基于螺旋模型的無線CBTC信號系統項目

趙曉峰

(上海貝爾股份有限公司,上海 201203)

在城市軌道交通中,信號系統是控制列車運行、保證列車運行安全的大型復雜機電系統。按照列車行車密度的不同,分為固定閉塞系統、準移動閉塞系統和移動閉塞系統。無線CBTC(Communications-Based Train Control,基于通信的列車控制)就是移動閉塞的一種應用系統[1]。其車地通信采用IEEE 802.11字母通用標準協議,即無線局域網通信協議。

1 從V模型到螺旋模型

傳統的基于軌道電路的信號系統項目在實際執行過程中,系統生命周期通常遵從“V模型”,該模型是一種瀑布模型,強調系統開發過程需有完整的規劃、分析、設計、測試及文件等管理與控制,因此能有效地確保系統品質。根據國際鐵路標準IEC 62278所述,鐵路應用的典型系統生命周期包含14個階段：概念、系統定義、風險分析、系統需求、系統需求分配、設計及實現、制造、安裝、系統確認、系統驗收、運營及維護、性能監控、更改及翻新、停用及處置[2]。

無線CBTC信號系統由于采用移動閉塞制式,軌旁使用計軸系統實現列車位置檢測,加之車地通信采用開放標準的通信協議,這些與傳統信號系統相比,技術變化較大,從客戶角度來講,一次性開通無線CBTC信號系統,運營和維護都將難以適應，因此,采取分期開通的策略是首選,這就需要使用螺旋模型的系統生命周期。

螺旋模型是一種迭代模型,最早是由美國軟件工程師巴里·勃姆(Barry Boehm)提出,應用于軟件開發過程的演化模型。該模型將瀑布模型和快速原型模型結合起來,強調了其他模型所忽視的風險分析,特別適合于大型復雜系統[3]。圖1是根據鐵路應用的信號系統特點繪制的螺旋模型。

圖1 無線CBTC信號系統螺旋模型

如圖1所示,合同簽署是整個項目的起點,然后按照時間順序,無線CBTC信號系統項目可以分為多個時期,每期項目均需要遵從完整的V模型生命周期。在項目范圍明確后,信號系統供應商需要進行風險分析,也稱為安全分析,從鐵路應用的多個角度,分析信號系統運營中存在的風險,從而生成危害日志,并在每期項目中不斷更新。獲得危害日志后,系統進入需求和設計階段,包括系統需求、系統架構、硬件需求、硬件架構、軟件需求、軟件架構等,每期項目的功能都會不斷擴大,直到完成合同規定的功能范圍。在設備開始制造前,通常都需要一個原型機階段,用于驗證和確認系統需求及設計的正確性,然后才能進行產業化的大規模生產制造。最后進行工程現場的安裝、調試和驗收,在客戶確認系統符合合同要求之后,由供應商的安全部門或者獨立的第三方安全認證公司出具安全證書。只有獲得合格的安全證書,每期項目才能交付客戶投入運營。信號系統投入運營后,供應商的職責并未結束,通常都規定有2年的質保期,在這段時間的運營和維護過程中,供應商需要不斷完善系統,并出具可靠、翔實、準確的運營限制,指導客戶如何規避系統運營風險,從而安全地使用系統。每期項目交付都必須遵從客戶的時間里程碑。城市軌道交通項目都是重大市政工程,信號系統交付會影響線路載客運營的時間,通常情況下,一期項目交付的時間就是客戶要求載客運營的時間。

在螺旋模型的實際應用中,系統生命周期的劃分是難點,無線CBTC信號系統項目交付活動中,需要完成從固定閉塞制式到移動閉塞制式的跨度,同時還要保證系統的安全性,每期的功能范圍如何劃分,成為系統交付的關鍵。

2 無線CBTC信號系統分期項目

按照設備來劃分,無線CBTC信號系統主要有以下子系統：ATS(Automatic Train Supervision,列車自動監控)、聯鎖、ZC(Zone Controller,區域控制器)、VOBC(Vehicle On-board Controller,車載控制器)、DCS(Data Communication System,數據通信系統)。

按照地域來劃分,無線CBTC信號系統的線路通常會分成若干個區域,每個區域包括1套區域ATS設備,1套聯鎖和1套ZC,1個區域的設備可以控制若干個車站。控制中心有1套中心ATS設備。每列車有1套VOBC。

ATS子系統主要實現對列車運行的監督和控制,提供人機界面,向軌旁和車載設備發送控制命令,收集軌旁和車載設備的運行狀態和故障信息。

聯鎖子系統以進路控制為主要內容[4],提供了與軌旁信號設備的接口,包括計軸系統、道岔、信號機、站臺緊急按鈕以及站臺屏蔽門。在移動閉塞制式下的無線CBTC信號系統中,聯鎖的功能有所擴展。

ZC子系統功能主要體現在移動閉塞制式下的無線CBTC信號系統中,可以按照移動閉塞原理計算列車運行的LMA(Limitation Movement Authority,移動授權限制),即列車可以安全走行的距離,并通過車地無線網絡發送至車載設備。

VOBC子系統主要功能是與車輛接口,控制列車運行狀態,并提供了與車載信號設備的接口,包括速度計、加速度計、信標應答器、接近盤天線,以及司機顯示器。VOBC有多種駕駛模式：ATO(Automatic Train Operation,列車自動駕駛模式)、ATPM(Automatic Train Protection Manual,有列車自動防護的人工模式)、WSP(Wayside Signal Protection,軌旁信號保護模式)、RM(Restricted Manual,限制人工模式)等。

DCS子系統主要提供各個子系統之間的通信傳輸通道,對各個子系統是透明的,主要包括區域局域網、軌旁骨干網、車地無線局域網、車載局域網。

結合系統功能特點[5]和客戶能力儲備情況,無線CBTC信號系統項目分為3期開通較為合理,一期主要提供以客戶熟悉的聯鎖子系統為基礎的固定閉塞制式信號系統,輔以基本ATP功能的VOBC子系統；二期在一期功能基礎上提供基本ATP功能的ZC子系統,并實現了ATO、ATPM駕駛模式,可以稱之為準“移動閉塞制式”信號系統；三期則提供了完整功能的移動閉塞制式信號系統,也稱為CBTC系統[6]。

2.1 一期項目

無線CBTC信號系統一期項目交付主要包括：ATS、聯鎖、VOBC,以及DCS。實現的內部接口有：ATS-聯鎖,ATS-VOBC。見圖2。

圖2 無線CBTC一階段系統

在一期項目中,ATS已經實現基本的監控功能,并提供基于時刻表的自動調整。根據固定閉塞制式的“雙紅燈防護”原則,軌旁信號設備均已安裝到位,確保線路上前后連續的兩列車之間有兩個紅燈進行防護。聯鎖實現了基于聯鎖表的固定閉塞進路,站臺緊急按鈕和站臺屏蔽門均進入聯鎖表。

為了配合車載功能,軌旁還安裝了信標和接近盤,其中,信標有A/B/C 3種,A信標用于輔助列車定位功能,B信標用于輔助列車的基本ATP功能,C信標用于輔助列車輪徑校準功能。A信標和C信標屬于無源信標,B信標與信號機允許信號串聯,當允許信號開放時,B信標上電,而當禁止信號開放時,B信標失電。

VOBC實現了列車定位、空轉/打滑檢測、超速防護、紅燈信號監督、倒溜防護、車門使能及開門監督等功能。運營時,司機在WSP模式保護下人工行車,當前方出現紅燈時,VOBC只能依靠軌旁的B信標狀態來檢測信號機表示,從而自動觸發列車緊急制動,列車停下時,車頭已經越過紅燈,但是不會越過當前進路的防護區段。列車到站時,司機需要分別手動打開車門和站臺屏蔽門。此外,VOBC還可以將列車實時信息發送到ATS,包括列車ID、位置、速度、方向、車門狀態、車站停準信息等。

一期項目信號系統只支持單向運營。

一期項目實現的固定閉塞制式信號系統將會作為二期和三期項目信號系統的后備系統。

以上海地鐵8號線為例,一期項目的站間(不含折返)最小設計運營間隔是192 s[7]。

2.2 二期項目

無線CBTC信號系統二期項目交付主要包括：ZC和升級后的ATS、聯鎖和VOBC。實現的內部接口有：ATS-ZC,ZC-聯鎖,ZC-VOBC,以及升級后的ATS-VOBC。見圖3。

圖3 無線CBTC二階段系統

在二期項目中,ATS增加了與ZC相關的功能,包括打開/關閉軌道,設置臨時限速。聯鎖與軌旁信號設備的硬件接口沒有變化,進路功能也無變化,ATS依然是將進路命令發送到聯鎖。聯鎖新增與ZC的接口,發送給ZC的數據包括：區域內的計軸區段占用/空閑狀態、道岔定/反位、信號機表示、站臺屏蔽門狀態,以及已排列進路的防護區段的激活/非激活狀態；從ZC接收的數據則包括：站臺屏蔽門打開/關閉命令。ZC主要負責管理軌道狀態和臨時限速。ZC會向VOBC發送軌旁信號設備狀態,包括計軸區段、道岔、信號機、進路防護區段狀態,以及ZC的內部數據——軌道關閉/打開狀態、臨時限速的位置和限速值。

軌旁設備布置在二期項目中沒有任何變化。

VOBC新增ATO和ATPM模式,這2種駕駛模式均可以根據ZC發送的軌旁信號設備數據自行計算LMA,并確定安全停車點,只包括站臺停車點和信號機停車點。行車原則還是“雙紅燈防護”原則,但是由于VOBC可以提前知道前方信號機表示,從而可以保證列車在紅燈前停下。當列車所在進路的防護區段處于激活狀態時,列車停下的位置就在紅燈前；當防護區段處于非激活狀態時,列車停下的位置與前方紅燈之間會有一個安全距離,該距離是根據列車當前速度和所在進路的防護區段的長度進行計算的。ATO模式實現了2種速度曲線——正常和加速。列車到站時,司機只需要打開車門,站臺屏蔽門隨之可以聯動。

二期項目中,ATO和ATPM模式可用的條件是ZC和VOBC保持通信,當ZC和VOBC失去通信時,系統仍然可用,此時,VOBC采取WSP模式人工行車,軌旁的聯鎖則繼續發揮進路功能,整個運營方式類似于一期的系統。

二期項目信號系統也只支持單向運營。

以上海地鐵8號線為例,二期項目的站間(不含折返)最小設計運營間隔是185 s[8]。

2.3 三期項目

無線CBTC信號系統三期項目交付主要包括：升級后的ATS、聯鎖、ZC和VOBC。實現的內部接口有：ZC-相鄰區域ZC,以及升級后的ATS-ZC,ATS-聯鎖,ZC-聯鎖,ZC-VOBC,ATS-VOBC。見圖4。

圖4 無線CBTC三階段系統

在三期項目中,系統升級到移動閉塞制式的CBTC系統,ATS增加了CBTC進路相關的功能,并向ZC發送進路命令。聯鎖有2種工作模式：CBTC模式和后備模式。CBTC模式的聯鎖處于受控地位,接收ZC發送的命令,控制道岔轉動和信號機顯示；后備模式的聯鎖處于主控地位,不再接收ZC命令,而是與傳統聯鎖功能類似。ZC也有2種工作模式：CBTC模式和后備模式。CBTC模式的ZC可以計算LMA,并發送給列車,以此控制列車走行的距離；后備模式的ZC處于不輸出的狀態,整個信號系統轉為固定閉塞制式,列車的安全運行由聯鎖子系統來保證。聯鎖和ZC的2種模式之間切換,只能通過操作員發命令來完成,不能自動切換,同時為保證安全,2種模式之間的轉換需要一定的延時。聯鎖和ZC必須同時處于CBTC模式或后備模式。相鄰區域的ZC實現了通信,當ATS辦理了跨區域的進路時,當前區域ZC會向相鄰區域ZC發送進路延伸請求。

VOBC的運營模式依然是ATO和ATPM,只是三期的車載設備不再自行計算LMA,而是直接從ZC接收LMA。列車運行采取移動閉塞方式,前后連續的兩列列車的最小距離不再受計軸區段的限制。安全停車點也進行了擴展,后續列車可以在前行列車的緩行回退距離(40 m)之外停下。ATO模式實現了5種速度曲線——節能、中間1、中間2、正常和加速。列車到站時,VOBC可以自動打開車門,站臺屏蔽門隨之可以聯動。

三期項目中,ATO和ATPM模式可用的條件也是ZC和VOBC保持通信,當ZC和VOBC失去通信時,系統仍然可用,此時,VOBC采取WSP模式人工行車,軌旁的ZC和聯鎖可以是CBTC模式,也可以后備模式,均會繼續發揮進路功能,整個運營方式類似于一期的系統。

三期項目信號系統支持雙向運營。

以上海地鐵8號線為例,三期項目的站間(不含折返)最小設計運營間隔是83 s[9]。

3 項目分期之間的割接

無論是一期到二期,還是二期到三期,無線CBTC信號系統的切換都很難在一夜之間完成,這有人力和地域的限制,更重要的是考慮到運營安全的因素,因此,這就形成了一個特殊的運營時期——割接時期。

系統割接的標準流程如下：首先升級ATS,使其同時兼容本期和下一期系統的軌旁和車載子系統；然后,升級所有區域的軌旁子系統；第三,升級所有車載子系統；最后,再次升級ATS,去除對舊版本軌旁和車載子系統的兼容性。

3.1 一期到二期的割接

按照上述割接順序,一期到二期的割接時期中,運營中的特殊情況是二期ATS、二期ZC和聯鎖,以及一期VOBC同時出現,此時,一期VOBC行車依然采用WSP模式,二期ZC不會與一期VOBC建立通信。對于一期列車,系統采取基于二期聯鎖的固定閉塞制式。

3.2 二期到三期的割接

按照上述割接順序,二期到三期的割接時期中,運營中的特殊情況是三期ATS、三期ZC和聯鎖,以及二期VOBC同時出現,此時,二期VOBC不會與三期ZC建立通信,轉而采用WSP模式行車,三期ZC和聯鎖處于CBTC模式。對于二期列車,整個系統采取基于三期ZC和聯鎖的固定閉塞制式。

4 結語

通過研究螺旋模型的系統生命周期,結合IEC在鐵路應用系統領域的標準,針對國內無線CBTC信號系統國產化剛剛起步的現狀,從城市軌道交通建設的整體出發,為降低軌道交通建設難度,提出了一種無線CBTC信號系統的螺旋模型,將系統開通分為3個時期,并詳細描述各期的功能特點、系統架構以及性能參數。

城市軌道交通信號系統項目是以安全為核心的復雜機電項目,項目開通采取基于螺旋模型的分期策略,有助于降低項目風險,同時,對于將來制定城市軌道交通信號系統的分級標準體系[10]也具有重大參考意義。

[1] 蔣晟.基于通信的列車控制——CBTC[J].科協論壇,2009(2)：74．

[2] IEC.IEC 62278 Railway applications-Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS)[S].IEC,2002．

[3] 李芳芳,錢猛,葛斌,唐九陽.基于結構化方法和螺旋模型的本科畢業設計管理研究[J].高等教育研究學報,2010(4)：94-96．

[4] 林瑜筠,呂永昌.計算機聯鎖[M].2版.北京：中國鐵道出版社,2010：8．

[5] IEC. IEC 62290-2 Railway applications-Urban guided transport management and command/control systems part 2: functional requirements specification[S]. IEC,2009．

[6] 阿爾卡特加拿大公司.上海8號線項目分期綜述[R].加拿大：阿爾卡特加拿大公司,2006．

[7] 泰雷茲軌道信號公司.上海8號線一期系統性能分析報告[R].加拿大：泰雷茲軌道信號公司,2007．

[8] 泰雷茲軌道信號公司.上海8號線二期系統性能分析報告[R].加拿大：泰雷茲軌道信號公司,2008．

[9] 泰雷茲軌道信號公司.上海8號線三期系統性能分析報告[R].加拿大：泰雷茲軌道信號公司,2011．

[10] 劉宏杰,郜春海,劉波,陳黎潔.城市軌道交通列車運行控制系統分級標準研究[J].都市快軌交通,2011(4)：5-8.