多模式列車控制系統列車運行方向控制功能研究

洪海珠

(上海申通地鐵集團有限公司,201103,上?！胃呒壒こ處?

TBTC(基于軌道電路的列車控制)系統采用的是一種準移動閉塞的列車控制方式,屬于20世紀90年代的列車控制(以下簡稱“列控”)技術。目前仍有一些線路(如上海軌道交通1號線和2號線等)在使用該技術。隨著使用年限的增加,TBTC系統的穩定性逐漸降低,運營成本不斷升高。部分線路的TBTC系統瀕臨壽命周期年限,將迎來整線制的大修改造。

隨著列控技術的不斷發展,以CBTC(基于通信的列車控制)系統為代表的移動閉塞系統已經成熟。在應對既有采用TBTC系統線路大修改造需求時,期望通過將信號系統升級為CBTC系統,以提高線路運能;但也同時期望TBTC和CBTC系統實現平穩過渡,以滿足“邊運營、邊改造”的運營無感改造需求;以及期望使用連續式的TBTC系統來替代現有規范下的點式后備降級系統,從而提高降級模式下的線路運能和系統整體可用性。為此,在具備相關條件時,可考慮在大修改造項目需求中明確將既有TBTC系統作為降級系統,將新增CBTC系統作為主用系統,采用一種兼容CBTC和TBTC系統的方案,即CBTC+TBTC系統方案。

在面向這類CBTC+TBTC多模式列控系統項目時,若采用各自既有的技術規范來實現列車運行方向控制功能,則由于兩者在列車運行方向控制判定基礎條件上存在差異,難以同時滿足兩種不同制式的列車在線混跑運營,且難以滿足運能需要,進而會影響到這類多模式列控系統的整體可用性,因此必須尋求一種兼容的運行控制方法以解決該問題。

安全性、可靠性和完備性對于SIL(安全完整性等級)需達到SIL4級的信號系統至關重要。通過狀態機和活動圖的形式化方法,對系統功能進行建模,證明系統的安全性,是國際電工協會發布的規范IEC 61508:2000《電氣/電子/可編程電子安全系統的功能安全》中強烈推薦的功能需求建模方法[1]。形式化方法已在CBTC聯鎖系統功能[2]、車車通信列控系統的后備模式切換功能[3]、列控-安全信息傳輸系統功能[4]等方面得到探討。

鑒于CBTC+TBTC系統方案的列車運行方向控制功能尚未得到充分討論,本文通過分析列車運行方向控制的場景、功能和安全屬性,建立事件邏輯流程,使用基于SysML(系統建模語言)規定要求的動態建模手段——狀態機和活動圖的形式化方法對列車運行方向控制進行建模,為類似系統的開發提供參考。

1 需求分析

系統需求分析是系統開發中最重要的階段。如果系統需求中的缺陷在系統使用過程中被發現,其糾正成本極高,甚至會產生直接影響安全性的嚴重后果。因此,在需求階段基于規范進行功能建模,以此保證系統功能的安全性、可靠性和完備性,這尤為重要。

TBTC系統的列車運行方向控制功能主要通過有岔站間的區間方向和有岔區域的進路方向組合方式實現,如圖1所示。CBTC系統的列車運行方向控制功能則是完全基于運行任務所需的進路方向而定,如圖2所示。兩者間有本質區別。為使CBTC系統能夠兼容TBTC系統,最基礎的條件是:CBTC系統為列車運行計算移動授權,并支持基于列車進路和區間方向的兩種列車運行方向控制功能。

圖1 TBTC系統列車運行方向控制原理

圖2 CBTC系統列車運行方向控制原理

具體而言,CBTC+TBTC系統的列車運行方向控制功能需求為:系統在同一時刻,只能建立并維持在同一個列車運行方向;在區間建立好一個區間列車運行方向后,可允許多列列車基于準移動閉塞或者移動閉塞原則,按照該方向同向運行。為防止列車之間的敵對沖突運行,其安全需求為:系統需保證管轄范圍內的所有列車以及運行到本管轄范圍內的列車,都必須按照同一個方向運行且都不能出現敵對的運行方向。

2 功能狀態機設計

根據需求分析,設計的CBTC+TBTC系統的功能狀態機如圖3所示。

圖3 CBTC+TBTC系統功能狀態機

圖3功能狀態機定義了3種系統狀態,分別是:無方向狀態(S1.1),為系統的初始狀態; 發車狀態(S1.2),即列車從本站向鄰站的方向運行;接車狀態(S1.3),即列車從鄰站向本站的方向運行。

系統初始狀態為“無方向狀態”。從“無方向狀態”轉變到“發車狀態”的條件為“本站請求發車命令”,從“無方向狀態”轉變到“接車狀態”的條件為“鄰站請求發車命令”,從“發車狀態”轉變到“接車狀態”的條件為收到“鄰站請求發車命令”,從“接車狀態”轉變到“發車狀態”的條件為“本站請求發車命令”。因此可知:一旦系統進入“發車狀態”或“接車狀態”,就只能在這兩個狀態之間轉換,不會再回到“無方向狀態”,這避免了3種以上狀態之間的轉變,簡化了功能設計;此時,只需要考慮如何避免本站和鄰站同時出現“發車狀態”和“接車狀態”,對此可通過功能活動圖進一步詳細設計。

3 活動圖建模

CBTC+TBTC系統列車運行方向控制功能活動圖如圖4所示。

圖4 CBTC+TBTC系統列車運行方向控制功能活動圖

由圖4可知:

1) 甲站軌旁控制系統接收到人機界面向軌旁控制系統發送的上行(下行)發車進路命令;

2) 甲站在檢查進路條件滿足后,建立向上行(下行)發車的進路,并鎖閉該發車進路;

3) 甲站軌旁控制系統判定發車進路建立且鎖閉后,建立進路范圍內的區間方向,該方向與進路方向相同,即與進路的上行(下行)方向相同;

4) 甲站軌旁控制系統判定進路范圍內的區間上行(下行)方向建立后,將進路范圍內的區間方向狀態同步發送至CBTC和TBTC系統;

5) 甲站軌旁控制系統判定發車進路建立且鎖閉后,向乙站的軌旁控制系統發送進路建立狀態;

6) 乙站軌旁控制系統接收到甲站的軌旁控制系統發送的進路狀態并且判斷改變運行的條件滿足后,建立乙站范圍內的區間接車方向;

7) 乙站軌旁控制系統將區間的接車方向狀態反饋至甲站軌旁控制系統;

8) 乙站軌旁控制系統將乙站范圍內的區間上行(下行)方向同步發送至CBTC和TBTC系統;

9) 甲站軌旁控制系統接收到乙站范圍內的區間接車方向后,判定甲站范圍內的區間發車方向;

10) 甲站軌旁控制系統根據甲站范圍內的區間發車方向并結合進路的上行(下行)方向,判定甲站范圍內的區間上行(下行)方向;

11) 甲站軌旁控制系統將甲站范圍內的區間上行(下行)方向同步發送至CBTC和TBTC系統;

12) 甲站軌旁控制系統判定發車進路建立且鎖閉,判定甲站范圍內的區間發車方向已建立,判定信號開放的其他條件都已滿足,在這樣的情況下,甲站軌旁控制系統判定上行(下行)發車進路信號開放;

13) 甲站軌旁控制系統將信號機開放狀態同步發送至CBTC和TBTC系統;

14) 基于甲站發送的進路范圍內的區間方向狀態、甲站發車進路信號機開放狀態、甲站轄區內的區間方向狀態,以及乙站轄區內的區間方向狀態,CBTC/TBTC列控系統(模塊)綜合計算列車移動授權(行車許可)的方向和目標點。

4 工程應用

通過規范模型對功能需求的精確表達,規避了前期需求與后期交付之間的不一致。需求模型經歷了完整的評審和驗證流程,規避了需求分析過程中的錯誤,確保了整個功能的完整性、一致性。

列車運行方向控制功能作為TBTC+CBTC多模式列控系統的核心功能之一,通過狀態機和活動圖的形式化建模與驗證后,在上海軌道交通2號線信號系統大修改造項目中得以應用。2022年7月16日,上海軌道交通2號線新增 CBTC工程“多模信號系統”(樣板段)現場驗證評審會在上海軌道交通新閘路數字化綜合運維中心舉行[5]?，F場測試了轉換軌反向插車、CBTC追蹤運行+TBTC故障、CBTC+TBTC混合運行、2 min折返能力、區域CBTC系統降級到TBTC模式等5個場景(見圖5),測試結果表明:不同列控模式列車可在同一個區間中追蹤運行,系統整體可用性相比改造前有了大幅提升,而且所有指標的現場實測結果均達到了預期目標。

圖5 TBTC+CBTC多模式信號系統列車運行方向控制功能測試示意圖

5 結語

系統功能需求規范是系統設計實現的依據,任何潛在的規范缺陷或解讀錯誤都可能會給系統運營安全帶來巨大風險。本文以列車運行方向控制為例,基于功能狀態機和活動圖的形式化方法建立了列車運行方向控制的設計原型。

通過本文所述的列車運行方向控制方案,統一了CBTC和TBTC系統計算移動授權所需的運行方向建立條件和建立方向的時序;軌旁控制系統將已經建立的方向狀態分別實時同步發送至CBTC和TBTC系統;信號機狀態、區間方向、進路范圍內的區間方向狀態分別發送,可使得各個模塊之間的耦合度降低,最終使系統兼容兩種信號系統制式的列車在同一線路內運行,并能在兩種信號系統制式間實時靈活切換,提升了系統整體可用性。