城市軌道交通CBTC系統精簡化研究

姜慶陽

摘 要：分析既有城市軌道交通 CBTC 系統存在的若干問題，提出包括聯鎖設備的全電子化、后備系統簡化、聯鎖與區域控制器一體化等系統精簡化方案，可以減少設備數量，優化系統設計，簡化系統應用和維護，從而降低全生命周期的成本，提升 CBTC 系統的效率。

關鍵詞：城市軌道交通;CBTC 系統;精簡化;全電子聯鎖;聯鎖 ZC 一體化

中圖分類號：U231+.7

以基于通信的列車自動控制（CBTC）系統互聯互通自主化項目在重慶共線運營及北京燕房線全自動運行系統的順利實施為標志，我國城市軌道交通CBTC系統已經由國產化階段過渡到自主化階段。隨著全自動運行系統的推廣應用以及各廠家互聯互通系統的實施，CBTC系統的功能越來越復雜，各設備間的耦合度越來越強;另外，既有線路改造時，對系統設備占用空間的要求很高，對施工量和施工時間也提出了一定的要求。因此，在滿足系統功能要求的前提下，如何對CBTC系統進行適當精簡，成為當前城市軌道交通CBTC系統研究的重要課題之一。

1 既有CBTC系統存在的問題

CBTC系統由自動列車監控系統（ATS）、CBTC軌旁系統（軌旁CBTC設備，含區域控制器（ZC）等）、CBTC車載系統（VOBC）、聯鎖（CI）系統、數據通信系統（DCS）組成。其中ATS系統主要分為控制中心ATS設備和車站ATS設備2部分，典型的CBTC系統線路設備布置示意圖如圖 1所示。

既有自主化CBTC系統在我國城市化發展進程中，發揮了不可替代的作用。為降低實際工程應用中的技術風險，加快開發周期，自主化CBTC系統在開發初期的設計理念是盡量沿用已驗證的成熟技術，通過疊加新的子系統實現。這種理念在CBTC系統的研制初期具有合理性，但自主化CBTC系統仍存在下列問題。

（1）采用繼電方式與現場設備接口，室內占地面積大，施工配線多，繼電器需要定期檢修，維護復雜。

（2）系統控制級別多，后備模式復雜，需要花費大量精力安裝、調試和維護后備模式的設備。

（3）設備間接口的數量和層次多，各設備在功能上又相互依賴，耦合度高，存在信息代傳、迂回傳遞的問題，數據交換效率低，很難進一步提高系統效率;除了VOBC-VOBC之外，其他各設備之間均需要相互接口，如表 1所示。

2 系統精簡化方案

2.1 聯鎖設備的全電子化

傳統的計算機聯鎖設備按照功能層次可劃分為人機交互層、聯鎖主控層、聯鎖執行層和軌旁設備接口層4 個。傳統的計算機聯鎖軌旁設備接口層大都采用繼電接口，繼電接口在系統的安裝、調試、功能、維護、擴展等方面均存在一些不足，而計算機聯鎖設備的全電子化是針對以上不足，將傳統計算機聯鎖執行層的輸入輸出（IO）處理單元和軌旁接口層的繼電器組合替換為對象控制器（OCU）和全電子模塊，如圖 2 所示。

聯鎖設備全電子化后，可以大幅提升系統在各方面的表現，如表 2所示。

2.2 后備系統簡化

隨著系統冗余技術的廣泛應用和系統可靠性的提升，系統故障主要以單車或單系統故障為主，發生影響系統運營的故障日益減少，導致CBTC系統后備設備的“存在感”越來越低，這為后備系統的精簡提供了基本條件。

既有CBTC系統大都分為3個控制級別，分別是連續級（CTC）、點式級（ITC）和聯鎖級（ILC），系統各控制級別所需的主要控制設備如表 3所示。

ITC級別作為后備模式，在建設時，需要增加點式設備（LEU和有源應答器），從而提高了設備的成本及安裝、調試的工作量;在應用時，增加了系統維護的工作量，需要對司機和使用人員進行培訓;定期進行人工駕駛實操訓練。

在信號設備房內取消LEU設備，在道旁取消有源應答器，同時減少室內與有源應答器之間的連接線纜，以及對CI設備的程序進行變更，即可取消ITC級別。ITC級別的取消，主要有以下幾個優點：

（1）減少系統設備的種類和數量，可降低設備費用;

（2）減少設備現場安裝調試的工作量，可縮短建設工期;

（3）減少室內數據制作及驗證的工作量，設備可更快地布置到現場;

（4）有效降低系統維護的工作量;

（5）使系統更加簡潔，同時可減少員工培訓的工作量，降低系統使用難度;

（6）降低整個生命周期的成本。

2.3 聯鎖 ZC 一體化

既有CBTC的CI作為成熟設備，其功能相對獨立并得到現場充分驗證，后期開發的CBTC設備功能都盡可能在已有聯鎖功能的基礎上進行功能疊加，因此增加了ZC系統。在CBTC系統發展早期，這一設計取長補短，對CBTC系統的推廣和發展起到了非常重要的作用，但該設計也導致既有CBTC系統設備間的接口和層次增多，功能相互依賴，系統耦合度高，阻礙系統向更高一步發展。下面以列車的位置確定及其關聯功能為列，說明現有結構存在的問題。

列車的位置信息來源于計軸區段的占用/出清和列車的自主定位，地面控制系統通過綜合這2個信息計算出列車的位置，列車位置的確定功能與幾個核心功能相關，包括：

（1）邏輯區段的占用/出清（綜合列車的位置和計軸區段的占用/出清，由ZC完成）;

（2）計軸故障的判斷（綜合列車的位置和計軸區段的占用/出清，由ZC完成）;

（3）邏輯區段的鎖閉和解鎖（使用邏輯區段占用/出清信息和計軸區段故障信息，由CI 完成）;

（4）移動授權的計算（使用邏輯區段鎖閉信息，由ZC完成）;

（5）ATS顯示（包括計軸區段占用/出清，邏輯區段占用/出清及列車的位置信息）。

這些核心功能被分配在不同的系統，需要各設備交互多次后才能實現，造成了以下幾個問題：

（1）同一信息在各設備間迂回傳遞，延長了信息使用時間，不利于進一步提高系統效率;

（2）同一信息來源于多個接口，不僅會造成顯示上的不一致，也會導致一些處理上的風險。

在控制區域邊界，ZC和CI分別要將相關信息發送給鄰站的ZC和CI設備，設備間的信息流向會更加復雜，如圖 3所示。

聯鎖ZC一體化是指CI和ZC系統使用同一套硬件設備，同時在軟件層面進行高度融合，組成一個新的軌旁控制中心系統（WCC），這樣系統間的接口數量和層次都大大減少，降低了設備間的耦合度，從而提升了系統效率，如圖 4所示。

結合聯鎖設備的全電子化和ITC級別的取消，進行聯鎖ZC的一體化后，WCC對外只提供以太網接口，因此其物理位置可以不再局限于設備集中站。隨著系統處理能力的增強，一個WCC也可以控制多個OCU，從而進一步對CBTC系統進行簡化，如圖 5所示（其中虛線表示WCC與OCU之間的邏輯控制關系）。

3 結語

通過聯鎖設備的電子化、聯鎖ZC的一體化及點式后備系統的取消，使既有CBTC系統設備的數量和層次更少，從而簡化了系統的設計、應用和維護，節約了整個系統的生命周期成本;在保證系統核心功能不降低的前提下，提升了系統效率。

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收稿日期 2020-04-23

責任編輯 黨選麗