多模式列車控制系統(tǒng)列車運(yùn)行方向控制功能研究

洪海珠

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,201103,上?！胃呒?jí)工程師)

TBTC(基于軌道電路的列車控制)系統(tǒng)采用的是一種準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的列車控制方式,屬于20世紀(jì)90年代的列車控制(以下簡(jiǎn)稱“列控”)技術(shù)。目前仍有一些線路(如上海軌道交通1號(hào)線和2號(hào)線等)在使用該技術(shù)。隨著使用年限的增加,TBTC系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸降低,運(yùn)營(yíng)成本不斷升高。部分線路的TBTC系統(tǒng)瀕臨壽命周期年限,將迎來整線制的大修改造。

隨著列控技術(shù)的不斷發(fā)展,以CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)為代表的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)已經(jīng)成熟。在應(yīng)對(duì)既有采用TBTC系統(tǒng)線路大修改造需求時(shí),期望通過將信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)為CBTC系統(tǒng),以提高線路運(yùn)能;但也同時(shí)期望TBTC和CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡,以滿足“邊運(yùn)營(yíng)、邊改造”的運(yùn)營(yíng)無感改造需求;以及期望使用連續(xù)式的TBTC系統(tǒng)來替代現(xiàn)有規(guī)范下的點(diǎn)式后備降級(jí)系統(tǒng),從而提高降級(jí)模式下的線路運(yùn)能和系統(tǒng)整體可用性。為此,在具備相關(guān)條件時(shí),可考慮在大修改造項(xiàng)目需求中明確將既有TBTC系統(tǒng)作為降級(jí)系統(tǒng),將新增CBTC系統(tǒng)作為主用系統(tǒng),采用一種兼容CBTC和TBTC系統(tǒng)的方案,即CBTC+TBTC系統(tǒng)方案。

在面向這類CBTC+TBTC多模式列控系統(tǒng)項(xiàng)目時(shí),若采用各自既有的技術(shù)規(guī)范來實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行方向控制功能,則由于兩者在列車運(yùn)行方向控制判定基礎(chǔ)條件上存在差異,難以同時(shí)滿足兩種不同制式的列車在線混跑運(yùn)營(yíng),且難以滿足運(yùn)能需要,進(jìn)而會(huì)影響到這類多模式列控系統(tǒng)的整體可用性,因此必須尋求一種兼容的運(yùn)行控制方法以解決該問題。

安全性、可靠性和完備性對(duì)于SIL(安全完整性等級(jí))需達(dá)到SIL4級(jí)的信號(hào)系統(tǒng)至關(guān)重要。通過狀態(tài)機(jī)和活動(dòng)圖的形式化方法,對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行建模,證明系統(tǒng)的安全性,是國(guó)際電工協(xié)會(huì)發(fā)布的規(guī)范IEC 61508:2000《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》中強(qiáng)烈推薦的功能需求建模方法[1]。形式化方法已在CBTC聯(lián)鎖系統(tǒng)功能[2]、車車通信列控系統(tǒng)的后備模式切換功能[3]、列控-安全信息傳輸系統(tǒng)功能[4]等方面得到探討。

鑒于CBTC+TBTC系統(tǒng)方案的列車運(yùn)行方向控制功能尚未得到充分討論,本文通過分析列車運(yùn)行方向控制的場(chǎng)景、功能和安全屬性,建立事件邏輯流程,使用基于SysML(系統(tǒng)建模語(yǔ)言)規(guī)定要求的動(dòng)態(tài)建模手段——狀態(tài)機(jī)和活動(dòng)圖的形式化方法對(duì)列車運(yùn)行方向控制進(jìn)行建模,為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

1 需求分析

系統(tǒng)需求分析是系統(tǒng)開發(fā)中最重要的階段。如果系統(tǒng)需求中的缺陷在系統(tǒng)使用過程中被發(fā)現(xiàn),其糾正成本極高,甚至?xí)a(chǎn)生直接影響安全性的嚴(yán)重后果。因此,在需求階段基于規(guī)范進(jìn)行功能建模,以此保證系統(tǒng)功能的安全性、可靠性和完備性,這尤為重要。

TBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行方向控制功能主要通過有岔站間的區(qū)間方向和有岔區(qū)域的進(jìn)路方向組合方式實(shí)現(xiàn),如圖1所示。CBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行方向控制功能則是完全基于運(yùn)行任務(wù)所需的進(jìn)路方向而定,如圖2所示。兩者間有本質(zhì)區(qū)別。為使CBTC系統(tǒng)能夠兼容TBTC系統(tǒng),最基礎(chǔ)的條件是:CBTC系統(tǒng)為列車運(yùn)行計(jì)算移動(dòng)授權(quán),并支持基于列車進(jìn)路和區(qū)間方向的兩種列車運(yùn)行方向控制功能。

圖1 TBTC系統(tǒng)列車運(yùn)行方向控制原理

圖2 CBTC系統(tǒng)列車運(yùn)行方向控制原理

具體而言,CBTC+TBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行方向控制功能需求為:系統(tǒng)在同一時(shí)刻,只能建立并維持在同一個(gè)列車運(yùn)行方向;在區(qū)間建立好一個(gè)區(qū)間列車運(yùn)行方向后,可允許多列列車基于準(zhǔn)移動(dòng)閉塞或者移動(dòng)閉塞原則,按照該方向同向運(yùn)行。為防止列車之間的敵對(duì)沖突運(yùn)行,其安全需求為:系統(tǒng)需保證管轄范圍內(nèi)的所有列車以及運(yùn)行到本管轄范圍內(nèi)的列車,都必須按照同一個(gè)方向運(yùn)行且都不能出現(xiàn)敵對(duì)的運(yùn)行方向。

2 功能狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析,設(shè)計(jì)的CBTC+TBTC系統(tǒng)的功能狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

圖3 CBTC+TBTC系統(tǒng)功能狀態(tài)機(jī)

圖3功能狀態(tài)機(jī)定義了3種系統(tǒng)狀態(tài),分別是:無方向狀態(tài)(S1.1),為系統(tǒng)的初始狀態(tài); 發(fā)車狀態(tài)(S1.2),即列車從本站向鄰站的方向運(yùn)行;接車狀態(tài)(S1.3),即列車從鄰站向本站的方向運(yùn)行。

系統(tǒng)初始狀態(tài)為“無方向狀態(tài)”。從“無方向狀態(tài)”轉(zhuǎn)變到“發(fā)車狀態(tài)”的條件為“本站請(qǐng)求發(fā)車命令”,從“無方向狀態(tài)”轉(zhuǎn)變到“接車狀態(tài)”的條件為“鄰站請(qǐng)求發(fā)車命令”,從“發(fā)車狀態(tài)”轉(zhuǎn)變到“接車狀態(tài)”的條件為收到“鄰站請(qǐng)求發(fā)車命令”,從“接車狀態(tài)”轉(zhuǎn)變到“發(fā)車狀態(tài)”的條件為“本站請(qǐng)求發(fā)車命令”。因此可知:一旦系統(tǒng)進(jìn)入“發(fā)車狀態(tài)”或“接車狀態(tài)”,就只能在這兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,不會(huì)再回到“無方向狀態(tài)”,這避免了3種以上狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變,簡(jiǎn)化了功能設(shè)計(jì);此時(shí),只需要考慮如何避免本站和鄰站同時(shí)出現(xiàn)“發(fā)車狀態(tài)”和“接車狀態(tài)”,對(duì)此可通過功能活動(dòng)圖進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3 活動(dòng)圖建模

CBTC+TBTC系統(tǒng)列車運(yùn)行方向控制功能活動(dòng)圖如圖4所示。

圖4 CBTC+TBTC系統(tǒng)列車運(yùn)行方向控制功能活動(dòng)圖

由圖4可知:

1) 甲站軌旁控制系統(tǒng)接收到人機(jī)界面向軌旁控制系統(tǒng)發(fā)送的上行(下行)發(fā)車進(jìn)路命令;

2) 甲站在檢查進(jìn)路條件滿足后,建立向上行(下行)發(fā)車的進(jìn)路,并鎖閉該發(fā)車進(jìn)路;

3) 甲站軌旁控制系統(tǒng)判定發(fā)車進(jìn)路建立且鎖閉后,建立進(jìn)路范圍內(nèi)的區(qū)間方向,該方向與進(jìn)路方向相同,即與進(jìn)路的上行(下行)方向相同;

4) 甲站軌旁控制系統(tǒng)判定進(jìn)路范圍內(nèi)的區(qū)間上行(下行)方向建立后,將進(jìn)路范圍內(nèi)的區(qū)間方向狀態(tài)同步發(fā)送至CBTC和TBTC系統(tǒng);

5) 甲站軌旁控制系統(tǒng)判定發(fā)車進(jìn)路建立且鎖閉后,向乙站的軌旁控制系統(tǒng)發(fā)送進(jìn)路建立狀態(tài);

6) 乙站軌旁控制系統(tǒng)接收到甲站的軌旁控制系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)路狀態(tài)并且判斷改變運(yùn)行的條件滿足后,建立乙站范圍內(nèi)的區(qū)間接車方向;

7) 乙站軌旁控制系統(tǒng)將區(qū)間的接車方向狀態(tài)反饋至甲站軌旁控制系統(tǒng);

8) 乙站軌旁控制系統(tǒng)將乙站范圍內(nèi)的區(qū)間上行(下行)方向同步發(fā)送至CBTC和TBTC系統(tǒng);

9) 甲站軌旁控制系統(tǒng)接收到乙站范圍內(nèi)的區(qū)間接車方向后,判定甲站范圍內(nèi)的區(qū)間發(fā)車方向;

10) 甲站軌旁控制系統(tǒng)根據(jù)甲站范圍內(nèi)的區(qū)間發(fā)車方向并結(jié)合進(jìn)路的上行(下行)方向,判定甲站范圍內(nèi)的區(qū)間上行(下行)方向;

11) 甲站軌旁控制系統(tǒng)將甲站范圍內(nèi)的區(qū)間上行(下行)方向同步發(fā)送至CBTC和TBTC系統(tǒng);

12) 甲站軌旁控制系統(tǒng)判定發(fā)車進(jìn)路建立且鎖閉,判定甲站范圍內(nèi)的區(qū)間發(fā)車方向已建立,判定信號(hào)開放的其他條件都已滿足,在這樣的情況下,甲站軌旁控制系統(tǒng)判定上行(下行)發(fā)車進(jìn)路信號(hào)開放;

13) 甲站軌旁控制系統(tǒng)將信號(hào)機(jī)開放狀態(tài)同步發(fā)送至CBTC和TBTC系統(tǒng);

14) 基于甲站發(fā)送的進(jìn)路范圍內(nèi)的區(qū)間方向狀態(tài)、甲站發(fā)車進(jìn)路信號(hào)機(jī)開放狀態(tài)、甲站轄區(qū)內(nèi)的區(qū)間方向狀態(tài),以及乙站轄區(qū)內(nèi)的區(qū)間方向狀態(tài),CBTC/TBTC列控系統(tǒng)(模塊)綜合計(jì)算列車移動(dòng)授權(quán)(行車許可)的方向和目標(biāo)點(diǎn)。

4 工程應(yīng)用

通過規(guī)范模型對(duì)功能需求的精確表達(dá),規(guī)避了前期需求與后期交付之間的不一致。需求模型經(jīng)歷了完整的評(píng)審和驗(yàn)證流程,規(guī)避了需求分析過程中的錯(cuò)誤,確保了整個(gè)功能的完整性、一致性。

列車運(yùn)行方向控制功能作為TBTC+CBTC多模式列控系統(tǒng)的核心功能之一,通過狀態(tài)機(jī)和活動(dòng)圖的形式化建模與驗(yàn)證后,在上海軌道交通2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)大修改造項(xiàng)目中得以應(yīng)用。2022年7月16日,上海軌道交通2號(hào)線新增 CBTC工程“多模信號(hào)系統(tǒng)”(樣板段)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證評(píng)審會(huì)在上海軌道交通新閘路數(shù)字化綜合運(yùn)維中心舉行[5]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了轉(zhuǎn)換軌反向插車、CBTC追蹤運(yùn)行+TBTC故障、CBTC+TBTC混合運(yùn)行、2 min折返能力、區(qū)域CBTC系統(tǒng)降級(jí)到TBTC模式等5個(gè)場(chǎng)景(見圖5),測(cè)試結(jié)果表明:不同列控模式列車可在同一個(gè)區(qū)間中追蹤運(yùn)行,系統(tǒng)整體可用性相比改造前有了大幅提升,而且所有指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖5 TBTC+CBTC多模式信號(hào)系統(tǒng)列車運(yùn)行方向控制功能測(cè)試示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)功能需求規(guī)范是系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的依據(jù),任何潛在的規(guī)范缺陷或解讀錯(cuò)誤都可能會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。本文以列車運(yùn)行方向控制為例,基于功能狀態(tài)機(jī)和活動(dòng)圖的形式化方法建立了列車運(yùn)行方向控制的設(shè)計(jì)原型。

通過本文所述的列車運(yùn)行方向控制方案,統(tǒng)一了CBTC和TBTC系統(tǒng)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)所需的運(yùn)行方向建立條件和建立方向的時(shí)序;軌旁控制系統(tǒng)將已經(jīng)建立的方向狀態(tài)分別實(shí)時(shí)同步發(fā)送至CBTC和TBTC系統(tǒng);信號(hào)機(jī)狀態(tài)、區(qū)間方向、進(jìn)路范圍內(nèi)的區(qū)間方向狀態(tài)分別發(fā)送,可使得各個(gè)模塊之間的耦合度降低,最終使系統(tǒng)兼容兩種信號(hào)系統(tǒng)制式的列車在同一線路內(nèi)運(yùn)行,并能在兩種信號(hào)系統(tǒng)制式間實(shí)時(shí)靈活切換,提升了系統(tǒng)整體可用性。