联锁与区域控制器一体化技术探讨

摘要：描述了CBTC系统的结构，分析了当前联锁和区域控制器相互独立所带来的一些问题，并对联锁与区域控制器一体化进行了技术探讨。通过实现一体化设计，能够在系统功能增强、性能提升、维护简洁等方面带来一系列的优点。

关键词：计算机联锁;区域控制器;一体化

Abstract：The architecture of CBTC system was described，and some problems which were generated by the individual design of CI and ZC were introduced.The integration of CI and ZC was discussed technically.By the implementation of integrated design，which could achieve many advantages，such as strengthening the system functions，improving the performances，and simplifying the maintenance.

Key Words：Computer Interlocking;Zone Controller;Integration

在中國城市轨道交通的建设中，基于通信的列车控制系统（CBTC）在城市轨道交通中得到了广泛应用，已成为列车控制的主流制式。随着计算机、通信和控制技术的飞速发展，处理器的运算能力越来越高，无线通信技术日益成熟和稳定，针对CBTC系统简化系统构架的需求也越来越高。本文对CBTC系统中的联锁和区域控制器的一体化设计可行性进行技术分析和探讨。

1典型CBTC系统构成

在IEEE 1474.1标准中描述了一种典型CBTC系统，包括列车自动监督（ATS）、计算机联锁（CI）、列车自动防护（ATP，包含车载ATP和区域控制器ZC）、列车自动驾驶（ATO）、数据通信（DCS）子系统等。如图1所示。

其中联锁（CI）和区域控制器（ZC）是CBTC系统的核心地面安全设备。联锁的主要功能是在规定的联锁条件和规定的时序下控制轨旁的道岔和信号机，为列车运行建立进路，确保进路上轨道区段、道岔、信号机等之间的安全联锁，以保证列车运行安全。区域控制器的主要功能是根据车载子系统、地面其他子系统提供的列车状态、进路状态、临时限速状态等信息，进行列车位置跟踪，实时产生针对所控列车的移动授权（MA），并通过无线通信系统传输给车载子系统，实现以移动闭塞方式安全控制列车运行的目标。

2存在的问题分析

国内已开通CBTC系统是一个基于通信的分布式控制系统，联锁和区域控制器的设置相对独立。由于系统独立分布设置，控制方式分离、维护信息分散，会导致一些问题的存在。

2.1通信延时问题

列车的安全行驶离不开联锁与区域控制器的积极配合以及数据交换，列车行驶中产生的大量轨旁设备及列车状态信息在联锁与区域控制器间进行实时更新和交互。联锁和区域控制器系统设备往往采用周期运行方式，随着通信环节的增加，会造成系统整体响应速度变慢，降低了运行效率，影响客运能力的提高。同时，联锁与区域控制器之间交互的应用数据量会受到传输媒介、通信协议、系统处理能力的限制。系统间若出现通信故障或延迟，将对列车运行和系统性能产生很大影响。由此对分设系统的时钟一致性和通信实时性、可靠性、各系统处理能力要求较高。

2.2系统维护问题

联锁和区域控制器设备相互独立设计，设备数量增加自然造成故障点增多，两个设备中的任一设备发生故障均会影响列车的正常运行。而各自的维护单元也相互独立，也给运营维护的管理人员造成困扰。当CBTC系统出现故障时，由于每种系统设备的信息都是不完备的，联锁具有进路和轨旁设备状态信息，区域控制器具有列车位置及状态信息，维护人员需要通过各个系统的维护单元下载日志记录，对所有的设备信息及各系统之间的交互信息进行逐个分析后才能进行故障原因定位。同时，各维护单元由于软件开发环境不同造成的显示风格、操作方式等风格迥异也给运营维护人员造成了麻烦和困扰。

2.3系统成本问题

由于系统独立分布设置，每套系统都需要配置相应的人机界面、维护单元、网络设备等相关通用硬件设备，造成资源的浪费。当线路设计变更、联锁或者区域控制器内部发生变化或者升级检修时，需要同时维护、更新、检修两套系统的硬件和软件，加之各大生产厂商生产标准的不统一，进一步限制了相互之间的匹配度和通用性，不利于资源的合理配置，这无疑增加了系统的建设和维护成本。

3联锁与区域控制器一体化的可行性

通过前面的分析，可以看到各设备独立分布设置给系统造成的不利影响，而一体化设计可以有效避免和解决上述问题。下面对联锁与区域控制器一体化的可行性进行分析。

3.1硬件构成

计算机联锁系统的硬件构成通常为联锁主机、控显机和维护机三部分，其中联锁主机为二乘二取二的硬件冗余结构，它的设计理念是遵守故障-安全原则。区域控制器的硬件构成由区域控制器主机和维护机两部分构成，区域控制器主机也采用二乘二取二的硬件冗余结构，设备自身的设计、有关的信息通道接口同样符合故障-安全原则的要求。联锁主机和区域控制器主机具有相似的系统结构，联锁维护机与区域控制器维护机也均为工控机，具备一体化设计的系统结构基础。

设备一体化还需要硬件平台给予足够的性能支撑。通过几十年的发展，芯片的处理能力显著增强，高主频的多核处理器、高容量缓存等高性能电子设备的发展为铁路行业安全计算机硬件平台发展打下了坚实的基础。相比于性能不断提升的安全计算机硬件平台，联锁和区域控制器的软件规模是有限的。随着硬件平台的发展和更新换代，将当前联锁和区域控制器的硬件集成和实现一体化设计是完全具备基础条件的。

3.2软件构成

联锁和区域控制器软件都运行在安全计算平台上，主要软件结构模块划分均为平台软件模块、应用逻辑软件模块以及接口通信软件模块，其中平台软件模块和接口通信软件模块在软件构成及逻辑处理上具备较高的相似性和通用性。联锁应用逻辑软件主要完成轨旁信号设备及进路控制，保证列车运行安全。区域控制器应用逻辑软件主要完成列车移动授权计算，防护管辖范围内的列车安全运行。双方交互的信息主要为：联锁接收区域控制器发送的通信/非通信列车接近信息，列车停稳信息，停车保证信息，屏蔽门开关命令等信息和指令;区域控制器接收联锁的进路相关信息，轨旁设备状态信息等。进行联锁与区域控制器一体化集成后，两个系统可以使用相同的轨旁及列车静态数据，保证了应用逻辑软件的数据同源，双方的交互信息也由外部通信交互改为系统软件内部共享内存方式进行交互，可以避免由外部及通信原因造成的数据传输错误及延时。

3.3外部接口构成

联锁和区域控制器与不同的系统/设备有不同的接口，联锁的主要接口包括：与ATS系统接口，与区域控制器接口，与维护监测系统接口，与相邻联锁接口，与轨旁设备接口等。区域控制器的主要接口包括：与ATS系统接口，与联锁接口，与维护监测系统接口，与相邻区域控制器接口，与DCS系统接口等。通过研究设备接口通信协议的可以知道，联锁与区域控制器存在多种相同的与外部设备的接口，包括：与ATS系统接口，与维护监测系统接口，与相邻联锁/区域控制器接口，联锁与区域控制器间的接口。上述接口在连接方式、传输介质、和安全通信协议方面基本相同，仅是交互的数据和信息存在差异。可见在与外部设备接口方面，相同的外部接口设备及通信规格设施为联锁与区域控制器一体化提供可能。

4结语

联锁与区域控制器一体化后较目前獨立分设联锁、区域控制器的系统有较大优势，通过内部共享内存交互轨旁设备和列车状态信息，减少信息重复采集和输出，消除联锁与区域控制器在通信过程中的数据畸变风险，降低信息传输延迟引起的命令失效风险，提高了系统整体的安全可靠性。系统结构紧凑，接口集中，需要维护的硬件设备、系统间通信通道和故障环节也相应减少，总维护工作量大幅下降。系统所采用的轨旁设备及列车信息配置均完全出自同一数据，既保证了信息、运算及传输的一致性，又减少了软件数据配置、测试以及现场调试的工作量，为工程顺利开通节省了时间。因此联锁与区域控制器一体化乃至信号系统的一体化应是我国轨道交通信号系统装备发展的后续目标和方向。

参考文献

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[2]任颖，吕浩炯，宋瑞霞，王文武.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.

[3]刘小龙，蔡荣富，廖静.CBTC系统中区域控制器与联锁的协作[J].电子技术，2017（12）：4-6.

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作者简介：田超（1983.02-），男，北京，当前职务：产品集成中心副主任，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：城市轨道交通列车自动控制。