多模式列车控制系统列车运行方向控制功能研究

洪海珠

(上海申通地铁集团有限公司,201103,上海∥高级工程师)

TBTC(基于轨道电路的列车控制)系统采用的是一种准移动闭塞的列车控制方式,属于20世纪90年代的列车控制(以下简称“列控”)技术。目前仍有一些线路(如上海轨道交通1号线和2号线等)在使用该技术。随着使用年限的增加,TBTC系统的稳定性逐渐降低,运营成本不断升高。部分线路的TBTC系统濒临寿命周期年限,将迎来整线制的大修改造。

随着列控技术的不断发展,以CBTC(基于通信的列车控制)系统为代表的移动闭塞系统已经成熟。在应对既有采用TBTC系统线路大修改造需求时,期望通过将信号系统升级为CBTC系统,以提高线路运能;但也同时期望TBTC和CBTC系统实现平稳过渡,以满足“边运营、边改造”的运营无感改造需求;以及期望使用连续式的TBTC系统来替代现有规范下的点式后备降级系统,从而提高降级模式下的线路运能和系统整体可用性。为此,在具备相关条件时,可考虑在大修改造项目需求中明确将既有TBTC系统作为降级系统,将新增CBTC系统作为主用系统,采用一种兼容CBTC和TBTC系统的方案,即CBTC+TBTC系统方案。

在面向这类CBTC+TBTC多模式列控系统项目时,若采用各自既有的技术规范来实现列车运行方向控制功能,则由于两者在列车运行方向控制判定基础条件上存在差异,难以同时满足两种不同制式的列车在线混跑运营,且难以满足运能需要,进而会影响到这类多模式列控系统的整体可用性,因此必须寻求一种兼容的运行控制方法以解决该问题。

安全性、可靠性和完备性对于SIL(安全完整性等级)需达到SIL4级的信号系统至关重要。通过状态机和活动图的形式化方法,对系统功能进行建模,证明系统的安全性,是国际电工协会发布的规范IEC 61508:2000《电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全》中强烈推荐的功能需求建模方法[1]。形式化方法已在CBTC联锁系统功能[2]、车车通信列控系统的后备模式切换功能[3]、列控-安全信息传输系统功能[4]等方面得到探讨。

鉴于CBTC+TBTC系统方案的列车运行方向控制功能尚未得到充分讨论,本文通过分析列车运行方向控制的场景、功能和安全属性,建立事件逻辑流程,使用基于SysML(系统建模语言)规定要求的动态建模手段——状态机和活动图的形式化方法对列车运行方向控制进行建模,为类似系统的开发提供参考。

1 需求分析

系统需求分析是系统开发中最重要的阶段。如果系统需求中的缺陷在系统使用过程中被发现,其纠正成本极高,甚至会产生直接影响安全性的严重后果。因此,在需求阶段基于规范进行功能建模,以此保证系统功能的安全性、可靠性和完备性,这尤为重要。

TBTC系统的列车运行方向控制功能主要通过有岔站间的区间方向和有岔区域的进路方向组合方式实现,如图1所示。CBTC系统的列车运行方向控制功能则是完全基于运行任务所需的进路方向而定,如图2所示。两者间有本质区别。为使CBTC系统能够兼容TBTC系统,最基础的条件是:CBTC系统为列车运行计算移动授权,并支持基于列车进路和区间方向的两种列车运行方向控制功能。

图1 TBTC系统列车运行方向控制原理

图2 CBTC系统列车运行方向控制原理

具体而言,CBTC+TBTC系统的列车运行方向控制功能需求为:系统在同一时刻,只能建立并维持在同一个列车运行方向;在区间建立好一个区间列车运行方向后,可允许多列列车基于准移动闭塞或者移动闭塞原则,按照该方向同向运行。为防止列车之间的敌对冲突运行,其安全需求为:系统需保证管辖范围内的所有列车以及运行到本管辖范围内的列车,都必须按照同一个方向运行且都不能出现敌对的运行方向。

2 功能状态机设计

根据需求分析,设计的CBTC+TBTC系统的功能状态机如图3所示。

图3 CBTC+TBTC系统功能状态机

图3功能状态机定义了3种系统状态,分别是:无方向状态(S1.1),为系统的初始状态; 发车状态(S1.2),即列车从本站向邻站的方向运行;接车状态(S1.3),即列车从邻站向本站的方向运行。

系统初始状态为“无方向状态”。从“无方向状态”转变到“发车状态”的条件为“本站请求发车命令”,从“无方向状态”转变到“接车状态”的条件为“邻站请求发车命令”,从“发车状态”转变到“接车状态”的条件为收到“邻站请求发车命令”,从“接车状态”转变到“发车状态”的条件为“本站请求发车命令”。因此可知:一旦系统进入“发车状态”或“接车状态”,就只能在这两个状态之间转换,不会再回到“无方向状态”,这避免了3种以上状态之间的转变,简化了功能设计;此时,只需要考虑如何避免本站和邻站同时出现“发车状态”和“接车状态”,对此可通过功能活动图进一步详细设计。

3 活动图建模

CBTC+TBTC系统列车运行方向控制功能活动图如图4所示。

图4 CBTC+TBTC系统列车运行方向控制功能活动图

由图4可知:

1) 甲站轨旁控制系统接收到人机界面向轨旁控制系统发送的上行(下行)发车进路命令;

2) 甲站在检查进路条件满足后,建立向上行(下行)发车的进路,并锁闭该发车进路;

3) 甲站轨旁控制系统判定发车进路建立且锁闭后,建立进路范围内的区间方向,该方向与进路方向相同,即与进路的上行(下行)方向相同;

4) 甲站轨旁控制系统判定进路范围内的区间上行(下行)方向建立后,将进路范围内的区间方向状态同步发送至CBTC和TBTC系统;

5) 甲站轨旁控制系统判定发车进路建立且锁闭后,向乙站的轨旁控制系统发送进路建立状态;

6) 乙站轨旁控制系统接收到甲站的轨旁控制系统发送的进路状态并且判断改变运行的条件满足后,建立乙站范围内的区间接车方向;

7) 乙站轨旁控制系统将区间的接车方向状态反馈至甲站轨旁控制系统;

8) 乙站轨旁控制系统将乙站范围内的区间上行(下行)方向同步发送至CBTC和TBTC系统;

9) 甲站轨旁控制系统接收到乙站范围内的区间接车方向后,判定甲站范围内的区间发车方向;

10) 甲站轨旁控制系统根据甲站范围内的区间发车方向并结合进路的上行(下行)方向,判定甲站范围内的区间上行(下行)方向;

11) 甲站轨旁控制系统将甲站范围内的区间上行(下行)方向同步发送至CBTC和TBTC系统;

12) 甲站轨旁控制系统判定发车进路建立且锁闭,判定甲站范围内的区间发车方向已建立,判定信号开放的其他条件都已满足,在这样的情况下,甲站轨旁控制系统判定上行(下行)发车进路信号开放;

13) 甲站轨旁控制系统将信号机开放状态同步发送至CBTC和TBTC系统;

14) 基于甲站发送的进路范围内的区间方向状态、甲站发车进路信号机开放状态、甲站辖区内的区间方向状态,以及乙站辖区内的区间方向状态,CBTC/TBTC列控系统(模块)综合计算列车移动授权(行车许可)的方向和目标点。

4 工程应用

通过规范模型对功能需求的精确表达,规避了前期需求与后期交付之间的不一致。需求模型经历了完整的评审和验证流程,规避了需求分析过程中的错误,确保了整个功能的完整性、一致性。

列车运行方向控制功能作为TBTC+CBTC多模式列控系统的核心功能之一,通过状态机和活动图的形式化建模与验证后,在上海轨道交通2号线信号系统大修改造项目中得以应用。2022年7月16日,上海轨道交通2号线新增 CBTC工程“多模信号系统”(样板段)现场验证评审会在上海轨道交通新闸路数字化综合运维中心举行[5]。现场测试了转换轨反向插车、CBTC追踪运行+TBTC故障、CBTC+TBTC混合运行、2 min折返能力、区域CBTC系统降级到TBTC模式等5个场景(见图5),测试结果表明:不同列控模式列车可在同一个区间中追踪运行,系统整体可用性相比改造前有了大幅提升,而且所有指标的现场实测结果均达到了预期目标。

图5 TBTC+CBTC多模式信号系统列车运行方向控制功能测试示意图

5 结语

系统功能需求规范是系统设计实现的依据,任何潜在的规范缺陷或解读错误都可能会给系统运营安全带来巨大风险。本文以列车运行方向控制为例,基于功能状态机和活动图的形式化方法建立了列车运行方向控制的设计原型。

通过本文所述的列车运行方向控制方案,统一了CBTC和TBTC系统计算移动授权所需的运行方向建立条件和建立方向的时序;轨旁控制系统将已经建立的方向状态分别实时同步发送至CBTC和TBTC系统;信号机状态、区间方向、进路范围内的区间方向状态分别发送,可使得各个模块之间的耦合度降低,最终使系统兼容两种信号系统制式的列车在同一线路内运行,并能在两种信号系统制式间实时灵活切换,提升了系统整体可用性。