城市軌道交通信號系統解決方案

■ 徐國平

0 引言

隨著國內城市軌道交通網絡的大力發展，近10年來，有20多個大中城市建設近千公里的城市軌道交通線路。作為城市軌道交通“大腦”的信號控制系統，是提高運營效率、保證行車安全及乘客舒適度的關鍵。基于通信的移動閉塞系統（CBTC）是當前世界軌道交通列車控制系統的發展趨勢，是近年來國內外使用的最先進的一種閉塞系統。

為打破國外軌道交通信號技術壟斷，加速我國城市軌道交通信號系統國產化進程，卡斯柯信號有限公司從1994年開始啟動智能列車監控子系統（iTS）的開發。2009年智能安全型計算機聯鎖子系統（iLOCK）開發完成并通過國際第三方獨立安全認證。現在智能列車控制子系統（iTC）開發完成。歷經17載的技術攻關，最終開發并推出了具有完全自主知識產權的城市軌道交通信號系統解決方案——基于通信的智能型移動列車控制系統（i CMTC）。

1 iCMTC系統方案

基于通信的智能型移動列車控制系統采用目前最先進的基于通信的移動閉塞技術，通過數據通信網絡實現地面與車載控制、車站與中央控制相結合，是一個集行車指揮、運行調整、安全間隔防護以及列車自動駕駛等功能為一體的移動閉塞列車運行控制系統。

1.1 iCMTC系統結構

iCMTC系統繼承了卡斯柯信號有限公司現有的成熟地鐵信號系統解決方案（URBALIS 888系統）良好的架構設計。

i CMTC系統由以下子系統組成：

（1）iTC。監控列車安全運行，通過iTC車載部分和軌旁部分構成信息閉環控制，實現移動閉塞控制功能。

iTC是iCMTC系統的一個核心子系統，由車載和軌旁兩部分組成。車載部分包括車載控制器（iCC）和駕駛員接口（DMI）；軌旁部分包括區域控制器（ZC）、線路控制器（L C）、編碼器（L E U）和歐式信標（BEACON）（見圖1）。

（2）iTS。提供自動或由人工控制進路功能，實現行車調度指揮，并向行車調度員和外部系統提供信息。

（3）iLOCK。執行iTS功能命令，管理進路、道岔和信號控制，并將進路、計軸、道岔和信號等狀態信息提供給iTS和iTC子系統。

（4）DCS。通過網絡通信和無線通信，實現iCMTC系統各設備之間的安全信息和非安全信息傳輸。

（5）MSS。對iCMTC系統各設備的狀態進行檢測、診斷和集中報警，幫助維護人員進行故障設備定位和維修。

i CMTC系統中，iLOCK、iTS、DCS和MSS子系統為既有成熟產品，已在多個項目中應用。iTC子系統正按照EN 50126/50128/50129標準自主研發，已處在系統集成和現場中試階段。

圖1 iCMTC系統結構示意圖

1.2 iTC

1.2.1 子系統組成

（1）i C C。主要實現兩大功能：一是自動列車防護（ATP）。根據安裝在列車車身上的編碼里程計、信標天線和安裝在軌旁的歐式應答器進行列車安全測速和定位。通過采集駕駛員輸入和軌旁有源信標或區域控制器獲得的變量信息和EOA信息，確定列車的駕駛模式，并對列車的速度、間隔、能量、退行、車門開關等進行監控，在列車發生超速、超能、冒進、退行時對列車施加緊急制動，保證列車運行和乘客安全；二是自動列車駕駛（ATO）。根據安裝在列車車身上的編碼里程計、信標天線和安裝在軌旁的歐式應答器進行列車精確測速和定位。根據運行調整指令（來自iTS的運行調整命令或司機人工調整停站時間）自動駕駛列車運行，保證列車運行時的乘客舒適性和自動精確停站。

（2）DMI。用于顯示車載控制器信息的專用車載嵌入式計算機，通過車載以太網與列車頭尾2個車載控制器連接。DMI是車載控制器與列車駕駛員的接口，根據車載控制器請求，通過聲音、圖像等方式將列車運行狀態和輔助駕駛信息通知列車駕駛員，從而輔助駕駛員駕駛列車。

（3）ZC。實現移動閉塞控制的核心設備，對其管轄區域范圍內所有列車的安全間隔進行防護和管理。ZC根據車載控制器發送的位置報告或軌道區段的占用檢測，為每列列車創建自動保護區域（AP），通過管理區域內的AP和軌旁狀態為每一列通信列車計算移動授權（EOA）和安全變量信息，并將其發送給車載控制器，以實現對列車安全間隔的防護。

（4）LC。管理iTC子系統內部軟件版本和安全時鐘同步，并接收來自iTS子系統的臨時速度限制（TSR）設置和修改，將線路TSR發送給車載控制器。

（5）LEU和BEACON。LEU接收iLOCK子系統的軌旁變量信息，將其編碼后通過信標發送給車載控制器。BEACON分為有源信標和無源信標。信標沿軌道布置，用于列車越過信標時定位列車。有源信標與LEU連接，將軌旁變量信息傳遞給車載控制器。LEU和信標提供軌旁iLOCK子系統和車載控制器之間的接口，用于實現后備模式（降級模式）功能。

1.2.2 開發流程

iTC核心子系統嚴格按照歐洲鐵路應用標準EN 50126/50128/50129開發，執行高標準的質量控制。（1）項目開發采用設計、測試、安全和質量相獨立的組織結構。（2）系統開發過程采用安全生命周期模型（V Cycle），安全生命周期模型各個階段的輸入和輸出嚴格通過審核、驗證和批準。（3）系統確認測試采用嚴格的零缺陷出口標準。（4）系統開發過程和安全由國際第三方安全機構進行獨立安全認證。（5）系統開發采用標準推薦的組合故障安全和反應故障安全技術。（6）安全相關軟件采用標準推薦的形式化開發方法，使用經過SIL4級認證的SCADE工具進行開發。

1.2.3 主要技術特點

iTC子系統符合“故障-安全”原則，安全完整性等級為SIL4。主要技術特點體現在以下方面：（1）車載控制器硬件采用“2取2”結構，通過相異設計和雙通道安全輸出比較來提高系統的安全性。（2）車載控制器軟件采用安全編碼處理器（VCP）技術和數字集成安全保證邏輯（NISAL）編碼技術，使系統發生隨機錯誤的不可檢出率達到SIL4級要求，保證系統的高安全性。（3）車頭車尾的車載控制器構成冗余，根據設備的可用性等級實現自動主備切換，保證系統的高可用性。（4）軌旁設備統一采用卡斯柯信號有限公司自主研發的通過國際第三方SIL4級獨立安全認證的軌旁安全平臺（TSP）。該平臺采用雙系并行控制的“2乘2取2”技術、在線檢測（BIT）技術和相異性（DIV）技術，以保證軌旁系統的安全完整性等級達到SIL4級要求。（5）車載輸入/輸出模塊的安全輸入和輸出采用并接方式連接，構成雙驅雙采工作方式。（6）系統內部設備之間采用SACEM安全通信技術，使用雙24位SACEM編碼和時間標簽技術，保證安全數據交換的安全性和時效性。

1.3 iLOCK

iLOCK是iCMTC系統中的一個關鍵子系統。該子系統符合“故障-安全”原則，是以微處理器為基礎的計算機聯鎖信號控制系統。它是卡斯柯信號有限公司引進法國阿爾斯通公司（ALSTOM）SMARTLOCK系統核心技術，結合我國鐵路運營技術條件，經過二次國產化開發而成的一種安全型計算機聯鎖系統。

iLOCK綜合運用“反應故障-安全”、“組合故障-安全”和“固有故障-安全”技術，采用雙CPU表決輸出方式，比采用單一安全技術的系統具備更高的安全性。

該系統自2009年開始已廣泛應用于我國國家鐵路、地鐵等領域，如滬杭高速鐵路，虹橋樞紐，北京地鐵2號線、機場線和房山線，上海地鐵10號線，深圳地鐵2號線和5號線等。

iLOCK子系統的主要技術特點是：（1）采用“2取2”雙CPU結構和NISAL技術。NISAL技術在基本邏輯運算之外提供一種獨立的安全校核，使得iLOCK系統比一般的“2取2”雙CPU結構具有更高的安全度等級，保證系統的高安全性。（2）采用“故障－安全”通信協議與iTC系統交換安全數據，保證安全系統之間數據通信的安全性和時效性。（3）采用“2乘2取2”結構和采集共享、并行驅動技術，最大程度地提高iLOCK系統的可靠性。（4）采用多處理器、相互獨立的計算機電源保護、防浪涌和雙重電源防雷、機箱屏蔽接地、分區濾波等技術，使iLOCK具有較高的防雷和抗干擾能力。（5）NISAL技術的采用能確保輸出驅動安全性的同時，簡化接口電路，降低系統成本。

1.4 iTS

iTS是基于現代數據通信網絡的分布式實時計算機控制系統，與iLOCK子系統、iTC子系統、站臺設備等連接，為控制中心行車調度員和車站行車值班員提供信號和列車的監控功能，并在此基礎上實現對列車的自動化調度和運行調整，從而減輕調度員和值班員的工作強度，優化線路運行效率。

作為卡斯柯信號有限公司的既有成熟產品，iTS子系統在國內外地鐵項目中得到了廣泛的應用，如伊朗德黑蘭地鐵1號線和2號線，北京地鐵2號線、9號線、機場線、房山線，上海地鐵1號線、10號線，深圳地鐵2號線和5號線等。

i T S子系統的主要特點是：（1）關鍵單元采用“1+1”防護，故障情況下冗余設備自動實現無擾切換。（2）采用分散自律功能配置，在中央故障時仍可完成大部分自動控制功能。（3）對于涉及安全的操作，采用高完整性控制安全協議（HILC），提供安全操作的二次確認，以確保安全。（4）對惡意入侵的實時監測，保障系統的信息安全。（5）符合人機工程原理的標準化圖形用戶界面。（6）完善的故障診斷功能，減少系統維護時間。

1.5 DCS

DCS為iCMTC系統提供可靠的通信連接，主要由兩大部分組成：（1）DCS有線傳輸系統。為iCMTC信號系統提供信息交互傳輸通道，保證地面應用間正確的通信連接，同時也為軌旁設備和車載設備通信提供接口。（2）DCS無線傳輸系統。包括車載無線設備和軌旁無線單元，為軌旁和車載設備提供可靠、持續、雙向的通信服務。

DCS有線傳輸系統的核心網絡采用基于同步數字傳輸（SDH）技術的多業務網絡解決方案，利用同步數字傳輸技術完善的保護機制確保信號應用通信具有更高的可靠性。DCS無線傳輸系統用于實現車輛與地面設備間的無線通信，根據車-地無線傳輸方式不同，系統支持自由無線和波導管兩種無線方案。DCS子系統采用冗余設計（紅網和藍網），具有高可用性、高帶寬、雙向自愈、組網靈活等特點。

1.6 MSS

MSS對iCMTC信號系統所有設備（包括電源設備）的工作狀態和電氣性能指標進行在線監測和集中報警，收集并顯示包括iTS、iTC、iLOCK等子系統設備的報警信息，幫助維修調度人員計劃和制定預防性和糾正性維護作業。MSS子系統是iCMTC系統的設備狀態監測和維護輔助工具，具有智能化診斷、功能易擴展等特點。

2 iCMTC系統特點

iCMTC系統設計充分考慮國內城市軌道交通現狀和用戶操作習慣，能夠滿足兼顧安全和高效運營的需要。主要技術特點體現在以下方面：（1）系統集成了多個既有的成熟子系統（iLOCK、iTS、DCS和MSS），這些子系統經過充分應用驗證，技術穩定可靠。（2）整個信號系統中所有安全子系統的安全完整性等級達到SIL4級，導致危險側的故障率低于10-9/h，確保系統的高安全性。（3）所有關鍵設備采用冗余熱備配置，故障情況下冗余設備之間自動實現切換，不影響系統正常運營。（4）在同一線路上，系統支持CBTC模式列車和點式后備模式列車的混合運營，并提供完整的SIL4級安全防護。（5）在點式后備模式下提供ATO功能，提高系統后備模式運營效率。（6）支持3種不同等級的運營模式——聯鎖模式、點式后備模式和CBTC模式，當無線通信不能正常工作時，系統可降級為后備模式或更低的聯鎖模式運行。（7）提供電信級的SDH骨干網，具有高帶寬、雙向自愈、組網靈活，可同時承載信號和實時多媒體，以及視頻監控等多項附加應用等特點。（8）采用模塊化設計，可根據項目需求靈活裁剪和擴充系統功能，滿足系統用戶需求。

3 iCMTC系統研發歷程

從1994年啟動iTS子系統自主研發到現在整個iCMTC系統的集成和中試，iCMTC系統解決方案的設計和開發集結了眾多中外信號專家的智慧與豐富經驗。iCMTC系統具體研發歷程如下：

1994年，啟動iTS子系統的自主研發；

1998年，具有完全自主知識產權的iTS子系統成功應用于伊朗德黑蘭地鐵1號線和2號線；

2002年，啟動iLOCK子系統的自主研發；

2005年，具有完全自主知識產權的iLOCK子系統（采用“2乘2取2”結構）研發成功；

2006年，iLOCK子系統通過鐵道部技術審查，被批準在客運特等站——上海南站投入使用；

2007年，啟動iTC核心子系統自主研發，從概念、設計到開發，整個過程由國際第三方進行獨立安全審查和認證；

2008年，iTS、iLOCK作為國產化URBALIS 888信號解決方案的子系統，成功應用于北京地鐵2號線和北京首都機場線；

2009年，iLOCK子系統通過國際第三方SIL4級獨立安全認證；

2011年，iTC子系統獲準在上海軌道交通10號線試車線進行現場動車調試；

2011年，iCMTC獲準在上海軌道交通張江實訓基地進行中試；

2012年，計劃iTC子系統通過國際第三方SIL4級獨立安全認證；

2012年，計劃推出具有完全自主知識產權的城市軌道交通信號系統解決方案——i CMTC系統。

4 結束語

隨著iTC子系統開發完成并通過國際第三方SIL4級獨立安全認證，以及與既有成熟子系統集成，卡斯柯信號有限公司將為中國城市軌道交通提供一個高安全性、高可靠性的具有完全自主知識產權的CBTC信號系統解決方案——i CMTC系統，這將成為中國城市軌道交通國產信號控制系統發展的里程碑。

i CMTC系統是基于車-地高速無線通信的移動閉塞系統，將在上海張江實訓基地完成現場中試，使其在系統可靠性、安全性、可用性、可維護性、行車間隔、停車精度以及可擴展性能等方面滿足運營要求，可應用于國內大中城市的軌道交通線路。