趙曉峰
(上海貝爾股份有限公司,上海 201203)
在城市軌道交通中,信號(hào)系統(tǒng)是控制列車運(yùn)行、保證列車運(yùn)行安全的大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。按照列車行車密度的不同,分為固定閉塞系統(tǒng)、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)和移動(dòng)閉塞系統(tǒng)。無(wú)線CBTC(Communications-Based Train Control,基于通信的列車控制)就是移動(dòng)閉塞的一種應(yīng)用系統(tǒng)[1]。其車地通信采用IEEE 802.11字母通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,即無(wú)線局域網(wǎng)通信協(xié)議。
傳統(tǒng)的基于軌道電路的信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中,系統(tǒng)生命周期通常遵從“V模型”,該模型是一種瀑布模型,強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程需有完整的規(guī)劃、分析、設(shè)計(jì)、測(cè)試及文件等管理與控制,因此能有效地確保系統(tǒng)品質(zhì)。根據(jù)國(guó)際鐵路標(biāo)準(zhǔn)IEC 62278所述,鐵路應(yīng)用的典型系統(tǒng)生命周期包含14個(gè)階段:概念、系統(tǒng)定義、風(fēng)險(xiǎn)分析、系統(tǒng)需求、系統(tǒng)需求分配、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、制造、安裝、系統(tǒng)確認(rèn)、系統(tǒng)驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)、性能監(jiān)控、更改及翻新、停用及處置[2]。
無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)由于采用移動(dòng)閉塞制式,軌旁使用計(jì)軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車位置檢測(cè),加之車地通信采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議,這些與傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)相比,技術(shù)變化較大,從客戶角度來(lái)講,一次性開(kāi)通無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng),運(yùn)營(yíng)和維護(hù)都將難以適應(yīng),因此,采取分期開(kāi)通的策略是首選,這就需要使用螺旋模型的系統(tǒng)生命周期。
螺旋模型是一種迭代模型,最早是由美國(guó)軟件工程師巴里·勃姆(Barry Boehm)提出,應(yīng)用于軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的演化模型。該模型將瀑布模型和快速原型模型結(jié)合起來(lái),強(qiáng)調(diào)了其他模型所忽視的風(fēng)險(xiǎn)分析,特別適合于大型復(fù)雜系統(tǒng)[3]。圖1是根據(jù)鐵路應(yīng)用的信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)繪制的螺旋模型。
圖1 無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)螺旋模型
如圖1所示,合同簽署是整個(gè)項(xiàng)目的起點(diǎn),然后按照時(shí)間順序,無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目可以分為多個(gè)時(shí)期,每期項(xiàng)目均需要遵從完整的V模型生命周期。在項(xiàng)目范圍明確后,信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,也稱為安全分析,從鐵路應(yīng)用的多個(gè)角度,分析信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中存在的風(fēng)險(xiǎn),從而生成危害日志,并在每期項(xiàng)目中不斷更新。獲得危害日志后,系統(tǒng)進(jìn)入需求和設(shè)計(jì)階段,包括系統(tǒng)需求、系統(tǒng)架構(gòu)、硬件需求、硬件架構(gòu)、軟件需求、軟件架構(gòu)等,每期項(xiàng)目的功能都會(huì)不斷擴(kuò)大,直到完成合同規(guī)定的功能范圍。在設(shè)備開(kāi)始制造前,通常都需要一個(gè)原型機(jī)階段,用于驗(yàn)證和確認(rèn)系統(tǒng)需求及設(shè)計(jì)的正確性,然后才能進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)制造。最后進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)的安裝、調(diào)試和驗(yàn)收,在客戶確認(rèn)系統(tǒng)符合合同要求之后,由供應(yīng)商的安全部門或者獨(dú)立的第三方安全認(rèn)證公司出具安全證書(shū)。只有獲得合格的安全證書(shū),每期項(xiàng)目才能交付客戶投入運(yùn)營(yíng)。信號(hào)系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)后,供應(yīng)商的職責(zé)并未結(jié)束,通常都規(guī)定有2年的質(zhì)保期,在這段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)過(guò)程中,供應(yīng)商需要不斷完善系統(tǒng),并出具可靠、翔實(shí)、準(zhǔn)確的運(yùn)營(yíng)限制,指導(dǎo)客戶如何規(guī)避系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn),從而安全地使用系統(tǒng)。每期項(xiàng)目交付都必須遵從客戶的時(shí)間里程碑。城市軌道交通項(xiàng)目都是重大市政工程,信號(hào)系統(tǒng)交付會(huì)影響線路載客運(yùn)營(yíng)的時(shí)間,通常情況下,一期項(xiàng)目交付的時(shí)間就是客戶要求載客運(yùn)營(yíng)的時(shí)間。
在螺旋模型的實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)生命周期的劃分是難點(diǎn),無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目交付活動(dòng)中,需要完成從固定閉塞制式到移動(dòng)閉塞制式的跨度,同時(shí)還要保證系統(tǒng)的安全性,每期的功能范圍如何劃分,成為系統(tǒng)交付的關(guān)鍵。
按照設(shè)備來(lái)劃分,無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)主要有以下子系統(tǒng):ATS(Automatic Train Supervision,列車自動(dòng)監(jiān)控)、聯(lián)鎖、ZC(Zone Controller,區(qū)域控制器)、VOBC(Vehicle On-board Controller,車載控制器)、DCS(Data Communication System,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))。
按照地域來(lái)劃分,無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)的線路通常會(huì)分成若干個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域包括1套區(qū)域ATS設(shè)備,1套聯(lián)鎖和1套ZC,1個(gè)區(qū)域的設(shè)備可以控制若干個(gè)車站。控制中心有1套中心ATS設(shè)備。每列車有1套VOBC。
ATS子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的監(jiān)督和控制,提供人機(jī)界面,向軌旁和車載設(shè)備發(fā)送控制命令,收集軌旁和車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。
聯(lián)鎖子系統(tǒng)以進(jìn)路控制為主要內(nèi)容[4],提供了與軌旁信號(hào)設(shè)備的接口,包括計(jì)軸系統(tǒng)、道岔、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)緊急按鈕以及站臺(tái)屏蔽門。在移動(dòng)閉塞制式下的無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)中,聯(lián)鎖的功能有所擴(kuò)展。
ZC子系統(tǒng)功能主要體現(xiàn)在移動(dòng)閉塞制式下的無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)中,可以按照移動(dòng)閉塞原理計(jì)算列車運(yùn)行的LMA(Limitation Movement Authority,移動(dòng)授權(quán)限制),即列車可以安全走行的距離,并通過(guò)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車載設(shè)備。
VOBC子系統(tǒng)主要功能是與車輛接口,控制列車運(yùn)行狀態(tài),并提供了與車載信號(hào)設(shè)備的接口,包括速度計(jì)、加速度計(jì)、信標(biāo)應(yīng)答器、接近盤天線,以及司機(jī)顯示器。VOBC有多種駕駛模式:ATO(Automatic Train Operation,列車自動(dòng)駕駛模式)、ATPM(Automatic Train Protection Manual,有列車自動(dòng)防護(hù)的人工模式)、WSP(Wayside Signal Protection,軌旁信號(hào)保護(hù)模式)、RM(Restricted Manual,限制人工模式)等。
DCS子系統(tǒng)主要提供各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信傳輸通道,對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)是透明的,主要包括區(qū)域局域網(wǎng)、軌旁骨干網(wǎng)、車地?zé)o線局域網(wǎng)、車載局域網(wǎng)。
結(jié)合系統(tǒng)功能特點(diǎn)[5]和客戶能力儲(chǔ)備情況,無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目分為3期開(kāi)通較為合理,一期主要提供以客戶熟悉的聯(lián)鎖子系統(tǒng)為基礎(chǔ)的固定閉塞制式信號(hào)系統(tǒng),輔以基本ATP功能的VOBC子系統(tǒng);二期在一期功能基礎(chǔ)上提供基本ATP功能的ZC子系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了ATO、ATPM駕駛模式,可以稱之為準(zhǔn)“移動(dòng)閉塞制式”信號(hào)系統(tǒng);三期則提供了完整功能的移動(dòng)閉塞制式信號(hào)系統(tǒng),也稱為CBTC系統(tǒng)[6]。
無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)一期項(xiàng)目交付主要包括:ATS、聯(lián)鎖、VOBC,以及DCS。實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部接口有:ATS-聯(lián)鎖,ATS-VOBC。見(jiàn)圖2。
圖2 無(wú)線CBTC一階段系統(tǒng)
在一期項(xiàng)目中,ATS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基本的監(jiān)控功能,并提供基于時(shí)刻表的自動(dòng)調(diào)整。根據(jù)固定閉塞制式的“雙紅燈防護(hù)”原則,軌旁信號(hào)設(shè)備均已安裝到位,確保線路上前后連續(xù)的兩列車之間有兩個(gè)紅燈進(jìn)行防護(hù)。聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)了基于聯(lián)鎖表的固定閉塞進(jìn)路,站臺(tái)緊急按鈕和站臺(tái)屏蔽門均進(jìn)入聯(lián)鎖表。
為了配合車載功能,軌旁還安裝了信標(biāo)和接近盤,其中,信標(biāo)有A/B/C 3種,A信標(biāo)用于輔助列車定位功能,B信標(biāo)用于輔助列車的基本ATP功能,C信標(biāo)用于輔助列車輪徑校準(zhǔn)功能。A信標(biāo)和C信標(biāo)屬于無(wú)源信標(biāo),B信標(biāo)與信號(hào)機(jī)允許信號(hào)串聯(lián),當(dāng)允許信號(hào)開(kāi)放時(shí),B信標(biāo)上電,而當(dāng)禁止信號(hào)開(kāi)放時(shí),B信標(biāo)失電。
VOBC實(shí)現(xiàn)了列車定位、空轉(zhuǎn)/打滑檢測(cè)、超速防護(hù)、紅燈信號(hào)監(jiān)督、倒溜防護(hù)、車門使能及開(kāi)門監(jiān)督等功能。運(yùn)營(yíng)時(shí),司機(jī)在WSP模式保護(hù)下人工行車,當(dāng)前方出現(xiàn)紅燈時(shí),VOBC只能依靠軌旁的B信標(biāo)狀態(tài)來(lái)檢測(cè)信號(hào)機(jī)表示,從而自動(dòng)觸發(fā)列車緊急制動(dòng),列車停下時(shí),車頭已經(jīng)越過(guò)紅燈,但是不會(huì)越過(guò)當(dāng)前進(jìn)路的防護(hù)區(qū)段。列車到站時(shí),司機(jī)需要分別手動(dòng)打開(kāi)車門和站臺(tái)屏蔽門。此外,VOBC還可以將列車實(shí)時(shí)信息發(fā)送到ATS,包括列車ID、位置、速度、方向、車門狀態(tài)、車站停準(zhǔn)信息等。
一期項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)只支持單向運(yùn)營(yíng)。
一期項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的固定閉塞制式信號(hào)系統(tǒng)將會(huì)作為二期和三期項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)的后備系統(tǒng)。
以上海地鐵8號(hào)線為例,一期項(xiàng)目的站間(不含折返)最小設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)間隔是192 s[7]。
無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)二期項(xiàng)目交付主要包括:ZC和升級(jí)后的ATS、聯(lián)鎖和VOBC。實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部接口有:ATS-ZC,ZC-聯(lián)鎖,ZC-VOBC,以及升級(jí)后的ATS-VOBC。見(jiàn)圖3。
圖3 無(wú)線CBTC二階段系統(tǒng)
在二期項(xiàng)目中,ATS增加了與ZC相關(guān)的功能,包括打開(kāi)/關(guān)閉軌道,設(shè)置臨時(shí)限速。聯(lián)鎖與軌旁信號(hào)設(shè)備的硬件接口沒(méi)有變化,進(jìn)路功能也無(wú)變化,ATS依然是將進(jìn)路命令發(fā)送到聯(lián)鎖。聯(lián)鎖新增與ZC的接口,發(fā)送給ZC的數(shù)據(jù)包括:區(qū)域內(nèi)的計(jì)軸區(qū)段占用/空閑狀態(tài)、道岔定/反位、信號(hào)機(jī)表示、站臺(tái)屏蔽門狀態(tài),以及已排列進(jìn)路的防護(hù)區(qū)段的激活/非激活狀態(tài);從ZC接收的數(shù)據(jù)則包括:站臺(tái)屏蔽門打開(kāi)/關(guān)閉命令。ZC主要負(fù)責(zé)管理軌道狀態(tài)和臨時(shí)限速。ZC會(huì)向VOBC發(fā)送軌旁信號(hào)設(shè)備狀態(tài),包括計(jì)軸區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)、進(jìn)路防護(hù)區(qū)段狀態(tài),以及ZC的內(nèi)部數(shù)據(jù)——軌道關(guān)閉/打開(kāi)狀態(tài)、臨時(shí)限速的位置和限速值。
軌旁設(shè)備布置在二期項(xiàng)目中沒(méi)有任何變化。
VOBC新增ATO和ATPM模式,這2種駕駛模式均可以根據(jù)ZC發(fā)送的軌旁信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)自行計(jì)算LMA,并確定安全停車點(diǎn),只包括站臺(tái)停車點(diǎn)和信號(hào)機(jī)停車點(diǎn)。行車原則還是“雙紅燈防護(hù)”原則,但是由于VOBC可以提前知道前方信號(hào)機(jī)表示,從而可以保證列車在紅燈前停下。當(dāng)列車所在進(jìn)路的防護(hù)區(qū)段處于激活狀態(tài)時(shí),列車停下的位置就在紅燈前;當(dāng)防護(hù)區(qū)段處于非激活狀態(tài)時(shí),列車停下的位置與前方紅燈之間會(huì)有一個(gè)安全距離,該距離是根據(jù)列車當(dāng)前速度和所在進(jìn)路的防護(hù)區(qū)段的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算的。ATO模式實(shí)現(xiàn)了2種速度曲線——正常和加速。列車到站時(shí),司機(jī)只需要打開(kāi)車門,站臺(tái)屏蔽門隨之可以聯(lián)動(dòng)。
二期項(xiàng)目中,ATO和ATPM模式可用的條件是ZC和VOBC保持通信,當(dāng)ZC和VOBC失去通信時(shí),系統(tǒng)仍然可用,此時(shí),VOBC采取WSP模式人工行車,軌旁的聯(lián)鎖則繼續(xù)發(fā)揮進(jìn)路功能,整個(gè)運(yùn)營(yíng)方式類似于一期的系統(tǒng)。
二期項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)也只支持單向運(yùn)營(yíng)。
以上海地鐵8號(hào)線為例,二期項(xiàng)目的站間(不含折返)最小設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)間隔是185 s[8]。
無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)三期項(xiàng)目交付主要包括:升級(jí)后的ATS、聯(lián)鎖、ZC和VOBC。實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部接口有:ZC-相鄰區(qū)域ZC,以及升級(jí)后的ATS-ZC,ATS-聯(lián)鎖,ZC-聯(lián)鎖,ZC-VOBC,ATS-VOBC。見(jiàn)圖4。
圖4 無(wú)線CBTC三階段系統(tǒng)
在三期項(xiàng)目中,系統(tǒng)升級(jí)到移動(dòng)閉塞制式的CBTC系統(tǒng),ATS增加了CBTC進(jìn)路相關(guān)的功能,并向ZC發(fā)送進(jìn)路命令。聯(lián)鎖有2種工作模式:CBTC模式和后備模式。CBTC模式的聯(lián)鎖處于受控地位,接收Z(yǔ)C發(fā)送的命令,控制道岔轉(zhuǎn)動(dòng)和信號(hào)機(jī)顯示;后備模式的聯(lián)鎖處于主控地位,不再接收Z(yǔ)C命令,而是與傳統(tǒng)聯(lián)鎖功能類似。ZC也有2種工作模式:CBTC模式和后備模式。CBTC模式的ZC可以計(jì)算LMA,并發(fā)送給列車,以此控制列車走行的距離;后備模式的ZC處于不輸出的狀態(tài),整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為固定閉塞制式,列車的安全運(yùn)行由聯(lián)鎖子系統(tǒng)來(lái)保證。聯(lián)鎖和ZC的2種模式之間切換,只能通過(guò)操作員發(fā)命令來(lái)完成,不能自動(dòng)切換,同時(shí)為保證安全,2種模式之間的轉(zhuǎn)換需要一定的延時(shí)。聯(lián)鎖和ZC必須同時(shí)處于CBTC模式或后備模式。相鄰區(qū)域的ZC實(shí)現(xiàn)了通信,當(dāng)ATS辦理了跨區(qū)域的進(jìn)路時(shí),當(dāng)前區(qū)域ZC會(huì)向相鄰區(qū)域ZC發(fā)送進(jìn)路延伸請(qǐng)求。
VOBC的運(yùn)營(yíng)模式依然是ATO和ATPM,只是三期的車載設(shè)備不再自行計(jì)算LMA,而是直接從ZC接收LMA。列車運(yùn)行采取移動(dòng)閉塞方式,前后連續(xù)的兩列列車的最小距離不再受計(jì)軸區(qū)段的限制。安全停車點(diǎn)也進(jìn)行了擴(kuò)展,后續(xù)列車可以在前行列車的緩行回退距離(40 m)之外停下。ATO模式實(shí)現(xiàn)了5種速度曲線——節(jié)能、中間1、中間2、正常和加速。列車到站時(shí),VOBC可以自動(dòng)打開(kāi)車門,站臺(tái)屏蔽門隨之可以聯(lián)動(dòng)。
三期項(xiàng)目中,ATO和ATPM模式可用的條件也是ZC和VOBC保持通信,當(dāng)ZC和VOBC失去通信時(shí),系統(tǒng)仍然可用,此時(shí),VOBC采取WSP模式人工行車,軌旁的ZC和聯(lián)鎖可以是CBTC模式,也可以后備模式,均會(huì)繼續(xù)發(fā)揮進(jìn)路功能,整個(gè)運(yùn)營(yíng)方式類似于一期的系統(tǒng)。
三期項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)支持雙向運(yùn)營(yíng)。
以上海地鐵8號(hào)線為例,三期項(xiàng)目的站間(不含折返)最小設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)間隔是83 s[9]。
無(wú)論是一期到二期,還是二期到三期,無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)的切換都很難在一夜之間完成,這有人力和地域的限制,更重要的是考慮到運(yùn)營(yíng)安全的因素,因此,這就形成了一個(gè)特殊的運(yùn)營(yíng)時(shí)期——割接時(shí)期。
系統(tǒng)割接的標(biāo)準(zhǔn)流程如下:首先升級(jí)ATS,使其同時(shí)兼容本期和下一期系統(tǒng)的軌旁和車載子系統(tǒng);然后,升級(jí)所有區(qū)域的軌旁子系統(tǒng);第三,升級(jí)所有車載子系統(tǒng);最后,再次升級(jí)ATS,去除對(duì)舊版本軌旁和車載子系統(tǒng)的兼容性。
按照上述割接順序,一期到二期的割接時(shí)期中,運(yùn)營(yíng)中的特殊情況是二期ATS、二期ZC和聯(lián)鎖,以及一期VOBC同時(shí)出現(xiàn),此時(shí),一期VOBC行車依然采用WSP模式,二期ZC不會(huì)與一期VOBC建立通信。對(duì)于一期列車,系統(tǒng)采取基于二期聯(lián)鎖的固定閉塞制式。
按照上述割接順序,二期到三期的割接時(shí)期中,運(yùn)營(yíng)中的特殊情況是三期ATS、三期ZC和聯(lián)鎖,以及二期VOBC同時(shí)出現(xiàn),此時(shí),二期VOBC不會(huì)與三期ZC建立通信,轉(zhuǎn)而采用WSP模式行車,三期ZC和聯(lián)鎖處于CBTC模式。對(duì)于二期列車,整個(gè)系統(tǒng)采取基于三期ZC和聯(lián)鎖的固定閉塞制式。
通過(guò)研究螺旋模型的系統(tǒng)生命周期,結(jié)合IEC在鐵路應(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)國(guó)內(nèi)無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化剛剛起步的現(xiàn)狀,從城市軌道交通建設(shè)的整體出發(fā),為降低軌道交通建設(shè)難度,提出了一種無(wú)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)的螺旋模型,將系統(tǒng)開(kāi)通分為3個(gè)時(shí)期,并詳細(xì)描述各期的功能特點(diǎn)、系統(tǒng)架構(gòu)以及性能參數(shù)。
城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目是以安全為核心的復(fù)雜機(jī)電項(xiàng)目,項(xiàng)目開(kāi)通采取基于螺旋模型的分期策略,有助于降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn),同時(shí),對(duì)于將來(lái)制定城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系[10]也具有重大參考意義。
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