自主化的移動閉塞CBTC系統

陳麗君

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

1 概述

基于通信的列車自動控制（CBTC）系統由于采用先進的無線通信技術作為車地通信的手段，使車-地之間能夠實時通信且能傳送大量的信息，車載設備能夠完成更多的功能，實時計算制動距離曲線，從而進一步縮短列車間隔，是當今城市軌道交通信號系統的主流方向。

目前移動閉塞CBTC信號系統普遍采用國外引進的信號系統或部分國產化的信號系統，即使是國產化率很高的系統，也僅僅是生產和制造的國產化。隨著國家的深化改革，打造自主化的信號系統十分必要，自主化的信號系統不僅價格上有很大優勢，而且更能貼近用戶的特殊運營需求，從長遠的角度看，其維修和維護成本更加低廉，升級改造也更為便捷。

2 系統組成

本文介紹的JeRail?CBTC信號系統從系統設計到硬件軟件開發完全是由上海富欣智能交通控制有限公司自主開發，且其列車自動防護（ATP）和計算機聯鎖（CBI）都經過了德國TUV萊因公司的最高等級安全認證——SIL4認證，其列車自動監控（ATS）也通過了SIL2認證。

JeRail?CBTC信號系統包含6個子系統：列車自動監控子系統、區域控制器子系統（ZC）、計算機聯鎖子系統，車載子系統（OBCU）、數據通信子系統（DCS）以及維護管理子系統（MMS）。其系統架構如圖1所示。

3 系統運營等級和模式

3.1 系統運營等級

JeRail?CBTC信號系統有3個運營等級：連續通信級、點式通信級、聯鎖級。

連續通信級：當車地通信正常且ZC子系統正常時，系統處于CBTC模式，車載子系統可以連續與ZC進行雙向通信，從ZC接收移動授權，系統根據移動閉塞的原則行車，列車控制是連續的。

點式通信級：當車地雙向通信故障或ZC故障時，車載子系統只能與有源應答器進行單向通信，獲取移動授權。若ZC處于故障狀態，系統則處于后備模式；若ZC處于健康狀態，系統也可以處于CBTC模式。但系統根據固定閉塞的原則行車，列車控制是點式的。

聯鎖級：當單向通信故障且ZC故障時，軌旁不能為車載子系統提供移動授權，整個系統處于后備模式，系統根據固定閉塞的原則由司機目視行車，系統沒有ATP防護。

3.2 系統模式

JeRail?CBTC系統具有CBTC模式和后備模式兩種模式。整個系統的模式取決于CBI處于何種模式。當CBI為CBTC模式時，則系統為CBTC模式；當CBI為后備模式時，系統則為后備模式。整個系統在CBTC模式和后備模式之間由調度員人工切換。

系統運營等級和系統、子系統的模式以及車載模式的對應如表1所示。

表1 系統模式對應表

4 系統功能和配置

JeRail?CBTC系統采用分布式架構。主要設備位于控制中心和設備集中站。

4.1 ATS子系統功能和配置

ATS子系統的主要功能是為ATS調度員提供人機接口界面。ATS可以根據時刻表信息自動向軌旁設備區域控制器或聯鎖發送進路請求，也可以根據調度員的人工命令為列車排列進路。

ATS也向ZC發送臨時限速、關閉軌道、道岔單鎖等命令，以及向列車發送停站時間、運行等級調整等調度員命令。列車具體位置、軌旁設備（信號機、道岔、計軸區段、緊急停車按鈕、屏蔽門/安全門、防淹門、司機保護開關、發車指示器等）的狀態和進路請求的結果顯示在ATS界面上。

此外，ATS將在中央與外部系統進行接口：如大屏、電力監控、主時鐘、無線、FAS/BAS、PAS/PIS和COCC/TCC， ATS還可對車輛段/停車場的站場和設備狀態進行顯示。

ATS分為三級控制。中央控制、車站控制以及車站緊急控制。正常情況下，系統采用中央控制。當中央的服務器故障時，可以自動激活車站控制。當中央和車站控制設備都故障時，可以啟用車站緊急控制，以確保系統的運營。

ATS設備在中央、車站級采用熱備冗余配置，ATS的功能滿足SIL2的要求。

4.2 ZC和CBI子系統功能和配置

在CBTC模式下，ZC通過CBI的I/O接口獲取現場設備的狀態信息（如信號機、道岔、計軸區段、屏蔽門/安全門、緊急停車按鈕、司機保護開關、防淹門、外線路信號機和與正線相鄰的軌道區段的狀態），并接收來自ATS的進路請求和調度員命令（如關閉軌道，臨時限速等），然后根據上述信息和控制區域內其余列車的狀態，為控區內所有列車計算移動授權（MA），并通過CBI的I/O接口控制道岔的轉動和信號機的顯示。同時，ZC將計算的MA發送給列車，以供列車在移動授權的范圍內運行。在CBTC模式下，所有的進路執行功能和聯鎖控制功能都將在ZC內完成，CBI只是作為輸入/輸出接口獲取現場設備的狀態并傳給ZC，并將ZC發來的控制命令送給現場設備。

在CBTC模式下，ZC也與相鄰的ZC進行通信，以監督相鄰ZC的健康狀態，方便列車順利通過邊界。

在后備模式下，ZC將不起作用，ATS將進路請求發給CBI，CBI將根據現場設備的狀態，基于點式ATP的防護原則來進行聯鎖運算，控制道岔的轉動和信號機的顯示，執行ATS進路。同時CBI將道岔和信號機等必要的狀態信息送給軌旁的有源應答器，有源應答器將信息發給信標（接近信標和信號機信標），當列車經過有源信標時，將獲取移動授權，從而控制列車在點式ATP的防護下行車。

ZC和CBI的配置為二乘二取二，ZC和CBI的功能滿足SIL4級的要求。

4.3 OBCU子系統功能和配置

在CBTC模式下，OBCU從ZC接收移動授權，確保列車在移動授權范圍內移動，列車基于移動閉塞的原則行車。在后備模式下，OBCU從信標獲取移動授權，進行點式ATP防護，系統基于固定閉塞的原則行車。OBCU的ATP功能主要有列車運行模式判定、列車速度監督和防護、列車完整性監督、車門控制等。此外，車載子系統也執行ATO功能，如：根據來自于ATS的運行等級來控制列車的速度，并且使能源消耗最小化，精確對位停車以及控制列車門的打開。

OBCU的配置為二乘二取二，OBCU的ATP功能滿足SIL4級的要求，ATO功能滿足SIL2級的要求。

4.4 DCS子系統功能和配置

DCS的主要功能是在信號系統中包含的中央、軌旁和車載等各個列控子系統（ATS、ZC、CBI和OBCU之間）之間可靠地雙向傳輸列控信息，由提供端到端數據安全防護的軌旁有線通信網絡和車地無線通信網絡兩大部分組成，具有實時性。

DCS采用具有開放標準協議和接口的通信設備。整個網絡分為傳輸層和接入層，核心傳輸層采用IP/MPLS技術，接入層采用IEEE 802.3以太網標準，車地移動通信采用擴頻通信技術。DCS采用VPN技術來保證網絡通信的保密性和數據安全。

DCS可以提供優越的通信性能，其可靠性是通過采用穩定的、多級冗余配置的高可靠設備來保證的。

4.5 MMS子系統功能和配置

MMS子系統具有信號設備監測、報警與統計、故障診斷與處理及維修輔助管理的功能。

MMS子系統監測的信號設備既包含外電網質量、信號機LED電流報警、道岔啟動電流和功率、斷路器熔絲狀態、電纜絕緣、接地漏流報警、外線路軌道電路狀態、設備房環境監控等傳統的信號設備的檢測，同時也包含CBI/ZC/OBCU/ATS/計軸等子系統硬件板卡、軟件、通信狀態、與外部系統（FAS/BAS、SCADA、RADIO等）的連接狀態報警信息。根據上述的監測結果和報警信息，MMS進行預測性分析，給出可能發生故障的板卡，針對已經發生故障的情況，推薦故障的處理方式，從而實現在線故障診斷與處理。

此外MMS子系統還提供維修輔助管理的功能：對維護工單進行自動派發，對系統設備、軟硬件版本進行配置管理，同時提供備件管理和維護人員的信息管理。

5 系統的特點和優勢

5.1 自主研發的JeRail-ATP-100控制器

OBCU、ZC、CBI三大核心子系統采用完全自主研發、經過德國TUV SIL4認證的通用ATP控制器作為其硬件設備。統一的硬件平臺可以簡化設計，并有利于客戶減少備品備件的種類，從而減少維護成本。該平臺采用高度集成化、無風扇功耗較低的處理器，大大增加了系統的可靠性，并降低了整個系統的整體能耗。

5.2 更低的維護成本

核心設備均采用可靠冗余設計，并具有完善的自診斷和報警功能；獨立的維護管理子系統的支持、基于數據挖掘技術的預測性維護手段為系統的日常運營提供強有力的保障，保證在系統故障的情況下對運營干擾最小，快速安全地處理設備故障并迅速恢復正常運營。

5.3 高性能的DCS架構

采用了IP/MPLS骨干網絡技術，帶寬大于4 Gbit/s；采用包括IPSec、IPS、防攻擊等安全技術統一的安全管理策略；無線網絡具有可拓展型，采用WPA、WPA2技術，安全性好；三層DCS網絡架構提高了網絡的穩定性；準網狀架構提升了網絡流量和冗余性，當發生廣播風暴時，所有的業務都不會受到影響。卓越的QoS滿足不同性能的服務要求。

5.4 更智能的ATS

根據供電區域的最大負荷，支持多列車錯峰啟動，以減少觸網故障機率；根據電氣區段牽引供電可用性（降低或故障）情況，人工或自動控制在這些區段內同時運行的列車數量，并可自動建立覆蓋故障區域的封鎖區域。當電力系統檢測到再生能時，可在滿足運營要求的前提下啟動發車，提高再生能的利用；在時刻表編輯時，就將電力能耗分析數據作為一個因素考慮。

5.5 更靈活的系統架構

在CBTC模式下，區域控制器具備聯鎖功能，對于不需要后備系統的客戶來講，可以不設CBI設備，對系統進行靈活配置，從而減少系統造價和維護工作量。

6 總結

JeRail?CBTC信號系統已經在同濟大學試驗線得到功能和安全兩方面的驗證，目前城市軌道交通建設正處于高潮時期，采用自動化的信號系統符合國家對該支柱產業的自主化要求，同時這對于提高信號行業的自主化能力十分關鍵。