CBTC系统计轴接口优化方案研究

引言

近年来，快速发展的城市化建设对城市轨道交通信号系统的效率和安全性不断增加[1-3]。基于通信的列车控制技术(CBTC)凭借其显著优势，成为城市轨道交通信号系统的首选方案[4-5]。

计轴系统是CBTC信号系统中保证行车安全的基础设备之一[6-7]。主流的CBTC系统中，计轴系统通过继电接口与CBTC信号系统中的计算机联锁设备相连，计算机联锁系统将计轴系统采集的轨道占用信息处理后再传递给ZC、ATS等系统[8-9]。目前的CBTC系统计轴接口方式中，采用大量的AX型继电器，造成房建占用、系统耗能、建设造价等指标较高，对系统整体的维护性和可靠性也产生了一定的影响。因此，对CBTC系统计轴接口进行优化，具有重要的经济效益和工程价值。

提出一种新的CBTC系统中计轴系统接口优化方案，通过对车站接口服务机的改造，拓展了CBTC系统计轴通信通道，实现继电器节省、CBTC系统信息的整合，进一步降低CBTC系统的综合建设和维护成本。

1 现有CBTC系统计轴系统接口

计轴系统集成传感器、安全通信、故障-安全等技术，安全完整性水平为SIL4级[10]。计轴系统通过比较轨道区段两端驶入和驶出计轴点的列车轴数，完成轨道区段内空闲与占用状态自动检查，用于站内或区间等场地[11]。

当前国内外城市轨道交通CBTC信号系统的架构中，部署在设备集中站的ATS设备、计算机联锁系统、车站接口机、继电器组合、计轴系统等设备之间的连接关系如图1所示[12]。

图1 现有的CBTC系统计轴接口方案

计轴信息通过继电接口通过继电器组合传递给计算机联锁系统(包括联锁计算机和联锁IO单元)用于联锁运算，再由计算机联锁系统分别传递给ATS、ZC等系统。行车调度员对计轴的操作命令，由ATS调度工作站，传递给ATS车站设备，再传递给计算机联锁系统、继电器，最终通过继电接口传递给计轴系统执行。现有的CBTC系统架构中，计轴信息的通信路径需要经过多个中间环节，如图2所示。

图2 现有的CBTC系统计轴信息传输路径

2 改进的CBTC系统计轴系统接口方案

计轴系统和CBTC系统之间传递的信息可分为两类：列车占用信息和计轴复位相关信息。按照信息数量的比例，列车占用信息占1/3，计轴复位的相关信息占2/3。后者主要用于系统维护和显示等目的，如果将此类信息采用通信方式与CBTC系统直接通信，可有效减少计算机联锁系统中部分硬件、继电器和电缆数量，同时降低计算机联锁系统的软件复杂度和运行开销，实现省地降费。

为了实现上述目标，通过对车站接口机进行改造，车站接口机通过网络接口连接起ATS系统、计算机联锁系统与计轴系统，成为连接车站轨旁控制设备、车站操作设备的中枢节点。改进的CBTC系统计轴接口方案示意如图3所示。车站接口机扩展的直接通信接口功能包括：ATS系统对计轴系统进行控制的命令的下达和对计轴系统的复位状态的显示。同时，为了完成与计算机联锁主机、联锁维护工作站、ATS车站服务器、ATS现地操作终端等设备进行通信，车站接口机还需整合既有的信息转换和分发功能，即实现对来自ATS车站服务器、车站现地终端的控制命令的处理及下发，对来自联锁、计轴系统的车站控制设备的状态处理及上传。

图3 改进的CBTC系统计轴接口方案

3 计轴接口优化方案的硬件设计

车站接口机作为各个车站设备的信息传递中枢，其稳定性和可靠性显得尤为重要，因此车站接口机采用双机热备结构。任意一台设备故障，不会影响系统的正常使用，以满足整个CBTC系统的RAMS需求。

3.1 车站接口机结构设计

车站接口机包括A机和B机。每台车站接口机都采用可靠的隔离措施与其他系统进行通信。设计的5个功能接口包括：和计轴系统的J接口、和联锁主机的L接口、和联锁维护终端的M接口、和ATS车站服务器的S接口、和ATS现地控制工作站的T接口，如图4所示。

图4 车站接口机系统接口设计图

3.1.1 计轴接口(J接口)

车站接口机实时接收计轴系统的现场状态、故障状况等信息，计轴系统接收车站接口机的复位命令信息。

车站接口机实时监视与计轴系统的通信状态，当通信中断后，车站接口机定时请求与计轴系统建立通信连接。

当车站接口机接收到新的操作命令时，向计轴系统发送操作命令，通信协议应保证计轴系统可靠接收车站接口机的操作命令。当车站接口机没有接收到新的操作命令时，定期向计轴系统发送心跳信号，计轴系统应能检测出计轴系统和车站接口机的通信状态。

3.1.2 ATS车站服务器接口(S接口)

车站接口机和ATS车站服务器之间的网络通道应采用专用的冗余传输通道，确保信息传输的安全性和可靠性。

车站接口机向ATS车站服务器传递站场实时信息、命令执行结果等信息，主要包括：站场表示信息、控制状态信息、心跳信息和控制模式转换信息。ATS车站服务器向车站接口机传递操作命令信息，主要包括：控制状态信息、控制命令信息、时钟信息和心跳信息。

3.1.3 ATS现地终端接口(T接口)

在现地控制工作模式下，车站接口机实现和ATS现地控制工作站之间传递站场实时信息、命令执行结果等信息。

3.1.4 联锁主机(L接口)

车站接口机接收计算机联锁系统的状态信息，计算机联锁系统接收车站接口机的命令信息。

车站接口机实时监视与计算机联锁系统的通信状态，当通信中断后，车站接口机应定时请求与联锁主机建立通信连接。

计算机联锁系统在每个运算周期应向车站接口机发送一次信息，实时传送现场信号设备的状态、故障状况，以及系统工作状态、故障状况等信息。

仅当车站接口机接收到新的操作命令时，向计算机联锁系统发送操作命令，通信协议应保证联锁主机可靠接收车站接口机的操作命令。当车站接口机没有接收到新的操作命令时，应定期向联锁主机发送心跳信号，联锁主机应能检测出联锁主机和车站接口机的通信状态。

3.1.5 联锁维护终端接口(M接口)

车站接口机向联锁维护终端实时传递的信息主要包括：站场设备状态(信号、道岔、计轴状态区段、按钮、表示灯等状态)、操作命令、报警信息和设备自身状态。

3.2 车站接口机连接方式

车站接口机采用双机热备的冗余结构，主机负责收发处理数据，备机只建立连接，不发送数据。主备机采取冗余配置的100M/1000M自适应双以太网结构，与ATS车站服务器、ATS现地终端、联锁主机和计轴系统均以双网连接，构成自愈网络，保证网络单点故障不影响与ATS设备、联锁设备、计轴设备的正常通信。

4 计轴接口优化方案的软件设计

4.1 计轴命令集中控制模块设计

ATS系统按其部署的物理位置可划分为中心ATS子系统和车站ATS子系统[13-15]。一般情况下，计轴设备的复位操作命令，是由中央调度员通过ATS中心调度工作站发出的；当行车组织方式需要将控制权下放的车站级时，由位于车站的车站操作员通过ATS现地工作站发出[16-18]。在两种物理位置中，对同一车站的计轴设备来说，多个ATS设备可对其发送控制命令进行控制，但中心ATS子系统和车站ATS子系统不能同时具备控制权限，需要采用合理的命令控制权交接机制，保证在同一时刻只有一个设备可以其发送控制命令，防止控制权交接错误[19-20]。

在车站接口机软件中，设计计轴命令集中控制模块，用以识别命令来源，对外提供权限申请变更功能，结合内部状态机的状态，对不同设备发送的控制命令进行控制。中心或车站的ATS设备统一接入该模块，完成对控制命令发送权限的集中管理。车站接口模块示意如图5所示。

图5 车站接口模块示意

计轴控制命令集中控制模块不与外部设备直接建立通信连接，和各设备的交互由车站接口机接收模块完成。所有通过车站接口机发送至计轴系统的控制命令，都通过本模块进行过滤控制，不符合限制条件(无权限)的命令会被屏蔽。各个ATS设备通过车站接口机的接收模块接入车站接口机。接入的可以是中心ATS设备，也可以是车站ATS设备。计轴控制命令集中控制模块以响应消息的方式，向外部设备提供注册、权限申请、状态查询等功能。

计轴命令集中控制模块内部单元主要包括：状态机、注册设备单元、权限审核单元、消息处理单元、消息发送单元。各单元以交互协议消息为输入条件，经过内部处理通过状态机变更当前权限状态或者产生相应输出数据，处理控制命令流程如图6所示。

图6 计轴命令计轴控制模块内部单元处理流程

(1)消息处理单元：从ATS设备接收、识别有效的交互协议消息，并根据消息类型分流至其他单元。

(2)消息发送单元：为内部产生数据的输出接口，所有待发送数据通过该单元组装为有效格式后进行发送。

(3)注册设备单元：接收ATS设备的注册消息，完成ATS设备注册操作；同时，从ATS设备注册消息中提取设备标识，并从状态机中提取当前权限标识，生成并存储相应ATS设备对应的权限状态，且周期性的生成权限状态消息，送至消息发送单元发送。

(4)状态机：接收权限申请消息，根据所申请的权限模式及当前所处的权限模式，完成权限转换。

(5)权限审核单元：接收控制命令消息，从交互协议中提取控制命令源ATS设备标识，在权限状态消息内进行ATS设备与权限的匹配，根据匹配结果，选择转发或屏蔽操作。

4.2 计轴命令集中控制模块的权限模式

计轴命令集中控制模块对外提供多种权限模式，满足不同场景的功能需求。自由模式和锁定模式可由外部设备通过权限申请消息获得，初始化模式和封闭模式为模块内部状态，不对外提供申请途径，只提供模块调用接口，供模块调用者使用。

初始化模式下，注册设备列表内没有拥有权限的ATS设备，所有控制命令都会被屏蔽，任意设备发送权限申请都能够获得相应的权限。

封闭模式由模块调用者开启与关闭，封闭模式开启后，强制进入初始化模式，且忽略所有权限申请消息；强制进入初始化模式的目的是清空当前的权限模式。

自由模式为无保护的权限，在任意ATS设备已获得此权限的情况下，其他ATS设备只要发送权限申请消息，都能够无条件抢夺权限。

锁定模式为有保护的权限，在任意ATS设备已获得权限的情况下，忽略其他设备的权限申请消息；当获得权限的ATS设备申请解除权限后，才重新接收权限申请消息。

各个权限模式的变迁方式如图7所示。

图7 权限模式变迁

T1：初始化模式下，根据接收到的权限状态消息，进入自由模式或者锁定模式。自由模式下，根据接收到的权限状态消息，进入锁定模式。

T2：锁定模式下，已获得权限的ATS设备申请解除权限，则重新进入初始化模式。

T3：初始化模式下、自由模式下以及锁定模式下，接收到模块调用者的开启封闭模式接口指令，则进入封闭模式。

T4：封闭模式下，接收到模块调用者的关闭封闭模式接口指令，则进入初始化模式。

T5：自由模式下，已获得权限的ATS设备通信中断，则重新进入初始化模式。锁定模式下，已获得权限的ATS设备通信中断，则重新进入初始化模式。

4.3 车站接口机的主备切换设计

主备机间的无缝切换是保证车站接口机与计轴保持不间断通信的关键技术之一。设定多个关键设备的优先级规则为，由高至低，10为最高优先级设备，1为低优先级设备。主机将与其连接的关键设备和与备机连接的关键设备的优先级进行比较，裁定是否触发主备切换。在CBTC系统计轴接口优化方案中，与车站接口机连接的关键设备包括计算机联锁系统、计轴系统、ATS车站设备等，分别将联锁主机设备、ATS车站设备和计轴系统的优先级设为N和N-1，N-2，即联锁设备的优先级高于ATS车站设备、ATS车站设备的优先级高于计轴系统。运行启动车站接口机时，双套车站接口机程序中的倒机模块之间建立双机通信，进行主备机的预设。在运行过程中，当关键设备(计算机联锁系统，ATS车站服务器、计轴系统)与主机连接故障时，主机按照优先级由高到低的顺序评定进行倒机切换。评定值依赖于本地通道和连接端通道的主备状态以及工作状态，若主机中所述优先级为N的关键设备的评定值小于备机中所述优先级为N的关键设备的评定值，则触发主备机切换，逻辑示意如图8所示。

图8 车站接口机主备切换

5 设备测试及应用情况

以广州7号线的广州南站为测试案例，搭建CBTC系统计轴接口优化方案的集成测试环境。测试环境包括ATS车站服务器、ATS现地终端、TYJL-III型CBTC联锁计算机、CBTC联锁维护终端、IO仿真计算机、ARTJZ-2型计轴主机等设备。测试连接如图9所示，测试环境包含的系统配置如表1所示。

图9 CBTC系统计轴接口优化方案测试连接

表1 测试系统配置

车站接口机与计轴系统之间使用冗余网络进行通信。在每个设备集中站中，车站接口机与计轴系统组成单独的局域网，建立两条逻辑通信通道。

车站接口机在刚启动或与计轴通信系统连接中断之后，用A网和B网尝试与计轴系统建立连接。一旦在某一网段建立可用连接后，不再尝试连接另一网段。

车站接口机和计轴系统根据传输帧序号、呼叫应答帧类型和顺序以及CRC校验结果判断呼叫应答的正确性。发生呼叫或应答错误时，双方尝试重新初始化帧序号。连续超过3次错误认为连接中断。

针对CBTC系统计轴接口优化方案的需求，设计35条测试案例。测试结果为35条测试项通过，0条未通过，证明了优化方案的可行性。

6 结论

通过车站接口机功能的升级改造，设计和实现了CBTC系统的计轴系统优化方案，结论如下。

(1)优化了CBTC系统内计轴信息传输通道，通信方式实现了ATS系统与计轴系统间的信息传输，减少了继电器组合、计算机联锁系统中的部分IO单元和电缆数量，降低计算机联锁系统负荷，提高CBTC系统的经济效能。

(2)整合车站接口机既有的信息转换和分发功能，统一了ATS系统和计算机联锁系统的显示和操作终端，达到了简化用户操作，提高工作效率的目的。