CBTC和TBTC兼容性車載系統設計

呂新軍 施 聰 陸鑫源

(1.卡斯柯信號有限公司，200072，上海；2.上海地鐵維護保障有限公司，200235，上海∥第一作者，高級工程師)

2000年前，地鐵項目多采用TBTC(基于軌道電路的列車控制)系統。2004年后，國內新建和改造地鐵項目大多采用CBTC(基于通信的列車控制)系統[1]。如今，CBTC系統代表了當今成熟信號系統的最高技術水平，提供了連續的列車保護，更精確的列車定位，更小的運營間隔，滿足用戶的多樣化運營需求[2]。因此，既有線路的TBCT系統在大修改造時升級為CBTC系統是技術發展的必然趨勢。既有線路改造往往分段開通，且各段開通間隔時間較長。則改造期間的列車需同時兼容TBTC和CBTC兩種制式。

本文給出了一種兼容TBTC和CBTC的車載系統方案，研究了其系統組成和接口，提出了安全評估框架，并在上海地鐵2號線增購列車中投入應用。

1 TBTC車載系統的結構

上海軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)在建設之初就采用TBTC系統。每列列車在車頭車尾各安裝1套TBTC車載系統。這2套車載系統相互獨立。每套車載系統包括主備2套ATP(列車自動防護)設備和1套ATO(列車自動運行)設備。備用ATP設備為溫備冗余。TBTC車載系統結構如圖1所示。

圖1 TBTC車載系統結構圖

主備ATP設備通過各自的軌道電路處理板處理從同一對軌道電路接收線圈接收到的軌道電路信號，獲得軌道電路ID(編碼)、方向、目標點速度和距離及軌道電路穿越情況等信息，并通過2個獨立的里程計來測量列車的位移和速度。ATO設備通過TWC處理板來處理TWC環線信號，實現精確定位停車及車地通信功能。此外，ATP設備通過無線通信與軌旁聯鎖設備通信來傳遞屏蔽門的開關命令信息，并通過顯示單元實現與司機的信息交互。

2 CBTC車載系統

iCC200型CBTC車載系統使用2乘2取2的安全計算機[3]，滿足CENELEC(歐洲電工標準化委員會) SIL4(安全完整度等級 4級)的標準要求[4]，其結構如圖2所示。由圖2可見，在每列列車的車頭和車尾各安裝1套CBTC車載系統，并在車頭車尾形成冗余系統。有冗余結構的CBTC車載系統具有高安全性和高可用性。

圖2 iCC200型CBTC車載系統結構圖

CBTC車載系統通過安全型編碼里程計獲得列車的位移和速度(可按需選配雷達)，并通過信標天線讀取軌旁信標信息來實現列車的定位。在CBTC模式下，CBTC車載系統通過無線通信獲取軌旁信標的變量信息和列車移動授權；在CBTC降級運行的點式模式下，CBTC車載系統通過信標天線從軌旁有源信標獲得移動授權。CBTC車載系統主要通過DMI(人機交互界面)來實現與司機的信息交互。

在車頭車尾冗余部署核心處理單元，在單端冗余部署輸入輸出單元。這樣避免了單點故障，保證了列車運行控制系統的高可靠性。

3 兼容性車載系統

3.1 系統結構

兼容性車載系統兼具CBTC和TBTC功能，其CBTC模式與TBTC模式的切換，以及冗余切換均不影響列車的正常運行。考慮到iCC200型CBTC車載系統的冗余特性，采用以iCC200型CBTC車載系統為基礎，集成原TBTC車載系統的軌道電路模塊和TWC處理模塊，進而形成COS(兼容性車載系統)。COS結構如圖3所示。

圖3 COS結構示意圖

3.2 內部接口

COS接口如圖4所示。COS在列車每端各增加1個獨立的軌道電路和環線處理模塊，在車底安裝1對軌道電路接收線圈和TWC天線；接收線圈、TWC天線與處理模塊之間采用專用電纜連接，并由車輛獨立供電；接收線圈同時連接到兩端的處理模塊；軌道電路和環線處理模塊通過獨立的網絡與核心處理模塊連接。

圖4 COS接口示意圖

3.3 模塊組成

軌道電路和環線處理模塊為獨立模塊，負責處理軌道電路信息和TWC信息。為保證COS的高可用性，列車兩端的2個軌道電路和環線處理模塊互為冗余，只要其中1個模塊正常工作就可以保證車載系統的正常工作。

輸入輸出單元單端冗余部署，同時采集列車狀態和司機輸入信息并發送給列車兩端的核心處理單元。

核心處理單元部署于列車兩端，能同時接收處理兩端的軌道電路和環線處理模塊信息。核心處理單元根據編碼里程計和信標信息(軌道電路信息作為輔助)計算列車的速度和定位信息。在CBTC模式下，核心處理單元通過無線通信，從軌旁區域控制器獲取移動授權控制列車；在TBTC模式下，核心處理單元根據從軌道電路和環線處理模塊接收的軌道電路信息，來獲知軌道電路ID、方向信息、目標速度和目標點距離，進而計算出列車的運行授權并控制列車。控制命令通過輸入輸出模塊輸出至車輛，相應的司機駕駛信息在司機顯示單元上顯示。

3.4 對外接口

COS對外接口有軌道電路接口、CBI(計算機聯鎖)系統接口、ATS(列車自動監控)系統接口、ZC(區域控制器)系統接口及車輛接口。其中，對于ZC系統接口和車輛接口與傳統CBTC中的接口一致，下文不做分析。

3.4.1 COS與軌道電路接口

軌旁軌道電路使用移頻鍵控方式以鋼軌為媒介傳輸數字數據。COS使用載頻為9.5 kHz、10.5 kHz、11.5 kHz、12.5 kHz、13.5 kHz、14.5 kHz、15.5 kHz、16.5 kHz。每個軌道電路使用和其相鄰軌道電路不同的載頻發送數據，載頻中心偏移為±200 Hz，采用BFSK(二進制移頻鍵控)載波調制，波特率為200 bit/s。其中，9.5 kHz和16.6 kHz為特殊區段頻率，用于傳遞停穩信息。軌道電路和環線處理模塊將濾波器調諧到正確頻率，可僅接收當前軌道電路的機車信號數據。安全機車信號數據包由報頭、數據包和安全冗余校驗碼組成。

軌道電路發送給COS的數據信息包括軌道電路ID、列車方向、當前頻率、下一頻率、目標距離、線路速度、目標速度及停站信息等。

3.4.2 COS與CBI接口

在CBTC和TBTC模式中，COS與CBI系統通過無線通信接口來實現屏蔽門控制功能。在既有線改造中，COS需能與既有CBI系統接口(如有)，COS與CBI系統之間通過冗余網絡(紅藍網)接口來傳遞屏蔽門安全信息。COS與CBI系統接口的OSI(開放式系統互聯)模型如圖5所示。

圖5 COS與CBI系統接口的OSI模型

COS發送給CBI系統的信息包括列車類型、列車停穩、屏蔽門命令等；CBI系統發送給COS的信息包括屏蔽門狀態等。

3.4.3 COS與ATS接口

CBTC模式下，COS通過無線通信網絡接口與ATS交互列車狀態信息和列車控制信息。該接口同傳統CBTC系統的車載系統與ATS間接口相同。

當無線通信網絡發生故障或列車工作在TBTC模式下時，ATS與列車通過軌旁TWC來實現狀態信息和控制信息的交互。

ATS通過TWC發送給COS的信息包括列車ID、軌道ID、目的地ID、時間信息、ATP命令(靜態測試、門測試等)、ATO命令(跳停、扣車、運行等級、停站制動率等)、TWC停車參考點信息等。

車載通過TWC發送給ATS的信息包括：列車ID、軌道ID、ATP報警信息(緊急制動施加、打滑、制動不緩、制動故障等)、ATP狀態(門狀態、列車運行方向、停車狀態、駕駛模式、車長等)、ATP測試信息(靜態測試狀態、門測試狀態)、目的地及ATO狀態(運行等級、扣車狀態等)。

4 安全評估框架

COS在既有iCC200型CBTC車載系統的基礎上集成了軌道電路和環線模塊及相應的設備。CBTC車載系統同軌道電路和環線模塊之間采用安全通信接口，且接口邊界清晰。根據EN50129和EN50126的標準要求[5]，可在CBTC車載系統、軌道電路和環線模塊均獨立通過安全評估的基礎之上，將兩者集成后再進行完整COS的安全評估。

5 結語

本文結合CBTC車載系統和TBTC車載系統的功能和特點，提出了COS設計方案。根據該方案實現的COS已于2019年4月在上海軌道交通北翟路基地試車線完成了TBTC系統和CBTC系統的獨立功能測試，于2019年7月通過第三方SIL4安全評估，并于2019年9月在2號線增購的列車中投入使用。使用結果表明，該COS能夠很好地兼容CBTC和TBTC，具有良好的實用性和穩定性。