聯鎖與區域控制器一體化技術探討

摘要：描述了CBTC系統的結構，分析了當前聯鎖和區域控制器相互獨立所帶來的一些問題，并對聯鎖與區域控制器一體化進行了技術探討。通過實現一體化設計，能夠在系統功能增強、性能提升、維護簡潔等方面帶來一系列的優點。

關鍵詞：計算機聯鎖;區域控制器;一體化

Abstract：The architecture of CBTC system was described，and some problems which were generated by the individual design of CI and ZC were introduced.The integration of CI and ZC was discussed technically.By the implementation of integrated design，which could achieve many advantages，such as strengthening the system functions，improving the performances，and simplifying the maintenance.

Key Words：Computer Interlocking;Zone Controller;Integration

在中國城市軌道交通的建設中，基于通信的列車控制系統（CBTC）在城市軌道交通中得到了廣泛應用，已成為列車控制的主流制式。隨著計算機、通信和控制技術的飛速發展，處理器的運算能力越來越高，無線通信技術日益成熟和穩定，針對CBTC系統簡化系統構架的需求也越來越高。本文對CBTC系統中的聯鎖和區域控制器的一體化設計可行性進行技術分析和探討。

1典型CBTC系統構成

在IEEE 1474.1標準中描述了一種典型CBTC系統，包括列車自動監督（ATS）、計算機聯鎖（CI）、列車自動防護（ATP，包含車載ATP和區域控制器ZC）、列車自動駕駛（ATO）、數據通信（DCS）子系統等。如圖1所示。

其中聯鎖（CI）和區域控制器（ZC）是CBTC系統的核心地面安全設備。聯鎖的主要功能是在規定的聯鎖條件和規定的時序下控制軌旁的道岔和信號機，為列車運行建立進路，確保進路上軌道區段、道岔、信號機等之間的安全聯鎖，以保證列車運行安全。區域控制器的主要功能是根據車載子系統、地面其他子系統提供的列車狀態、進路狀態、臨時限速狀態等信息，進行列車位置跟蹤，實時產生針對所控列車的移動授權（MA），并通過無線通信系統傳輸給車載子系統，實現以移動閉塞方式安全控制列車運行的目標。

2存在的問題分析

國內已開通CBTC系統是一個基于通信的分布式控制系統，聯鎖和區域控制器的設置相對獨立。由于系統獨立分布設置，控制方式分離、維護信息分散，會導致一些問題的存在。

2.1通信延時問題

列車的安全行駛離不開聯鎖與區域控制器的積極配合以及數據交換，列車行駛中產生的大量軌旁設備及列車狀態信息在聯鎖與區域控制器間進行實時更新和交互。聯鎖和區域控制器系統設備往往采用周期運行方式，隨著通信環節的增加，會造成系統整體響應速度變慢，降低了運行效率，影響客運能力的提高。同時，聯鎖與區域控制器之間交互的應用數據量會受到傳輸媒介、通信協議、系統處理能力的限制。系統間若出現通信故障或延遲，將對列車運行和系統性能產生很大影響。由此對分設系統的時鐘一致性和通信實時性、可靠性、各系統處理能力要求較高。

2.2系統維護問題

聯鎖和區域控制器設備相互獨立設計，設備數量增加自然造成故障點增多，兩個設備中的任一設備發生故障均會影響列車的正常運行。而各自的維護單元也相互獨立，也給運營維護的管理人員造成困擾。當CBTC系統出現故障時，由于每種系統設備的信息都是不完備的，聯鎖具有進路和軌旁設備狀態信息，區域控制器具有列車位置及狀態信息，維護人員需要通過各個系統的維護單元下載日志記錄，對所有的設備信息及各系統之間的交互信息進行逐個分析后才能進行故障原因定位。同時，各維護單元由于軟件開發環境不同造成的顯示風格、操作方式等風格迥異也給運營維護人員造成了麻煩和困擾。

2.3系統成本問題

由于系統獨立分布設置，每套系統都需要配置相應的人機界面、維護單元、網絡設備等相關通用硬件設備，造成資源的浪費。當線路設計變更、聯鎖或者區域控制器內部發生變化或者升級檢修時，需要同時維護、更新、檢修兩套系統的硬件和軟件，加之各大生產廠商生產標準的不統一，進一步限制了相互之間的匹配度和通用性，不利于資源的合理配置，這無疑增加了系統的建設和維護成本。

3聯鎖與區域控制器一體化的可行性

通過前面的分析，可以看到各設備獨立分布設置給系統造成的不利影響，而一體化設計可以有效避免和解決上述問題。下面對聯鎖與區域控制器一體化的可行性進行分析。

3.1硬件構成

計算機聯鎖系統的硬件構成通常為聯鎖主機、控顯機和維護機三部分，其中聯鎖主機為二乘二取二的硬件冗余結構，它的設計理念是遵守故障-安全原則。區域控制器的硬件構成由區域控制器主機和維護機兩部分構成，區域控制器主機也采用二乘二取二的硬件冗余結構，設備自身的設計、有關的信息通道接口同樣符合故障-安全原則的要求。聯鎖主機和區域控制器主機具有相似的系統結構，聯鎖維護機與區域控制器維護機也均為工控機，具備一體化設計的系統結構基礎。

設備一體化還需要硬件平臺給予足夠的性能支撐。通過幾十年的發展，芯片的處理能力顯著增強，高主頻的多核處理器、高容量緩存等高性能電子設備的發展為鐵路行業安全計算機硬件平臺發展打下了堅實的基礎。相比于性能不斷提升的安全計算機硬件平臺，聯鎖和區域控制器的軟件規模是有限的。隨著硬件平臺的發展和更新換代，將當前聯鎖和區域控制器的硬件集成和實現一體化設計是完全具備基礎條件的。

3.2軟件構成

聯鎖和區域控制器軟件都運行在安全計算平臺上，主要軟件結構模塊劃分均為平臺軟件模塊、應用邏輯軟件模塊以及接口通信軟件模塊，其中平臺軟件模塊和接口通信軟件模塊在軟件構成及邏輯處理上具備較高的相似性和通用性。聯鎖應用邏輯軟件主要完成軌旁信號設備及進路控制，保證列車運行安全。區域控制器應用邏輯軟件主要完成列車移動授權計算，防護管轄范圍內的列車安全運行。雙方交互的信息主要為：聯鎖接收區域控制器發送的通信/非通信列車接近信息，列車停穩信息，停車保證信息，屏蔽門開關命令等信息和指令;區域控制器接收聯鎖的進路相關信息，軌旁設備狀態信息等。進行聯鎖與區域控制器一體化集成后，兩個系統可以使用相同的軌旁及列車靜態數據，保證了應用邏輯軟件的數據同源，雙方的交互信息也由外部通信交互改為系統軟件內部共享內存方式進行交互，可以避免由外部及通信原因造成的數據傳輸錯誤及延時。

3.3外部接口構成

聯鎖和區域控制器與不同的系統/設備有不同的接口，聯鎖的主要接口包括：與ATS系統接口，與區域控制器接口，與維護監測系統接口，與相鄰聯鎖接口，與軌旁設備接口等。區域控制器的主要接口包括：與ATS系統接口，與聯鎖接口，與維護監測系統接口，與相鄰區域控制器接口，與DCS系統接口等。通過研究設備接口通信協議的可以知道，聯鎖與區域控制器存在多種相同的與外部設備的接口，包括：與ATS系統接口，與維護監測系統接口，與相鄰聯鎖/區域控制器接口，聯鎖與區域控制器間的接口。上述接口在連接方式、傳輸介質、和安全通信協議方面基本相同，僅是交互的數據和信息存在差異。可見在與外部設備接口方面，相同的外部接口設備及通信規格設施為聯鎖與區域控制器一體化提供可能。

4結語

聯鎖與區域控制器一體化后較目前獨立分設聯鎖、區域控制器的系統有較大優勢，通過內部共享內存交互軌旁設備和列車狀態信息，減少信息重復采集和輸出，消除聯鎖與區域控制器在通信過程中的數據畸變風險，降低信息傳輸延遲引起的命令失效風險，提高了系統整體的安全可靠性。系統結構緊湊，接口集中，需要維護的硬件設備、系統間通信通道和故障環節也相應減少，總維護工作量大幅下降。系統所采用的軌旁設備及列車信息配置均完全出自同一數據，既保證了信息、運算及傳輸的一致性，又減少了軟件數據配置、測試以及現場調試的工作量，為工程順利開通節省了時間。因此聯鎖與區域控制器一體化乃至信號系統的一體化應是我國軌道交通信號系統裝備發展的后續目標和方向。

參考文獻

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作者簡介：田超（1983.02-），男，北京，當前職務：產品集成中心副主任，當前職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：城市軌道交通列車自動控制。