一种集中冗余式架构CBTC系统方案的设想

赵剑华

(中铁通信信号勘测设计院有限公司，北京 100036)

国内城市轨道交通经过十多年的快速建设，地铁信号系统采用CBTC 系统制式已经成为共识。初期的CBTC 系统主要从国外引进，如西门子、阿尔斯通、阿尔卡特等公司；近些年，国内信号厂家自主研发的CBTC 系统已经得到广泛应用，如中国铁路通信信号股份有限公司、交控科技股份有限公司、广州铁科智控有限公司等。

1 地铁CBTC系统存在的4种架构形式

按照目前各个信号CBTC 系统供货商的产品及应用情况，各系统对地面ATP 和联锁设备（部分厂家联锁功能由ATP 集成）的设置方式不同，可以将CBTC 系统的架构主要分为以下4 种。

1.1 第1种架构：中心设置ATP设备并集成联锁功能

以泰雷兹SelTrac S40 移动闭塞系统为例，系统地面设备主要构成有：系统管理中心（The System Management Centre，SMC)，执行自动列车监控（ATS）功能；车辆控制中心（Vehicle Control Centre，VCC），执行ATP/ATO 和联锁逻辑运算功能；车站控制器（Station Controllers，STC），提供正常情况下驱动和监视道岔、信号机、轨道区段等轨旁设备功能及后备模式下的轨旁联锁功能；车站本地SMC 工作站，如图1 所示。

图1 SelTrac S40移动闭塞系统地面设备架构图Fig.1 Ground equipment architecture diagram of SelTrac S40 moving block system

1.2 第2种架构：中心设置A T P设备，设备集中站设置联锁设备

以卡斯柯/阿尔斯通的URBALISTM信号系统为例，系统地面设备主要构成有：列车自动监控系统(Automatic Train Supervision，ATS)中心服务器及车站分机，区域控制器（Zone Control，ZC），分区域执行轨旁ATP/ATO 功能；计算机联锁设备（Computer Interlocking，CI），如图2 所示。

图2 URBALISTM移动闭塞系统地面设备架构图Fig.2 Ground equipment architecture diagram of URBALISTM moving block system

1.3 第3种架构：A T P设备和联锁设备分散设置在设备集中站

以卡斯柯的URBALIS 888 信号系统为例，系统架构与第2 种架构类似，区别是将ZC 设置在I级集中站，执行管辖I 级集中区和II 级集中区范围内ATP/ATO 功能，如图3 所示。

图3 URBALIS 888移动闭塞系统地面设备架构图Fig.3 Ground equipment architecture diagram of URBALIS 888 moving block system

1.4 第4种架构：ATP设备和联锁逻辑设备设置在I级设备集中站

以中国通号的FZL300 信号系统为例，在第3种架构基础上简化II 级集中站的配置， II 级集中站范围内的ATS、ATP/ATO 和CI 的逻辑部分功能，完全由I 级集中站统一管理控制，II 级集中站仅设置ATS 的控显工作站及计算机联锁的执行部分，如图4 所示。

图4 FZL300移动闭塞系统地面设备架构图Fig.4 Ground equipment architecture diagram of FZL300 moving block system

从国内地铁信号系统的多年应用和运营情况来看，第3、4 种系统架构中单一设备故障（比如CI或ZC）后的负面影响面较小。中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会于2015 年2 月发布《关于发布《城市轨道交通信号系统用户需求书 （范本）》（试行版）的通知》（中城装备[2015]013 号），从范本中对于1、2 级集中站的设置要求来看，第3、5种架构成为当前国内信号系统的主流架构。

2 当前技术发展对主流系统架构的影响

2.1 无线通信技术的发展

CBTC 系统的关键技术是基于车地间的无线通信技术，初期的CBTC 系统采用WLAN 技术，各家系统在设备集中站设置集中或者分散的无线控制器。中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会于2016 年2 月发布《关于发布《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》中7 个子规范的通知》（中城装备[2016]009 号），对城市轨道交通车地通信技术进行规范化。各个城市按照该通知为信号系统建设冗余的LTE 网络，其主体结构如图5 所示。

从图5 中的网络结构以及演进型分组核心网（Evolved Packet Core network，EPC）的功能可以看出，信号系统的车/地数据必须汇聚到EPC才能实现车地间的无线通信，两套EPC 同时发生故障就会导致全线车地通信中断，运营列车全部退出CBTC 模式。因此，LTE 网络是典型的以EPC为中心的集中架构，这种集中式架构与信号系统的分散式结构形成一定的冲突。在设计中一般将两套EPC 设备分开站点配置，减少其同时故障的概率。

图5 地铁LTE网络架构图Fig.5 Metro LTE network architecture diagram

2.2 全自动运行系统的发展

随着北京燕房线全自动运行系统投入使用，2015 年以后国内建设的地铁更多的选择全自动运行 系 统。2017 年12 月城轨通信与列控国家工程实验室发布《城市轨道交通全自动运行系统建设指南》白皮书。白皮书中指出：“全自动运行系统以行车为核心，通过信号、车辆、综合监控、通信等多系统深度集成或互联（“或互联”为笔者添加），提升轨道交通的整体自动化水平”。而这些系统的深度集成或互联的工作只能在线路运营控制中心或备用控制中心实现。

全自动运行系统（尤其是GoA4 级别）在以往半自动运行系统（Goa2）基础上有本质的改变，进一步提升了线路运营控制中心在行车指挥功能上的重要性，宜设置备用中心并实现主备中心的热备冗余。从全自动运行系统的设备配置上，线路运营控制中心具有乘客调度和车辆调度功能，可以对车辆进行一定的远程控制以及乘客组织，这是车站现地不具备的。全自动运行系统即使在轨旁发生一定故障的情况下，也会尽量保持由控制中心实现远程控制。

全自动运行系统的行车指挥方式呈现出一种运营控制中心与备用控制中心冗余的集中式管理理念，而当前主流架构中的信号系统将ATP/ATO、CI 等重要设备设置于车站，形成车站优于中心的理念，可以看出，两种理念之间是存在一定反差的。

3 集中冗余式架构CBTC系统方案的设想

3.1 集中冗余式架构的设想

ATP 和CI 设备分散设置在车站的系统架构，在单个ATP/ATO 或CI 设备发生故障时其影响范围更小，这种优势在地铁线路运营中发挥了重要作用。但是从无线通信技术发展和全自动运行系统应用来看，这种架构的优势受到一定限制。

因此，重新审视CBTC 系统的4 种架构，在泰雷兹SelTrac S40 移动闭塞系统架构基础上，结合全自动运行系统中心冗余的理念，提出一种CBTC系统集中式冗余架构的设想，如图6 所示。

图6 设想的CBTC系统集中式冗余架构图Fig.6 Proposed centralized redundant architecture diagram of CBTC system

3.2 集中式冗余架构的配置要求设想

为了弥补在中心集中设置设备的劣势，设想的该CBTC 系统架构应按照如下要求进行配置。

主用控制中心设备与备用控制中心设备完全热备冗余，包括中心ATS 服务器、ATP 设备、联锁逻辑运算设备、核心网设备。

每个中心的1 套ATP 与联锁逻辑运算设备具备高可靠性，采用二乘二取二的架构，每套设备具有全线控制能力并具有一定余量。

中心联锁逻辑运算设备故障时，集中站联锁执行设备可执行最基本的进路联锁功能。

对于中心的ATS 服务器、ATP 设备、联锁逻辑运算设备、核心网设备需设置全方位（包括板卡）实时监测系统，对设备故障进行预警和及时报警。

3.3 集中式冗余架构CBTC系统的优势

集中式冗余架构CBTC 系统虽然减少了车站设备的配置，但是对中心设备的控制能力、冗余技术、可靠性及实时监测报警均有更高的要求，单从信号系统设备造价能否降低上无法明确，但是可以预想的是该结构的CBTC 系统将具有以下优势。

符合全自动运行系统和互联互通的应用方向，核心设备全部设置于主用控制中心和备用控制中心，有利于实现核心设备的实时维护监督，有利于互联互通线路之间的信息交互。

有利于轨道交通线网的顶层设计，控制中心具有全面的系统数据，有利于面向线网指挥中心或大数据平台提供本线的数据信息。

有利于优化对信号系统的运营维护。车站的设备数量和设备种类减少，尤其是减少核心安全设备，可以减少维护人员的工作量，降低维护作业难度。

可在一定程度上减少车站设备机房的面积和用电量，为整个工程建设节省投资。

4 结语

随着当前主流的分散式结构CBTC 系统的广泛应用，车站设备功能的不断增强，设备种类越来越多，对系统设备的监测设备也越来越多，运营维护任务随之增加。提出集中冗余式架构方CBTC 系统案的设想，从系统架构作为出发点，探讨降低系统的复杂度，再通过有效的冗余技术和监测技术，来降低单一核心设备的故障带来的影响，虽然这一架构还需要技术的进一步发展才能实现，但希望能对当前地铁CBTC 系统的技术发展方向有所帮助。