CBTC系統區域控制器（ZC）功能及原理探究

屈耀

摘? 要：地面區域控制器（ZC）作為CBTC系統的核心地面設備，剖析其功能、工作原理及外部通信，對我們深化認知，學習和理解有著極為重要意義。

關鍵詞：區域控制器;ZC;CBTC

中圖分類號：U284.48? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）25-0069-04

Abstract： Zone Controller （ZC） is the core ground equipment of CBTC system. Analyzing its function， working principle and external communication is of great significance for us to deepen our understanding， studying and understanding of this equipment.

Keywords： Zone Controller; ZC; CBTC

1 概述

基于無線通信的列車控制系統CBTC（Communication Based Train Control）是當今城市軌道交通的主流控制系統，作為CBTC系統的核心地面控制設備，區域控制器（ZC）主要功能是根據通信列車所匯報的位置信息以及聯鎖排列的進路和軌旁設備提供的軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內的列車生成和發送移動授權（MA），是車-地信息處理的樞紐，保障了CBTC系統下通信列車行車效率及安全運行，具備在各種列車控制級別和駕駛模式下進行列車管理的能力。

本文以區域控制器為對象，在介紹CBTC系統結構基礎上，進一步剖析了區域控制器的功能、原理，以及與其它子系統的通信信息傳輸。

2 CBTC系統結構及地面區域控制器介紹

CBTC（Communication Based Train Control）系統是一個安全的，具有高可靠性、高穩定性的基于無線的列車自動控制系統，它最大的特點是可以與列車實現無線通信功能。由列車-地面間周期傳遞列車位置信息和地面-列車間傳遞移動授權來實現車地通信功能。

2.1 系統結構

CBTC系統由列車自動監控（ATS）系統、計算機聯鎖系統、及ATC系統，CBTC系統的具體結構示意圖如圖1。

圖1為CBTC系統的典型系統結構，主要包括了區域控制器（ZC）、車載控制器（VOBC）、聯鎖和ATS系統。CBTC采用先進的通信、計算機技術，連續控制、監測列車運行的移動閉塞方式，擺脫用軌道電路判斷對閉塞分區占用與否，突破了固定閉塞的局限性，通過無線傳輸設備實現列車與地面區域控制器時時雙向通信。

2.2 地面區域控制器（ZC）結構及外部通信

CBTC系統地面區域控制器（ZC）是保證列車運行安全的重要設備，ZC子系統采用“2乘2取2”冗余結構的安全計算機平臺，主要負責根據CBTC列車所匯報的位置信息以及聯鎖所排列的進路和軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內的CBTC列車計算生成移動授權（MA），確保在其控制區域內CBTC列車的安全運行。

ZC設備的可靠性和可用性關系到CBTC系統的順利運營以及運行效率，這就對ZC設備所賴以運行的計算機硬件平臺和軟件環境提出了很高的要求。系統結構原理如圖2所示。

為確保系統的高可靠性和高安全性，系統采用高可靠性、高安全性硬件結構和軟件設計，以及采取必須的硬件、軟件冗余措施，ZC與相鄰有關系統間的通信通道具有熱備冗余配置。主備設備轉換時間不影響列車正常運行和司機正常駕駛，安全完整性等級達到SIL4級。硬件按標準化功能模塊進行設計。

地面區域控制器（ZC）設備作為CBTC核心設備，主要承接與ATS、聯鎖、相鄰ZC、列車及維護機通信功能，通信連接圖如圖3。

3 地面區域控制器（ZC）設備工作原理

地面區域控制器（ZC）設備工作原理為實時地與車載 ATP、聯鎖、ATS設備進行信息交互，周期性地通過無線網絡向其管轄區域內運行的CBTC列車發送MA，同時ZC還會把接收聯鎖發送的緊急關閉、屏蔽門等狀態信息發送給車載ATP，控制列車在CBTC級別下安全的運行。

3.1 硬件原理

地面區域控制器（ZC）采用具有高可靠性的工業控制計算機，是一個具有二乘二取二冗余結構的故障-安全處理系統，每系包含有兩個獨立的CPU單元，通過公共時鐘源實現任務級同步，實現單系二取二控制。ZC計算機結構如圖4所示。

ZC雙系以主從方式運行，實現二乘二取二控制。雙系獨立二取二運算和輸出比較，當主系故障時，主系主動降級，從系升為主系;當從系故障時，從系主動降級，不影響當前主系控制。

從系周期性從同步區獲取主系數據，并以此更新本系相關數據。

從系每個運算周期接收主系發送的周期開始同步信號作為本系周期開始信號，達到從系與主系周期同步。

ZC邏輯部的核心處理器采用兩個通用的嵌入式處理模塊（CPU A和CPU B），兩個處理器在一個中斷源的驅動下完成周期同步運算。

ZC邏輯部雙系之間設有高速以太網，用于兩系信息的交換，兩條高速以太網分別連接兩系的CPU 1和CPU 2，這種連接方法保證的系間交換的信息也能夠完成二取二比較，從而保證了系間交換數據的安全性。

根據ZC邏輯部子系統功能需求，ZC邏輯部子系統包括以下集中主要模塊，分別是：

BIC-A和BIC-B為邏輯處理單元，負責安全功能，也稱為安全運算子系統（DSM）;

BIC-C為外系統通信模塊，承擔數據分析及傳輸功能，支持 Ethernet等外接系統接口，也稱為通信管理子系統（DTS）;

電源模塊：邏輯部電源模塊，為機籠提供DC24V供電;

BSW為以太網交換板：承接ZC與外部設備信息交互功能。

3.2 軟件原理

系統邏輯部應用軟件采用嵌入式C語言編碼，編碼遵循安全系統C語言編碼規范，使系統軟件具有高可靠性和高安全性。

ZC計算機每系兩個CPU單元均采用精簡內核的實時操作系統負責管理系統各任務調度和執行。

3.3 系統同步管理

ZC系統結構為二乘二取二，單系采用任務同步二取二比較輸出，雙系采用并行主從工作方式，任何一系故障，均不會對另外一系以及其它子系統的正常工作造成影響。

（1）同步機制

單系雙CPU為任務級同步，輸出為任務級二取二比較，雙系保持周期同步，對同步的設計如下：

ZC邏輯部系內的兩個CPU的核心任務運行以同一個時刻為起點，并按照固定間隔時間周期循環執行;系內通過DPRAM交換雙CPU的輸出結果進行同步比較;間隔時間考慮系統對共模故障防護的影響不宜設置過短;雙系保持同步運行，在從系投入或雙系運行過程中，通過系間通信交換同步數據，使從系與主系保持同步運行;雙系同步偏差時間小于20ms。

（2）冗余切換

兩套完全相同的邏輯部子系統構成雙系，以主從方式并行工作，即：

正常運行時，僅主系輸出，備系保持與主系狀態一致;從系的輸出必須與主系保持一致，如果從系運算輸出與主系不同則與主系同步。

ZC兩系的工作狀態定義為：

主系：系統正常運行，且處于正常控制狀態，為默認主系;從系：系統正常運行，且處于正常控制狀態，系統與主系同步;待機：系統正常運行，且處于停止控制狀態，系統存在故障或與主系不同步;停機：系統停止運行。

系統確定主從系的基本原則是：

首先加電運行的系，完成初始化，工作正常即成為主系;后加電運行的系，完成初始化，工作正常，并在規定時間內與主系完成同步即為從系;主系故障或者比較不一致時轉為待機，同時從系升為主系;從系故障或者比較不一致時轉為待機;待機的系統在故障恢復后，取得同步后升為從系。

4 結論

本文通過從地面區域控制器（ZC）工作原理、外部通信等方面進行探究，對ZC在系統中功能和原理進行深入剖析，介紹了國產地面區域控制器的結構、功能和工作原理，進一步加深了對國產地面區域控制器的了解。

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