城市轨道交通CBTC系统精简化研究

姜庆阳

摘 要：分析既有城市轨道交通 CBTC 系统存在的若干问题，提出包括联锁设备的全电子化、后备系统简化、联锁与区域控制器一体化等系统精简化方案，可以减少设备数量，优化系统设计，简化系统应用和维护，从而降低全生命周期的成本，提升 CBTC 系统的效率。

关键词：城市轨道交通;CBTC 系统;精简化;全电子联锁;联锁 ZC 一体化

中图分类号：U231+.7

以基于通信的列车自动控制（CBTC）系统互联互通自主化项目在重庆共线运营及北京燕房线全自动运行系统的顺利实施为标志，我国城市轨道交通CBTC系统已经由国产化阶段过渡到自主化阶段。随着全自动运行系统的推广应用以及各厂家互联互通系统的实施，CBTC系统的功能越来越复杂，各设备间的耦合度越来越强;另外，既有线路改造时，对系统设备占用空间的要求很高，对施工量和施工时间也提出了一定的要求。因此，在满足系统功能要求的前提下，如何对CBTC系统进行适当精简，成为当前城市轨道交通CBTC系统研究的重要课题之一。

1 既有CBTC系统存在的问题

CBTC系统由自动列车监控系统（ATS）、CBTC轨旁系统（轨旁CBTC设备，含区域控制器（ZC）等）、CBTC车载系统（VOBC）、联锁（CI）系统、数据通信系统（DCS）组成。其中ATS系统主要分为控制中心ATS设备和车站ATS设备2部分，典型的CBTC系统线路设备布置示意图如图 1所示。

既有自主化CBTC系统在我国城市化发展进程中，发挥了不可替代的作用。为降低实际工程应用中的技术风险，加快开发周期，自主化CBTC系统在开发初期的设计理念是尽量沿用已验证的成熟技术，通过叠加新的子系统实现。这种理念在CBTC系统的研制初期具有合理性，但自主化CBTC系统仍存在下列问题。

（1）采用继电方式与现场设备接口，室内占地面积大，施工配线多，继电器需要定期检修，维护复杂。

（2）系统控制级别多，后备模式复杂，需要花费大量精力安装、调试和维护后备模式的设备。

（3）设备间接口的数量和层次多，各设备在功能上又相互依赖，耦合度高，存在信息代传、迂回传递的问题，数据交换效率低，很难进一步提高系统效率;除了VOBC-VOBC之外，其他各设备之间均需要相互接口，如表 1所示。

2 系统精简化方案

2.1 联锁设备的全电子化

傳统的计算机联锁设备按照功能层次可划分为人机交互层、联锁主控层、联锁执行层和轨旁设备接口层4 个。传统的计算机联锁轨旁设备接口层大都采用继电接口，继电接口在系统的安装、调试、功能、维护、扩展等方面均存在一些不足，而计算机联锁设备的全电子化是针对以上不足，将传统计算机联锁执行层的输入输出（IO）处理单元和轨旁接口层的继电器组合替换为对象控制器（OCU）和全电子模块，如图 2 所示。

联锁设备全电子化后，可以大幅提升系统在各方面的表现，如表 2所示。

2.2 后备系统简化

随着系统冗余技术的广泛应用和系统可靠性的提升，系统故障主要以单车或单系统故障为主，发生影响系统运营的故障日益减少，导致CBTC系统后备设备的“存在感”越来越低，这为后备系统的精简提供了基本条件。

既有CBTC系统大都分为3个控制级别，分别是连续级（CTC）、点式级（ITC）和联锁级（ILC），系统各控制级别所需的主要控制设备如表 3所示。

ITC级别作为后备模式，在建设时，需要增加点式设备（LEU和有源应答器），从而提高了设备的成本及安装、调试的工作量;在应用时，增加了系统维护的工作量，需要对司机和使用人员进行培训;定期进行人工驾驶实操训练。

在信号设备房内取消LEU设备，在道旁取消有源应答器，同时减少室内与有源应答器之间的连接线缆，以及对CI设备的程序进行变更，即可取消ITC级别。ITC级别的取消，主要有以下几个优点：

（1）减少系统设备的种类和数量，可降低设备费用;

（2）减少设备现场安装调试的工作量，可缩短建设工期;

（3）减少室内数据制作及验证的工作量，设备可更快地布置到现场;

（4）有效降低系统维护的工作量;

（5）使系统更加简洁，同时可减少员工培训的工作量，降低系统使用难度;

（6）降低整个生命周期的成本。

2.3 联锁 ZC 一体化

既有CBTC的CI作为成熟设备，其功能相对独立并得到现场充分验证，后期开发的CBTC设备功能都尽可能在已有联锁功能的基础上进行功能叠加，因此增加了ZC系统。在CBTC系统发展早期，这一设计取长补短，对CBTC系统的推广和发展起到了非常重要的作用，但该设计也导致既有CBTC系统设备间的接口和层次增多，功能相互依赖，系统耦合度高，阻碍系统向更高一步发展。下面以列车的位置确定及其关联功能为列，说明现有结构存在的问题。

列车的位置信息来源于计轴区段的占用/出清和列车的自主定位，地面控制系统通过综合这2个信息计算出列车的位置，列车位置的确定功能与几个核心功能相关，包括：

（1）逻辑区段的占用/出清（综合列车的位置和计轴区段的占用/出清，由ZC完成）;

（2）计轴故障的判断（综合列车的位置和计轴区段的占用/出清，由ZC完成）;

（3）逻辑区段的锁闭和解锁（使用逻辑区段占用/出清信息和计轴区段故障信息，由CI 完成）;

（4）移动授权的计算（使用逻辑区段锁闭信息，由ZC完成）;

（5）ATS显示（包括计轴区段占用/出清，逻辑区段占用/出清及列车的位置信息）。

这些核心功能被分配在不同的系统，需要各设备交互多次后才能实现，造成了以下几个问题：

（1）同一信息在各设备间迂回传递，延长了信息使用时间，不利于进一步提高系统效率;

（2）同一信息来源于多个接口，不仅会造成显示上的不一致，也会导致一些處理上的风险。

在控制区域边界，ZC和CI分别要将相关信息发送给邻站的ZC和CI设备，设备间的信息流向会更加复杂，如图 3所示。

联锁ZC一体化是指CI和ZC系统使用同一套硬件设备，同时在软件层面进行高度融合，组成一个新的轨旁控制中心系统（WCC），这样系统间的接口数量和层次都大大减少，降低了设备间的耦合度，从而提升了系统效率，如图 4所示。

结合联锁设备的全电子化和ITC级别的取消，进行联锁ZC的一体化后，WCC对外只提供以太网接口，因此其物理位置可以不再局限于设备集中站。随着系统处理能力的增强，一个WCC也可以控制多个OCU，从而进一步对CBTC系统进行简化，如图 5所示（其中虚线表示WCC与OCU之间的逻辑控制关系）。

3 结语

通过联锁设备的电子化、联锁ZC的一体化及点式后备系统的取消，使既有CBTC系统设备的数量和层次更少，从而简化了系统的设计、应用和维护，节约了整个系统的生命周期成本;在保证系统核心功能不降低的前提下，提升了系统效率。

参考文献

[1]T/CAMET 040010.2-2008 城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通系统规范 第2部分：系统架构和功能分配[S].北京：中国铁道出版社有限公司，2018.

[2] 刘剑.新一代城市轨道交通信号系统研究[J].城市轨道交通研究，2019，22（7）：71-74.

[3] 梁志国.车辆段计算机联锁系统全电子化研究[J].都市快轨交通，2016，29（4）：59-63.

[4] 任颖，吕浩炯，宋瑞霞，等.CBTC系统中联锁与区域控制器的一体化设计[J].机车电传动，2015（6）：49-52.

[5] 郜春海.基于通信的轨道交通列车运行控制系统[J].现代城市轨道交通，2007（2）：7-10.

[6] 李士祥，卢佩玲，唐世军.列控联锁一体化系统设计技术研究[J].铁路通信信号，2016，52（3）：1-3.

[7] 肖培龙.移动闭塞系统配置后备系统设备方案质疑[J].铁道通信信号，2006，42（1）：5-7.

[8] 代继龙，李晓刚，李兆龄，等.新一代CBTC系统方案研究与关键技术探索[J].铁路通信信号工程技术，2016，13（6）：41-44.

[9]董波.基于通信的列车控制（CBTC）信号系统的后备模式方案的讨论[J].天津建设科技，2008（S1）：98-101.

[10] 杨洪权，应志鹏，张德明.城市轨道交通CBTC列车自动监控子系统设计与创新[J].现代城市轨道交通，2012（5）：1-4.

[11] 李永康.简化CBTC系统次级列车检测设备和信号机的可行性[J].城市轨道交通研究，2017，20（S1）：52-56.

[12] 吴艾玲.城市轨道交通联锁系统接口技术与安全性研究[D].甘肃兰州：兰州交通大学，2015.

[13] 凌祝军. CBTC系统中的联锁技术研究[J].铁道通信信号，2009，45（9）：12-14.

收稿日期 2020-04-23

责任编辑 党选丽