨旁和车载等各个列控子系统（ATS、ZC、CBI和OBCU之间）之间可靠地双向传输列控信息，由提供端到端数据安全防护的轨旁有线通信网络和车地无线通信网络两大部分组成，具有实时性。

DCS采用具有开放标准协议和接口的通信设备。整个网络分为传输层和接入层，核心传输层采用IP/MPLS技术，接入层采用IEEE 802.3以太网标准，车地移动通信采用扩频通信技术。DCS采用VPN技术来保证网络通信的保密性和数据安全。

DCS可以提供优越的通信性能，其可靠性是通过采用稳定的、多级冗余配置的高可靠设备来保证的。

4.5 MMS子系统功能和配置

MMS子系统具有信号设备监测、报警与统计、故障诊断与处理及维修辅助管理的功能。

MMS子系统监测的信号设备既包含外电网质量、信号机LED电流报警、道岔启动电流和功率、断路器熔丝状态、电缆绝缘、接地漏流报警、外线路轨道电路状态、设备房环境监控等传统的信号设备的检测，同时也包含CBI/ZC/OBCU/ATS/计轴等子系统硬件板卡、软件、通信状态、与外部系统（FAS/BAS、SCADA、RADIO等）的连接状态报警信息。根据上述的监测结果和报警信息，MMS进行预测性分析，给出可能发生故障的板卡，针对已经发生故障的情况，推荐故障的处理方式，从而实现在线故障诊断与处理。

此外MMS子系统还提供维修辅助管理的功能：对维护工单进行自动派发，对系统设备、软硬件版本进行配置管理，同时提供备件管理和维护人员的信息管理。

5 系统的特点和优势

5.1 自主研发的JeRail-ATP-100控制器

OBCU、ZC、CBI三大核心子系统采用完全自主研发、经过德国TUV SIL4认证的通用ATP控制器作为其硬件设备。统一的硬件平台可以简化设计，并有利于客户减少备品备件的种类，从而减少维护成本。该平台采用高度集成化、无风扇功耗较低的处理器，大大增加了系统的可靠性，并降低了整个系统的整体能耗。

5.2 更低的维护成本

核心设备均采用可靠冗余设计，并具有完善的自诊断和报警功能；独立的维护管理子系统的支持、基于数据挖掘技术的预测性维护手段为系统的日常运营提供强有力的保障，保证在系统故障的情况下对运营干扰最小，快速安全地处理设备故障并迅速恢复正常运营。

5.3 高性能的DCS架构

采用了IP/MPLS骨干网络技术，带宽大于4 Gbit/s；采用包括IPSec、IPS、防攻击等安全技术统一的安全管理策略；无线网络具有可拓展型，采用WPA、WPA2技术，安全性好；三层DCS网络架构提高了网络的稳定性；准网状架构提升了网络流量和冗余性，当发生广播风暴时，所有的业务都不会受到影响。卓越的QoS满足不同性能的服务要求。

5.4 更智能的ATS

根据供电区域的最大负荷，支持多列车错峰启动，以减少触网故障机率；根据电气区段牵引供电可用性（降低或故障）情况，人工或自动控制在这些区段内同时运行的列车数量，并可自动建立覆盖故障区域的封锁区域。当电力系统检测到再生能时，可在满足运营要求的前提下启动发车，提高再生能的利用；在时刻表编辑时，就将电力能耗分析数据作为一个因素考虑。