城市軌道交通區(qū)域控制器布置數(shù)量研究

盧 楠，龐彥知，李少鵬

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2. 哈爾濱鐵路局 電務(wù)段，哈爾濱 150001；3.卡斯柯信號(hào)有限公司 北京分公司，北京 100044；4.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，北京 100044）

城市軌道交通區(qū)域控制器布置數(shù)量研究

盧 楠1,2，龐彥知3，李少鵬4

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2. 哈爾濱鐵路局 電務(wù)段，哈爾濱 150001；3.卡斯柯信號(hào)有限公司 北京分公司，北京 100044；4.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，北京 100044）

區(qū)域控制器作為基于無線通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵地面設(shè)備，其在一條地鐵線路中的布置一直采用一級(jí)設(shè)備站布置的方式，具有一定的優(yōu)化調(diào)整空間。本文在介紹區(qū)域控制器的結(jié)構(gòu)、功能和接口的基礎(chǔ)上，通過分析影響區(qū)域控制器布置數(shù)量的定量因素，提出區(qū)域控制器布置的一些基本原則，同時(shí)給出一條地鐵線計(jì)算區(qū)域控制器數(shù)量的公式，并以北京地鐵10號(hào)線一期工程為對(duì)象，使用公式計(jì)算了區(qū)域控制器的數(shù)量。

城市軌道交通；CBTC；區(qū)域控制器；布置數(shù)量

基于無線通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）已經(jīng)成為現(xiàn)在城市軌道交通的首選系統(tǒng)，其具有運(yùn)行密度大，發(fā)車間隔小，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。區(qū)域控制器（ZC, Zone Control）是CBTC系統(tǒng)下的關(guān)鍵地面設(shè)備，一條地鐵線需要布置多個(gè)ZC，然而一條線路布置多少數(shù)量的ZC目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備提供商希望布置得越多越好，但從成本和效率方面看，ZC并不是布置得越多越好。論文以ZC布置為研究對(duì)象，結(jié)合CBTC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和ZC參數(shù)，采用數(shù)值公式計(jì)算的方法來獲取一條地鐵線需要布置的ZC數(shù)量。

1 ZC系統(tǒng)功能及其結(jié)構(gòu)

1.1 ZC系統(tǒng)功能

區(qū)域控制器根據(jù)通信列車所匯報(bào)的位置信息以及聯(lián)鎖所排列的進(jìn)路和軌旁設(shè)備提供的軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內(nèi)的通信列車計(jì)算生成移動(dòng)授權(quán)（MA ，Movement Authority ），保證其控制區(qū)域內(nèi)通信列車的安全運(yùn)行，具備在各種列車控制等級(jí)和駕駛模式下進(jìn)行列車管理的能力。

1.1.1 軟件功能

ZC子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)中超速防護(hù)（ATP ，Automation Train Protection ）系統(tǒng)的軌旁部分，ZC子系統(tǒng)功能軟件從總體上可劃分為列車狀態(tài)信息管理、設(shè)置與處理移動(dòng)授權(quán)、強(qiáng)制命令與輔助功能、數(shù)據(jù)庫版本比較、故障處理以及為系統(tǒng)提供維護(hù)診斷信息等幾大功能模塊。ZC子系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證列車在系統(tǒng)控制的線路內(nèi)安全運(yùn)行，通過為每列通信列車提供一個(gè)MA完成。當(dāng)列車在受控線路區(qū)域內(nèi)按照正常時(shí)刻表運(yùn)行時(shí)，車載控制器（VOBC，Vehicle On-board Controller）將列車的位置與運(yùn)行方向發(fā)送給ZC，而ZC使用列車當(dāng)前位置、行駛方向、進(jìn)路以及周圍線路的當(dāng)前狀態(tài)來決定每列車的MA。ZC再向VOBC傳達(dá)列車的MA。VOBC負(fù)責(zé)列車在自己的MA范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)列車的移動(dòng)授權(quán)延伸至ZC分界點(diǎn)時(shí)，移交ZC（管轄列車當(dāng)前所處區(qū)域的ZC）將向接管ZC（管轄列車即將進(jìn)入?yún)^(qū)域的ZC）發(fā)出移交申請(qǐng)，此后由相鄰兩個(gè)ZC分別為該移交列車計(jì)算各自管轄范圍內(nèi)的移動(dòng)授權(quán)，并由列車當(dāng)前受控的ZC負(fù)責(zé)將兩部分的移動(dòng)授權(quán)進(jìn)行混合后發(fā)送給列車，并根據(jù)線路情況不斷更新移動(dòng)授權(quán)。ZC移動(dòng)授權(quán)示意圖如圖1所示。

圖1 ZC移動(dòng)授權(quán)示意圖

1.1.2 硬件結(jié)構(gòu)

ZC采用雙系并行工作的“2乘2取2”安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)部通信和外部通信都采用冗余通道設(shè)計(jì)。雙系之間采用隔離技術(shù)，保證對(duì)其中一系統(tǒng)進(jìn)行維修與替換不會(huì)對(duì)另外一系統(tǒng)以及其他子系統(tǒng)的正常工作造成任何影響，即任何一個(gè)ZC計(jì)算機(jī)、或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能正常工作，整個(gè)系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常工作，不會(huì)導(dǎo)致其他子系統(tǒng)無故切換。ZC具有“2乘2取2”配置從而保證其高可用性。如果其中一套冗余設(shè)備故障，ZC將使用另一套設(shè)備繼續(xù)工作。即使在設(shè)備完全故障的情況下，系統(tǒng)仍有運(yùn)行機(jī)制保證運(yùn)營并可盡快恢復(fù)。

1.2 ZC系統(tǒng)接口

ZC是CBTC系統(tǒng)地面的核心設(shè)備，其和車載VOBC，聯(lián)鎖設(shè)備，ATS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（DSU）及相鄰的ZC都有交互信息，如圖2所示。

圖2 ZC的交互信息

1.2.1 ZC與車載設(shè)備

在無線通信設(shè)備的輔助下，車載設(shè)備與ZC可以實(shí)現(xiàn)雙向的實(shí)時(shí)通信。

（1）車載發(fā)送給ZC的信息

車載設(shè)備把列車的位置報(bào)告發(fā)送給地面ZC，位置報(bào)告每間隔一段時(shí)間或一個(gè)參考點(diǎn)向管轄范圍內(nèi)的ZC發(fā)送。除開位置報(bào)告外，車載設(shè)備還附加發(fā)送列車速度、等級(jí)、模式等相關(guān)的列車狀態(tài)信息。

（2）ZC發(fā)送給車載的信息

移動(dòng)授權(quán)是ZC發(fā)送給車載的關(guān)鍵信息，是列車行駛的依據(jù)。此外，ZC還附加發(fā)送前面車站信息，道岔位置信息，防護(hù)點(diǎn)狀態(tài)，如屏蔽門或緊急停車按鈕相關(guān)的緊急停車區(qū)域。臨時(shí)限速信息也是ZC通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給車載設(shè)備的。

1.2.2 ZC與ATS設(shè)備

ZC與列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)（ATS ，Autonatic Train Supenvsion）之間通過雙冗余的系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)方式采用有線通信。

（1）ATS發(fā)送給ZC的信息

ATS上臨時(shí)限速信息的設(shè)置與取消，發(fā)送給列車的立即停車命令，發(fā)送給車載ATO的列車調(diào)整命令，以及ATS上的大多數(shù)操作命令，特別是需要CBI執(zhí)行的進(jìn)路命令。

（2）ZC發(fā)送給ATS的信息

ZC把其管轄范圍內(nèi)的列車位置報(bào)告信息，速度信息，模型信息通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ATS設(shè)備。同時(shí)，對(duì)執(zhí)行的臨時(shí)限速操作進(jìn)行反饋。這些信息都是ATS執(zhí)行監(jiān)督的必備信息。

1.2.3 ZC與CBI設(shè)備

ZC與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）設(shè)備之間的信息交換通道同ZC與ATS之間交互的信息通道是一樣的。所不同之處是ATS一條線路布置一個(gè)，ZC和CBI設(shè)備根據(jù)線路情況需要布置不止一對(duì)。

（1）ZC發(fā)送給CBI設(shè)備的信息

ZC將管轄范圍內(nèi)的列車狀態(tài)信息發(fā)送給CBI設(shè)備，主要包括列車的位置報(bào)告和列車的速度信息。

（2）CBI設(shè)備發(fā)送給ZC的信息

CBI設(shè)備把進(jìn)路信息，道岔位置信息，軌道狀態(tài)信息，屏蔽門狀態(tài)及緊急按鈕狀態(tài)信息發(fā)送給ZC。這些信息都是ZC計(jì)算MA所必須的。

1.2.4 ZC與相鄰ZC

由于一條線路上需要布置多個(gè)ZC，列車不可避免的要在ZC之間進(jìn)行切換，為了能使列車不降低效率的通過ZC切換邊界，ZC與相鄰ZC之間需要交互信息。移交ZC會(huì)提前告知接受ZC準(zhǔn)備切換的列車信息，向接受ZC請(qǐng)求進(jìn)路信息，接受ZC收到移交ZC的請(qǐng)求信息后，把接受ZC管轄范圍內(nèi)的部分信息（包括切換邊界附近的線路信息及動(dòng)態(tài)信息）發(fā)送給移交ZC，移交ZC根據(jù)這些情況計(jì)算跨過邊界的MA發(fā)送給車載設(shè)備。待列車越過ZC切換點(diǎn)后，移交ZC斷開與列車的通信，列車的MA來自于接收ZC。

2 ZC數(shù)量的計(jì)算方法

2.1 ZC數(shù)量計(jì)算的相關(guān)原則

目前ZC的布置還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)生產(chǎn)商家希望一條線路上布置ZC的數(shù)量盡量的多。但從使用方的角度來看，ZC的布置數(shù)量越多，成本就越高，從旅客的角度來看，ZC的布置數(shù)量越多，對(duì)運(yùn)行效率就會(huì)產(chǎn)生影響，因?yàn)闀?huì)不斷的有ZC切換。但也不能一味的把ZC的數(shù)量減少，這樣會(huì)帶來控制能力不足，導(dǎo)致列車降級(jí)運(yùn)行，同樣會(huì)影響效率。由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在充分考慮城市軌道交通特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，參考了中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)3級(jí)無線閉塞中心的布置原則。無線閉塞中心的功能與ZC功能大同小異，只是前者更為復(fù)雜，在沒有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的情況下，后者可以借鑒前者的一些相關(guān)規(guī)范。

隨著現(xiàn)在城市發(fā)展的不斷加快，部分城市的地鐵線路較長，比如武漢地鐵6號(hào)線長36 km；杭州地鐵1號(hào)線長48 km；北京地鐵6號(hào)線長48 km；北京地鐵10號(hào)線長57.1 km，共設(shè)置了45座車站、1座車輛段和兩座停車場。線路越長，ZC的布置數(shù)量也就可能越多，ZC的布置原則受到自身軟硬件技術(shù)的限制。但必須滿足以下的性能指標(biāo)。

ATS子系統(tǒng)可以控制系統(tǒng)中的所有列車，監(jiān)控和管理的最少列車數(shù)量按照線路延伸后遠(yuǎn)期運(yùn)用列車數(shù)量計(jì)算。此外系統(tǒng)還至少保證30%的性能預(yù)留。具體如下：

（1）中心所有計(jì)算機(jī)硬件容量在按照遠(yuǎn)期站場規(guī)模配置的基礎(chǔ)上，控制、表示及監(jiān)視對(duì)象具備30%以上的備用量。

（2）系統(tǒng)監(jiān)控和管理的最大列車數(shù)量在線路延伸后遠(yuǎn)期列車數(shù)量的基礎(chǔ)上預(yù)留30%的余量。

（3）每個(gè)車地?zé)o線通信（TWC）設(shè)備機(jī)柜控制的TWC環(huán)線數(shù)量為12段。

（4）TWC室內(nèi)設(shè)備與室外環(huán)線的控制距離為3 km。

（5）聯(lián)鎖控制能力。

（6）每個(gè)主聯(lián)鎖（邏輯運(yùn)算部）能夠控制15個(gè)目標(biāo)控制器。

（7）控制中心：控制中心ATS系統(tǒng)至少能管理100列車，對(duì)于線路長度不做限制。

（8）軌旁無線通信系統(tǒng)：由于采用模塊化的設(shè)備，軌旁無線通信系統(tǒng)的列車數(shù)量不受限制。

（9）軌旁ATP系統(tǒng)：每套ZC至少能管理30列車。

2.2 ZC布置需要滿足的原則

2.2.1 ZC控制范圍的邊界

ZC控制范圍的邊界，也就是ZC的切換點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在降級(jí)運(yùn)行后的軌道分界點(diǎn)處，包括計(jì)軸器分界點(diǎn)和軌道電路分界點(diǎn)，不宜設(shè)置在非分界點(diǎn)處，因?yàn)檫@樣會(huì)對(duì)降級(jí)運(yùn)行或者對(duì)存在CBTC系統(tǒng)控制列車和點(diǎn)式控制列車同時(shí)運(yùn)行時(shí)造成影響，降低效率，甚至可能危及安全。

2.2.2 控制范圍

ZC的控制范圍需要綜合考慮以下各項(xiàng)內(nèi)容，以下的因素是ZC布置數(shù)量計(jì)算的主要依據(jù)：

（1）ZC管轄范圍內(nèi)可能存在的列車注冊(cè)數(shù)量不應(yīng)該超過ZC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的容量，并且應(yīng)該留有一定的余量。

（2）由于ZC需要和CBI進(jìn)行進(jìn)路數(shù)據(jù)通信，并根據(jù)進(jìn)路數(shù)據(jù)計(jì)算列車MA，所以ZC管轄范圍內(nèi)可能同時(shí)存在的設(shè)置進(jìn)路數(shù)量不應(yīng)該超過ZC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的容量，并留有一定的余量。

（3）ZC管轄范圍內(nèi)可能存在的臨時(shí)限速區(qū)域數(shù)量不應(yīng)該超過ZC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的容量。

（4）ZC管轄范圍內(nèi)可能存在的緊急停車區(qū)域不應(yīng)該超過ZC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的容量。

（5）ZC管轄范圍內(nèi)可能注冊(cè)的列車數(shù)量不應(yīng)該超過車地?zé)o線通信的通道數(shù)量，并需要留有一定余量。

（6）ZC接口所連接的其他設(shè)備接口不應(yīng)該超出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量。

（7）ZC控制范圍還應(yīng)考慮維護(hù)管理等方面的特殊規(guī)定。

在研究ZC的計(jì)算公式時(shí)，上面的有些原則可以量化，如（1）～（6）的原則，對(duì)于不能量化的原則需要通過其他方法來考量，本論文的研究內(nèi)容是通過公式計(jì)算出一條地鐵線需要布置的ZC數(shù)量。

2.3 ZC布置數(shù)量計(jì)算方法

從成本和維護(hù)難度考慮，CBTC系統(tǒng)中ZC的布置數(shù)量不宜過多；但從運(yùn)行效率考慮，ZC的布置數(shù)量又不能過少。結(jié)合2.1小節(jié)的描述，ZC布置數(shù)量計(jì)算時(shí)需要考慮到如下的因素。

2.3.1 容量

容量方面需要考慮兩個(gè)方面，ZC本身最大的注冊(cè)容量和無線通信方式的信道容量。

（1）ZC的注冊(cè)容量：指ZC允許與車載設(shè)備注冊(cè)的最大列車數(shù)量，這些包括已經(jīng)被ZC控制的列車，與ZC注冊(cè)未被控制的列車（ZC切換邊界以及從停車段駛?cè)隯C區(qū)域的列車）。實(shí)際控制中，為了保證效率和備用，ZC的實(shí)際注冊(cè)列車數(shù)量需要留有30%的余量。

（2）無線通信方式的信道容量：指所采用的無線通信方式所允許使用的最大信道容量。只要車載設(shè)備與ZC建立通信，不管是否是被所建立通信的ZC所控制都會(huì)占用通信信道，同時(shí)為了能提供車地聯(lián)控，需要預(yù)留2～3個(gè)通道作為緊急情況使用。

根據(jù)以上的描述，單個(gè)ZC控制下的列車數(shù)量應(yīng)該滿足：

其中：

2.3.2 線路

線路長度越長需要的ZC數(shù)量也就越多，所以一條地鐵線的線路長度是決定沿線布置的ZC數(shù)量最直觀的因素。線路長度加上運(yùn)營的平均時(shí)速可以得到線路上可能運(yùn)行的列車最大數(shù)量。

2.3.3 車站

車站有停車作業(yè)，轉(zhuǎn)線作業(yè)等，因此車站是影響ZC能力的直接因素。車站因素包括了沿線的車站數(shù)量與車站規(guī)模。地鐵中從設(shè)備集成的角度劃分，把車站分為一級(jí)設(shè)備集中站，二級(jí)設(shè)備集中站和非設(shè)備集中站，但從這樣的角度不適合于計(jì)算ZC數(shù)量，為了便于統(tǒng)計(jì)計(jì)算把車站分為只停車和發(fā)車的車站（停靠站），具有轉(zhuǎn)線作業(yè)的車站（轉(zhuǎn)線站），出入車庫的車站（起止站）。

根據(jù)線路和車站的需要求，單個(gè)ZC的控車容量需要滿足以下的要求：

其中：

2.3.4 速度

包括列車的最大運(yùn)行速度，線路固定限速，車輛限制速度。速度和線路可以決定線路上運(yùn)行的列車外，還決定了ZC的覆蓋范圍，根據(jù)上述的描述，為了能使列車在ZC切換時(shí)不至于降速，影響效率，要求ZC的覆蓋冗余范圍≥5 s的列車運(yùn)行距離，前后兩個(gè)方向≥10 s，即1/360 h，并且滿足以下要求：

其中：

實(shí)際應(yīng)用中，由于CBTC系統(tǒng)的集成商不一樣，其提供的設(shè)備，通信系統(tǒng)，容量等都會(huì)有所差異，但只要給出了集成商提供的基本參數(shù)，根據(jù)以上的計(jì)算公式就可以大致的計(jì)算出整條線路所需要的ZC數(shù)量。

2.4 北京地鐵10號(hào)線一期ZC數(shù)量計(jì)算

2.4.1 容量

北京地鐵10號(hào)線一期，現(xiàn)布置有6個(gè)ZC。使用2.2節(jié)公式來重新計(jì)算10號(hào)線ZC的數(shù)量：假設(shè)10號(hào)線ZC提供商單個(gè)ZC的最大控車容量是20列，由于車地通信采用的是自由波通信方式，信道容量可以達(dá)到50個(gè)以上，帶入式（1）可計(jì)算得到：

2.4.2 ZC的管轄范圍

按第1步驟計(jì)算得出一個(gè)ZC管轄14列車?？紤]轉(zhuǎn)線作業(yè)1列，那么=1；ZC可以管轄雙線四方向，則=4；注冊(cè)列車兩列，=2；預(yù)留一輛特殊列車，=1。根據(jù)式（2），可以計(jì)算獲得：

同樣把平均追蹤間隔2 min，平均運(yùn)營速度40 km/h帶入式（5），可以獲得：

ZC雙線管轄6列，單線管轄3列，列車長度為140 m，把以上的數(shù)據(jù)帶入式（3），計(jì)算獲得：

10號(hào)線一期工程長度是24.65 km，可得10號(hào)線需要布置的ZC數(shù)量為：

在實(shí)際的計(jì)算過程中，很多參數(shù)都預(yù)留了余量，所以最后ZC的數(shù)量可以取值為6個(gè)。

3 結(jié)束語

通過分析線路參數(shù)和ZC的工作參數(shù)，采用定量的公式計(jì)算獲取一條線中ZC的布置數(shù)量。這在實(shí)際的工程布置中有指導(dǎo)意義，根據(jù)計(jì)算得到的ZC數(shù)量，再結(jié)合實(shí)際布置中影響ZC的其他相關(guān)因素，來確定ZC的管轄范圍和最終的數(shù)量。這樣做，可以使ZC的布置更為合理。論文最后以北京地鐵10號(hào)線一期工程為應(yīng)用對(duì)象，計(jì)算了一期工程的ZC數(shù)量，結(jié)果表明和實(shí)際的布置數(shù)量一致。

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責(zé)任編輯 徐侃春

Research on Layout Number of Zone Control in Urban Transit

LU Nan1,2, PANG Yanzhi3, LI Shaopeng4
( 1. Graduate Department, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Depot of Communication and Signal, Harbin Railway Administration, Harbin 150001, China; 3. Beijing Branch, Casco Signal LTD, Beijing 100044, China; 4. Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Ltd., Beijing 100044, China )

Zone Controller (ZC) was the key on-ground equipment in the Train Control System based on wireless communication. In a subway line, ZC was always set in the fi rst level centralized station, which could be improved and optimized. Based on the introduction of ZC’s structure, function and interface, the paper analyzed the quantitative factors which impacted on the number of ZC layout number, provided the basic principles of ZC layout. Meanwhile, the calculation formula about ZC layout number was given in a subway line. Based on the fi rst stage of Beijing Metro Line 10 project, the number of ZC layout was calculated by the given formula.

Urban Transit; Communication Based Train Control(CBTC); Zone Controller(ZC); layout number;

U284.482∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0053-05

2014-09-09

盧 楠，工程師；龐彥知，工程師。