CBTC系统区域控制器（ZC）功能及原理探究

2019-09-24屈耀

科技创新与应用 2019年25期

屈耀

摘要：地面区域控制器（ZC）作为CBTC系统的核心地面设备，剖析其功能、工作原理及外部通信，对我们深化认知，学习和理解有着极为重要意义。

关键词：区域控制器;ZC;CBTC

中图分类号：U284.48 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0069-04

Abstract： Zone Controller （ZC） is the core ground equipment of CBTC system. Analyzing its function， working principle and external communication is of great significance for us to deepen our understanding， studying and understanding of this equipment.

Keywords： Zone Controller; ZC; CBTC

1 概述

基于无线通信的列车控制系统CBTC（Communication Based Train Control）是当今城市轨道交通的主流控制系统，作为CBTC系统的核心地面控制设备，区域控制器（ZC）主要功能是根据通信列车所汇报的位置信息以及联锁排列的进路和轨旁设备提供的轨道占用/空闲信息，为其控制范围内的列车生成和发送移动授权（MA），是车-地信息处理的枢纽，保障了CBTC系统下通信列车行车效率及安全运行，具备在各种列车控制级别和驾驶模式下进行列车管理的能力。

本文以区域控制器为对象，在介绍CBTC系统结构基础上，进一步剖析了区域控制器的功能、原理，以及与其它子系统的通信信息传输。

2 CBTC系统结构及地面区域控制器介绍

CBTC（Communication Based Train Control）系统是一个安全的，具有高可靠性、高稳定性的基于无线的列车自动控制系统，它最大的特点是可以与列车实现无线通信功能。由列车-地面间周期传递列车位置信息和地面-列车间传递移动授权来实现车地通信功能。

2.1 系统结构

CBTC系统由列车自动监控（ATS）系统、计算机联锁系统、及ATC系统，CBTC系统的具体结构示意图如图1。

图1为CBTC系统的典型系统结构，主要包括了区域控制器（ZC）、车载控制器（VOBC）、联锁和ATS系统。CBTC采用先进的通信、计算机技术，连续控制、监测列车运行的移动闭塞方式，摆脱用轨道电路判断对闭塞分区占用与否，突破了固定闭塞的局限性，通过无线传输设备实现列车与地面区域控制器时时双向通信。

2.2 地面区域控制器（ZC）结构及外部通信

CBTC系统地面区域控制器（ZC）是保证列车运行安全的重要设备，ZC子系统采用“2乘2取2”冗余结构的安全计算机平台，主要负责根据CBTC列车所汇报的位置信息以及联锁所排列的进路和轨道占用/空闲信息，为其控制范围内的CBTC列车计算生成移动授权（MA），确保在其控制区域内CBTC列车的安全运行。

ZC设备的可靠性和可用性关系到CBTC系统的顺利运营以及运行效率，这就对ZC设备所赖以运行的计算机硬件平台和软件环境提出了很高的要求。系统结构原理如图2所示。

为确保系统的高可靠性和高安全性，系统采用高可靠性、高安全性硬件结构和软件设计，以及采取必须的硬件、软件冗余措施，ZC与相邻有关系统间的通信通道具有热备冗余配置。主備设备转换时间不影响列车正常运行和司机正常驾驶，安全完整性等级达到SIL4级。硬件按标准化功能模块进行设计。

地面区域控制器（ZC）设备作为CBTC核心设备，主要承接与ATS、联锁、相邻ZC、列车及维护机通信功能，通信连接图如图3。

3 地面区域控制器（ZC）设备工作原理

地面区域控制器（ZC）设备工作原理为实时地与车载 ATP、联锁、ATS设备进行信息交互，周期性地通过无线网络向其管辖区域内运行的CBTC列车发送MA，同时ZC还会把接收联锁发送的紧急关闭、屏蔽门等状态信息发送给车载ATP，控制列车在CBTC级别下安全的运行。

3.1 硬件原理

地面区域控制器（ZC）采用具有高可靠性的工业控制计算机，是一个具有二乘二取二冗余结构的故障-安全处理系统，每系包含有两个独立的CPU单元，通过公共时钟源实现任务级同步，实现单系二取二控制。ZC计算机结构如图4所示。

ZC双系以主从方式运行，实现二乘二取二控制。双系独立二取二运算和输出比较，当主系故障时，主系主动降级，从系升为主系;当从系故障时，从系主动降级，不影响当前主系控制。

从系周期性从同步区获取主系数据，并以此更新本系相关数据。

从系每个运算周期接收主系发送的周期开始同步信号作为本系周期开始信号，达到从系与主系周期同步。

ZC逻辑部的核心处理器采用两个通用的嵌入式处理模块（CPU A和CPU B），两个处理器在一个中断源的驱动下完成周期同步运算。

ZC逻辑部双系之间设有高速以太网，用于两系信息的交换，两条高速以太网分别连接两系的CPU 1和CPU 2，这种连接方法保证的系间交换的信息也能够完成二取二比较，从而保证了系间交换数据的安全性。

根据ZC逻辑部子系统功能需求，ZC逻辑部子系统包括以下集中主要模块，分别是：

BIC-A和BIC-B为逻辑处理单元，负责安全功能，也称为安全运算子系统（DSM）;

BIC-C为外系统通信模块，承担数据分析及传输功能，支持 Ethernet等外接系统接口，也称为通信管理子系统（DTS）;

电源模块：逻辑部电源模块，为机笼提供DC24V供电;

BSW为以太网交换板：承接ZC与外部设备信息交互功能。

3.2 软件原理

系统逻辑部应用软件采用嵌入式C语言编码，编码遵循安全系统C语言编码规范，使系统软件具有高可靠性和高安全性。

ZC计算机每系两个CPU单元均采用精简内核的实时操作系统负责管理系统各任务调度和执行。

3.3 系统同步管理

ZC系统结构为二乘二取二，单系采用任务同步二取二比较输出，双系采用并行主从工作方式，任何一系故障，均不会对另外一系以及其它子系统的正常工作造成影响。

（1）同步机制

单系双CPU为任务级同步，输出为任务级二取二比较，双系保持周期同步，对同步的设计如下：

ZC逻辑部系内的两个CPU的核心任务运行以同一个时刻为起点，并按照固定间隔时间周期循环执行;系内通过DPRAM交换双CPU的输出结果进行同步比较;间隔时间考虑系统对共模故障防护的影响不宜设置过短;双系保持同步运行，在从系投入或双系运行过程中，通过系间通信交换同步数据，使从系与主系保持同步运行;双系同步偏差时间小于20ms。

（2）冗余切换

两套完全相同的逻辑部子系统构成双系，以主从方式并行工作，即：

正常运行时，仅主系输出，备系保持与主系状态一致;从系的输出必须与主系保持一致，如果从系运算输出与主系不同则与主系同步。

ZC两系的工作状态定义为：

主系：系统正常运行，且处于正常控制状态，为默认主系;从系：系统正常运行，且处于正常控制状态，系统与主系同步;待机：系统正常运行，且处于停止控制状态，系统存在故障或与主系不同步;停机：系统停止运行。

系統确定主从系的基本原则是：

首先加电运行的系，完成初始化，工作正常即成为主系;后加电运行的系，完成初始化，工作正常，并在规定时间内与主系完成同步即为从系;主系故障或者比较不一致时转为待机，同时从系升为主系;从系故障或者比较不一致时转为待机;待机的系统在故障恢复后，取得同步后升为从系。

4 结论

本文通过从地面区域控制器（ZC）工作原理、外部通信等方面进行探究，对ZC在系统中功能和原理进行深入剖析，介绍了国产地面区域控制器的结构、功能和工作原理，进一步加深了对国产地面区域控制器的了解。

参考文献：

[1]城市轨道交通信号基础[M].中国铁道出版社，2001.

[2]林瑜筠.城市轨道交通信号[M].中国铁道出版社.