CBTC系統(tǒng)區(qū)域控制器（ZC）功能及原理探究

屈耀

摘? 要：地面區(qū)域控制器（ZC）作為CBTC系統(tǒng)的核心地面設(shè)備，剖析其功能、工作原理及外部通信，對(duì)我們深化認(rèn)知，學(xué)習(xí)和理解有著極為重要意義。

關(guān)鍵詞：區(qū)域控制器;ZC;CBTC

中圖分類(lèi)號(hào)：U284.48? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）25-0069-04

Abstract： Zone Controller （ZC） is the core ground equipment of CBTC system. Analyzing its function， working principle and external communication is of great significance for us to deepen our understanding， studying and understanding of this equipment.

Keywords： Zone Controller; ZC; CBTC

1 概述

基于無(wú)線通信的列車(chē)控制系統(tǒng)CBTC（Communication Based Train Control）是當(dāng)今城市軌道交通的主流控制系統(tǒng)，作為CBTC系統(tǒng)的核心地面控制設(shè)備，區(qū)域控制器（ZC）主要功能是根據(jù)通信列車(chē)所匯報(bào)的位置信息以及聯(lián)鎖排列的進(jìn)路和軌旁設(shè)備提供的軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內(nèi)的列車(chē)生成和發(fā)送移動(dòng)授權(quán)（MA），是車(chē)-地信息處理的樞紐，保障了CBTC系統(tǒng)下通信列車(chē)行車(chē)效率及安全運(yùn)行，具備在各種列車(chē)控制級(jí)別和駕駛模式下進(jìn)行列車(chē)管理的能力。

本文以區(qū)域控制器為對(duì)象，在介紹CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步剖析了區(qū)域控制器的功能、原理，以及與其它子系統(tǒng)的通信信息傳輸。

2 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及地面區(qū)域控制器介紹

CBTC（Communication Based Train Control）系統(tǒng)是一個(gè)安全的，具有高可靠性、高穩(wěn)定性的基于無(wú)線的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它最大的特點(diǎn)是可以與列車(chē)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。由列車(chē)-地面間周期傳遞列車(chē)位置信息和地面-列車(chē)間傳遞移動(dòng)授權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)地通信功能。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CBTC系統(tǒng)由列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、及ATC系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1為CBTC系統(tǒng)的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括了區(qū)域控制器（ZC）、車(chē)載控制器（VOBC）、聯(lián)鎖和ATS系統(tǒng)。CBTC采用先進(jìn)的通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)，連續(xù)控制、監(jiān)測(cè)列車(chē)運(yùn)行的移動(dòng)閉塞方式，擺脫用軌道電路判斷對(duì)閉塞分區(qū)占用與否，突破了固定閉塞的局限性，通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面區(qū)域控制器時(shí)時(shí)雙向通信。

2.2 地面區(qū)域控制器（ZC）結(jié)構(gòu)及外部通信

CBTC系統(tǒng)地面區(qū)域控制器（ZC）是保證列車(chē)運(yùn)行安全的重要設(shè)備，ZC子系統(tǒng)采用“2乘2取2”冗余結(jié)構(gòu)的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)，主要負(fù)責(zé)根據(jù)CBTC列車(chē)所匯報(bào)的位置信息以及聯(lián)鎖所排列的進(jìn)路和軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內(nèi)的CBTC列車(chē)計(jì)算生成移動(dòng)授權(quán)（MA），確保在其控制區(qū)域內(nèi)CBTC列車(chē)的安全運(yùn)行。

ZC設(shè)備的可靠性和可用性關(guān)系到CBTC系統(tǒng)的順利運(yùn)營(yíng)以及運(yùn)行效率，這就對(duì)ZC設(shè)備所賴(lài)以運(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境提出了很高的要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

為確保系統(tǒng)的高可靠性和高安全性，系統(tǒng)采用高可靠性、高安全性硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，以及采取必須的硬件、軟件冗余措施，ZC與相鄰有關(guān)系統(tǒng)間的通信通道具有熱備冗余配置。主備設(shè)備轉(zhuǎn)換時(shí)間不影響列車(chē)正常運(yùn)行和司機(jī)正常駕駛，安全完整性等級(jí)達(dá)到SIL4級(jí)。硬件按標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

地面區(qū)域控制器（ZC）設(shè)備作為CBTC核心設(shè)備，主要承接與ATS、聯(lián)鎖、相鄰ZC、列車(chē)及維護(hù)機(jī)通信功能，通信連接圖如圖3。

3 地面區(qū)域控制器（ZC）設(shè)備工作原理

地面區(qū)域控制器（ZC）設(shè)備工作原理為實(shí)時(shí)地與車(chē)載 ATP、聯(lián)鎖、ATS設(shè)備進(jìn)行信息交互，周期性地通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向其管轄區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的CBTC列車(chē)發(fā)送MA，同時(shí)ZC還會(huì)把接收聯(lián)鎖發(fā)送的緊急關(guān)閉、屏蔽門(mén)等狀態(tài)信息發(fā)送給車(chē)載ATP，控制列車(chē)在CBTC級(jí)別下安全的運(yùn)行。

3.1 硬件原理

地面區(qū)域控制器（ZC）采用具有高可靠性的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一個(gè)具有二乘二取二冗余結(jié)構(gòu)的故障-安全處理系統(tǒng)，每系包含有兩個(gè)獨(dú)立的CPU單元，通過(guò)公共時(shí)鐘源實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)同步，實(shí)現(xiàn)單系二取二控制。ZC計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

ZC雙系以主從方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)二乘二取二控制。雙系獨(dú)立二取二運(yùn)算和輸出比較，當(dāng)主系故障時(shí)，主系主動(dòng)降級(jí)，從系升為主系;當(dāng)從系故障時(shí)，從系主動(dòng)降級(jí)，不影響當(dāng)前主系控制。

從系周期性從同步區(qū)獲取主系數(shù)據(jù)，并以此更新本系相關(guān)數(shù)據(jù)。

從系每個(gè)運(yùn)算周期接收主系發(fā)送的周期開(kāi)始同步信號(hào)作為本系周期開(kāi)始信號(hào)，達(dá)到從系與主系周期同步。

ZC邏輯部的核心處理器采用兩個(gè)通用的嵌入式處理模塊（CPU A和CPU B），兩個(gè)處理器在一個(gè)中斷源的驅(qū)動(dòng)下完成周期同步運(yùn)算。

ZC邏輯部雙系之間設(shè)有高速以太網(wǎng)，用于兩系信息的交換，兩條高速以太網(wǎng)分別連接兩系的CPU 1和CPU 2，這種連接方法保證的系間交換的信息也能夠完成二取二比較，從而保證了系間交換數(shù)據(jù)的安全性。

根據(jù)ZC邏輯部子系統(tǒng)功能需求，ZC邏輯部子系統(tǒng)包括以下集中主要模塊，分別是：

BIC-A和BIC-B為邏輯處理單元，負(fù)責(zé)安全功能，也稱(chēng)為安全運(yùn)算子系統(tǒng)（DSM）;

BIC-C為外系統(tǒng)通信模塊，承擔(dān)數(shù)據(jù)分析及傳輸功能，支持 Ethernet等外接系統(tǒng)接口，也稱(chēng)為通信管理子系統(tǒng)（DTS）;

電源模塊：邏輯部電源模塊，為機(jī)籠提供DC24V供電;

BSW為以太網(wǎng)交換板：承接ZC與外部設(shè)備信息交互功能。

3.2 軟件原理

系統(tǒng)邏輯部應(yīng)用軟件采用嵌入式C語(yǔ)言編碼，編碼遵循安全系統(tǒng)C語(yǔ)言編碼規(guī)范，使系統(tǒng)軟件具有高可靠性和高安全性。

ZC計(jì)算機(jī)每系兩個(gè)CPU單元均采用精簡(jiǎn)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)各任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行。

3.3 系統(tǒng)同步管理

ZC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為二乘二取二，單系采用任務(wù)同步二取二比較輸出，雙系采用并行主從工作方式，任何一系故障，均不會(huì)對(duì)另外一系以及其它子系統(tǒng)的正常工作造成影響。

（1）同步機(jī)制

單系雙CPU為任務(wù)級(jí)同步，輸出為任務(wù)級(jí)二取二比較，雙系保持周期同步，對(duì)同步的設(shè)計(jì)如下：

ZC邏輯部系內(nèi)的兩個(gè)CPU的核心任務(wù)運(yùn)行以同一個(gè)時(shí)刻為起點(diǎn)，并按照固定間隔時(shí)間周期循環(huán)執(zhí)行;系內(nèi)通過(guò)DPRAM交換雙CPU的輸出結(jié)果進(jìn)行同步比較;間隔時(shí)間考慮系統(tǒng)對(duì)共模故障防護(hù)的影響不宜設(shè)置過(guò)短;雙系保持同步運(yùn)行，在從系投入或雙系運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)系間通信交換同步數(shù)據(jù)，使從系與主系保持同步運(yùn)行;雙系同步偏差時(shí)間小于20ms。

（2）冗余切換

兩套完全相同的邏輯部子系統(tǒng)構(gòu)成雙系，以主從方式并行工作，即：

正常運(yùn)行時(shí)，僅主系輸出，備系保持與主系狀態(tài)一致;從系的輸出必須與主系保持一致，如果從系運(yùn)算輸出與主系不同則與主系同步。

ZC兩系的工作狀態(tài)定義為：

主系：系統(tǒng)正常運(yùn)行，且處于正?？刂茽顟B(tài)，為默認(rèn)主系;從系：系統(tǒng)正常運(yùn)行，且處于正常控制狀態(tài)，系統(tǒng)與主系同步;待機(jī)：系統(tǒng)正常運(yùn)行，且處于停止控制狀態(tài)，系統(tǒng)存在故障或與主系不同步;停機(jī)：系統(tǒng)停止運(yùn)行。

系統(tǒng)確定主從系的基本原則是：

首先加電運(yùn)行的系，完成初始化，工作正常即成為主系;后加電運(yùn)行的系，完成初始化，工作正常，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)與主系完成同步即為從系;主系故障或者比較不一致時(shí)轉(zhuǎn)為待機(jī)，同時(shí)從系升為主系;從系故障或者比較不一致時(shí)轉(zhuǎn)為待機(jī);待機(jī)的系統(tǒng)在故障恢復(fù)后，取得同步后升為從系。

4 結(jié)論

本文通過(guò)從地面區(qū)域控制器（ZC）工作原理、外部通信等方面進(jìn)行探究，對(duì)ZC在系統(tǒng)中功能和原理進(jìn)行深入剖析，介紹了國(guó)產(chǎn)地面區(qū)域控制器的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，進(jìn)一步加深了對(duì)國(guó)產(chǎn)地面區(qū)域控制器的了解。

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