基于通信的列车控制(CBTC)系统中轨旁控制子系统一体化研究

2021-07-21乔高锋宿秀元

城市轨道交通研究 2021年7期

乔高锋耿鹏宿秀元刘佳张勇

(1.通号城市轨道交通技术有限公司， 100070，北京；2.北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心， 100044，北京∥第一作者，工程师)

目前投入运营的城市轨道交通线路中，CBTC(基于通信的列车控制)系统的轨旁控制子系统大多通过分别设置计算机联锁和区域控制器的方式来共同管理列车运行，保证列车运行安全。这种轨旁控制方案不仅车地接口冗余重复、设备间耦合度高，导致系统的运营和维护成本较高、运行效率较低，还增加了地面控制系统的复杂性。随着计算机技术、通信技术、故障-安全技术的不断完善和成熟，有必要对目前的CBTC系统进行反思，对CBTC系统的地面设备进行重新设计。

1 CBTC系统分析

1.1 国内CBTC系统分析

目前国内大多数城市轨道交通线路的CBTC系统均采用IEEE 1474.1TM—2004标准中描述的典型CBTC系统[1]。在典型CBTC的架构中，CBI(计算机联锁)、ZC(区域控制器)、ATS(列车自动监控)、车载ATP(列车自动防护)、ATO(列车自动运行)等设备均作为独立的设备，相互间采用接口连接。其主要特点是：① 线路资源(如计轴区段、信号机和道岔等)的管理和分配由CBI完成，同时CBI将设备状态信息发送至ZC；② 列车移动授权的计算和发送由ZC完成，ZC根据管辖范围内的列车位置信息和CBI发送的线路设备状态信息为列车计算移动授权，并将计算结果发送给列车；③ ZC把来自车载的列车位置信息和来自CBI的计轴区段占用信息进行综合处理，以计算列车的位置关系。

无线CBTC系统应用初期采用上述架构，是考虑到CBTC系统在工程上一次性全功能开通的可行性，以及新采用的基于无线车-地通信技术的可靠性[2]。因此，将CBI和ZC作为2个独立的子系统，在当时的CBTC系统方案中是合理、可行的选择。

典型CBTC系统的架构有ZC和CBI 2个区域控制核心，存在如下问题[3]：

1) 子系统间接口复杂，降低了系统可靠性和可用性。移动闭塞的控制逻辑必须经过车载ATP、ZC和CBI 3个子系统的协调处理，为了提高双核心架构的系统效率，引入了很多的请求/确认机制。这种设计虽然可以实现系统要求的功能，却使得系统的整体可靠性降低。请求/确认机制中任何环节中断都会对系统的可用性带来挑战。

2) 后备系统的存在增加了系统的复杂度。CBTC需配置后备信号系统的要求，使得所有与安全相关的系统设计均需考虑CBTC模式和后备模式，且需考虑这2种模式随时切换的场景，导致轨旁设备众多，安装和维护的工作量大。而在实际运营中，因ZC故障必须降到后备模式的情况极少。

1.2 国外CBTC系统分析

国外提供CBTC系统解决方案的主要供应商不少于5家，提供的CBTC系统解决方案不少于150种[4]。依据CBTC系统解决方案是否有独立的联锁系统这一判断条件，列出了国外主要CBTC系统供应商的解决方案，如表1所示。由表1可以看出，在目前的CBI和ZC的基础上，实现轨旁控制子系统一体化，在技术上是可行的。基于优化CBTC系统的目的，本文提出对既有CBI和ZC的功能整合进行研究，以期实现轨旁控制子系统的一体化。

表1 国外主要CBTC系统供应商及解决方案

2 轨旁控制子系统一体化方案研究

2.1 一体化CBTC系统方案介绍

按照融合方式的不同，轨旁控制子系统一体化的CBTC系统有以下3种实现方案[5]：

1) 方案1，CBI和ZC放置在同一个机柜内，各自采用独立硬件和软件，2个子系统通过以太网等高速通信接口连接。

2) 方案2，CBI和ZC采用同一硬件，2个软件同时运行在该硬件中，接口信息通过共享内存的方式进行交互。

3) 方案3，CBI和ZC采用同一硬件和同一软件。

方案1和方案2能够在一定程度上缓解通信延迟，但无法完全解决ZC和CBI单独设置带来的问题。本文重点对方案3进行研究，方案3的CBTC系统原理图如图 1所示。方案3中，采用全电子接口平台替代了典型CBTC系统中的继电器组合架，其负责采集室外设备的状态和控制室外设备到指定状态。轨旁控制子系统同时具备了典型CBTC系统中的CBI功能和ZC功能。

2.2 轨旁控制子系统为列车计算行车许可的方法

CBTC系统中以移动授权代替信号机作为行车凭证。在轨旁控制子系统一体化的CBTC系统中，由于轨旁控制子系统既可以实时获取列车的位置信息，又可以直接对线路设备的状态进行管理，因此，可以根据轨旁控制子系统的特点设计新的行车许可计算方法，如图 2所示。其中：CBTC列车表示轨旁控制子系统能为其计算移动授权的列车；非CBTC列车表示轨旁控制子系统与其有通信、但不能为其计算移动授权的列车，或者与其没有通信的列车；移动闭塞进路表示为CBTC列车办理的进路；普通进路表示为非CBTC列车办理的进路；障碍点为列车移动授权不可越过的点。

2.2.1 进路办理

ATS根据不同类型的列车，向轨旁控制子系统下达不同的进路办理申请。

1) 对于CBTC列车，ATS下达的移动闭塞进路办理申请主要包括路径标识号、进路起点、进路终点等信息，此时进路的起点是列车车尾所在区段的始端，终点是进路办理申请的目的地再延伸一个保护距离的位置。

2) 对于非CBTC列车，ATS将下达普通进路办理申请，此时进路的起点是列车车头所在计轴区段的末端，终点是进路办理申请的目的地再延伸一个完整的计轴区段的位置。此处需要强调的是，信号机到信号机的进路属于普通进路。

注：PSD——屏蔽门；LEU——轨旁电子单元。

图2 轨旁控制子系统的行车许可计算方法

2.2.2 进路解锁

移动闭塞进路和普通进路均可通过自动解锁和人工解锁2种方式解锁进路。

1) 采用自动解锁进路方式时：① 对于移动闭塞进路，随着CBTC列车沿着移动授权方向前行，列车车尾后面的区段将自动解锁；② 对于普通进路，锁闭区段需经过“三点检查”后方能自动解锁。

2) 采用人工解锁进路方式时：① 对于移动闭塞进路，若列车的移动授权终点未达到进路始端或未进入该进路，则进路立即解锁。否则，轨旁控制子系统将向车载ATP询问是否能在该进路前停下，若车载ATP回复可以停下，则轨旁控制子系统立即解锁该进路；② 对于普通进路，轨旁控制子系统根据进路的接近区段是否被占用来判断解锁时机。若该进路的接近区段有列车占用，则在收到解锁命令后并不立即执行，等待固定时间(如5 s)后，再解锁该进路；若接近区段无列车占用，则立即解锁该进路。

2.2.3 行车许可计算

1) 对于CBTC列车，轨旁控制子系统为其办理移动闭塞进路成功后，根据移动闭塞进路范围内是否存在障碍点设置移动授权的终点。若不存在障碍点，移动授权的终点为进路的终端回缩一段安全距离的位置；若存在障碍点，则根据障碍点的类型回缩移动授权的终点。列车根据轨旁控制子系统计算的移动授权向前行驶。

2) 对于非CBTC列车，轨旁控制子系统在办理普通进路成功后将点亮信号机。非CBTC列车的驾驶员通过瞭望室外信号机的亮灯状态来控制列车运行。