雷錫絨

*西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 講師,710014 西安

移動閉塞是運用無線通信實現(xiàn)車-地數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。西安地鐵 2號線一期工程信號系統(tǒng)采用基于無線通信移動閉塞列車控制 (CBTC)技術(shù),能夠安全、可靠地實現(xiàn)全功能、全方位的列車運行控制。該系統(tǒng)采用最新科學(xué)技術(shù),可實現(xiàn) 90 s行車間隔;設(shè)備數(shù)量有效減少,后期維護量小;運用統(tǒng)一的技術(shù)標準,便于實現(xiàn)互聯(lián)互通。分析研究典型城市軌道交通信號系統(tǒng) CBTC技術(shù)方案,可對城市軌道交通的發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 西安地鐵 2號線信號系統(tǒng)組成

西安地鐵 2號線一期工程采用分布式信號系統(tǒng),主要的子系統(tǒng)和設(shè)備組成如圖 1所示。

圖 1 信號控制系統(tǒng)總體框圖

1.中心列車自動監(jiān)控子系統(tǒng) (ATS)由監(jiān)控設(shè)備、光纜、電纜、計算機 (Linux操作系統(tǒng))及外設(shè)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、軟件等組成。

2.區(qū)域控制器 (ZC)是基于處理器的安全控制器,安裝在軌旁,每個 ZC三取二冗余配置。

3.數(shù)據(jù)庫存儲單元 (DSU)由軌道數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)運行參數(shù)存儲所用的冗余服務(wù)器組成。

4.聯(lián)鎖控制器 (MicroLokⅡ)是一個專為鐵路安全應(yīng)用而設(shè)計的基于微處理器 (68322安全微處理器)的邏輯控制器,位于設(shè)備集中站信號設(shè)備室內(nèi),雙機熱備配置,相鄰聯(lián)鎖控制器之間用光纖連線。

5.本地車站控制 (ATS)工作站安裝在車站,設(shè)備與控制中心所用設(shè)備相同。

6.MicrolokⅡ本地控制工作站(LCW)配備一套操作和顯示設(shè)備(工業(yè)控制機)作為車站現(xiàn)地工作站。車站值班員可操作鼠標或鍵盤進行控制。

7.車載控制器 (CC)是基于微處理器的控制器,是車載子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,分別安裝在車頭和車尾,三取二冗余配置。

8.數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng) (DCS)是一個寬帶通信系統(tǒng),提供開放的通信接口和體系架構(gòu),最大程度地采用現(xiàn)成的商業(yè)化設(shè)備。DCS系統(tǒng)由軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) (主要由軌旁設(shè)備、接入交換機和軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成)、車-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)和車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) 3部分構(gòu)成。

上述中心 ATS子系統(tǒng)、ZC、DSU、遠程 ATS車站控制工作站和 DCS間的通信,由 2個互為冗余的以太網(wǎng) LAN配置構(gòu)成。

2 系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

1.ATS子系統(tǒng)實現(xiàn)對全線列車運行的管理和監(jiān)控。中心 ATS子系統(tǒng)通過 DCS與其他子系統(tǒng)通信并交換數(shù)據(jù)和命令,對信號各子系統(tǒng)及其他系統(tǒng)進行監(jiān)控;負責列車的識別、確認;自動或人工設(shè)置進路;調(diào)節(jié)列車的運行控制等級和停站時間,以維持時刻表和運行間隔;列車運行圖/時刻表編輯及管理;ATS事件記錄、報告和報警等。

正常情況下中心 ATS自動監(jiān)控全線。當中心ATS故障時,自動切換至某設(shè)備集中站設(shè)置的 ATS主服務(wù)器和通信服務(wù)器控制全線 (即本地自動模式)。ATS還提供人工運行控制模式,包括在車站扣車/取消扣車,建立/解除速度限制,以及臨時區(qū)間封鎖 /取消。

2.區(qū)域控制器 (ZC)負責確定其控制區(qū)內(nèi)列車的移動授權(quán),保證列車以最小的間隔安全運行。軌旁子系統(tǒng)主要由位于設(shè)備集中站的多個分布式ZC組成。ZC通過 DCS與 ATS、CC接口。每個 ZC接收 ATS生成的動態(tài)臨時限速指令和該控制區(qū)內(nèi)列車發(fā)出的位置信息,根據(jù)所有已知障礙物 (包括其他列車、封閉區(qū)段、失去狀態(tài)的道岔等)的位置和運行權(quán)限來確定其區(qū)域內(nèi)所有列車的移動授權(quán),并持續(xù)更新和傳輸移動權(quán)限指令,通過移動閉塞確保列車以最小的運行間隔安全運行。同時 ZC也回應(yīng)相鄰 ZC的授權(quán)申請。ZC還與 MicrolokⅡ接口,以控制和表示軌旁設(shè)備。

3.DSU保存所有維護記錄和列車運行線路的軌道數(shù)據(jù)。軌道數(shù)據(jù)庫通過離線數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建,包括:土建限速信息、身份識別號碼、軌道應(yīng)答器位置、轉(zhuǎn)轍機位置、折返位置、其他障礙物的位置等相關(guān)線路信息。每個 CC和 ZC都使用軌道數(shù)據(jù)庫,定期與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器聯(lián)系,獲取當前正在使用的數(shù)據(jù)庫版本號。如果 CC或 ZC需要更新數(shù)據(jù)則向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)出請求,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將通過發(fā)送一系列所需的軌道數(shù)據(jù)信息來回應(yīng)。

4.聯(lián)鎖控制器 MicroLokⅡ負責執(zhí)行軌旁聯(lián)鎖邏輯的安全性功能。正線計算機聯(lián)鎖采用分布式聯(lián)鎖控制方式。每個聯(lián)鎖區(qū)包括有岔站和無岔站,由MicrolokⅡ控制。MicrolokⅡ的基本功能是根據(jù)一個標準的執(zhí)行程序和一個專為安全功能而設(shè)計的應(yīng)用程序,來處理輸入量并生成相應(yīng)輸出,達到控制安全聯(lián)鎖的功能。每個 MicrolokⅡ都有一個唯一的IP地址,通過軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與 ZC保持通信。還通過安全繼電器接口電路與軌旁設(shè)備接口,采集并控制其狀態(tài)。與 MicrolokⅡ接口的軌旁設(shè)備包括本站及其聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)其他車站的信號機、轉(zhuǎn)轍機、計軸主機、現(xiàn)地控制盤、緊急停車按鈕、自動折返按鈕、站臺屏蔽門及區(qū)間隔斷門等。

5.本地控制工作站 (LCW)主要用于與站級設(shè)備有關(guān)的故障模式。當中心 ATS和本地 ATS均不可用時,使用本地 (車站)人工控制模式。使用時,將開關(guān)鎖在本地控制位置,本地人工僅通過LCW進行。人工控制僅限于該 MicrolokⅡ控制的聯(lián)鎖區(qū)域。鄰近聯(lián)鎖區(qū)仍將在其既有模式下繼續(xù)運行。

6.車載控制器 (CC)負責列車定位、允許速度執(zhí)行、控制模式管理、移動授權(quán)以及其他有關(guān)的ATP和ATO功能。每個 CC裝載有描述列車所在線路的軌道數(shù)據(jù)庫 (由 DSU傳輸)。CC通過車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與列車的各子系統(tǒng)接口,如 CC與速度/位移傳感器和查詢應(yīng)答器接口,以確定列車的位置;CC與列車司機顯示器接口,顯示駕駛信息、設(shè)備狀況,以及給司機的報警。CC還通過車載無線臺 MR(采用空間分集技術(shù))在車載設(shè)備和軌旁設(shè)備間進行雙向高速、安全可靠、實時連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸,根據(jù)軌旁 ZC發(fā)出的移動授權(quán)指令來執(zhí)行ATP和 ATO功能。

車載 ATP和 ATO子系統(tǒng)通過 2個獨立的以太網(wǎng)連接到 MR。ATP主要負責超速防護,保障安全,包括安全速度/距離曲線的確定與執(zhí)行、CBTC運行模式、安全列車間隔、安全門控、安全的防退行和防溜等。ATO主要負責正常情況下列車高質(zhì)量的運行,包括自動啟動、速度控制、程序停站、門控等。ATO與 ATP交換數(shù)據(jù),ATO始終在 ATP的監(jiān)督下運行。列車有 5種駕駛模式:全自動駕駛模式 (AM)、有 ATP防護的人工駕駛模式 (ATPM)、備用駕駛模式 (BATPM)、受限的人工駕駛模式 (RM)和旁路模式 (BY)。

7.數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng) (DCS)提供中心控制室(OCC)、軌旁子系統(tǒng) (ZC、MicroLokⅡ)、車載子系統(tǒng)及其他沿線地面設(shè)備之間雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)通信。有線通信網(wǎng)絡(luò)采用 IEEE802.3以太標準,無線通信采用先進的 WLAN技術(shù) IEEE802.11g標準。

1)軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提供各軌旁子系統(tǒng) (ZC、MicroLokⅡ等 )和軌旁無線設(shè)備 (軌旁 AP)接入數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的接口。其結(jié)構(gòu)采用骨干環(huán)網(wǎng)下掛接入網(wǎng),本地設(shè)備通過接入交換機和冗余以太網(wǎng)連接到骨干交換機上,然后到軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)由 2個獨立的互為冗余備份的軌旁網(wǎng)絡(luò)組成。接入交換機提供標準的 10M/100Mb/s以太網(wǎng)接口,遵循國際通行的 IEEE802.3u和802.3x協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議采用 UDP/IP。

2)車-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)提供車-地之間高速、安全、可靠、實時的雙向移動通信,即IEEE802.11g無線局域網(wǎng)技術(shù),并遵循IEEE802.11i無線網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議。

3)車載網(wǎng)絡(luò)提供各車載子系統(tǒng) (ATP、ATO等)、車載設(shè)備 (司機駕駛臺 TOD、安全 I/O控制器 MTORE等)及車載無線臺 (MR)之間的通信接口。車載網(wǎng)絡(luò)由 2個獨立的互為冗余的以太網(wǎng)組成。車載交換機提供標準的 10Mb/s/100Mb/s以太網(wǎng)接口,遵循國際通行的 IEEE802.3u和 802.3x協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議采用 UDP/IP。

另外,信號系統(tǒng)技術(shù)方案還能夠保證最不利故障情況下 (包括 ZC失效、ATS失效、通信系統(tǒng)失效)實現(xiàn)后備模式降級運行,其功能有聯(lián)鎖、自動站間閉塞、點式列車超速防護 (點式 ATP系統(tǒng))。在此模式下,列車占用檢查利用計軸設(shè)備實現(xiàn),司機以地面信號作為主體信號人工駕駛列車。

除上述功能外,信號系統(tǒng)技術(shù)方案還支持非CBTC列車 (ATP故障車、工程車、救援車等)在同一系統(tǒng)中安全運行。非 CBTC列車的運行是以地面信號作為主體信號。非 CBTC列車的位置檢測由輔助列車位置檢測系統(tǒng) (計軸器)完成,其位置信息傳輸給 ZC,用于 CBTC列車的移動授權(quán)計算。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)特點

1.先進性:車-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)中 802.11g采用的調(diào)制方案是正交頻分復(fù)用 OFDM技術(shù),能夠避免解調(diào)時不同子載波間的相互干擾。提供更強的抗干擾數(shù)據(jù)通信能力,802.11i可阻止未授權(quán)用戶進入網(wǎng)絡(luò)。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)絡(luò),將接入交換機采用 RPR彈性分組數(shù)據(jù)環(huán)技術(shù)連接起來(集 IP的智能化、以太網(wǎng)的經(jīng)濟性和光纖環(huán)網(wǎng)的高帶寬效率、可靠性于一體),在提高可靠性的同時,降低了傳送費用。采用華為三康公司新開發(fā)的越區(qū)切換技術(shù) WHFT(WLAN切換優(yōu)化算法),再加上相鄰 AP彼此重疊足夠的區(qū)域 (無線網(wǎng)絡(luò)冗余),能夠?qū)崿F(xiàn) MR從一個 AP移到下一個 AP的零切換時間 (避免切換過程中 MR與 AP的通信中斷),確保了高速列車的行車安全。

2.開放性:網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)采用標準協(xié)議,能與其他供貨商提供的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備實現(xiàn)互通互聯(lián)。

3.擴展性:網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的模塊化設(shè)計具有良好的擴展性,包括無線網(wǎng)絡(luò)擴展和有線網(wǎng)絡(luò)擴展(線路延長和與其他線的互聯(lián)),都是支持平滑擴容與升級;同時系統(tǒng)也考慮與車-地雙向?qū)崟r視頻無線傳輸系統(tǒng)共用的可能性。

4.安全性:采用多種具有世界先進水平的安全防護措施,來保證開放式空間接口數(shù)據(jù)通信安全。包括 128位 AES密碼數(shù)據(jù)加密,用戶認證,動態(tài)密碼刷新機制,數(shù)據(jù)發(fā)送方校驗,數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)完整性檢驗等,滿足 CENELEC50159-2安全標準。

5.簡易性:系統(tǒng)提供良好的網(wǎng)絡(luò)管理手段,為用戶提供簡單、便攜的管理維護方式。

6.健壯性:系統(tǒng)具有很高的可靠性,通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路的冗余,使系統(tǒng)有較強的故障導(dǎo)向安全的功能。無線傳輸設(shè)備全部采用工業(yè)級產(chǎn)品,滿足溫度、震動等環(huán)境要求。

7.抗干擾性:系統(tǒng) (特別是無線通信設(shè)備)對外界電磁干擾 (接觸網(wǎng)供電和雜散電流產(chǎn)生的電磁干擾等)以及其他工作在相同頻率的無線設(shè)備產(chǎn)生的同頻干擾具有很強的抵抗能力。802.11g設(shè)備的抗電磁干擾能力經(jīng)過地下環(huán)境實測合格。

目前該方案正在實施之中。

[1］ 林瑜筠.城市軌道交通信號[M].北京:中國鐵道出版社,2008,192.

[2］ 劉曉娟.城市軌道交通智能控制系統(tǒng)[M].北京:中國鐵道出版社,2008,81.

[3］ 美國聯(lián)合道岔與信號國際公司.西安地鐵 2號線信號系統(tǒng)初步方案[S],2007.

[4］ 房瑛.西安地鐵車-地信息數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)方案淺析[J].鐵道通信信號,2009(11):68.