一種集中冗余式架構(gòu)CBTC系統(tǒng)方案的設(shè)想

趙劍華

(中鐵通信信號勘測設(shè)計院有限公司，北京 100036)

國內(nèi)城市軌道交通經(jīng)過十多年的快速建設(shè)，地鐵信號系統(tǒng)采用CBTC 系統(tǒng)制式已經(jīng)成為共識。初期的CBTC 系統(tǒng)主要從國外引進(jìn)，如西門子、阿爾斯通、阿爾卡特等公司；近些年，國內(nèi)信號廠家自主研發(fā)的CBTC 系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如中國鐵路通信信號股份有限公司、交控科技股份有限公司、廣州鐵科智控有限公司等。

1 地鐵CBTC系統(tǒng)存在的4種架構(gòu)形式

按照目前各個信號CBTC 系統(tǒng)供貨商的產(chǎn)品及應(yīng)用情況，各系統(tǒng)對地面ATP 和聯(lián)鎖設(shè)備（部分廠家聯(lián)鎖功能由ATP 集成）的設(shè)置方式不同，可以將CBTC 系統(tǒng)的架構(gòu)主要分為以下4 種。

1.1 第1種架構(gòu)：中心設(shè)置ATP設(shè)備并集成聯(lián)鎖功能

以泰雷茲SelTrac S40 移動閉塞系統(tǒng)為例，系統(tǒng)地面設(shè)備主要構(gòu)成有：系統(tǒng)管理中心（The System Management Centre，SMC)，執(zhí)行自動列車監(jiān)控（ATS）功能；車輛控制中心（Vehicle Control Centre，VCC），執(zhí)行ATP/ATO 和聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算功能；車站控制器（Station Controllers，STC），提供正常情況下驅(qū)動和監(jiān)視道岔、信號機(jī)、軌道區(qū)段等軌旁設(shè)備功能及后備模式下的軌旁聯(lián)鎖功能；車站本地SMC 工作站，如圖1 所示。

圖1 SelTrac S40移動閉塞系統(tǒng)地面設(shè)備架構(gòu)圖Fig.1 Ground equipment architecture diagram of SelTrac S40 moving block system

1.2 第2種架構(gòu)：中心設(shè)置A T P設(shè)備，設(shè)備集中站設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備

以卡斯柯/阿爾斯通的URBALISTM信號系統(tǒng)為例，系統(tǒng)地面設(shè)備主要構(gòu)成有：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(Automatic Train Supervision，ATS)中心服務(wù)器及車站分機(jī)，區(qū)域控制器（Zone Control，ZC），分區(qū)域執(zhí)行軌旁ATP/ATO 功能；計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備（Computer Interlocking，CI），如圖2 所示。

圖2 URBALISTM移動閉塞系統(tǒng)地面設(shè)備架構(gòu)圖Fig.2 Ground equipment architecture diagram of URBALISTM moving block system

1.3 第3種架構(gòu)：A T P設(shè)備和聯(lián)鎖設(shè)備分散設(shè)置在設(shè)備集中站

以卡斯柯的URBALIS 888 信號系統(tǒng)為例，系統(tǒng)架構(gòu)與第2 種架構(gòu)類似，區(qū)別是將ZC 設(shè)置在I級集中站，執(zhí)行管轄I 級集中區(qū)和II 級集中區(qū)范圍內(nèi)ATP/ATO 功能，如圖3 所示。

圖3 URBALIS 888移動閉塞系統(tǒng)地面設(shè)備架構(gòu)圖Fig.3 Ground equipment architecture diagram of URBALIS 888 moving block system

1.4 第4種架構(gòu)：ATP設(shè)備和聯(lián)鎖邏輯設(shè)備設(shè)置在I級設(shè)備集中站

以中國通號的FZL300 信號系統(tǒng)為例，在第3種架構(gòu)基礎(chǔ)上簡化II 級集中站的配置， II 級集中站范圍內(nèi)的ATS、ATP/ATO 和CI 的邏輯部分功能，完全由I 級集中站統(tǒng)一管理控制，II 級集中站僅設(shè)置ATS 的控顯工作站及計算機(jī)聯(lián)鎖的執(zhí)行部分，如圖4 所示。

圖4 FZL300移動閉塞系統(tǒng)地面設(shè)備架構(gòu)圖Fig.4 Ground equipment architecture diagram of FZL300 moving block system

從國內(nèi)地鐵信號系統(tǒng)的多年應(yīng)用和運(yùn)營情況來看，第3、4 種系統(tǒng)架構(gòu)中單一設(shè)備故障（比如CI或ZC）后的負(fù)面影響面較小。中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會于2015 年2 月發(fā)布《關(guān)于發(fā)布《城市軌道交通信號系統(tǒng)用戶需求書 （范本）》（試行版）的通知》（中城裝備[2015]013 號），從范本中對于1、2 級集中站的設(shè)置要求來看，第3、5種架構(gòu)成為當(dāng)前國內(nèi)信號系統(tǒng)的主流架構(gòu)。

2 當(dāng)前技術(shù)發(fā)展對主流系統(tǒng)架構(gòu)的影響

2.1 無線通信技術(shù)的發(fā)展

CBTC 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是基于車地間的無線通信技術(shù)，初期的CBTC 系統(tǒng)采用WLAN 技術(shù)，各家系統(tǒng)在設(shè)備集中站設(shè)置集中或者分散的無線控制器。中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會于2016 年2 月發(fā)布《關(guān)于發(fā)布《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》中7 個子規(guī)范的通知》（中城裝備[2016]009 號），對城市軌道交通車地通信技術(shù)進(jìn)行規(guī)范化。各個城市按照該通知為信號系統(tǒng)建設(shè)冗余的LTE 網(wǎng)絡(luò)，其主體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

從圖5 中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core network，EPC）的功能可以看出，信號系統(tǒng)的車/地數(shù)據(jù)必須匯聚到EPC才能實現(xiàn)車地間的無線通信，兩套EPC 同時發(fā)生故障就會導(dǎo)致全線車地通信中斷，運(yùn)營列車全部退出CBTC 模式。因此，LTE 網(wǎng)絡(luò)是典型的以EPC為中心的集中架構(gòu)，這種集中式架構(gòu)與信號系統(tǒng)的分散式結(jié)構(gòu)形成一定的沖突。在設(shè)計中一般將兩套EPC 設(shè)備分開站點配置，減少其同時故障的概率。

圖5 地鐵LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.5 Metro LTE network architecture diagram

2.2 全自動運(yùn)行系統(tǒng)的發(fā)展

隨著北京燕房線全自動運(yùn)行系統(tǒng)投入使用，2015 年以后國內(nèi)建設(shè)的地鐵更多的選擇全自動運(yùn)行 系 統(tǒng)。2017 年12 月城軌通信與列控國家工程實驗室發(fā)布《城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)建設(shè)指南》白皮書。白皮書中指出：“全自動運(yùn)行系統(tǒng)以行車為核心，通過信號、車輛、綜合監(jiān)控、通信等多系統(tǒng)深度集成或互聯(lián)（“或互聯(lián)”為筆者添加），提升軌道交通的整體自動化水平”。而這些系統(tǒng)的深度集成或互聯(lián)的工作只能在線路運(yùn)營控制中心或備用控制中心實現(xiàn)。

全自動運(yùn)行系統(tǒng)（尤其是GoA4 級別）在以往半自動運(yùn)行系統(tǒng)（Goa2）基礎(chǔ)上有本質(zhì)的改變，進(jìn)一步提升了線路運(yùn)營控制中心在行車指揮功能上的重要性，宜設(shè)置備用中心并實現(xiàn)主備中心的熱備冗余。從全自動運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)備配置上，線路運(yùn)營控制中心具有乘客調(diào)度和車輛調(diào)度功能，可以對車輛進(jìn)行一定的遠(yuǎn)程控制以及乘客組織，這是車站現(xiàn)地不具備的。全自動運(yùn)行系統(tǒng)即使在軌旁發(fā)生一定故障的情況下，也會盡量保持由控制中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

全自動運(yùn)行系統(tǒng)的行車指揮方式呈現(xiàn)出一種運(yùn)營控制中心與備用控制中心冗余的集中式管理理念，而當(dāng)前主流架構(gòu)中的信號系統(tǒng)將ATP/ATO、CI 等重要設(shè)備設(shè)置于車站，形成車站優(yōu)于中心的理念，可以看出，兩種理念之間是存在一定反差的。

3 集中冗余式架構(gòu)CBTC系統(tǒng)方案的設(shè)想

3.1 集中冗余式架構(gòu)的設(shè)想

ATP 和CI 設(shè)備分散設(shè)置在車站的系統(tǒng)架構(gòu)，在單個ATP/ATO 或CI 設(shè)備發(fā)生故障時其影響范圍更小，這種優(yōu)勢在地鐵線路運(yùn)營中發(fā)揮了重要作用。但是從無線通信技術(shù)發(fā)展和全自動運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)用來看，這種架構(gòu)的優(yōu)勢受到一定限制。

因此，重新審視CBTC 系統(tǒng)的4 種架構(gòu)，在泰雷茲SelTrac S40 移動閉塞系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合全自動運(yùn)行系統(tǒng)中心冗余的理念，提出一種CBTC系統(tǒng)集中式冗余架構(gòu)的設(shè)想，如圖6 所示。

圖6 設(shè)想的CBTC系統(tǒng)集中式冗余架構(gòu)圖Fig.6 Proposed centralized redundant architecture diagram of CBTC system

3.2 集中式冗余架構(gòu)的配置要求設(shè)想

為了彌補(bǔ)在中心集中設(shè)置設(shè)備的劣勢，設(shè)想的該CBTC 系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)按照如下要求進(jìn)行配置。

主用控制中心設(shè)備與備用控制中心設(shè)備完全熱備冗余，包括中心ATS 服務(wù)器、ATP 設(shè)備、聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算設(shè)備、核心網(wǎng)設(shè)備。

每個中心的1 套ATP 與聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算設(shè)備具備高可靠性，采用二乘二取二的架構(gòu)，每套設(shè)備具有全線控制能力并具有一定余量。

中心聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算設(shè)備故障時，集中站聯(lián)鎖執(zhí)行設(shè)備可執(zhí)行最基本的進(jìn)路聯(lián)鎖功能。

對于中心的ATS 服務(wù)器、ATP 設(shè)備、聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算設(shè)備、核心網(wǎng)設(shè)備需設(shè)置全方位（包括板卡）實時監(jiān)測系統(tǒng)，對設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警和及時報警。

3.3 集中式冗余架構(gòu)CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢

集中式冗余架構(gòu)CBTC 系統(tǒng)雖然減少了車站設(shè)備的配置，但是對中心設(shè)備的控制能力、冗余技術(shù)、可靠性及實時監(jiān)測報警均有更高的要求，單從信號系統(tǒng)設(shè)備造價能否降低上無法明確，但是可以預(yù)想的是該結(jié)構(gòu)的CBTC 系統(tǒng)將具有以下優(yōu)勢。

符合全自動運(yùn)行系統(tǒng)和互聯(lián)互通的應(yīng)用方向，核心設(shè)備全部設(shè)置于主用控制中心和備用控制中心，有利于實現(xiàn)核心設(shè)備的實時維護(hù)監(jiān)督，有利于互聯(lián)互通線路之間的信息交互。

有利于軌道交通線網(wǎng)的頂層設(shè)計，控制中心具有全面的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，有利于面向線網(wǎng)指揮中心或大數(shù)據(jù)平臺提供本線的數(shù)據(jù)信息。

有利于優(yōu)化對信號系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)。車站的設(shè)備數(shù)量和設(shè)備種類減少，尤其是減少核心安全設(shè)備，可以減少維護(hù)人員的工作量，降低維護(hù)作業(yè)難度。

可在一定程度上減少車站設(shè)備機(jī)房的面積和用電量，為整個工程建設(shè)節(jié)省投資。

4 結(jié)語

隨著當(dāng)前主流的分散式結(jié)構(gòu)CBTC 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，車站設(shè)備功能的不斷增強(qiáng)，設(shè)備種類越來越多，對系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測設(shè)備也越來越多，運(yùn)營維護(hù)任務(wù)隨之增加。提出集中冗余式架構(gòu)方CBTC 系統(tǒng)案的設(shè)想，從系統(tǒng)架構(gòu)作為出發(fā)點，探討降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，再通過有效的冗余技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)，來降低單一核心設(shè)備的故障帶來的影響，雖然這一架構(gòu)還需要技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展才能實現(xiàn)，但希望能對當(dāng)前地鐵CBTC 系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向有所幫助。