基于點(diǎn)位信息的CBTC信號系統(tǒng)ZC-CI接口設(shè)計(jì)

李際俊

（上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司，上海 201206）

0 引言

對于傳統(tǒng)聯(lián)鎖停車場而言，其地鐵列車的發(fā)車效率已無法滿足運(yùn)營需求，需提升出庫能力方能有效緩解早高峰客流壓力。為了提高車輛段出庫能力，則需對場段信號設(shè)備進(jìn)行改造，將傳統(tǒng)的固定閉塞改造成移動閉塞，突破傳統(tǒng)基于聯(lián)鎖車輛段的雙紅燈防護(hù)限制。將傳統(tǒng)的限制人工駕駛模式列車改為列車自動駕駛模式（Automatic Train Operation，ATO），有效減少人工確認(rèn)環(huán)節(jié)。

在傳統(tǒng)正線基于通信的列車自動控制（Communication Based Train Control System，CBTC）系統(tǒng)中，區(qū)域控制器（ZC）主要負(fù)責(zé)根據(jù)收到進(jìn)路授權(quán)信息、結(jié)合接收到通信列車的位置報(bào)告保證列車運(yùn)行的安全間隔、計(jì)算移動授權(quán)并發(fā)送給列車。進(jìn)路建立、進(jìn)路鎖閉、防護(hù)信號開放、進(jìn)路解鎖邏輯以及繼電器狀態(tài)的采集與控制等基本聯(lián)鎖功能仍然由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）負(fù)責(zé)，室外軌旁基礎(chǔ)設(shè)備（簡稱：軌旁設(shè)備，包括信號機(jī)、軌道區(qū)段和道岔等）與CI通過繼電電路相連，CI通過采集繼電器接點(diǎn)獲得軌旁設(shè)備狀態(tài)，控制繼電器勵磁吸起或失磁落下動作軌旁設(shè)備。根據(jù)以上原理，ZC-CI的接口定義會深入到各家供應(yīng)商的內(nèi)部軟件控制邏輯，很難在ZC-CI之間對不同的供應(yīng)商進(jìn)行互聯(lián)互通，技術(shù)壁壘較大。

但對于既有停車場改造，需要保證改造過程不影響停車場既有的接發(fā)車能力，保證每天的運(yùn)營，還需要考慮到傳統(tǒng)場段聯(lián)鎖系統(tǒng)與正線ATC系統(tǒng)不是同一供應(yīng)商的問題；以及既有場段改造設(shè)備房的空間問題。由此，需要一個新的ZC-CI交互方案，減少不同供應(yīng)商的互聯(lián)互通壁壘，減少改造對于運(yùn)營的風(fēng)險以及空間的使用，并需要新的ZC與CI的交互方式來進(jìn)行改造。

區(qū)別于傳統(tǒng)的ZC與CI接口，采用基于進(jìn)路信息為核心的交互形式，當(dāng)ZC具備進(jìn)路控制等聯(lián)鎖邏輯處理功能時，可采用基于點(diǎn)位信息的ZC-CI接口設(shè)計(jì)形式。點(diǎn)位信息即是若干繼電器狀態(tài)變量的集合，可分為采集點(diǎn)位和驅(qū)動點(diǎn)位，一個點(diǎn)位對應(yīng)一個繼電器采集或驅(qū)動狀態(tài)，取值為低電平或高電平，在采集點(diǎn)位中分別代表采集到的繼電器接點(diǎn)處于斷開和閉合狀態(tài)，在驅(qū)動點(diǎn)位中分別代表控制繼電器失磁落下或勵磁吸起。當(dāng)采用上述接口時，CI僅向ZC發(fā)送采集點(diǎn)位信息，并依照ZC發(fā)來驅(qū)動點(diǎn)位信息的控制繼電器動作。基于點(diǎn)位信息CBTC系統(tǒng)的ZC-CI接口形式，接口界面清晰，接口定義簡潔，順應(yīng)當(dāng)今CBTC系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢，可提升ZC在CBTC系統(tǒng)中對列車運(yùn)行控制的核心地位，從而實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)整體性能的提升與優(yōu)化[1-2]。

1 總體方案

當(dāng)CBTC系統(tǒng)采用基于點(diǎn)位信息的ZC-CI接口（簡稱：ZC-CI接口）時，ZC承擔(dān)除采集驅(qū)動采集繼電器狀態(tài)之外的所有聯(lián)鎖和列車運(yùn)行控制處理邏輯，通過ZC-CI接口獲取采集點(diǎn)位信息，并將驅(qū)動點(diǎn)位信息發(fā)送給CI。CI通過繼電電路硬線接口與室外設(shè)備連接，CI將采集到繼電器狀態(tài)通過采集點(diǎn)位信息通過ZC-CI接口傳送給ZC，同時將ZC發(fā)來的驅(qū)動點(diǎn)位信息控制相應(yīng)繼電器動作。根據(jù)上述原理，ZC-CI接口互傳的應(yīng)用數(shù)據(jù)信息主要為各信號點(diǎn)位采集狀態(tài)（CI→ZC）和驅(qū)動指令（ZC→CI），以及必要的安全校驗(yàn)信息。ZC-CI接口信息交互示意如圖1所示。

圖1 ZC-CI接口信息交互示意圖

ZC和CI均使用以太網(wǎng)接口與對方保持通信，為保證接口通信的可靠性，采用冗余結(jié)構(gòu)的ZC和CI設(shè)備，本方與對方的雙系設(shè)備之間通過數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）骨干網(wǎng)均建立冗余的通信鏈接，ZC與CI間互聯(lián)示意如圖2所示。為保證接口通信安全，在接口應(yīng)用數(shù)據(jù)傳送采用鐵路信號安全通信協(xié)議并增加實(shí)時性校核信息，當(dāng)本方判斷接口通信中斷或規(guī)定時間內(nèi)沒有收到對方發(fā)來的有效更新信息時，本方設(shè)備應(yīng)按故障-導(dǎo)向原則做出反應(yīng)。

圖2 ZC與CI間互聯(lián)示意圖

為維持ZC故障或通信中斷等極端情況下的基本運(yùn)行，提高信號系統(tǒng)的可用性，系統(tǒng)中的CI按CBTC模式和后備模式2種模式編制應(yīng)用軟件。當(dāng)系統(tǒng)處于CBTC時，CI根據(jù)預(yù)先定義的ZC-CI接口通信規(guī)則正常接受ZC發(fā)送的繼電器點(diǎn)位驅(qū)動信息，識別解碼后直接動作繼電器，CI將忽略其自帶控顯機(jī)發(fā)送任何信號操控指令；當(dāng)系統(tǒng)處于后備模式時，不論ZC處于什么狀態(tài)，CI將依照基本聯(lián)鎖規(guī)則，承擔(dān)相應(yīng)聯(lián)鎖邏輯處理功能，操作員通過CI自帶的控顯機(jī)進(jìn)行信號操控，相關(guān)操作在通過相關(guān)聯(lián)鎖關(guān)系檢查后方可驅(qū)動相應(yīng)點(diǎn)位繼電器，維持信號系統(tǒng)在單純聯(lián)鎖控制下的基本功能，在此模式下，CI將忽略ZC發(fā)來任何信息[3]。

2 Z C-CI接口標(biāo)準(zhǔn)

2.1 物理連接方式

ZC-CI接口通過DCS有線網(wǎng)絡(luò)提供的以太網(wǎng)端口進(jìn)行通信，雙方物理接口位于ZC設(shè)備網(wǎng)卡和CI設(shè)備網(wǎng)卡，端子使用標(biāo)準(zhǔn)RJ45端子，連接線纜使用不低于5類規(guī)格的雙絞線（CAT-5）。

2.2 通信結(jié)構(gòu)層次

本接口通信層次參考TCP/IP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）的網(wǎng)絡(luò)連接模型，依次由數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、安全層和應(yīng)用層組成，接口通信層次關(guān)系示意如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議采用IPv4協(xié)議，傳輸層采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)UDP協(xié)議作為傳輸協(xié)議，安全層遵循鐵路信號安全（Railway Signal Safety Protocol，RSSP-I）協(xié)議對接口應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證接口通信的安全、可靠。應(yīng)用層根據(jù)預(yù)先定義的應(yīng)用數(shù)據(jù)報(bào)文格式封裝傳送點(diǎn)位信息。

圖3 接口通信層次關(guān)系示意圖

2.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)報(bào)文

ZC-CI接口通過預(yù)先定義的應(yīng)用數(shù)據(jù)報(bào)文傳送點(diǎn)位信息，其格式為：報(bào)文頭+應(yīng)用數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)分為ZC發(fā)給CI的繼電器驅(qū)動點(diǎn)位數(shù)據(jù)（簡稱：驅(qū)動報(bào)文）以及CI發(fā)給ZC的繼電器采集點(diǎn)位數(shù)據(jù)（簡稱：采集報(bào)文）2種類型。

報(bào)文頭為定長，共 25個字節(jié)（byte），不隨站場情況發(fā)生改變，其格式定義如表1所示。

表1 報(bào)文頭格式定義

表1中，發(fā)送方標(biāo)識信息、接收方標(biāo)識信息按ZC和CI設(shè)備進(jìn)行預(yù)先定義，同一站場中，采用冗余結(jié)構(gòu)的ZC分別配置2個互不相同的ID（識別號），CI同理配置為另2個ID，同一線路不同站場ZC和CI設(shè)備的ID只能使用一次，不能重復(fù)。本方消息序列號（TSN）、對方消息序列號（RSN）和收到上一條消息時本方序列號（LTSN）各占 4個字節(jié) 32位，TSN其取值范圍為0×00000001到0×FFFFFFFE，0×FFFFFFFF預(yù)留，當(dāng)通信中斷時本方應(yīng)發(fā)送的 RSN、LTSN取值為0×FFFFFFFF。ZC和CI設(shè)備的處理周期、協(xié)議版本號均根據(jù)實(shí)際情況配置為固定值。

驅(qū)動報(bào)文和采集報(bào)文用于實(shí)際傳送驅(qū)動或采集點(diǎn)位信息，均為定長，實(shí)際長度由根據(jù)各站場實(shí)際設(shè)備，參照CI接口點(diǎn)位表配置的驅(qū)動點(diǎn)位信息序列表（簡稱“驅(qū)動點(diǎn)位表”）和采集點(diǎn)位信息序列表（簡稱“采集點(diǎn)位表”）確定。本文所傳送的點(diǎn)位信息均由2個比特位組成，1個字節(jié)代表4個驅(qū)動或采集點(diǎn)位，點(diǎn)位狀態(tài)的比特位定義如表2所示。

表2 點(diǎn)位信息的比特位定義

表2中，01代表點(diǎn)位是高電平，在驅(qū)動報(bào)文中表示須驅(qū)動相應(yīng)點(diǎn)位繼電器勵磁吸起，在采集報(bào)文中表示采集到相應(yīng)點(diǎn)位繼電器處于勵磁吸起狀態(tài)；10代表點(diǎn)位是低電平，在驅(qū)動報(bào)文中表示相應(yīng)點(diǎn)位不作驅(qū)動，繼電器應(yīng)處于失磁落下狀態(tài)，在采集報(bào)文中表示采集到相應(yīng)點(diǎn)位繼電器處于失磁落下狀態(tài)；00作為驅(qū)動點(diǎn)位表或采集點(diǎn)位表中未作定義的空點(diǎn)位取值，以此填充確保報(bào)文長度為固定值。對于有具體定義的點(diǎn)位，除01和10外，其余值均為無效值，ZC或CI若收到存在無效值的報(bào)文應(yīng)拒絕處理該報(bào)文。

此外，需要說明的是：驅(qū)動報(bào)文和采集報(bào)文的格式互不相同。驅(qū)動報(bào)文格式如表3所示。

表3 驅(qū)動報(bào)文格式

其中，第1個字節(jié)取固定值0×01，后續(xù)字節(jié)根據(jù)驅(qū)動點(diǎn)位表定義由ZC向CI發(fā)送驅(qū)動點(diǎn)位信息。N取值根據(jù)驅(qū)動點(diǎn)位表得出，為固定值。采集報(bào)文格式如表4所示。

表4 采集報(bào)文格式

采集報(bào)文可分為2部分：點(diǎn)位采集狀態(tài)和區(qū)段占用延時狀態(tài)。其中，所有類型站場的采集報(bào)文均包含點(diǎn)位采集狀態(tài)部分，其第1個字節(jié)為根據(jù)采集點(diǎn)位表定義，需發(fā)送的所有采集點(diǎn)位所占字節(jié)長度，后續(xù)字節(jié)根據(jù)點(diǎn)位表定義由CI向ZC發(fā)送各點(diǎn)位采集狀態(tài)。M取值根據(jù)驅(qū)動點(diǎn)位表得出，為固定值。

3 故障-安全策略

為適配ZC-CI接口的安全可靠應(yīng)用，對信號模式切換、硬線繼電電路、區(qū)段狀態(tài)報(bào)告和接口實(shí)時通信等重要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了特殊的故障-安全策略，避免產(chǎn)生意外的安全風(fēng)險。

3.1 信號模式切換

系統(tǒng)可分為CBTC模式和后備模式。CBTC模式下，CI根據(jù)ZC發(fā)送的驅(qū)動報(bào)文控制相應(yīng)點(diǎn)位的繼電器動作。后備模式下，CI將忽略ZC發(fā)來的任何信息，ZC應(yīng)導(dǎo)向安全側(cè)輸出，即將發(fā)送驅(qū)動報(bào)文中所有的點(diǎn)位均低電平狀態(tài)。但不論何種模式，CI均向ZC發(fā)送真實(shí)的采集報(bào)文。

當(dāng)系統(tǒng)從CBTC模式切換到后備模式時，ZC應(yīng)導(dǎo)向安全側(cè)輸出，CI應(yīng)進(jìn)入全站封鎖狀態(tài)，不能通過CI自帶的控顯機(jī)進(jìn)行信號操控，需延時一定時間后CI才可解除鎖閉，由此確保在延時過程中列車能夠停穩(wěn)不再移動，在解除鎖閉后操作員方能通過控顯機(jī)進(jìn)行后備模式下的正常信號操控，且只由CI承擔(dān)聯(lián)鎖邏輯處理功能并進(jìn)行安全輸出。當(dāng)系統(tǒng)從后備模式切換到CBTC模式時，ZC應(yīng)啟動模式切換鎖閉，保持導(dǎo)向安全側(cè)輸出。CI根據(jù)ZC命令將所有輸出導(dǎo)向安全側(cè)。需延時一定時間后ZC才可解除鎖閉，正常發(fā)送驅(qū)動報(bào)文給CI并由其執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)CBTC模式下的正常信號操控。

信號模式切換采用硬線切換方式，由物理的模式切換旋鈕通過繼電電路對后備模式繼電器和CBTC模式繼電器狀態(tài)進(jìn)行控制。后備模式繼電器和CBTC模式繼電器在繼電電路上進(jìn)行互鎖，當(dāng)后備模式繼電器吸起且CBTC模式繼電器落下時，表示系統(tǒng)處于后備模式；當(dāng)CBTC模式繼電器吸起且后備模式繼電器落下時，表示系統(tǒng)處于后備模式；其余狀態(tài)ZC將導(dǎo)向安全輸出，CI維持后備模式控制。CI實(shí)時采集后備模式繼電器和CBTC模式繼電器狀態(tài)，并通過采集報(bào)文中預(yù)先定義的點(diǎn)位將兩個模式繼電器信息發(fā)送至ZC。

3.2 驅(qū)動點(diǎn)位反饋

為確保CBTC模式下，CI根據(jù)驅(qū)動報(bào)文動作的繼電器實(shí)際狀態(tài)與ZC驅(qū)動要求一致，所有可以由ZC通過驅(qū)動報(bào)文動作的繼電器，在繼電電路中增加回采電路，由CI進(jìn)行硬線回采，并通過采集報(bào)文預(yù)先定義的點(diǎn)位發(fā)送至ZC作為驅(qū)動點(diǎn)位反饋信息。

ZC根據(jù)反饋信息判斷繼電器是否按發(fā)送的驅(qū)動點(diǎn)位信息進(jìn)行動作，若在比較后兩者不一致，說明在接口通信、CI處理或繼電電路環(huán)節(jié)存在問題導(dǎo)致繼電器錯誤動作，ZC將導(dǎo)向安全側(cè)輸出。

3.3 區(qū)段占用延時狀態(tài)

對于使用軌道電路作為列車位置檢測設(shè)備的停車場，為避免由于短軸距工程車經(jīng)過短區(qū)段軌道電路時由于通信延時或丟包而造成的安全風(fēng)險，CI還需額外匯報(bào)區(qū)段占用延時狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，區(qū)段的狀態(tài)由空閑變?yōu)檎加茫ㄜ壍览^電器落下）時，CI應(yīng)立即將該值設(shè)為占用（01）；當(dāng)區(qū)段的狀態(tài)由占用變?yōu)榭臻e（軌道繼電器落下）時，CI應(yīng)延時一定時間，從而過濾掉安全風(fēng)險，再將相應(yīng)區(qū)段值設(shè)為空閑（10）。除空區(qū)段信息位為00以外，其他組合均為無效值，ZC應(yīng)拒絕處理該報(bào)文。

3.4 通信故障處理

為確保ZC-CI通信的實(shí)時性，防止因通信中斷或報(bào)文更新遲滯等故障導(dǎo)致造成意外的安全風(fēng)險。對于ZC和CI，需定義各自相對對方的通信超時寬恕時間（Communication Timeout Forgiveness Time，CTFT），分別為ZC-CICTFT和CI-ZCFTFT。當(dāng)ZC或CI在規(guī)定的通信超時寬恕時間內(nèi)沒有收到對方發(fā)來的有效報(bào)文更新時，應(yīng)判斷與對方通信中斷，若ZC與CI建立的冗余通信鏈接均中斷時，ZC應(yīng)導(dǎo)向安全側(cè)輸出。若CI自身存在安全相關(guān)故障時，應(yīng)主動斷開與ZC的通信連接。此外，為判斷本方收到報(bào)文時機(jī)與對方發(fā)送同一報(bào)文的通信延時在安全范圍內(nèi)，雙方均需對報(bào)文的進(jìn)行新鮮度進(jìn)行監(jiān)督。新鮮度（F）的計(jì)算公式為：

式中：Cycle Count為接收方接受到報(bào)文時的當(dāng)前處理周期計(jì)數(shù)；PR為接收方的處理周期；PT為發(fā)送方的處理周期；TSN、RSN、LTSN為接收到報(bào)文頭內(nèi)相應(yīng)字節(jié)的值。

當(dāng)ZC和CI收到一幀有效報(bào)文后，需計(jì)算其新鮮度F與ZC-CICTFT或CI-ZCFTFT進(jìn)行比較，確定同一報(bào)文接收相對于發(fā)送的延時是否超過可容忍限度。

定義ZC和CI通信通道上相對對方的窗口時長（Channel Freshness Timeout Timer，CFTT）計(jì)算公式分別為：

接收方應(yīng)使用上述公式計(jì)算各自的ZC-CICFTT或CI-ZCCFTT。當(dāng)ZC接收CI發(fā)來報(bào)文延時超過了可容忍限度，突破窗口時長限制，即ZC-CICFTT＜0時，ZC應(yīng)判定與CI通信中斷，導(dǎo)向安全側(cè)輸出；同理，當(dāng)CI-ZCCFTT＜0時，CI應(yīng)判定與ZC通信中斷。

例外的情況是，當(dāng)ZC或CI收到對方的第一幀報(bào)文時，因RSN，LTSN為默認(rèn)值0×FFFFFFFF，無法得知該報(bào)文的真實(shí)新鮮度，若除新鮮度外其他校驗(yàn)通過，則接受該報(bào)文，但不使用其應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直到收到對方的下一幀通過新鮮度校驗(yàn)的報(bào)文，才能建立實(shí)質(zhì)意義上的通信，并對報(bào)文進(jìn)行后續(xù)處理。

4 結(jié)論

隨著CBTC技術(shù)的不斷發(fā)展，ZC在信號系統(tǒng)中的核心地位將愈發(fā)凸顯，當(dāng)ZC具備原CI承擔(dān)的聯(lián)鎖邏輯處理功能時，原CI即可簡化設(shè)計(jì)為簡單具備繼電器采集驅(qū)動及對外通信功能的軌旁設(shè)備控制器，如此對優(yōu)化CBTC系統(tǒng)整體架構(gòu)、提升子系統(tǒng)間的融合度、減少邏輯處理環(huán)節(jié)、提升系統(tǒng)運(yùn)行效率、實(shí)現(xiàn)由進(jìn)路為中心向以列車為中心的跨越式轉(zhuǎn)變具有重大意義。而基于點(diǎn)位信息的ZC-CI接口作為配套設(shè)計(jì)，不僅適用于CBTC系統(tǒng)不同供應(yīng)商ZC和CI設(shè)備間的互聯(lián)互通，還同樣適用于以軌旁設(shè)備控制器代替CI的聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)中，應(yīng)用前景廣泛。當(dāng)前，基于點(diǎn)位信息的ZC-CI接口設(shè)計(jì)已在上海軌道交通車場出庫能力提升項(xiàng)目的既有線路車場自動化改造工程中得到了實(shí)際應(yīng)用，改造后的車場具備了列車運(yùn)行自動控制功能，取得了較好的實(shí)施效果，值得進(jìn)一步發(fā)展推廣。