西安軌道交通信號系統技術方案分析

雷錫絨

*西安鐵路職業技術學院 講師,710014 西安

移動閉塞是運用無線通信實現車-地數據傳輸的。西安地鐵 2號線一期工程信號系統采用基于無線通信移動閉塞列車控制 (CBTC)技術,能夠安全、可靠地實現全功能、全方位的列車運行控制。該系統采用最新科學技術,可實現 90 s行車間隔;設備數量有效減少,后期維護量小;運用統一的技術標準,便于實現互聯互通。分析研究典型城市軌道交通信號系統 CBTC技術方案,可對城市軌道交通的發展提供技術參考。

1 西安地鐵 2號線信號系統組成

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

圖 1 信號控制系統總體框圖

1.中心列車自動監控子系統 (ATS)由監控設備、光纜、電纜、計算機 (Linux操作系統)及外設、數據網絡、軟件等組成。

2.區域控制器 (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.數據庫存儲單元 (DSU)由軌道數據庫和系統運行參數存儲所用的冗余服務器組成。

4.聯鎖控制器 (MicroLokⅡ)是一個專為鐵路安全應用而設計的基于微處理器 (68322安全微處理器)的邏輯控制器,位于設備集中站信號設備室內,雙機熱備配置,相鄰聯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,設備與控制中心所用設備相同。

6.MicrolokⅡ本地控制工作站(LCW)配備一套操作和顯示設備(工業控制機)作為車站現地工作站。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,是車載子系統的關鍵設備,分別安裝在車頭和車尾,三取二冗余配置。

8.數據通信子系統 (DCS)是一個寬帶通信系統,提供開放的通信接口和體系架構,最大程度地采用現成的商業化設備。DCS系統由軌旁數據通信網絡 (主要由軌旁設備、接入交換機和軌旁骨干網絡構成)、車-地雙向通信網絡和車載數據通信網絡 3部分構成。

上述中心 ATS子系統、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 LAN配置構成。

2 系統功能及實現

1.ATS子系統實現對全線列車運行的管理和監控。中心 ATS子系統通過 DCS與其他子系統通信并交換數據和命令,對信號各子系統及其他系統進行監控;負責列車的識別、確認;自動或人工設置進路;調節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自動監控全線。當中心ATS故障時,自動切換至某設備集中站設置的 ATS主服務器和通信服務器控制全線 (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,以及臨時區間封鎖 /取消。

2.區域控制器 (ZC)負責確定其控制區內列車的移動授權,保證列車以最小的間隔安全運行。軌旁子系統主要由位于設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生成的動態臨時限速指令和該控制區內列車發出的位置信息,根據所有已知障礙物 (包括其他列車、封閉區段、失去狀態的道岔等)的位置和運行權限來確定其區域內所有列車的移動授權,并持續更新和傳輸移動權限指令,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也回應相鄰 ZC的授權申請。ZC還與 MicrolokⅡ接口,以控制和表示軌旁設備。

3.DSU保存所有維護記錄和列車運行線路的軌道數據。軌道數據庫通過離線數據庫創建,包括:土建限速信息、身份識別號碼、軌道應答器位置、轉轍機位置、折返位置、其他障礙物的位置等相關線路信息。每個 CC和 ZC都使用軌道數據庫,定期與數據庫服務器聯系,獲取當前正在使用的數據庫版本號。如果 CC或 ZC需要更新數據則向數據庫服務器發出請求,數據庫服務器將通過發送一系列所需的軌道數據信息來回應。

4.聯鎖控制器 MicroLokⅡ負責執行軌旁聯鎖邏輯的安全性功能。正線計算機聯鎖采用分布式聯鎖控制方式。每個聯鎖區包括有岔站和無岔站,由MicrolokⅡ控制。MicrolokⅡ的基本功能是根據一個標準的執行程序和一個專為安全功能而設計的應用程序,來處理輸入量并生成相應輸出,達到控制安全聯鎖的功能。每個 MicrolokⅡ都有一個唯一的IP地址,通過軌旁數據通信網絡與 ZC保持通信。還通過安全繼電器接口電路與軌旁設備接口,采集并控制其狀態。與 MicrolokⅡ接口的軌旁設備包括本站及其聯鎖區內其他車站的信號機、轉轍機、計軸主機、現地控制盤、緊急停車按鈕、自動折返按鈕、站臺屏蔽門及區間隔斷門等。

5.本地控制工作站 (LCW)主要用于與站級設備有關的故障模式。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控制的聯鎖區域。鄰近聯鎖區仍將在其既有模式下繼續運行。

6.車載控制器 (CC)負責列車定位、允許速度執行、控制模式管理、移動授權以及其他有關的ATP和ATO功能。每個 CC裝載有描述列車所在線路的軌道數據庫 (由 DSU傳輸)。CC通過車載數據通信網絡與列車的各子系統接口,如 CC與速度/位移傳感器和查詢應答器接口,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)在車載設備和軌旁設備間進行雙向高速、安全可靠、實時連續的數據傳輸,根據軌旁 ZC發出的移動授權指令來執行ATP和 ATO功能。

車載 ATP和 ATO子系統通過 2個獨立的以太網連接到 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交換數據,ATO始終在 ATP的監督下運行。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.數據通信子系統 (DCS)提供中心控制室(OCC)、軌旁子系統 (ZC、MicroLokⅡ)、車載子系統及其他沿線地面設備之間雙向、可靠、安全的數據通信。有線通信網絡采用 IEEE802.3以太標準,無線通信采用先進的 WLAN技術 IEEE802.11g標準。

1)軌旁數據通信網絡提供各軌旁子系統 (ZC、MicroLokⅡ等 )和軌旁無線設備 (軌旁 AP)接入數據通信子系統的接口。其結構采用骨干環網下掛接入網,本地設備通過接入交換機和冗余以太網連接到骨干交換機上,然后到軌旁骨干網絡。軌旁數據通信網絡由 2個獨立的互為冗余備份的軌旁網絡組成。接入交換機提供標準的 10M/100Mb/s以太網接口,遵循國際通行的 IEEE802.3u和802.3x協議。網絡層和傳輸層協議采用 UDP/IP。

2)車-地雙向通信網絡提供車-地之間高速、安全、可靠、實時的雙向移動通信,即IEEE802.11g無線局域網技術,并遵循IEEE802.11i無線網絡安全協議。

3)車載網絡提供各車載子系統 (ATP、ATO等)、車載設備 (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。車載網絡由 2個獨立的互為冗余的以太網組成。車載交換機提供標準的 10Mb/s/100Mb/s以太網接口,遵循國際通行的 IEEE802.3u和 802.3x協議。網絡層和傳輸層協議采用 UDP/IP。

另外,信號系統技術方案還能夠保證最不利故障情況下 (包括 ZC失效、ATS失效、通信系統失效)實現后備模式降級運行,其功能有聯鎖、自動站間閉塞、點式列車超速防護 (點式 ATP系統)。在此模式下,列車占用檢查利用計軸設備實現,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,信號系統技術方案還支持非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 (計軸器)完成,其位置信息傳輸給 ZC,用于 CBTC列車的移動授權計算。

3 系統網絡主要技術特點

1.先進性:車-地雙向通信網絡中 802.11g采用的調制方案是正交頻分復用 OFDM技術,能夠避免解調時不同子載波間的相互干擾。提供更強的抗干擾數據通信能力,802.11i可阻止未授權用戶進入網絡。軌旁數據通信網絡中的骨干網絡,將接入交換機采用 RPR彈性分組數據環技術連接起來(集 IP的智能化、以太網的經濟性和光纖環網的高帶寬效率、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的越區切換技術 WHFT(WLAN切換優化算法),再加上相鄰 AP彼此重疊足夠的區域 (無線網絡冗余),能夠實現 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:網絡體系架構采用標準協議,能與其他供貨商提供的網絡通信設備實現互通互聯。

3.擴展性:網絡體系架構的模塊化設計具有良好的擴展性,包括無線網絡擴展和有線網絡擴展(線路延長和與其他線的互聯),都是支持平滑擴容與升級;同時系統也考慮與車-地雙向實時視頻無線傳輸系統共用的可能性。

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據通信安全。包括 128位 AES密碼數據加密,用戶認證,動態密碼刷新機制,數據發送方校驗,數據過濾和數據完整性檢驗等,滿足 CENELEC50159-2安全標準。

5.簡易性:系統提供良好的網絡管理手段,為用戶提供簡單、便攜的管理維護方式。

6.健壯性:系統具有很高的可靠性,通過網絡設備和鏈路的冗余,使系統有較強的故障導向安全的功能。無線傳輸設備全部采用工業級產品,滿足溫度、震動等環境要求。

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

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[M].北京:中國鐵道出版社,2008,81.

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

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