基于螺旋模型的无线CBTC信号系统项目

赵晓峰

(上海贝尔股份有限公司,上海 201203)

在城市轨道交通中,信号系统是控制列车运行、保证列车运行安全的大型复杂机电系统。按照列车行车密度的不同,分为固定闭塞系统、准移动闭塞系统和移动闭塞系统。无线CBTC(Communications-Based Train Control,基于通信的列车控制)就是移动闭塞的一种应用系统[1]。其车地通信采用IEEE 802.11字母通用标准协议,即无线局域网通信协议。

1 从V模型到螺旋模型

传统的基于轨道电路的信号系统项目在实际执行过程中,系统生命周期通常遵从“V模型”,该模型是一种瀑布模型,强调系统开发过程需有完整的规划、分析、设计、测试及文件等管理与控制,因此能有效地确保系统品质。根据国际铁路标准IEC 62278所述,铁路应用的典型系统生命周期包含14个阶段：概念、系统定义、风险分析、系统需求、系统需求分配、设计及实现、制造、安装、系统确认、系统验收、运营及维护、性能监控、更改及翻新、停用及处置[2]。

无线CBTC信号系统由于采用移动闭塞制式,轨旁使用计轴系统实现列车位置检测,加之车地通信采用开放标准的通信协议,这些与传统信号系统相比,技术变化较大,从客户角度来讲,一次性开通无线CBTC信号系统,运营和维护都将难以适应，因此,采取分期开通的策略是首选,这就需要使用螺旋模型的系统生命周期。

螺旋模型是一种迭代模型,最早是由美国软件工程师巴里·勃姆(Barry Boehm)提出,应用于软件开发过程的演化模型。该模型将瀑布模型和快速原型模型结合起来,强调了其他模型所忽视的风险分析,特别适合于大型复杂系统[3]。图1是根据铁路应用的信号系统特点绘制的螺旋模型。

图1 无线CBTC信号系统螺旋模型

如图1所示,合同签署是整个项目的起点,然后按照时间顺序,无线CBTC信号系统项目可以分为多个时期,每期项目均需要遵从完整的V模型生命周期。在项目范围明确后,信号系统供应商需要进行风险分析,也称为安全分析,从铁路应用的多个角度,分析信号系统运营中存在的风险,从而生成危害日志,并在每期项目中不断更新。获得危害日志后,系统进入需求和设计阶段,包括系统需求、系统架构、硬件需求、硬件架构、软件需求、软件架构等,每期项目的功能都会不断扩大,直到完成合同规定的功能范围。在设备开始制造前,通常都需要一个原型机阶段,用于验证和确认系统需求及设计的正确性,然后才能进行产业化的大规模生产制造。最后进行工程现场的安装、调试和验收,在客户确认系统符合合同要求之后,由供应商的安全部门或者独立的第三方安全认证公司出具安全证书。只有获得合格的安全证书,每期项目才能交付客户投入运营。信号系统投入运营后,供应商的职责并未结束,通常都规定有2年的质保期,在这段时间的运营和维护过程中,供应商需要不断完善系统,并出具可靠、翔实、准确的运营限制,指导客户如何规避系统运营风险,从而安全地使用系统。每期项目交付都必须遵从客户的时间里程碑。城市轨道交通项目都是重大市政工程,信号系统交付会影响线路载客运营的时间,通常情况下,一期项目交付的时间就是客户要求载客运营的时间。

在螺旋模型的实际应用中,系统生命周期的划分是难点,无线CBTC信号系统项目交付活动中,需要完成从固定闭塞制式到移动闭塞制式的跨度,同时还要保证系统的安全性,每期的功能范围如何划分,成为系统交付的关键。

2 无线CBTC信号系统分期项目

按照设备来划分,无线CBTC信号系统主要有以下子系统：ATS(Automatic Train Supervision,列车自动监控)、联锁、ZC(Zone Controller,区域控制器)、VOBC(Vehicle On-board Controller,车载控制器)、DCS(Data Communication System,数据通信系统)。

按照地域来划分,无线CBTC信号系统的线路通常会分成若干个区域,每个区域包括1套区域ATS设备,1套联锁和1套ZC,1个区域的设备可以控制若干个车站。控制中心有1套中心ATS设备。每列车有1套VOBC。

ATS子系统主要实现对列车运行的监督和控制,提供人机界面,向轨旁和车载设备发送控制命令,收集轨旁和车载设备的运行状态和故障信息。

联锁子系统以进路控制为主要内容[4],提供了与轨旁信号设备的接口,包括计轴系统、道岔、信号机、站台紧急按钮以及站台屏蔽门。在移动闭塞制式下的无线CBTC信号系统中,联锁的功能有所扩展。

ZC子系统功能主要体现在移动闭塞制式下的无线CBTC信号系统中,可以按照移动闭塞原理计算列车运行的LMA(Limitation Movement Authority,移动授权限制),即列车可以安全走行的距离,并通过车地无线网络发送至车载设备。

VOBC子系统主要功能是与车辆接口,控制列车运行状态,并提供了与车载信号设备的接口,包括速度计、加速度计、信标应答器、接近盘天线,以及司机显示器。VOBC有多种驾驶模式：ATO(Automatic Train Operation,列车自动驾驶模式)、ATPM(Automatic Train Protection Manual,有列车自动防护的人工模式)、WSP(Wayside Signal Protection,轨旁信号保护模式)、RM(Restricted Manual,限制人工模式)等。

DCS子系统主要提供各个子系统之间的通信传输通道,对各个子系统是透明的,主要包括区域局域网、轨旁骨干网、车地无线局域网、车载局域网。

结合系统功能特点[5]和客户能力储备情况,无线CBTC信号系统项目分为3期开通较为合理,一期主要提供以客户熟悉的联锁子系统为基础的固定闭塞制式信号系统,辅以基本ATP功能的VOBC子系统；二期在一期功能基础上提供基本ATP功能的ZC子系统,并实现了ATO、ATPM驾驶模式,可以称之为准“移动闭塞制式”信号系统；三期则提供了完整功能的移动闭塞制式信号系统,也称为CBTC系统[6]。

2.1 一期项目

无线CBTC信号系统一期项目交付主要包括：ATS、联锁、VOBC,以及DCS。实现的内部接口有：ATS-联锁,ATS-VOBC。见图2。

图2 无线CBTC一阶段系统

在一期项目中,ATS已经实现基本的监控功能,并提供基于时刻表的自动调整。根据固定闭塞制式的“双红灯防护”原则,轨旁信号设备均已安装到位,确保线路上前后连续的两列车之间有两个红灯进行防护。联锁实现了基于联锁表的固定闭塞进路,站台紧急按钮和站台屏蔽门均进入联锁表。

为了配合车载功能,轨旁还安装了信标和接近盘,其中,信标有A/B/C 3种,A信标用于辅助列车定位功能,B信标用于辅助列车的基本ATP功能,C信标用于辅助列车轮径校准功能。A信标和C信标属于无源信标,B信标与信号机允许信号串联,当允许信号开放时,B信标上电,而当禁止信号开放时,B信标失电。

VOBC实现了列车定位、空转/打滑检测、超速防护、红灯信号监督、倒溜防护、车门使能及开门监督等功能。运营时,司机在WSP模式保护下人工行车,当前方出现红灯时,VOBC只能依靠轨旁的B信标状态来检测信号机表示,从而自动触发列车紧急制动,列车停下时,车头已经越过红灯,但是不会越过当前进路的防护区段。列车到站时,司机需要分别手动打开车门和站台屏蔽门。此外,VOBC还可以将列车实时信息发送到ATS,包括列车ID、位置、速度、方向、车门状态、车站停准信息等。

一期项目信号系统只支持单向运营。

一期项目实现的固定闭塞制式信号系统将会作为二期和三期项目信号系统的后备系统。

以上海地铁8号线为例,一期项目的站间(不含折返)最小设计运营间隔是192 s[7]。

2.2 二期项目

无线CBTC信号系统二期项目交付主要包括：ZC和升级后的ATS、联锁和VOBC。实现的内部接口有：ATS-ZC,ZC-联锁,ZC-VOBC,以及升级后的ATS-VOBC。见图3。

图3 无线CBTC二阶段系统

在二期项目中,ATS增加了与ZC相关的功能,包括打开/关闭轨道,设置临时限速。联锁与轨旁信号设备的硬件接口没有变化,进路功能也无变化,ATS依然是将进路命令发送到联锁。联锁新增与ZC的接口,发送给ZC的数据包括：区域内的计轴区段占用/空闲状态、道岔定/反位、信号机表示、站台屏蔽门状态,以及已排列进路的防护区段的激活/非激活状态；从ZC接收的数据则包括：站台屏蔽门打开/关闭命令。ZC主要负责管理轨道状态和临时限速。ZC会向VOBC发送轨旁信号设备状态,包括计轴区段、道岔、信号机、进路防护区段状态,以及ZC的内部数据——轨道关闭/打开状态、临时限速的位置和限速值。

轨旁设备布置在二期项目中没有任何变化。

VOBC新增ATO和ATPM模式,这2种驾驶模式均可以根据ZC发送的轨旁信号设备数据自行计算LMA,并确定安全停车点,只包括站台停车点和信号机停车点。行车原则还是“双红灯防护”原则,但是由于VOBC可以提前知道前方信号机表示,从而可以保证列车在红灯前停下。当列车所在进路的防护区段处于激活状态时,列车停下的位置就在红灯前；当防护区段处于非激活状态时,列车停下的位置与前方红灯之间会有一个安全距离,该距离是根据列车当前速度和所在进路的防护区段的长度进行计算的。ATO模式实现了2种速度曲线——正常和加速。列车到站时,司机只需要打开车门,站台屏蔽门随之可以联动。

二期项目中,ATO和ATPM模式可用的条件是ZC和VOBC保持通信,当ZC和VOBC失去通信时,系统仍然可用,此时,VOBC采取WSP模式人工行车,轨旁的联锁则继续发挥进路功能,整个运营方式类似于一期的系统。

二期项目信号系统也只支持单向运营。

以上海地铁8号线为例,二期项目的站间(不含折返)最小设计运营间隔是185 s[8]。

2.3 三期项目

无线CBTC信号系统三期项目交付主要包括：升级后的ATS、联锁、ZC和VOBC。实现的内部接口有：ZC-相邻区域ZC,以及升级后的ATS-ZC,ATS-联锁,ZC-联锁,ZC-VOBC,ATS-VOBC。见图4。

图4 无线CBTC三阶段系统

在三期项目中,系统升级到移动闭塞制式的CBTC系统,ATS增加了CBTC进路相关的功能,并向ZC发送进路命令。联锁有2种工作模式：CBTC模式和后备模式。CBTC模式的联锁处于受控地位,接收ZC发送的命令,控制道岔转动和信号机显示；后备模式的联锁处于主控地位,不再接收ZC命令,而是与传统联锁功能类似。ZC也有2种工作模式：CBTC模式和后备模式。CBTC模式的ZC可以计算LMA,并发送给列车,以此控制列车走行的距离；后备模式的ZC处于不输出的状态,整个信号系统转为固定闭塞制式,列车的安全运行由联锁子系统来保证。联锁和ZC的2种模式之间切换,只能通过操作员发命令来完成,不能自动切换,同时为保证安全,2种模式之间的转换需要一定的延时。联锁和ZC必须同时处于CBTC模式或后备模式。相邻区域的ZC实现了通信,当ATS办理了跨区域的进路时,当前区域ZC会向相邻区域ZC发送进路延伸请求。

VOBC的运营模式依然是ATO和ATPM,只是三期的车载设备不再自行计算LMA,而是直接从ZC接收LMA。列车运行采取移动闭塞方式,前后连续的两列列车的最小距离不再受计轴区段的限制。安全停车点也进行了扩展,后续列车可以在前行列车的缓行回退距离(40 m)之外停下。ATO模式实现了5种速度曲线——节能、中间1、中间2、正常和加速。列车到站时,VOBC可以自动打开车门,站台屏蔽门随之可以联动。

三期项目中,ATO和ATPM模式可用的条件也是ZC和VOBC保持通信,当ZC和VOBC失去通信时,系统仍然可用,此时,VOBC采取WSP模式人工行车,轨旁的ZC和联锁可以是CBTC模式,也可以后备模式,均会继续发挥进路功能,整个运营方式类似于一期的系统。

三期项目信号系统支持双向运营。

以上海地铁8号线为例,三期项目的站间(不含折返)最小设计运营间隔是83 s[9]。

3 项目分期之间的割接

无论是一期到二期,还是二期到三期,无线CBTC信号系统的切换都很难在一夜之间完成,这有人力和地域的限制,更重要的是考虑到运营安全的因素,因此,这就形成了一个特殊的运营时期——割接时期。

系统割接的标准流程如下：首先升级ATS,使其同时兼容本期和下一期系统的轨旁和车载子系统；然后,升级所有区域的轨旁子系统；第三,升级所有车载子系统；最后,再次升级ATS,去除对旧版本轨旁和车载子系统的兼容性。

3.1 一期到二期的割接

按照上述割接顺序,一期到二期的割接时期中,运营中的特殊情况是二期ATS、二期ZC和联锁,以及一期VOBC同时出现,此时,一期VOBC行车依然采用WSP模式,二期ZC不会与一期VOBC建立通信。对于一期列车,系统采取基于二期联锁的固定闭塞制式。

3.2 二期到三期的割接

按照上述割接顺序,二期到三期的割接时期中,运营中的特殊情况是三期ATS、三期ZC和联锁,以及二期VOBC同时出现,此时,二期VOBC不会与三期ZC建立通信,转而采用WSP模式行车,三期ZC和联锁处于CBTC模式。对于二期列车,整个系统采取基于三期ZC和联锁的固定闭塞制式。

4 结语

通过研究螺旋模型的系统生命周期,结合IEC在铁路应用系统领域的标准,针对国内无线CBTC信号系统国产化刚刚起步的现状,从城市轨道交通建设的整体出发,为降低轨道交通建设难度,提出了一种无线CBTC信号系统的螺旋模型,将系统开通分为3个时期,并详细描述各期的功能特点、系统架构以及性能参数。

城市轨道交通信号系统项目是以安全为核心的复杂机电项目,项目开通采取基于螺旋模型的分期策略,有助于降低项目风险,同时,对于将来制定城市轨道交通信号系统的分级标准体系[10]也具有重大参考意义。

[1] 蒋晟.基于通信的列车控制——CBTC[J].科协论坛,2009(2)：74．

[2] IEC.IEC 62278 Railway applications-Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS)[S].IEC,2002．

[3] 李芳芳,钱猛,葛斌,唐九阳.基于结构化方法和螺旋模型的本科毕业设计管理研究[J].高等教育研究学报,2010(4)：94-96．

[4] 林瑜筠,吕永昌.计算机联锁[M].2版.北京：中国铁道出版社,2010：8．

[5] IEC. IEC 62290-2 Railway applications-Urban guided transport management and command/control systems part 2: functional requirements specification[S]. IEC,2009．

[6] 阿尔卡特加拿大公司.上海8号线项目分期综述[R].加拿大：阿尔卡特加拿大公司,2006．

[7] 泰雷兹轨道信号公司.上海8号线一期系统性能分析报告[R].加拿大：泰雷兹轨道信号公司,2007．

[8] 泰雷兹轨道信号公司.上海8号线二期系统性能分析报告[R].加拿大：泰雷兹轨道信号公司,2008．

[9] 泰雷兹轨道信号公司.上海8号线三期系统性能分析报告[R].加拿大：泰雷兹轨道信号公司,2011．

[10] 刘宏杰,郜春海,刘波,陈黎洁.城市轨道交通列车运行控制系统分级标准研究[J].都市快轨交通,2011(4)：5-8.