城市轨道交通信号系统解决方案

■ 徐国平

0 引言

随着国内城市轨道交通网络的大力发展，近10年来，有20多个大中城市建设近千公里的城市轨道交通线路。作为城市轨道交通“大脑”的信号控制系统，是提高运营效率、保证行车安全及乘客舒适度的关键。基于通信的移动闭塞系统（CBTC）是当前世界轨道交通列车控制系统的发展趋势，是近年来国内外使用的最先进的一种闭塞系统。

为打破国外轨道交通信号技术垄断，加速我国城市轨道交通信号系统国产化进程，卡斯柯信号有限公司从1994年开始启动智能列车监控子系统（iTS）的开发。2009年智能安全型计算机联锁子系统（iLOCK）开发完成并通过国际第三方独立安全认证。现在智能列车控制子系统（iTC）开发完成。历经17载的技术攻关，最终开发并推出了具有完全自主知识产权的城市轨道交通信号系统解决方案——基于通信的智能型移动列车控制系统（i CMTC）。

1 iCMTC系统方案

基于通信的智能型移动列车控制系统采用目前最先进的基于通信的移动闭塞技术，通过数据通信网络实现地面与车载控制、车站与中央控制相结合，是一个集行车指挥、运行调整、安全间隔防护以及列车自动驾驶等功能为一体的移动闭塞列车运行控制系统。

1.1 iCMTC系统结构

iCMTC系统继承了卡斯柯信号有限公司现有的成熟地铁信号系统解决方案（URBALIS 888系统）良好的架构设计。

i CMTC系统由以下子系统组成：

（1）iTC。监控列车安全运行，通过iTC车载部分和轨旁部分构成信息闭环控制，实现移动闭塞控制功能。

iTC是iCMTC系统的一个核心子系统，由车载和轨旁两部分组成。车载部分包括车载控制器（iCC）和驾驶员接口（DMI）；轨旁部分包括区域控制器（ZC）、线路控制器（L C）、编码器（L E U）和欧式信标（BEACON）（见图1）。

（2）iTS。提供自动或由人工控制进路功能，实现行车调度指挥，并向行车调度员和外部系统提供信息。

（3）iLOCK。执行iTS功能命令，管理进路、道岔和信号控制，并将进路、计轴、道岔和信号等状态信息提供给iTS和iTC子系统。

（4）DCS。通过网络通信和无线通信，实现iCMTC系统各设备之间的安全信息和非安全信息传输。

（5）MSS。对iCMTC系统各设备的状态进行检测、诊断和集中报警，帮助维护人员进行故障设备定位和维修。

i CMTC系统中，iLOCK、iTS、DCS和MSS子系统为既有成熟产品，已在多个项目中应用。iTC子系统正按照EN 50126/50128/50129标准自主研发，已处在系统集成和现场中试阶段。

图1 iCMTC系统结构示意图

1.2 iTC

1.2.1 子系统组成

（1）i C C。主要实现两大功能：一是自动列车防护（ATP）。根据安装在列车车身上的编码里程计、信标天线和安装在轨旁的欧式应答器进行列车安全测速和定位。通过采集驾驶员输入和轨旁有源信标或区域控制器获得的变量信息和EOA信息，确定列车的驾驶模式，并对列车的速度、间隔、能量、退行、车门开关等进行监控，在列车发生超速、超能、冒进、退行时对列车施加紧急制动，保证列车运行和乘客安全；二是自动列车驾驶（ATO）。根据安装在列车车身上的编码里程计、信标天线和安装在轨旁的欧式应答器进行列车精确测速和定位。根据运行调整指令（来自iTS的运行调整命令或司机人工调整停站时间）自动驾驶列车运行，保证列车运行时的乘客舒适性和自动精确停站。

（2）DMI。用于显示车载控制器信息的专用车载嵌入式计算机，通过车载以太网与列车头尾2个车载控制器连接。DMI是车载控制器与列车驾驶员的接口，根据车载控制器请求，通过声音、图像等方式将列车运行状态和辅助驾驶信息通知列车驾驶员，从而辅助驾驶员驾驶列车。

（3）ZC。实现移动闭塞控制的核心设备，对其管辖区域范围内所有列车的安全间隔进行防护和管理。ZC根据车载控制器发送的位置报告或轨道区段的占用检测，为每列列车创建自动保护区域（AP），通过管理区域内的AP和轨旁状态为每一列通信列车计算移动授权（EOA）和安全变量信息，并将其发送给车载控制器，以实现对列车安全间隔的防护。

（4）LC。管理iTC子系统内部软件版本和安全时钟同步，并接收来自iTS子系统的临时速度限制（TSR）设置和修改，将线路TSR发送给车载控制器。

（5）LEU和BEACON。LEU接收iLOCK子系统的轨旁变量信息，将其编码后通过信标发送给车载控制器。BEACON分为有源信标和无源信标。信标沿轨道布置，用于列车越过信标时定位列车。有源信标与LEU连接，将轨旁变量信息传递给车载控制器。LEU和信标提供轨旁iLOCK子系统和车载控制器之间的接口，用于实现后备模式（降级模式）功能。

1.2.2 开发流程

iTC核心子系统严格按照欧洲铁路应用标准EN 50126/50128/50129开发，执行高标准的质量控制。（1）项目开发采用设计、测试、安全和质量相独立的组织结构。（2）系统开发过程采用安全生命周期模型（V Cycle），安全生命周期模型各个阶段的输入和输出严格通过审核、验证和批准。（3）系统确认测试采用严格的零缺陷出口标准。（4）系统开发过程和安全由国际第三方安全机构进行独立安全认证。（5）系统开发采用标准推荐的组合故障安全和反应故障安全技术。（6）安全相关软件采用标准推荐的形式化开发方法，使用经过SIL4级认证的SCADE工具进行开发。

1.2.3 主要技术特点

iTC子系统符合“故障-安全”原则，安全完整性等级为SIL4。主要技术特点体现在以下方面：（1）车载控制器硬件采用“2取2”结构，通过相异设计和双通道安全输出比较来提高系统的安全性。（2）车载控制器软件采用安全编码处理器（VCP）技术和数字集成安全保证逻辑（NISAL）编码技术，使系统发生随机错误的不可检出率达到SIL4级要求，保证系统的高安全性。（3）车头车尾的车载控制器构成冗余，根据设备的可用性等级实现自动主备切换，保证系统的高可用性。（4）轨旁设备统一采用卡斯柯信号有限公司自主研发的通过国际第三方SIL4级独立安全认证的轨旁安全平台（TSP）。该平台采用双系并行控制的“2乘2取2”技术、在线检测（BIT）技术和相异性（DIV）技术，以保证轨旁系统的安全完整性等级达到SIL4级要求。（5）车载输入/输出模块的安全输入和输出采用并接方式连接，构成双驱双采工作方式。（6）系统内部设备之间采用SACEM安全通信技术，使用双24位SACEM编码和时间标签技术，保证安全数据交换的安全性和时效性。

1.3 iLOCK

iLOCK是iCMTC系统中的一个关键子系统。该子系统符合“故障-安全”原则，是以微处理器为基础的计算机联锁信号控制系统。它是卡斯柯信号有限公司引进法国阿尔斯通公司（ALSTOM）SMARTLOCK系统核心技术，结合我国铁路运营技术条件，经过二次国产化开发而成的一种安全型计算机联锁系统。

iLOCK综合运用“反应故障-安全”、“组合故障-安全”和“固有故障-安全”技术，采用双CPU表决输出方式，比采用单一安全技术的系统具备更高的安全性。

该系统自2009年开始已广泛应用于我国国家铁路、地铁等领域，如沪杭高速铁路，虹桥枢纽，北京地铁2号线、机场线和房山线，上海地铁10号线，深圳地铁2号线和5号线等。

iLOCK子系统的主要技术特点是：（1）采用“2取2”双CPU结构和NISAL技术。NISAL技术在基本逻辑运算之外提供一种独立的安全校核，使得iLOCK系统比一般的“2取2”双CPU结构具有更高的安全度等级，保证系统的高安全性。（2）采用“故障－安全”通信协议与iTC系统交换安全数据，保证安全系统之间数据通信的安全性和时效性。（3）采用“2乘2取2”结构和采集共享、并行驱动技术，最大程度地提高iLOCK系统的可靠性。（4）采用多处理器、相互独立的计算机电源保护、防浪涌和双重电源防雷、机箱屏蔽接地、分区滤波等技术，使iLOCK具有较高的防雷和抗干扰能力。（5）NISAL技术的采用能确保输出驱动安全性的同时，简化接口电路，降低系统成本。

1.4 iTS

iTS是基于现代数据通信网络的分布式实时计算机控制系统，与iLOCK子系统、iTC子系统、站台设备等连接，为控制中心行车调度员和车站行车值班员提供信号和列车的监控功能，并在此基础上实现对列车的自动化调度和运行调整，从而减轻调度员和值班员的工作强度，优化线路运行效率。

作为卡斯柯信号有限公司的既有成熟产品，iTS子系统在国内外地铁项目中得到了广泛的应用，如伊朗德黑兰地铁1号线和2号线，北京地铁2号线、9号线、机场线、房山线，上海地铁1号线、10号线，深圳地铁2号线和5号线等。

i T S子系统的主要特点是：（1）关键单元采用“1+1”防护，故障情况下冗余设备自动实现无扰切换。（2）采用分散自律功能配置，在中央故障时仍可完成大部分自动控制功能。（3）对于涉及安全的操作，采用高完整性控制安全协议（HILC），提供安全操作的二次确认，以确保安全。（4）对恶意入侵的实时监测，保障系统的信息安全。（5）符合人机工程原理的标准化图形用户界面。（6）完善的故障诊断功能，减少系统维护时间。

1.5 DCS

DCS为iCMTC系统提供可靠的通信连接，主要由两大部分组成：（1）DCS有线传输系统。为iCMTC信号系统提供信息交互传输通道，保证地面应用间正确的通信连接，同时也为轨旁设备和车载设备通信提供接口。（2）DCS无线传输系统。包括车载无线设备和轨旁无线单元，为轨旁和车载设备提供可靠、持续、双向的通信服务。

DCS有线传输系统的核心网络采用基于同步数字传输（SDH）技术的多业务网络解决方案，利用同步数字传输技术完善的保护机制确保信号应用通信具有更高的可靠性。DCS无线传输系统用于实现车辆与地面设备间的无线通信，根据车-地无线传输方式不同，系统支持自由无线和波导管两种无线方案。DCS子系统采用冗余设计（红网和蓝网），具有高可用性、高带宽、双向自愈、组网灵活等特点。

1.6 MSS

MSS对iCMTC信号系统所有设备（包括电源设备）的工作状态和电气性能指标进行在线监测和集中报警，收集并显示包括iTS、iTC、iLOCK等子系统设备的报警信息，帮助维修调度人员计划和制定预防性和纠正性维护作业。MSS子系统是iCMTC系统的设备状态监测和维护辅助工具，具有智能化诊断、功能易扩展等特点。

2 iCMTC系统特点

iCMTC系统设计充分考虑国内城市轨道交通现状和用户操作习惯，能够满足兼顾安全和高效运营的需要。主要技术特点体现在以下方面：（1）系统集成了多个既有的成熟子系统（iLOCK、iTS、DCS和MSS），这些子系统经过充分应用验证，技术稳定可靠。（2）整个信号系统中所有安全子系统的安全完整性等级达到SIL4级，导致危险侧的故障率低于10-9/h，确保系统的高安全性。（3）所有关键设备采用冗余热备配置，故障情况下冗余设备之间自动实现切换，不影响系统正常运营。（4）在同一线路上，系统支持CBTC模式列车和点式后备模式列车的混合运营，并提供完整的SIL4级安全防护。（5）在点式后备模式下提供ATO功能，提高系统后备模式运营效率。（6）支持3种不同等级的运营模式——联锁模式、点式后备模式和CBTC模式，当无线通信不能正常工作时，系统可降级为后备模式或更低的联锁模式运行。（7）提供电信级的SDH骨干网，具有高带宽、双向自愈、组网灵活，可同时承载信号和实时多媒体，以及视频监控等多项附加应用等特点。（8）采用模块化设计，可根据项目需求灵活裁剪和扩充系统功能，满足系统用户需求。

3 iCMTC系统研发历程

从1994年启动iTS子系统自主研发到现在整个iCMTC系统的集成和中试，iCMTC系统解决方案的设计和开发集结了众多中外信号专家的智慧与丰富经验。iCMTC系统具体研发历程如下：

1994年，启动iTS子系统的自主研发；

1998年，具有完全自主知识产权的iTS子系统成功应用于伊朗德黑兰地铁1号线和2号线；

2002年，启动iLOCK子系统的自主研发；

2005年，具有完全自主知识产权的iLOCK子系统（采用“2乘2取2”结构）研发成功；

2006年，iLOCK子系统通过铁道部技术审查，被批准在客运特等站——上海南站投入使用；

2007年，启动iTC核心子系统自主研发，从概念、设计到开发，整个过程由国际第三方进行独立安全审查和认证；

2008年，iTS、iLOCK作为国产化URBALIS 888信号解决方案的子系统，成功应用于北京地铁2号线和北京首都机场线；

2009年，iLOCK子系统通过国际第三方SIL4级独立安全认证；

2011年，iTC子系统获准在上海轨道交通10号线试车线进行现场动车调试；

2011年，iCMTC获准在上海轨道交通张江实训基地进行中试；

2012年，计划iTC子系统通过国际第三方SIL4级独立安全认证；

2012年，计划推出具有完全自主知识产权的城市轨道交通信号系统解决方案——i CMTC系统。

4 结束语

随着iTC子系统开发完成并通过国际第三方SIL4级独立安全认证，以及与既有成熟子系统集成，卡斯柯信号有限公司将为中国城市轨道交通提供一个高安全性、高可靠性的具有完全自主知识产权的CBTC信号系统解决方案——i CMTC系统，这将成为中国城市轨道交通国产信号控制系统发展的里程碑。

i CMTC系统是基于车-地高速无线通信的移动闭塞系统，将在上海张江实训基地完成现场中试，使其在系统可靠性、安全性、可用性、可维护性、行车间隔、停车精度以及可扩展性能等方面满足运营要求，可应用于国内大中城市的轨道交通线路。