关于城市轨道交通CBTC计算机联锁子系统的研究

关于城市轨道交通CBTC计算机联锁子系统的研究
摘要：近年来，基于通信的列车控制技术（CBTC）以其显著优势，逐渐成为城市轨道交通信号系统的首选方案。

传统的联锁技术无法支撑CBTC信号系统的安全、高效、高自动化的要求。

CBTC信号系统中的联锁子系统不仅要提供联锁逻辑保障，还要支持移动闭塞、点式ATP控制、以及不同模式列车的混跑等需求。

文章简要介绍了基于CBTC技术的国产化联锁系统的架构、功能方面的创新和技术特点等。

关键词：基于通信的列车控制、联锁、系统架构、功能
一、前言
区域控制中心系统（以下简称ZC系统）是在原有的国产通用安全硬件平台的基础上开发的新一代的面向城市轨道交通的列车控制系统，是自主研发的CBTC系统的核心子系统。

ZC系统与自动列车监督系统（ATS）、车载控制系统（ATP/ATO）、车站计算机联锁系统、数据传输系统和微机监测系统共同构成了完整的基于通信的列车控制系统（CBTC系统）。

在CBTC系统中，每个联锁集中控制区设置一套ZC系统，主要完成轨旁ATP功能以及部分ATO和ATS功能。

ZC系统的主要功能、硬件构成、软件结构以及相关技术特点是本文重点内容。

二、系统结构
北京全路通信信号研究设计院有限公司自主研制的基于通信的列车控制（CBTC）系统。

该系统中的计算机联锁子系统的结构可划分为3个层次，即操作显示层、逻辑运算层、输入/输出层，其组成结构如图1所示：
图1CBTC计算机联锁子系统组成结构图
1、操作显示层
操作显示层由操作显示子系统和维护终端子系统组成，提供操作及维护的人机界面。

操作显示子系统和维护终端子系统之间通过局域网交换信息。

操作显示层还通过与列车自动监控子系统（ATS）、微机监测等外部信号系统之间的信息交换，最终完成列车运行指挥控制和设备维护管理等功能。

2、逻辑运算层
逻辑运算层即联锁逻辑子系统，是整个联锁系统的核心层。

联锁逻辑子系统通过安全数据通道与输入/输出层以及区域控制中心（ZC）系统、相邻站联锁系
统等外部信号系统进行信息交换，并通过局域网与操作显示层交换信息；联锁逻辑子系统接收来自操作显示层、外部信号系统的操作命令信息，接收来自输入子系统、ZC系统、相邻联锁系统的现场设备状态、列车信息，通过联锁运算，产生相应的控制命令，通过输出子系统对现场信号设备进行控制。

联锁逻辑子系统还通过与轨旁电子单元（LEU）接口，控制有源应答器发送报文，用于点式后备模式下的列车控制。

3、输入/输出层
输入/输出层包括输入子系统和输出子系统。

输入/输出子系统通过安全数据通道与联锁逻辑子系统交换信息。

输入子系统将采集的接口电路和现场设备的状态信息发送给联锁逻辑子系统；输出子系统接收联锁逻辑子系统的输出控制信息，通过驱动接口电路，控制现场信号设备。

按上述逻辑层次划分的CBTC联锁子系统由操作显示子系统、维护终端子系统、联锁逻辑子系统、输入/输出子系统、电源子系统组成，共同完成联锁系统的需求。

其中联锁逻辑、输入/输出为安全子系统，均按照二乘二取二硬件安全冗余结构进行设计。

三、硬件构成
区域控制中心系统采用的硬件平台为既有的国产通用安全硬件平台（DS6-60），该平台采用了二乘二取二的安全冗余结构，适用于车站计算机联锁系统、地面列控中心系统、临时限速服务器等信号系统。

其中，采用该通用安全平台的车站计算机联锁系统已大量应用于全国多条线路，其安全性和可靠性已得到了实践的检验。

ZC系统主要由逻辑处理子系统、输入/输出子系统、通信子系统、电源子系统、维护终端子系统组成，其硬件结构如图2所示。

图2ZC系统硬件结构图
ZC系统由完全相同的A、B两系组成，两系并用，互为主备，提高了系统的可靠性；每一系又采用二取二比较的软、硬件安全冗余结构，确保了系统的安全性。

A、B两系共有3种稳定工作状态，即主控、备用、离线。

系统正常工作时，其中一系处于主控状态，另一系处于备用状态；当主控系发生故障时，主控系脱机进入离线状态，同时备用系自动切换至主控状态。

故障系在修复并开机后，自动与主控系取得同步并进入备用状态。

ZC系统各单元组成及功能如下。

1、逻辑处理子系统。

逻辑处理子系统由CPU模块、系间通信模块、IO通信模块、电源模块等组成。

逻辑处理子系统负责安全相关数据的运算和处理，是整个ZC系统的核心，其设计满足“故障－安全”原则。

2、输入/输出子系统。

输入/输出子系统通过智能IO模块实现对状态继电器和点灯继电器的驱动和状态信息采集功能。

此外，ZC系统通过该子系统预留了与现场设备的接口。

3、通信子系统。

通信子系统通过以太网或RS-422方式与ATS系统、联锁系统等其他信号系统进行数据交换。

4、电源子系统。

电源子系统负责为逻辑处理单元、维护终端等其他设备供电。

5、维护终端。

维护终端子系统采用通用的工业控制计算机，主要完成与ZC 系统相关的维护信息的记录、实时监视、记录回放等功能。

四、软件结构
1、软件体系结构。

区域控制中心系统通过硬件的安全结构设计和安全平台软件来实现安全相关功能，包括主从CPU比较、主备系切换等功能，其安全处理流程对于ZC系统本身而言是“透明”的。

ZC系统的软件体系结构分为安全平台硬件、操作系统、安全平台软件、ZC应用软件4个层次，如图3所示。

图3软件体系结构示意图
对于安全平台而言，ZC系统的应用软件构建于操作系统之上的安全平台软件之上。

2、应用软件结构及功能描述。

ZC系统的应用软件运行于具有二乘二取二的冗余结构的通用安全平台之上，包括主控模块、线路数据管理、移动授权计算等模块，其软件结构示意图如图4所示。

图4ZC系统应用软件结构示意图
(1）主控模块。

模块主要负责对ZC系统内其他模块的整体调度，实现ZC 系统的逻辑处理功能，其本身又被平台软件程序所调用。

(2）线路数据管理。

模块存储了线路数据地图，供其他模块使用；同时从通信接口模块获取轨旁设备的状态信息，供列车追踪、移动授权计算等模块使用。

(3）列车管理模块。

模块负责完成线路内所有列车的注册、注销等列车管理功能，同时将列车位置报告等信息动态存储在系统中，供列车追踪、移动授权计算等模块使用。

(4）列车追踪模块。

模块根据列车位置报告信息和计轴区段的占用/空闲状态信息，实现对线路内所有列车的实时追踪，供列车管理、移动授权计算等模块
使用。

(5）移动授权计算模块。

模块根据列车管理模块提供的列车位置信息、线路数据管理模块提供的轨旁设备状态信息，为管辖范围内的所有列车分配移动授权。

(6）相关接口模块。

模块主要负责完成与联锁、ATS等其他信号系统的通信接口功能，包括各种设备状态的初始化、报文的解码和组包工作。

此外，ZC系统通过MT接口模块向ZC维护终端提供维护信息，供其记录和查询。

五、系统功能
ZC系统与车载控制系统、车站计算机联锁系统共同完成CBTC系统的列车安全防护功能，是CBTC系统的关键子系统。

ZC系统根据车载控制系统发送的列车位置报告信息，结合联锁系统提供的轨旁设备的状态和进路信息，自动为线路上的列车分配移动授权，从而，实现列车间的安全追踪间隔。

ZC系统具体功能如下:
1、列车追踪。

列车追踪是整个ZC系统的核心功能，是实现移动授权分配等其他安全功能的基础。

ZC系统通过列车位置报告信息来实现对管辖范围内的所有自动列车的实时追踪；通过计轴区段的占用/空闲信息来实现对管辖范围内的所有非自动列车的实时追踪。

2、移动授权分配。

以联锁系统提供的轨旁设备状态和进路信息以及车载控制系统提供的列车位置信息为基础，ZC系统为管辖范围内的列车分配移动授权，使CBTC系统自动实现列车安全间隔功能。

3、临时限速。

由控制中心调度员在ATS系统上设置临时限速命令并发送给ZC系统，在通过限速值校验等合法性检查后，ZC系统发送给相关的车载控制系统，由其执行。

4、屏蔽门的监督与控制。

ZC系统与车站计算机联锁系统、车载控制系统共同实现屏蔽门的监督与控制功能。

当屏蔽门未关闭时，自动控制列车不得进入或离开该站台。

当列车进站时，车载控制系统向ZC系统发送屏蔽门的控制命令；在通过屏蔽门ID校验等合法性检查后，ZC系统将该命令经联锁系统发送给屏蔽门系统，此后屏蔽门按控制命令动作。

5、站台紧急停车按钮的监督。

ZC系统与车站计算机联锁系统、车载控制系统共同实现站台紧急停车按钮的监督功能。

当站台紧急停车按钮被激活时，列车不得进入或离开站台。

6、自动折返。

ZC系统与车站计算机联锁系统、车载控制系统共同实现列车的自动折返功能。

当列车在折返站进行自动折返作业时，ZC系统向车载控制系统提供无人折返按钮的激活状态，同时根据列车位置信息、进路信息为折返列车
分配相应的移动授权。

7、ZC切换。

ZC系统具备ZC切换功能，确保列车通过ZC管辖范围边界处的运行与列车追踪的连续性。

8、维护信息的记录和查询。

ZC系统设置维护终端，实现维护信息的记录、查询和回放等功能，以方便电务维护人员的日常维护和故障处理。

六、系统特点
1、系统设计全面采用了二乘二取二的安全冗余结构；同时综合采用故障-安全设计和软件相异性设计及安全信息传输技术，具有较高的安全性。

2、系统对电源子系统、逻辑处理子系统、输入/输出各子系统以及它们之间的通信通道全面采用可靠性冗余结构。

在任何单系故障情况下，保证系统的正常使用；此外，系统与其他信号系统之间的通信采用“双网交叉”的工作方式。

因此，系统具备较高的可靠性。

3、系统采用高品质、高可靠性的元器件，并采用具有高覆盖率的在线自测试和自诊断技术；采用可在线更换的分层次的模块化设计。

4、系统由主备两系构成，具备人工切换功能，便于现场维护；提供维护终端子系统，便于现场的日常维护和故障处理。

5、系统可通过以太网、RS-422等多种方式与ATS系统、联锁系统等其他信号系统进行通信，接口方式灵活。

6、系统的软件开发采用模块化的设计，其开发流程符合EN50128标准。

7、系统采用了移动闭塞方式控制列车运行，极大地缩短了列车的运行间隔。

8、可实现线路内自动控制列车与非自动控制列车的混合运行。

七、国产CBTC联锁子系统技术优势
1、广泛地吸取了世界先进国家的经验和教训，其国产系统的设计理念及其功能适合我国国情；技术装备国产化，大大地降低了投资建设与运营维护成本；
2、核心联锁软件成熟稳定，设计参数化程度高、适应性强，可以通过参数设置来满足各种技术需求；
3、站场数据通过CAD工具自动生成，开发周期大大缩短，联锁数据的安全性和准确性更有保证，极大地节约了测试和验证时间，缩短了工程周期；
4、CBTC联锁子系统主体设备传承、发展了国铁成熟的联锁系统，使系统稳定性、容量等性能大大提高，实践证明，完全满足城市轨道交通的运用要求；
5、系统的开发过程，严格遵照EN50129标准中规定的最高级别（SIL4级）的安全保障要求和原则进行，并委托国际第三方独立认证机构对产品的每个生命周期的安全性进行了严格的独立评估；
6、系统的模块化、标准化设计，使结构配置灵活、易于分布式扩展和升级，并对于新的业务需求做到快速响应；
7、良好的本地化服务，零部件供给可长期保证、供货周期短。

八、结束语
与国外信号厂商提供的信号系统相比，自主研发的CBTC系统在不降低系统效率、可靠性以及安全性的前提下，具有国产化程度高、寿命周期成本低、维护方便等特点。

作为新一代的列车控制系统，必将在我国城市轨道交通信号系统领域占有一席之地。

该公司自主研发的CBTC系统在北京地铁8号线成功地进行了全面的现场试验，大量的系统测试和验证结果表明，面向CBTC技术的计算机联锁系统既保证了安全性、可靠性、可用性、可维护性，又在技术上有所突破，满足了CBTC 系统设计要求，是技术继承、再创新的成功范例。

参考文献：
[1] 余勇张亚影：《北京市轨道交通亦庄线联锁子系统描述》，《市政技术》，2010年02期
[2] 蔡昌俊肖宝弟：《国产MTC-Ⅰ型城轨交通CBTC系统的研发》，《现代城市轨道交通》，2011年01期
[3] 杨静：《西门子信号系统在中国城轨交通的应用》，《现代城市轨道交通》，2007年03期
[4] 林海香董昱：《基于通信的列车控制在轨道交通中应用的关键技术》，《城市轨道交通研究》，2010年09期。