CBTC系統計軸接口優化方案研究

馮浩楠,王 鯤,邢科家,郜洪民

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081)

引言

近年來，快速發展的城市化建設對城市軌道交通信號系統的效率和安全性不斷增加[1-3]。基于通信的列車控制技術(CBTC)憑借其顯著優勢，成為城市軌道交通信號系統的首選方案[4-5]。

計軸系統是CBTC信號系統中保證行車安全的基礎設備之一[6-7]。主流的CBTC系統中，計軸系統通過繼電接口與CBTC信號系統中的計算機聯鎖設備相連，計算機聯鎖系統將計軸系統采集的軌道占用信息處理后再傳遞給ZC、ATS等系統[8-9]。目前的CBTC系統計軸接口方式中，采用大量的AX型繼電器，造成房建占用、系統耗能、建設造價等指標較高，對系統整體的維護性和可靠性也產生了一定的影響。因此，對CBTC系統計軸接口進行優化，具有重要的經濟效益和工程價值。

提出一種新的CBTC系統中計軸系統接口優化方案，通過對車站接口服務機的改造，拓展了CBTC系統計軸通信通道，實現繼電器節省、CBTC系統信息的整合，進一步降低CBTC系統的綜合建設和維護成本。

1 現有CBTC系統計軸系統接口

計軸系統集成傳感器、安全通信、故障-安全等技術，安全完整性水平為SIL4級[10]。計軸系統通過比較軌道區段兩端駛入和駛出計軸點的列車軸數，完成軌道區段內空閑與占用狀態自動檢查，用于站內或區間等場地[11]。

當前國內外城市軌道交通CBTC信號系統的架構中，部署在設備集中站的ATS設備、計算機聯鎖系統、車站接口機、繼電器組合、計軸系統等設備之間的連接關系如圖1所示[12]。

圖1 現有的CBTC系統計軸接口方案

計軸信息通過繼電接口通過繼電器組合傳遞給計算機聯鎖系統(包括聯鎖計算機和聯鎖IO單元)用于聯鎖運算，再由計算機聯鎖系統分別傳遞給ATS、ZC等系統。行車調度員對計軸的操作命令，由ATS調度工作站，傳遞給ATS車站設備，再傳遞給計算機聯鎖系統、繼電器，最終通過繼電接口傳遞給計軸系統執行。現有的CBTC系統架構中，計軸信息的通信路徑需要經過多個中間環節，如圖2所示。

圖2 現有的CBTC系統計軸信息傳輸路徑

2 改進的CBTC系統計軸系統接口方案

計軸系統和CBTC系統之間傳遞的信息可分為兩類：列車占用信息和計軸復位相關信息。按照信息數量的比例，列車占用信息占1/3，計軸復位的相關信息占2/3。后者主要用于系統維護和顯示等目的，如果將此類信息采用通信方式與CBTC系統直接通信，可有效減少計算機聯鎖系統中部分硬件、繼電器和電纜數量，同時降低計算機聯鎖系統的軟件復雜度和運行開銷，實現省地降費。

為了實現上述目標，通過對車站接口機進行改造，車站接口機通過網絡接口連接起ATS系統、計算機聯鎖系統與計軸系統，成為連接車站軌旁控制設備、車站操作設備的中樞節點。改進的CBTC系統計軸接口方案示意如圖3所示。車站接口機擴展的直接通信接口功能包括：ATS系統對計軸系統進行控制的命令的下達和對計軸系統的復位狀態的顯示。同時，為了完成與計算機聯鎖主機、聯鎖維護工作站、ATS車站服務器、ATS現地操作終端等設備進行通信，車站接口機還需整合既有的信息轉換和分發功能，即實現對來自ATS車站服務器、車站現地終端的控制命令的處理及下發，對來自聯鎖、計軸系統的車站控制設備的狀態處理及上傳。

圖3 改進的CBTC系統計軸接口方案

3 計軸接口優化方案的硬件設計

車站接口機作為各個車站設備的信息傳遞中樞，其穩定性和可靠性顯得尤為重要，因此車站接口機采用雙機熱備結構。任意一臺設備故障，不會影響系統的正常使用，以滿足整個CBTC系統的RAMS需求。

3.1 車站接口機結構設計

車站接口機包括A機和B機。每臺車站接口機都采用可靠的隔離措施與其他系統進行通信。設計的5個功能接口包括：和計軸系統的J接口、和聯鎖主機的L接口、和聯鎖維護終端的M接口、和ATS車站服務器的S接口、和ATS現地控制工作站的T接口，如圖4所示。

圖4 車站接口機系統接口設計圖

3.1.1 計軸接口(J接口)

車站接口機實時接收計軸系統的現場狀態、故障狀況等信息，計軸系統接收車站接口機的復位命令信息。

車站接口機實時監視與計軸系統的通信狀態，當通信中斷后，車站接口機定時請求與計軸系統建立通信連接。

當車站接口機接收到新的操作命令時，向計軸系統發送操作命令，通信協議應保證計軸系統可靠接收車站接口機的操作命令。當車站接口機沒有接收到新的操作命令時，定期向計軸系統發送心跳信號，計軸系統應能檢測出計軸系統和車站接口機的通信狀態。

3.1.2 ATS車站服務器接口(S接口)

車站接口機和ATS車站服務器之間的網絡通道應采用專用的冗余傳輸通道，確保信息傳輸的安全性和可靠性。

車站接口機向ATS車站服務器傳遞站場實時信息、命令執行結果等信息，主要包括：站場表示信息、控制狀態信息、心跳信息和控制模式轉換信息。ATS車站服務器向車站接口機傳遞操作命令信息，主要包括：控制狀態信息、控制命令信息、時鐘信息和心跳信息。

3.1.3 ATS現地終端接口(T接口)

在現地控制工作模式下，車站接口機實現和ATS現地控制工作站之間傳遞站場實時信息、命令執行結果等信息。

3.1.4 聯鎖主機(L接口)

車站接口機接收計算機聯鎖系統的狀態信息，計算機聯鎖系統接收車站接口機的命令信息。

車站接口機實時監視與計算機聯鎖系統的通信狀態，當通信中斷后，車站接口機應定時請求與聯鎖主機建立通信連接。

計算機聯鎖系統在每個運算周期應向車站接口機發送一次信息，實時傳送現場信號設備的狀態、故障狀況，以及系統工作狀態、故障狀況等信息。

僅當車站接口機接收到新的操作命令時，向計算機聯鎖系統發送操作命令，通信協議應保證聯鎖主機可靠接收車站接口機的操作命令。當車站接口機沒有接收到新的操作命令時，應定期向聯鎖主機發送心跳信號，聯鎖主機應能檢測出聯鎖主機和車站接口機的通信狀態。

3.1.5 聯鎖維護終端接口(M接口)

車站接口機向聯鎖維護終端實時傳遞的信息主要包括：站場設備狀態(信號、道岔、計軸狀態區段、按鈕、表示燈等狀態)、操作命令、報警信息和設備自身狀態。

3.2 車站接口機連接方式

車站接口機采用雙機熱備的冗余結構，主機負責收發處理數據，備機只建立連接，不發送數據。主備機采取冗余配置的100M/1000M自適應雙以太網結構，與ATS車站服務器、ATS現地終端、聯鎖主機和計軸系統均以雙網連接，構成自愈網絡，保證網絡單點故障不影響與ATS設備、聯鎖設備、計軸設備的正常通信。

4 計軸接口優化方案的軟件設計

4.1 計軸命令集中控制模塊設計

ATS系統按其部署的物理位置可劃分為中心ATS子系統和車站ATS子系統[13-15]。一般情況下，計軸設備的復位操作命令，是由中央調度員通過ATS中心調度工作站發出的；當行車組織方式需要將控制權下放的車站級時，由位于車站的車站操作員通過ATS現地工作站發出[16-18]。在兩種物理位置中，對同一車站的計軸設備來說，多個ATS設備可對其發送控制命令進行控制，但中心ATS子系統和車站ATS子系統不能同時具備控制權限，需要采用合理的命令控制權交接機制，保證在同一時刻只有一個設備可以其發送控制命令，防止控制權交接錯誤[19-20]。

在車站接口機軟件中，設計計軸命令集中控制模塊，用以識別命令來源，對外提供權限申請變更功能，結合內部狀態機的狀態，對不同設備發送的控制命令進行控制。中心或車站的ATS設備統一接入該模塊，完成對控制命令發送權限的集中管理。車站接口模塊示意如圖5所示。

圖5 車站接口模塊示意

計軸控制命令集中控制模塊不與外部設備直接建立通信連接，和各設備的交互由車站接口機接收模塊完成。所有通過車站接口機發送至計軸系統的控制命令，都通過本模塊進行過濾控制，不符合限制條件(無權限)的命令會被屏蔽。各個ATS設備通過車站接口機的接收模塊接入車站接口機。接入的可以是中心ATS設備，也可以是車站ATS設備。計軸控制命令集中控制模塊以響應消息的方式，向外部設備提供注冊、權限申請、狀態查詢等功能。

計軸命令集中控制模塊內部單元主要包括：狀態機、注冊設備單元、權限審核單元、消息處理單元、消息發送單元。各單元以交互協議消息為輸入條件，經過內部處理通過狀態機變更當前權限狀態或者產生相應輸出數據，處理控制命令流程如圖6所示。

圖6 計軸命令計軸控制模塊內部單元處理流程

(1)消息處理單元：從ATS設備接收、識別有效的交互協議消息，并根據消息類型分流至其他單元。

(2)消息發送單元：為內部產生數據的輸出接口，所有待發送數據通過該單元組裝為有效格式后進行發送。

(3)注冊設備單元：接收ATS設備的注冊消息，完成ATS設備注冊操作；同時，從ATS設備注冊消息中提取設備標識，并從狀態機中提取當前權限標識，生成并存儲相應ATS設備對應的權限狀態，且周期性的生成權限狀態消息，送至消息發送單元發送。

(4)狀態機：接收權限申請消息，根據所申請的權限模式及當前所處的權限模式，完成權限轉換。

(5)權限審核單元：接收控制命令消息，從交互協議中提取控制命令源ATS設備標識，在權限狀態消息內進行ATS設備與權限的匹配，根據匹配結果，選擇轉發或屏蔽操作。

4.2 計軸命令集中控制模塊的權限模式

計軸命令集中控制模塊對外提供多種權限模式，滿足不同場景的功能需求。自由模式和鎖定模式可由外部設備通過權限申請消息獲得，初始化模式和封閉模式為模塊內部狀態，不對外提供申請途徑，只提供模塊調用接口，供模塊調用者使用。

初始化模式下，注冊設備列表內沒有擁有權限的ATS設備，所有控制命令都會被屏蔽，任意設備發送權限申請都能夠獲得相應的權限。

封閉模式由模塊調用者開啟與關閉，封閉模式開啟后，強制進入初始化模式，且忽略所有權限申請消息；強制進入初始化模式的目的是清空當前的權限模式。

自由模式為無保護的權限，在任意ATS設備已獲得此權限的情況下，其他ATS設備只要發送權限申請消息，都能夠無條件搶奪權限。

鎖定模式為有保護的權限，在任意ATS設備已獲得權限的情況下，忽略其他設備的權限申請消息；當獲得權限的ATS設備申請解除權限后，才重新接收權限申請消息。

各個權限模式的變遷方式如圖7所示。

圖7 權限模式變遷

T1：初始化模式下，根據接收到的權限狀態消息，進入自由模式或者鎖定模式。自由模式下，根據接收到的權限狀態消息，進入鎖定模式。

T2：鎖定模式下，已獲得權限的ATS設備申請解除權限，則重新進入初始化模式。

T3：初始化模式下、自由模式下以及鎖定模式下，接收到模塊調用者的開啟封閉模式接口指令，則進入封閉模式。

T4：封閉模式下，接收到模塊調用者的關閉封閉模式接口指令，則進入初始化模式。

T5：自由模式下，已獲得權限的ATS設備通信中斷，則重新進入初始化模式。鎖定模式下，已獲得權限的ATS設備通信中斷，則重新進入初始化模式。

4.3 車站接口機的主備切換設計

主備機間的無縫切換是保證車站接口機與計軸保持不間斷通信的關鍵技術之一。設定多個關鍵設備的優先級規則為，由高至低，10為最高優先級設備，1為低優先級設備。主機將與其連接的關鍵設備和與備機連接的關鍵設備的優先級進行比較，裁定是否觸發主備切換。在CBTC系統計軸接口優化方案中，與車站接口機連接的關鍵設備包括計算機聯鎖系統、計軸系統、ATS車站設備等，分別將聯鎖主機設備、ATS車站設備和計軸系統的優先級設為N和N-1，N-2，即聯鎖設備的優先級高于ATS車站設備、ATS車站設備的優先級高于計軸系統。運行啟動車站接口機時，雙套車站接口機程序中的倒機模塊之間建立雙機通信，進行主備機的預設。在運行過程中，當關鍵設備(計算機聯鎖系統，ATS車站服務器、計軸系統)與主機連接故障時，主機按照優先級由高到低的順序評定進行倒機切換。評定值依賴于本地通道和連接端通道的主備狀態以及工作狀態，若主機中所述優先級為N的關鍵設備的評定值小于備機中所述優先級為N的關鍵設備的評定值，則觸發主備機切換，邏輯示意如圖8所示。

圖8 車站接口機主備切換

5 設備測試及應用情況

以廣州7號線的廣州南站為測試案例，搭建CBTC系統計軸接口優化方案的集成測試環境。測試環境包括ATS車站服務器、ATS現地終端、TYJL-III型CBTC聯鎖計算機、CBTC聯鎖維護終端、IO仿真計算機、ARTJZ-2型計軸主機等設備。測試連接如圖9所示，測試環境包含的系統配置如表1所示。

圖9 CBTC系統計軸接口優化方案測試連接

表1 測試系統配置

車站接口機與計軸系統之間使用冗余網絡進行通信。在每個設備集中站中，車站接口機與計軸系統組成單獨的局域網，建立兩條邏輯通信通道。

車站接口機在剛啟動或與計軸通信系統連接中斷之后，用A網和B網嘗試與計軸系統建立連接。一旦在某一網段建立可用連接后，不再嘗試連接另一網段。

車站接口機和計軸系統根據傳輸幀序號、呼叫應答幀類型和順序以及CRC校驗結果判斷呼叫應答的正確性。發生呼叫或應答錯誤時，雙方嘗試重新初始化幀序號。連續超過3次錯誤認為連接中斷。

針對CBTC系統計軸接口優化方案的需求，設計35條測試案例。測試結果為35條測試項通過，0條未通過，證明了優化方案的可行性。

6 結論

通過車站接口機功能的升級改造，設計和實現了CBTC系統的計軸系統優化方案，結論如下。

(1)優化了CBTC系統內計軸信息傳輸通道，通信方式實現了ATS系統與計軸系統間的信息傳輸，減少了繼電器組合、計算機聯鎖系統中的部分IO單元和電纜數量，降低計算機聯鎖系統負荷，提高CBTC系統的經濟效能。

(2)整合車站接口機既有的信息轉換和分發功能，統一了ATS系統和計算機聯鎖系統的顯示和操作終端，達到了簡化用戶操作，提高工作效率的目的。