城市轨道交通区域控制器布置数量研究

卢 楠，庞彦知，李少鹏

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2. 哈尔滨铁路局 电务段，哈尔滨 150001；3.卡斯柯信号有限公司 北京分公司，北京 100044；4.北京全路通信信号研究设计院，北京 100044）

城市轨道交通区域控制器布置数量研究

卢 楠1,2，庞彦知3，李少鹏4

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2. 哈尔滨铁路局 电务段，哈尔滨 150001；3.卡斯柯信号有限公司 北京分公司，北京 100044；4.北京全路通信信号研究设计院，北京 100044）

区域控制器作为基于无线通信的列车运行控制系统中的关键地面设备，其在一条地铁线路中的布置一直采用一级设备站布置的方式，具有一定的优化调整空间。本文在介绍区域控制器的结构、功能和接口的基础上，通过分析影响区域控制器布置数量的定量因素，提出区域控制器布置的一些基本原则，同时给出一条地铁线计算区域控制器数量的公式，并以北京地铁10号线一期工程为对象，使用公式计算了区域控制器的数量。

城市轨道交通；CBTC；区域控制器；布置数量

基于无线通信的列车运行控制系统（CBTC）已经成为现在城市轨道交通的首选系统，其具有运行密度大，发车间隔小，运行速度快等特点。区域控制器（ZC, Zone Control）是CBTC系统下的关键地面设备，一条地铁线需要布置多个ZC，然而一条线路布置多少数量的ZC目前还没有统一的标准，设备提供商希望布置得越多越好，但从成本和效率方面看，ZC并不是布置得越多越好。论文以ZC布置为研究对象，结合CBTC系统标准和ZC参数，采用数值公式计算的方法来获取一条地铁线需要布置的ZC数量。

1 ZC系统功能及其结构

1.1 ZC系统功能

区域控制器根据通信列车所汇报的位置信息以及联锁所排列的进路和轨旁设备提供的轨道占用/空闲信息，为其控制范围内的通信列车计算生成移动授权（MA ，Movement Authority ），保证其控制区域内通信列车的安全运行，具备在各种列车控制等级和驾驶模式下进行列车管理的能力。

1.1.1 软件功能

ZC子系统是CBTC系统中超速防护（ATP ，Automation Train Protection ）系统的轨旁部分，ZC子系统功能软件从总体上可划分为列车状态信息管理、设置与处理移动授权、强制命令与辅助功能、数据库版本比较、故障处理以及为系统提供维护诊断信息等几大功能模块。ZC子系统的主要任务是保证列车在系统控制的线路内安全运行，通过为每列通信列车提供一个MA完成。当列车在受控线路区域内按照正常时刻表运行时，车载控制器（VOBC，Vehicle On-board Controller）将列车的位置与运行方向发送给ZC，而ZC使用列车当前位置、行驶方向、进路以及周围线路的当前状态来决定每列车的MA。ZC再向VOBC传达列车的MA。VOBC负责列车在自己的MA范围内运行。当列车的移动授权延伸至ZC分界点时，移交ZC（管辖列车当前所处区域的ZC）将向接管ZC（管辖列车即将进入区域的ZC）发出移交申请，此后由相邻两个ZC分别为该移交列车计算各自管辖范围内的移动授权，并由列车当前受控的ZC负责将两部分的移动授权进行混合后发送给列车，并根据线路情况不断更新移动授权。ZC移动授权示意图如图1所示。

图1 ZC移动授权示意图

1.1.2 硬件结构

ZC采用双系并行工作的“2乘2取2”安全计算机系统，内部通信和外部通信都采用冗余通道设计。双系之间采用隔离技术，保证对其中一系统进行维修与替换不会对另外一系统以及其他子系统的正常工作造成任何影响，即任何一个ZC计算机、或网络设备不能正常工作，整个系统仍可继续正常工作，不会导致其他子系统无故切换。ZC具有“2乘2取2”配置从而保证其高可用性。如果其中一套冗余设备故障，ZC将使用另一套设备继续工作。即使在设备完全故障的情况下，系统仍有运行机制保证运营并可尽快恢复。

1.2 ZC系统接口

ZC是CBTC系统地面的核心设备，其和车载VOBC，联锁设备，ATS系统，数据存储单元（DSU）及相邻的ZC都有交互信息，如图2所示。

图2 ZC的交互信息

1.2.1 ZC与车载设备

在无线通信设备的辅助下，车载设备与ZC可以实现双向的实时通信。

（1）车载发送给ZC的信息

车载设备把列车的位置报告发送给地面ZC，位置报告每间隔一段时间或一个参考点向管辖范围内的ZC发送。除开位置报告外，车载设备还附加发送列车速度、等级、模式等相关的列车状态信息。

（2）ZC发送给车载的信息

移动授权是ZC发送给车载的关键信息，是列车行驶的依据。此外，ZC还附加发送前面车站信息，道岔位置信息，防护点状态，如屏蔽门或紧急停车按钮相关的紧急停车区域。临时限速信息也是ZC通过无线网络实时发送给车载设备的。

1.2.2 ZC与ATS设备

ZC与列车自动监督系统（ATS ，Autonatic Train Supenvsion）之间通过双冗余的系统骨干网络进行信息的实时交互，实现方式采用有线通信。

（1）ATS发送给ZC的信息

ATS上临时限速信息的设置与取消，发送给列车的立即停车命令，发送给车载ATO的列车调整命令，以及ATS上的大多数操作命令，特别是需要CBI执行的进路命令。

（2）ZC发送给ATS的信息

ZC把其管辖范围内的列车位置报告信息，速度信息，模型信息通过有线网络发送给ATS设备。同时，对执行的临时限速操作进行反馈。这些信息都是ATS执行监督的必备信息。

1.2.3 ZC与CBI设备

ZC与计算机联锁（CBI）设备之间的信息交换通道同ZC与ATS之间交互的信息通道是一样的。所不同之处是ATS一条线路布置一个，ZC和CBI设备根据线路情况需要布置不止一对。

（1）ZC发送给CBI设备的信息

ZC将管辖范围内的列车状态信息发送给CBI设备，主要包括列车的位置报告和列车的速度信息。

（2）CBI设备发送给ZC的信息

CBI设备把进路信息，道岔位置信息，轨道状态信息，屏蔽门状态及紧急按钮状态信息发送给ZC。这些信息都是ZC计算MA所必须的。

1.2.4 ZC与相邻ZC

由于一条线路上需要布置多个ZC，列车不可避免的要在ZC之间进行切换，为了能使列车不降低效率的通过ZC切换边界，ZC与相邻ZC之间需要交互信息。移交ZC会提前告知接受ZC准备切换的列车信息，向接受ZC请求进路信息，接受ZC收到移交ZC的请求信息后，把接受ZC管辖范围内的部分信息（包括切换边界附近的线路信息及动态信息）发送给移交ZC，移交ZC根据这些情况计算跨过边界的MA发送给车载设备。待列车越过ZC切换点后，移交ZC断开与列车的通信，列车的MA来自于接收ZC。

2 ZC数量的计算方法

2.1 ZC数量计算的相关原则

目前ZC的布置还没有一个统一的标准，相关生产商家希望一条线路上布置ZC的数量尽量的多。但从使用方的角度来看，ZC的布置数量越多，成本就越高，从旅客的角度来看，ZC的布置数量越多，对运行效率就会产生影响，因为会不断的有ZC切换。但也不能一味的把ZC的数量减少，这样会带来控制能力不足，导致列车降级运行，同样会影响效率。由于没有统一的标准，在充分考虑城市轨道交通特点的基础上，参考了中国列车运行控制系统3级无线闭塞中心的布置原则。无线闭塞中心的功能与ZC功能大同小异，只是前者更为复杂，在没有规范标准的情况下，后者可以借鉴前者的一些相关规范。

随着现在城市发展的不断加快，部分城市的地铁线路较长，比如武汉地铁6号线长36 km；杭州地铁1号线长48 km；北京地铁6号线长48 km；北京地铁10号线长57.1 km，共设置了45座车站、1座车辆段和两座停车场。线路越长，ZC的布置数量也就可能越多，ZC的布置原则受到自身软硬件技术的限制。但必须满足以下的性能指标。

ATS子系统可以控制系统中的所有列车，监控和管理的最少列车数量按照线路延伸后远期运用列车数量计算。此外系统还至少保证30%的性能预留。具体如下：

（1）中心所有计算机硬件容量在按照远期站场规模配置的基础上，控制、表示及监视对象具备30%以上的备用量。

（2）系统监控和管理的最大列车数量在线路延伸后远期列车数量的基础上预留30%的余量。

（3）每个车地无线通信（TWC）设备机柜控制的TWC环线数量为12段。

（4）TWC室内设备与室外环线的控制距离为3 km。

（5）联锁控制能力。

（6）每个主联锁（逻辑运算部）能够控制15个目标控制器。

（7）控制中心：控制中心ATS系统至少能管理100列车，对于线路长度不做限制。

（8）轨旁无线通信系统：由于采用模块化的设备，轨旁无线通信系统的列车数量不受限制。

（9）轨旁ATP系统：每套ZC至少能管理30列车。

2.2 ZC布置需要满足的原则

2.2.1 ZC控制范围的边界

ZC控制范围的边界，也就是ZC的切换点应设置在降级运行后的轨道分界点处，包括计轴器分界点和轨道电路分界点，不宜设置在非分界点处，因为这样会对降级运行或者对存在CBTC系统控制列车和点式控制列车同时运行时造成影响，降低效率，甚至可能危及安全。

2.2.2 控制范围

ZC的控制范围需要综合考虑以下各项内容，以下的因素是ZC布置数量计算的主要依据：

（1）ZC管辖范围内可能存在的列车注册数量不应该超过ZC系统设计的容量，并且应该留有一定的余量。

（2）由于ZC需要和CBI进行进路数据通信，并根据进路数据计算列车MA，所以ZC管辖范围内可能同时存在的设置进路数量不应该超过ZC系统设计的容量，并留有一定的余量。

（3）ZC管辖范围内可能存在的临时限速区域数量不应该超过ZC系统设计的容量。

（4）ZC管辖范围内可能存在的紧急停车区域不应该超过ZC系统设计的容量。

（5）ZC管辖范围内可能注册的列车数量不应该超过车地无线通信的通道数量，并需要留有一定余量。

（6）ZC接口所连接的其他设备接口不应该超出系统的设计容量。

（7）ZC控制范围还应考虑维护管理等方面的特殊规定。

在研究ZC的计算公式时，上面的有些原则可以量化，如（1）～（6）的原则，对于不能量化的原则需要通过其他方法来考量，本论文的研究内容是通过公式计算出一条地铁线需要布置的ZC数量。

2.3 ZC布置数量计算方法

从成本和维护难度考虑，CBTC系统中ZC的布置数量不宜过多；但从运行效率考虑，ZC的布置数量又不能过少。结合2.1小节的描述，ZC布置数量计算时需要考虑到如下的因素。

2.3.1 容量

容量方面需要考虑两个方面，ZC本身最大的注册容量和无线通信方式的信道容量。

（1）ZC的注册容量：指ZC允许与车载设备注册的最大列车数量，这些包括已经被ZC控制的列车，与ZC注册未被控制的列车（ZC切换边界以及从停车段驶入ZC区域的列车）。实际控制中，为了保证效率和备用，ZC的实际注册列车数量需要留有30%的余量。

（2）无线通信方式的信道容量：指所采用的无线通信方式所允许使用的最大信道容量。只要车载设备与ZC建立通信，不管是否是被所建立通信的ZC所控制都会占用通信信道，同时为了能提供车地联控，需要预留2～3个通道作为紧急情况使用。

根据以上的描述，单个ZC控制下的列车数量应该满足：

其中：

2.3.2 线路

线路长度越长需要的ZC数量也就越多，所以一条地铁线的线路长度是决定沿线布置的ZC数量最直观的因素。线路长度加上运营的平均时速可以得到线路上可能运行的列车最大数量。

2.3.3 车站

车站有停车作业，转线作业等，因此车站是影响ZC能力的直接因素。车站因素包括了沿线的车站数量与车站规模。地铁中从设备集成的角度划分，把车站分为一级设备集中站，二级设备集中站和非设备集中站，但从这样的角度不适合于计算ZC数量，为了便于统计计算把车站分为只停车和发车的车站（停靠站），具有转线作业的车站（转线站），出入车库的车站（起止站）。

根据线路和车站的需要求，单个ZC的控车容量需要满足以下的要求：

其中：

2.3.4 速度

包括列车的最大运行速度，线路固定限速，车辆限制速度。速度和线路可以决定线路上运行的列车外，还决定了ZC的覆盖范围，根据上述的描述，为了能使列车在ZC切换时不至于降速，影响效率，要求ZC的覆盖冗余范围≥5 s的列车运行距离，前后两个方向≥10 s，即1/360 h，并且满足以下要求：

其中：

实际应用中，由于CBTC系统的集成商不一样，其提供的设备，通信系统，容量等都会有所差异，但只要给出了集成商提供的基本参数，根据以上的计算公式就可以大致的计算出整条线路所需要的ZC数量。

2.4 北京地铁10号线一期ZC数量计算

2.4.1 容量

北京地铁10号线一期，现布置有6个ZC。使用2.2节公式来重新计算10号线ZC的数量：假设10号线ZC提供商单个ZC的最大控车容量是20列，由于车地通信采用的是自由波通信方式，信道容量可以达到50个以上，带入式（1）可计算得到：

2.4.2 ZC的管辖范围

按第1步骤计算得出一个ZC管辖14列车。考虑转线作业1列，那么=1；ZC可以管辖双线四方向，则=4；注册列车两列，=2；预留一辆特殊列车，=1。根据式（2），可以计算获得：

同样把平均追踪间隔2 min，平均运营速度40 km/h带入式（5），可以获得：

ZC双线管辖6列，单线管辖3列，列车长度为140 m，把以上的数据带入式（3），计算获得：

10号线一期工程长度是24.65 km，可得10号线需要布置的ZC数量为：

在实际的计算过程中，很多参数都预留了余量，所以最后ZC的数量可以取值为6个。

3 结束语

通过分析线路参数和ZC的工作参数，采用定量的公式计算获取一条线中ZC的布置数量。这在实际的工程布置中有指导意义，根据计算得到的ZC数量，再结合实际布置中影响ZC的其他相关因素，来确定ZC的管辖范围和最终的数量。这样做，可以使ZC的布置更为合理。论文最后以北京地铁10号线一期工程为应用对象，计算了一期工程的ZC数量，结果表明和实际的布置数量一致。

[1] 石先明. 高速铁路CTCS-3级列控系统无线闭塞中心工程设计[J]. 中国铁路, 2009（11）：1-6.

[2] 唐 涛. 列车运行控制系统[M]. 北京：中国铁道出版社, 2012.

[3] 雷锡绒. 西安地铁2号线列车自动防护子系统[J]. 中国铁路, 2009（7）：70-74.

[4] 张昌平. 简析CBTC系统中联锁与区域控制器的关系[J]. 铁路通信信号工程技术，2012，9（3）：49-51.

[5] 郎红霞，宁 滨，黄友能. 基于软件易测试性的CBTC区域控制器系统设计[J].铁道通信信号，2007，43（12）：8-10.

[6] 王海峰，杨旭文，刘 朔，刘 超. 基于模型的CBTC区域控制系统安全软件开发[J].都市快轨交通，2011，24（4）：22-25.

责任编辑 徐侃春

Research on Layout Number of Zone Control in Urban Transit

LU Nan1,2, PANG Yanzhi3, LI Shaopeng4
( 1. Graduate Department, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Depot of Communication and Signal, Harbin Railway Administration, Harbin 150001, China; 3. Beijing Branch, Casco Signal LTD, Beijing 100044, China; 4. Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Ltd., Beijing 100044, China )

Zone Controller (ZC) was the key on-ground equipment in the Train Control System based on wireless communication. In a subway line, ZC was always set in the fi rst level centralized station, which could be improved and optimized. Based on the introduction of ZC’s structure, function and interface, the paper analyzed the quantitative factors which impacted on the number of ZC layout number, provided the basic principles of ZC layout. Meanwhile, the calculation formula about ZC layout number was given in a subway line. Based on the fi rst stage of Beijing Metro Line 10 project, the number of ZC layout was calculated by the given formula.

Urban Transit; Communication Based Train Control(CBTC); Zone Controller(ZC); layout number;

U284.482∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0053-05

2014-09-09

卢 楠，工程师；庞彦知，工程师。