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第一章 前言
1.1 选题背景及意义
城市轨道交通以其特有的安全、节能、省时等诸多优点，成为解决城市交通问题的首要方案。同时，轨道交通的建设也能够对国民经济及周边地区经济的健康快速发展起到一定的促进作用，并强化了城市综合服务功能。近年来，我国的众多城市正在纷纷建造或规划自己的城市轨道交通系统。随着近十年来无线通信技术的日趋成熟，在城市轨道交通中发挥重要作用的列车控制系统已经从基于轨道电路的列车控制系统发展为基于通信的列车控制系统。CBTC 信号系统以其显著优势，已经成为城市轨道交通信号系统的新标准。至今为止,全球釆用 CBTC 系统作为信号控制系统的线路己经超过二十条，国内已经投入运营的采用 CBTC 系统的线路主要包括：北京地铁 4 号线、北京地铁 10 号线、北京地铁 2 号线改造工程、广州地铁 4 号线、沈阳地铁 1 号线等。而在该轨道交通信号系统中，计算机联锁系统是其核心组成部分。
除了已经在北京亦庄线等少数几条线路中投入使用的北京交控公司研发的LCF-300型CBTC 信号系统中的联锁系统外，目前已经投入使用的适用于城市轨道交通的基于通信的列车控制系统当中的联锁系统绝大部分仍由国外企业或合资企业研发并提供。国外的技术垄断还很大程度上存在着。
铁科院通号所已经成功的研发出了一套可以完全满足CBTC信号系统需求的新型国产联锁系统——应用于 CBTC 的 TYJL-III 型联锁系统。依托长沙城市轨道交通 1 号线、广州城市轨道交通 7 号线以及深圳城市轨道交通 7 号线项目，TYJL-III 型联锁系统将在上述三条地铁线进行工程化。本文将重点阐述适用于 CBTC 系统中的 TYJL-III 型计算机联锁系统的设计和实现。
1.2 CBTC 系统简介
目前国内主流的 CBTC 信号系统通过采用无线通信技术的安全通信系统（Data Communication System, DCS）网络实现车-地间的大容量的双向连续通信，并使用了高可靠性和高安全性的区域控制器(Zone Controller, ZC)、车载控制器（Vehicle on-board Controller, VOBC）、计算机联锁系统（Computer-Based Interlocking Subsystem, CBI）、轨旁电子单元（Lineside Electronic Unit, LEU）列车自动监控系统（Automatic Train Supervision, ATS）等，来实现对线路内列车的自动控制。 本论文所述的 CBTC 系统即为此类系统，其结构示意图如图 1.1 所示。
显示控制范围内所有列车的运行状态及车载设备状态信息是 ATS 子系统的主要功能。基于这些状态信息和运行时刻表，ATS 能够实现自动排列进路，自动调整列车运行时刻等功能。ATS 子系统包含时刻表工作站、操作员工作站、其他的网络和设备等。
ZC 从 VOBC、CBI 和 ATS 接收各种状态信息和数据信息并对其进行处理，进而为辖区内的列车计算移动授权(Movement Authority, MA)，并通过无线通信手段发送给列车，从而完成列车追踪。
VOBC 子系统的主要功能是通过采集测速传感器和地面应答器信息并计算得出的列车位置信息和运行方向信息，这些信息对于保证列车安全运行作用重大；接收来自 ZC 的移动授权（MA），并通过执行 MA 计算列车当前最大允许运行速度。
在 CBTC 信号系统中，计算机联锁系统实时采集站场状态信息、接收来自其它信号系统的数据和车务操作人员的操作命令，进行联锁逻辑运算，对现场设备进行控制、向其它信号系统发送数据。其中计算机联锁系统的联锁逻辑运算功能主要包括：信号机控制、道岔控制、区段控制、进路控制、保护进路控制、屏蔽门控制和监督、紧急停车按钮的监督、防淹门控制和监督、场联控制、主信号控制报文控制等功能。
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第二章 CBTC 计算机联锁系统的功能特点
2.1 CBTC 系统运行模式
城市轨道交通与国铁有很多相似之处，但是由于运行环境限制和运输特点的要求，城轨具有许多独有特点。具体而言，城轨与国铁相比具有无货运；车站密度大、站间距小；列车速度低、运行密度大；多为地下环境，司机视野不好且有地下水渗漏的风险；站场规模小、站形简单，现场设备少；站台环境拥挤且无候车室隔离，站台对旅客几乎完全开放，旅客上下车秩序性较差等运行环境特点；对列车的控制精度、频率要求高等。
目前国内主流的CBTC系统具备三种级别的列车控制模式，从高到低分别是CBTC级、点式级和联锁级。系统会优先选择高级别的列车控制模式，只有在相关设备失效的情况下才会自动降级到低级别控制模式下运行。下面对着三种列车控制模式进行简要介绍。
CBTC 级：当车地通信正常且 ZC 子系统正常时，系统处于 CBTC 模式，VOBC 车载子系统连续的与 ZC 进行双向通信，向 ZC 实时传输列车位置报告，ZC 接到位置报告后计算该车移动授权（MA）并发送给 VOBC 车载系统，VOBC 系统根据移动授权行车，达到移动闭塞的运行模式，列车控制是连续的。
点式级别：当车地双向通信故障时，车载子系统无法收到连续的移动授权，只能与有源应答器进行单向通信，从应答器处获取移动授权。系统此时处于点式级别运行模式，根据固定闭塞的原则行车，列车控制是点式的。
联锁级别：当单双向通信全部故障或 VOBC 系统故障时，轨旁 LEU 也不能为车载子系统提供移动授权，整个系统处于联锁级别模式，系统根据固定闭塞的原则由司机按信号机显示目视行车，系统没有 ATP、ATO 防护。
……
2.2 分级列车进路控制功能
进路是现代联锁系统的主要控制方式。进路是由相关道岔和轨道区段等组成，由信号进行指示和防护的特定经路。且进路必须具有排它性，这就要求一旦一条进路建立后，其上的每个信号、道岔和轨道区段均不能同时再属于其它的进路，包括重叠、相交和迎面的敌对进路。因此，为了避免发生挤岔、掉道，甚至翻车、撞车等重大事故，保证行车安全，进路的建立，必须严格检查相关的信号、道岔、轨道区段等设备之间的关系是否满足规定的进路开放条件也即联锁条件。只有在构成进路的各基本单元之间都满足特定的约束关系，才能按照规定的顺序和程序动作；进路一经建立之后又必须对之加以“锁闭”，且“锁闭”之后只有在满足规定的条件时，才能按照规定的顺序和程序解除锁闭；绝不允许随意进行改变，从而避免因误操作或故障等其它因素破坏进路而危及行车安全。
移动闭塞信号控制级别进路：该级别进路通过实现移动闭塞的方式，允许在同一进路中运行多列移动闭塞信号控制级列车，从而极大缩小列车运行间隔，提高列车安全运行密度。当移动闭塞信号控制级列车进路开放后，轨旁信号机为灭灯状态，车载设备必须通过通信设备，获得移动授权，从而控制列车前行。
联锁信号控制级别进路：对于非移动闭塞信号控制级列车，排列进路后，联锁系统开放联锁级进路。此时，轨旁信号机亮灯显示，该进路中只允许 l 列列车运行。司机依照轨旁信号机的显示行车。在此种进路模式下，联锁系统除保证轨旁信号机、道岔、计轴区段或轨道电路等常规信号设备之间的联锁外，还增加了城市轨道交通特有的保护进路、屏蔽门、防淹门、紧急停车按钮、折返按钮以及联络线接口等设备之间的联锁关系检查。
……
第三章 CBTC 计算机联锁系统 ................................... 23
3.1 计算机联锁系统边界描述 .................................... 23
3.2 计算机联锁系统基本结构设计 ................................. 24
3.3 安全冗余原理分析及设计 .................................... 27
3.3.1 联锁系统 RAMS 分析...................................... 27
3.3.2 系统冗余设计 ............................................ 28
3.4 子系统的设计 .............................................. 30
3.4.1 操作显示子系统（MMI）设计 ............................. 30
3.4.2 联锁逻辑子系统（IL）设计 ................................ 31
3.4.3 输入子系统（FIMI）设计 .................................. 31
3.4.4 输出子系统（FIMO）设计 ................................. 33
3.4.5 各子系统间信息流 ..................................... 33
3.5 本章小结 .................................................. 34
第四章 CBTC 计算机联锁系统软件实现 .......................... 35
4.1 计算机联锁系统联锁软件 ................................. 35
4.1.1 主功能模块 .............................................. 36
4.1.2 信号功能模块 ........................................... 38
4.1.3 道岔功能模块 ........................................... 41
4.1.4 无岔区段模块 .......................................... 44
4.1.5 逻辑区段模块 ......................................... 47
4.1.6 ZC 接口数据处理模块 ................................... 50
4.2 本章小结 ................................................ 51
第五章 CBTC 系统集成与仿真环境的实现及系统功能验证 .......... 52
5.1 CBTC 系统集成环境 ...................................... 52
5.1.1 CBTC 实用设备的集成环境 .............................. 52
5.1.2 仿真环境 .............................................. 53
5.1.3 CBTC 系统集成环境构成 ................................. 54
5.2 VOBC 与地面环境仿真 ..................................... 55
5.2.1 VOBC 及地面环境仿真系统功能需求 ...................... 55
5.2.2 VOBC 及地面环境仿真系统设计 ......................... 56
5.2.3 模块软件运行流程 ..................................... 57
5.3 联锁 IO 仿真系统 ....................................... 62
5.3.1 联锁 IO 仿真系统功能需求 ........................... 62
5.3.2 联锁 IO 仿真系统结构设计 ........................... 63
5.3.3 联锁 IO 仿真系统人机交互 ........................... 64
5.3.4 软件逻辑流程 ........................................ 64
5.4 CBTC 联锁系统部分功能验证 .............................. 65
5.4.1 自动进路触发（ARC）功能在仿真系统中的验证 ........... 65
5.4.2 屏蔽门控制功能在仿真系统中的验证 ..................... 68
5.5 本章小结 ............................................. 71
……
第五章 CBTC 系统集成与仿真环境的实现及系统功能验证
5.1 CBTC 系统集成环境
集成环境是在实验室中构建的系统整体(或相关部分)运行环境，是复杂系统研发中进行包括多个乃至全部子系统在内的系统功能开发、性能试验以及系统测试、验证等关键性工作所必需的开发环境。
集成环境一般主要包括实用设备的集成环境和相应的(局部)仿真环境两部分，其主要设计原则是合理采用实用与仿真相结合的方法，在开发成本、时间等约束条件允许的情况下，尽量完整地构建整个研发系统及其相关系统(至少应包括全部有关的关键系统)环境；并尽量使这个环境具有能够准确、全面且方便地实现系统在实际的运行与使用环境中所有可能出现的类型场景（特别是在故障及异常情况下）的能力，从而使大量必要的测试案例得以在实验室内高效、逼真地进行。
为了对已经完成初步开发的设备应用软件以及实际设备平台的软件及硬件进行全面的验证，其集成环境的构建原则为应在尽量多地采用实用设备的基础上实现必要的仿真功能及与必要的仿真系统的接口，以达到尽量使所构建的实用设备集成环境具备绝大部分真实系统的实际功能，尽量接近真实设备应用环境的目的。这样在该实用设备集成环境当中进行的模拟实验才可以更加全面的对系统进行验证测试。所以车站 CBTC 系统集成环境为由真实的 ZC、VOBC、CBI、ATS 设备组成的，包括各实际设备之间的实际接口在内的，与实际城市轨道交通集中控制站点室内完全一致的系统环境。
仿真环境主要用于实现因实际发生概率低，以及因时间、成本、管理等各种约束而难于或无法通过构建或在实际环境中获得的各种条件、过程。按照仿真设备在集成环境当中所占比重，CBTC 实验室仿真环境通常有局部仿真和全仿真两种方式。
……
结论
如今，我国的城市轨道交通建设已经进入了高速发展的时期，广阔的市场前景使 CBTC系统的国产化工作变得十分重要。应用于 CBTC 系统中的联锁系统做为 CBTC 系统的核心部件，不仅要提供传统铁路联锁的逻辑保障，还要支持移动闭塞、主信号控制 ATP 控制、以及不同模式列车混跑等适用于城市轨道交通的全新功能，更要承担起与 ZC、ATS、LEU等设备的数据交换功能。联锁系统的正常工作为整个城市轨道交通系统的安全可靠运行以及最大限度提升运输效率提供了可能性。本文对联锁系统的研究工作如下：
本文主要研究了 CBTC 计算机联锁系统具备的主要特点，且具体分析了计算机联锁系统应用在城市轨道交通系统时所产生的新变化。
为了研发可应用于过程中的 CBTC 计算机联锁系统的系统，在系统设计工作中，本文首先介绍了联锁系统的主要结构，其次分析了几种冗余系统的可靠性和安全性从而确定了系统的冗余结构设计。最后主要从硬件构成及功能、结构的角度对构成 CBTC 联锁系统各子系统进行了设计。
提出了 CBTC 系统中一个技术关键点“或空闲”问题，并从安全性方面对几种与之相关的方案进行了详细分析，并在分析结果的基础上提出了两种全新的解决这一问题的思路。
在研究了城市轨道交通 CBTC 系统对联锁系统提出的新运营功能需求，以及 CBTC 系统联锁系统的结构设计后，本文着重介绍了联锁系统的核心—联锁软件的编制方法以及具体实现过程，最终以软件流程图的方式体现软件的逻辑运算过程。
本文最后完成了 CBTC 系统的集成环境，并在结合实际地铁工程数据后，利用该集成环境检验了应用于 CBTC 系统中的联锁系统特有的部分重要功能的正确性和可行性，从实验的角度进一步证明了针对城市轨道交通所研发的 TYJL-III 型联锁系统满足了城市轨道交通的应用需求。
参考文献（略）
