CBTC和TBTC兼容性车载系统设计

吕新军 施 聪 陆鑫源

(1.卡斯柯信号有限公司，200072，上海；2.上海地铁维护保障有限公司，200235，上海∥第一作者，高级工程师)

2000年前，地铁项目多采用TBTC(基于轨道电路的列车控制)系统。2004年后，国内新建和改造地铁项目大多采用CBTC(基于通信的列车控制)系统[1]。如今，CBTC系统代表了当今成熟信号系统的最高技术水平，提供了连续的列车保护，更精确的列车定位，更小的运营间隔，满足用户的多样化运营需求[2]。因此，既有线路的TBCT系统在大修改造时升级为CBTC系统是技术发展的必然趋势。既有线路改造往往分段开通，且各段开通间隔时间较长。则改造期间的列车需同时兼容TBTC和CBTC两种制式。

本文给出了一种兼容TBTC和CBTC的车载系统方案，研究了其系统组成和接口，提出了安全评估框架，并在上海地铁2号线增购列车中投入应用。

1 TBTC车载系统的结构

上海轨道交通2号线(以下简为“2号线”)在建设之初就采用TBTC系统。每列列车在车头车尾各安装1套TBTC车载系统。这2套车载系统相互独立。每套车载系统包括主备2套ATP(列车自动防护)设备和1套ATO(列车自动运行)设备。备用ATP设备为温备冗余。TBTC车载系统结构如图1所示。

图1 TBTC车载系统结构图

主备ATP设备通过各自的轨道电路处理板处理从同一对轨道电路接收线圈接收到的轨道电路信号，获得轨道电路ID(编码)、方向、目标点速度和距离及轨道电路穿越情况等信息，并通过2个独立的里程计来测量列车的位移和速度。ATO设备通过TWC处理板来处理TWC环线信号，实现精确定位停车及车地通信功能。此外，ATP设备通过无线通信与轨旁联锁设备通信来传递屏蔽门的开关命令信息，并通过显示单元实现与司机的信息交互。

2 CBTC车载系统

iCC200型CBTC车载系统使用2乘2取2的安全计算机[3]，满足CENELEC(欧洲电工标准化委员会) SIL4(安全完整度等级 4级)的标准要求[4]，其结构如图2所示。由图2可见，在每列列车的车头和车尾各安装1套CBTC车载系统，并在车头车尾形成冗余系统。有冗余结构的CBTC车载系统具有高安全性和高可用性。

图2 iCC200型CBTC车载系统结构图

CBTC车载系统通过安全型编码里程计获得列车的位移和速度(可按需选配雷达)，并通过信标天线读取轨旁信标信息来实现列车的定位。在CBTC模式下，CBTC车载系统通过无线通信获取轨旁信标的变量信息和列车移动授权；在CBTC降级运行的点式模式下，CBTC车载系统通过信标天线从轨旁有源信标获得移动授权。CBTC车载系统主要通过DMI(人机交互界面)来实现与司机的信息交互。

在车头车尾冗余部署核心处理单元，在单端冗余部署输入输出单元。这样避免了单点故障，保证了列车运行控制系统的高可靠性。

3 兼容性车载系统

3.1 系统结构

兼容性车载系统兼具CBTC和TBTC功能，其CBTC模式与TBTC模式的切换，以及冗余切换均不影响列车的正常运行。考虑到iCC200型CBTC车载系统的冗余特性，采用以iCC200型CBTC车载系统为基础，集成原TBTC车载系统的轨道电路模块和TWC处理模块，进而形成COS(兼容性车载系统)。COS结构如图3所示。

图3 COS结构示意图

3.2 内部接口

COS接口如图4所示。COS在列车每端各增加1个独立的轨道电路和环线处理模块，在车底安装1对轨道电路接收线圈和TWC天线；接收线圈、TWC天线与处理模块之间采用专用电缆连接，并由车辆独立供电；接收线圈同时连接到两端的处理模块；轨道电路和环线处理模块通过独立的网络与核心处理模块连接。

图4 COS接口示意图

3.3 模块组成

轨道电路和环线处理模块为独立模块，负责处理轨道电路信息和TWC信息。为保证COS的高可用性，列车两端的2个轨道电路和环线处理模块互为冗余，只要其中1个模块正常工作就可以保证车载系统的正常工作。

输入输出单元单端冗余部署，同时采集列车状态和司机输入信息并发送给列车两端的核心处理单元。

核心处理单元部署于列车两端，能同时接收处理两端的轨道电路和环线处理模块信息。核心处理单元根据编码里程计和信标信息(轨道电路信息作为辅助)计算列车的速度和定位信息。在CBTC模式下，核心处理单元通过无线通信，从轨旁区域控制器获取移动授权控制列车；在TBTC模式下，核心处理单元根据从轨道电路和环线处理模块接收的轨道电路信息，来获知轨道电路ID、方向信息、目标速度和目标点距离，进而计算出列车的运行授权并控制列车。控制命令通过输入输出模块输出至车辆，相应的司机驾驶信息在司机显示单元上显示。

3.4 对外接口

COS对外接口有轨道电路接口、CBI(计算机联锁)系统接口、ATS(列车自动监控)系统接口、ZC(区域控制器)系统接口及车辆接口。其中，对于ZC系统接口和车辆接口与传统CBTC中的接口一致，下文不做分析。

3.4.1 COS与轨道电路接口

轨旁轨道电路使用移频键控方式以钢轨为媒介传输数字数据。COS使用载频为9.5 kHz、10.5 kHz、11.5 kHz、12.5 kHz、13.5 kHz、14.5 kHz、15.5 kHz、16.5 kHz。每个轨道电路使用和其相邻轨道电路不同的载频发送数据，载频中心偏移为±200 Hz，采用BFSK(二进制移频键控)载波调制，波特率为200 bit/s。其中，9.5 kHz和16.6 kHz为特殊区段频率，用于传递停稳信息。轨道电路和环线处理模块将滤波器调谐到正确频率，可仅接收当前轨道电路的机车信号数据。安全机车信号数据包由报头、数据包和安全冗余校验码组成。

轨道电路发送给COS的数据信息包括轨道电路ID、列车方向、当前频率、下一频率、目标距离、线路速度、目标速度及停站信息等。

3.4.2 COS与CBI接口

在CBTC和TBTC模式中，COS与CBI系统通过无线通信接口来实现屏蔽门控制功能。在既有线改造中，COS需能与既有CBI系统接口(如有)，COS与CBI系统之间通过冗余网络(红蓝网)接口来传递屏蔽门安全信息。COS与CBI系统接口的OSI(开放式系统互联)模型如图5所示。

图5 COS与CBI系统接口的OSI模型

COS发送给CBI系统的信息包括列车类型、列车停稳、屏蔽门命令等；CBI系统发送给COS的信息包括屏蔽门状态等。

3.4.3 COS与ATS接口

CBTC模式下，COS通过无线通信网络接口与ATS交互列车状态信息和列车控制信息。该接口同传统CBTC系统的车载系统与ATS间接口相同。

当无线通信网络发生故障或列车工作在TBTC模式下时，ATS与列车通过轨旁TWC来实现状态信息和控制信息的交互。

ATS通过TWC发送给COS的信息包括列车ID、轨道ID、目的地ID、时间信息、ATP命令(静态测试、门测试等)、ATO命令(跳停、扣车、运行等级、停站制动率等)、TWC停车参考点信息等。

车载通过TWC发送给ATS的信息包括：列车ID、轨道ID、ATP报警信息(紧急制动施加、打滑、制动不缓、制动故障等)、ATP状态(门状态、列车运行方向、停车状态、驾驶模式、车长等)、ATP测试信息(静态测试状态、门测试状态)、目的地及ATO状态(运行等级、扣车状态等)。

4 安全评估框架

COS在既有iCC200型CBTC车载系统的基础上集成了轨道电路和环线模块及相应的设备。CBTC车载系统同轨道电路和环线模块之间采用安全通信接口，且接口边界清晰。根据EN50129和EN50126的标准要求[5]，可在CBTC车载系统、轨道电路和环线模块均独立通过安全评估的基础之上，将两者集成后再进行完整COS的安全评估。

5 结语

本文结合CBTC车载系统和TBTC车载系统的功能和特点，提出了COS设计方案。根据该方案实现的COS已于2019年4月在上海轨道交通北翟路基地试车线完成了TBTC系统和CBTC系统的独立功能测试，于2019年7月通过第三方SIL4安全评估，并于2019年9月在2号线增购的列车中投入使用。使用结果表明，该COS能够很好地兼容CBTC和TBTC，具有良好的实用性和稳定性。