技术装备
关于计轴主机宕机对 CBTC 系统的
影响分析及探讨
阳六兵
（宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江宁波 315101）
摘 要：地铁信号计轴设备作为基于通信的列车控制（CBTC ）系统降级使用的设备，正常情况下计轴主机宕机应不影响 CBTC 系统运行，但在某些特殊区域发生计轴主机宕机，将可能对计轴主机所在的联锁区造成影响。以宁波地铁 1 号线高桥西站为例，分析计轴主机宕机对 CBTC 系统运行造成影响的原因，并提出优化方案。
关键词：地铁信号；计轴宕机；CBTC ；不可切除区段；原因分析；优化方案中图分类号：U231.7
作者简介：阳六兵（1984—），男，工程师
基于通信的列车控制（CBTC ）系统采用列车主动定位的方式，计轴设备只是作为辅助的列车位置检测设
备。在 CBTC 系统故障转入降级模式后，联锁会检查计轴设备状态，系统根据联锁条件控制相应信号机的显示，保证列车能以固定闭塞方式运行。在 CBTC 系统正常时，区域控制器（ZC ）会忽略计轴区段的状态，即计轴区段被切除，计轴故障不会影响 CBTC 系统的性能和通过能力，但在某些特殊区域内发生计轴主机宕机会对 CBTC 系统产生影响，严重时会影响行车及运营安全。本文分析宁波地铁 1 号线高桥西站发生的计轴主机宕机影响CBTC 系统运行的问题及对策。
1 设备概况
宁波地铁 1 号线采用卡斯柯 CBTC 信号系统，计轴
设备为北京泰雷兹计轴系统。计轴主机采用集中控制方式，安装在设备集中站，由 1 台或 2 台计轴主机控制整个联锁区域内的所有计轴区段。高桥西站是设备集中站且为终端折返站，与停车场相连，由 2 台计轴主机分别控制该联锁区域内的上下行计轴区段。
2 联锁区段空闲检测原理
CBTC 系统正常情况下，计轴作为辅助的轨道占用检测设备，用于检测非通信列车的位置，计轴设备故障不会对 CBTC 系统产生影响。也就是说，计轴区段的空闲与占用不是联锁区段的占用与空闲的充分必要条件，联锁区段信息与计轴信息、计轴可用/不可用和列车自动防护（ATP ）区段信息有关。计算公式：
E =（A *. N. B + C * D ） （1）公式（1）中：.N. 为取反；* 为相与；A 为计轴区段，0 表示占用，1 表示出清；B 为计轴状态可用/不可用，0 表示可用，1 表示不可用；C 和 D 为 ATP 区段，0 表示占用，1 表示出清，如图 1、图 2 所示。当 ZC 与联锁（CBI ）间的通信中断时，联锁将按照次级检测设备的检测结果来反映区段的状态（表 1）。
计轴区段 A 的出清/占用是联锁通过采集计轴区段轨道继电器的吸起/落下状态来判断的，AT P 区段由ZC 管理，1 个计轴区段可由 1 个或多个 A TP 区段组成，联锁区段 E 用于进路排列检查条件。如果联锁采集到计轴区段被占用，而列车自动控制（ATC ）判断该计轴区段内的ATP 区段未被 CBTC 通信列车的自动保护包络
（AP ）占用，则 ZC 认为计轴状态为不可用，该计轴区段被 ZC 切除，处于受扰状态。此时联锁区段为空闲状态，当其他联锁条件满足时，进路能够正常排列，不影响 CBTC 列车正常运行。
3 故障现象
2017 年 4 月23日19 : 53 : 27，运营控制中心行车调度发现 1 号
线高桥西集中站上行联锁区转换轨至高桥西上行站台显示粉红光带，高桥西上行站台至联锁区边界显示棕光带（图 3）。高桥西上行计轴主机左侧 CPU 显示“-”，右侧 CPU 显示“4”。影响高桥西站下行列车折返，导致 2 列列车清客，多列车不同程度晚点。
4 原因分析
高桥西上行计轴主机右侧 CPU 显示“4”，说明计轴主机 CPU 发生宕机，造成高桥西上行联锁区计轴不
可用。正常情况下，计轴故障不会对 CBTC 系统产生影响，可切除计轴区段被 ZC 切除，显示棕光带（受扰状态）。但系统在 CBTC 区域入口处，如车辆段 / 停车场进入到正线接口处，或 2 条线路的联络线连接处设置了不可切除区段，在此区域发生计轴故障会严重影响 CBTC 系统的运行。高桥西站转换轨为 CBTC 区域入口处区段，即为不可切除区段，所以，高桥西上行计轴主机宕机时，上行转换轨不能被 ZC 切除，显示粉红光带（占用状态）。
高桥西上行主机宕机，整个上行计轴区段处于受扰状态，不可切除区段相当于 CBTC 非通信列车占用。当受扰区段上有 CBTC 非通信列车占用时，从安全角度考虑，为防止人为操作错误导致危险情况发生，CBTC 系统将受扰区段设置为占用状态，以防止其他 CBTC 列车进入这些区段，因此，发生粉红光带蔓延的现象，直至蔓延到高桥西上行站台 CBTC 通信列车尾端。CBTC 通信列车可以隔断粉红光带的蔓延，即在不可切除区段停放 1 列CBTC 通信列车可阻止粉红光带的蔓延，减小计轴主机宕机产生的影响。
在 CBTC 区域入口处设置不可切除区段的目的是保证系统的安全。由于列车需要完全进入 CBTC 区域后，
图 1 区段结构图
ATP 区段 C
ATP 区段 D
计轴区段 A
图 2 逻辑处理图计轴信息
CBI 轨道信息
计轴可用/不可用
A TP 轨道信息
CBI
ATC
：相与：相或
ZC
表 1 联锁区段真值表
计轴区段 A 1 = 出清0 = 占用计轴状态 B 1 = 不可用0 = 可用ATP 区段 C 1 = 出清0 = 占用ATP 区段 D 1 = 出清0 = 占用联锁区段 E 1 = 出清0 = 占用
情况 100000情况 200010情况 300100情况 400111情况 501000情况 601010情况 701100情况 801111情况 910001情况 1010011情况 1110101情况 1210111情况 1311000情况 1411010情况 1511100情况 16
1
1
1
1
1
图 3 故障现象显示
01高桥西
02高桥
才能完成初始化定位信息，在此之前并不能向 CBTC 系统提供任何列车相关定位信息，此时计轴是判断列车是否占用的唯一设备。如果将此区域设置为可切除区段，一旦发生计轴故障，该计轴区段内的 CBTC 非通信列车将被ZC 切除，出现飞车现象，存在重大的安全隐患。
5 处理建议
5.1 关键区段上下行主机冗余方案
高桥西站联锁区计轴主机均是按上下行进行分区控制的。在折返站，无轮是上行计轴主机还是下行计轴主机，其中 1 个出现宕机情况，均会严重影响列车折返效率。2 台主机同时出现宕机情况的几率微乎其微，所以，考虑将 2 台计轴评估器（ACE ）主机对关键轨道区段相互冗余控制，实现之后将达到如下效果。
如果 2 台主机分别对关键轨道区段实现冗余控制，即使 1 台主机出现问题，关键区段的轨道信息可以由另1 台主机给出正常输出状态，保证道岔的可操性。在 1 台主机出现问题的情况下，不可切除计轴区段显示粉光带，由于关键区段采用冗余方式处于正常工作状态，因此，隔断了粉光带蔓延问题，将不会影
响正常的运营秩序。
5.1.1 冗余区段继电器驱动
轨道区段 1DG 冗余控制原理如图 4 所示，可以按照该方式对轨道继电器 1DGJ 进行 2 路驱动，保证 1 台主机出现问题时，关键区段的轨道信息可以由另 1 台主机给出正常输出状态。
分析如果采用冗余方式后计轴系统的反应时间会发生怎样的变化，此变化只针对冗余的区段。2 台计轴主机冗余控制同一轨道区段，实际是或的关系并用驱动冗余区段的轨道继电器。下面从计轴系统的占用时间和出清时间分别分析反应时间变化的情况。
（1）系统的占用时间可能会由于 2 套系统处理时间上的差异有所延长，也就是反应慢一些的主机输出占用状态时，轨道继电器励磁才会最终消失。所以，轨道区段占用时间实际上取决于反应慢一些的主机，但其最大占用反应时间也满足单系统计轴区段最大占用时间技术指标。具体数值如表 2。
（2）当列车出清轨道区段时，只要 1 台主机检测到轨道区段空闲，就会输出控制电流，使轨道继电器励磁，轨道继电器吸起。所以，冗余控制时的列车出清反应时间取决于反应更快的计轴主机，因此，反应时间不会延长。具体数值如表 2。
当其中 1 台计轴系统的冗余系统的室内区段表示发生故障时，可以通过A zLM 型计轴设备国产诊断系统
实时地将故障信息发送到监测系统，由监测系统弹出告警信息，然后尽快地排除故障。5.1.2 冗余区段预复位
预复位的驱动由 TB-C 端子排输入，TB-F 端子排输出，预复位功能需要在有冗余的条件下对其操作，2 台ACE 主机同时实现。实现方式如图 5 所示，预复位驱动输入时在 TB-C 处将预复位命令分别输入给 2 台主机，2 台主机接收到预复位命令后将同时输出给TB-F ，由 TB-F 输出给综合后备控制盘（IBP ）的表示灯进行显示。此时，处于正常工作状态的计轴主机收到预复位信
图 4 轨道区段冗余控制示意图
ACE1
ACE2
1DGJ
1DG
123
4
表 2 冗余计轴区段反应时间 ms
占用时间
出清时间最大960 1 150平均560705最小
160
260
图 5 冗余情况下预复位实现示意图
预复位输入
预复位输出
TB-F
TB-C
ACE-1ACE-2
息时会在系统诊断软件（GDI ）的诊断信息中提示预复位被拒绝的信息，不会影响其正常工作。
在对冗余区段执行预复位时，会对 2 台主机同时输入预复位命令，因此，必须注意以下两点：
（1）当任何 1 个冗余区段发生正常的占用状态时，不容许对其进行预复位操作；
（2）正确操作预复位按钮后，处于正常工作的主机不受影响，其控制的冗余区段也不会发生任何变化，因为在其出清状态下，并口板不具有预复位的功能，故障的区段则会预复位成功。
5.1.3 高桥西站联锁区关键区段冗余优化实施
高桥西站联锁区计轴关键区段有4个区段T010103、T010171、T010172、T010104，其中 2 个区段 T010103、T010171由下行计轴主机控制，2 个区段 T010172、T010104 由上行计轴主机控制。这 4 个区段涉及到的计轴点有 A C010101、A C0101031、A C0101032、AC010169、AC010170、AC0101722、AC0101712、AC0101042、AC010102、AC01041，总共 10 个计轴点，如图 6 所示。
优化目的是将以上 4 个区段由原来的 2 台计轴主机分别控制改为由 2 台计轴主机共同控制，这样即使 1 台主机出现问题，这 4 个区段的轨道信息也可以由另 1 台主机给出正常输出状态。实现高桥西联锁区关键区段冗余优化，需要确认硬件接口满足以下条件。
（1）上下行计轴主机容量是否可以按照以上要求扩容，即上下行计轴主机是否可以增加 2 个串口板及 2 块并口板；对照计轴主机的配置可以知道，高桥西上下行均采用2-42的A C E 计轴主机，其容量只用了28 个插槽，还有 14 个插槽没有使用。如果对以上计轴点及区段进行冗余，2 台主机各需要 2 块串口板和 2 块并口板，即需要 4 个插槽，所以，完全可以实现。
（2）2 个计轴点A C 0101722、
AC0101712 除外（这2 个计轴点已经在上下行计轴主机信息共享），上述 10 个计轴点中，还有 8 个计轴点需要重新放缆（或者使用其备用芯线），需要在分线柜留有位置：对照分线柜的图纸，在分线柜预留处，将以上 8 个计轴点的共享线缆进行布线。5.1.4 方案优缺点
（1）优点。2 台主机实现对控制区重要轨道区段的共同控制，不会增加室内主机数量和室外计轴点数量（计轴点数据两主机共享），只是既有机柜主机中需增加部分电源数据耦合单元（PDCU ）、串行和并行接口板数量（根据需冗余的区段数量而定）；各轨道继电器由两主机双线包驱动，不会增加数量。
（2）缺点。室外需要对关键区段相关联的计轴点信息进行共享；轨道继电器采用 2 台主机同时驱动的方式，与铁路联锁设计原理有差异，需要进行认证。
5.2 不可切除区段分散控制方案
高桥西站不可切除区段有 4 个计轴区段，位于上下行转换轨，分别由上下A CE 主机控制，将这 4 个计轴区段从当前的 2 台A CE 主机中提取出来，对其单独控制，不与其他可切除区段交叉工作。当可切除区段的A CE 主机发生计轴宕机后，CBTC 可以切除故障计轴区段，而不可切除区段能正常工作；当不可切除区段的 ACE 主机发生计轴宕机后，故障计轴区段显示粉光带，粉光带不会蔓延至其他计轴区段，这样确保了 CBTC 的正常工作。
5.2.1 高桥西站联锁区不可切除区段分散控制实施
高桥西站联锁区不可切除计轴区段为 T010161、
图 6 高桥西站折返站关键区段示意图
T010161
T010163
T010165
T010167
T010169T010171
T010103T010105T010107
T010106
T010102
T010104
T010172
T010170
T010168T010166T010164T010162石头路停车场
AC010162B 0A04AC010*******AC010164
0004AC010*******AC010*******AC010170000A AC010163
0003AC010161B 0A03AC010*******AC010*******AC010*******AC010*******
AC01017220A06
AC01017120A08
AC01010420010000C
000E
T010101
AC010101
000B
AC010*******F
AC010*******D AC010*******
高桥西站（集）XK2+178.393
下行
上行
T010163、T010162、T010164，将这 4 个计轴区段从当前的 2 台 ACE 主机中提取出来，增加 1 台A CE 主机对其单独控制（图 7）。此方案实施未改变计轴系统原有的设计理念和工作方式，与既有应用方式一致，无需重新认证。
为实现高桥西联锁区不可切除区段的分散控制，室内需增加 1 台计轴主机机笼、2 块计轴 CPU 板卡、2 块计轴电源板卡、2 块计轴串口板卡、6 块 PDCU 模块、万可端子排及相关配线；室外可以利用备用芯线，即不需增加任何设备。
（1）在计轴机柜 TB-B 、TB-C 、TB-F 端子排加入需要增加的 WAGO 端子。
（2）确认新增的A CE 机笼的位置，将其固定在规定的位置，并将主机机笼后面预留的线缆依次引入新增加的 TB-B 、TB-C 、TB-D/E 、TB-F 所对应 WAGO 端子的上端，配线依据高桥西站上行计轴机柜设计图纸 V2.0《端子排 B 接线图》、《端子排 C 接线图》、《端子排 D/E 接线图》、《端子排 F 接线图》内部配线表。
开机时主机响（3）固定在上行机柜后部增加 6 个 PDCU ，并将新增 PDCU22 与既有 PDCU21 之间的连线相接。参照高桥西站上行计轴机柜设计图纸 V2.0《ACE 2-10 串口板连线图进行配线》内部配线部分进行配线。5.2.2 方案优缺点
（1）优点。增加计轴主机不会改变计轴系统原有的设计理念和工作方式，与既有应用方式一致，不需要重新认证；不会增加室外设备和配线，室外施工简单。
（2）缺点。增加设备较多，成本费用较高；室内施工较复杂，易对既有设备造成影响。
6 结语
计轴系统作为 CBTC 系统后备模式下轨道区段占用的主要检测设备，一旦 CBTC 系统发生故障，将降级至后备模式运行。若此时再发生计轴故障，将对城市轨道交通的运营造成严重影响，给市民的出行带来不便；另外，计轴系统的安全等级为 SIL4 级，具备 SIL4 级的安全等级应该考虑设备的冗余性，目前信号系统中安全等级 SIL4 级的设备如联锁、ATP 等都具备冗余性。因此，在 CBTC 系统中应用的计轴系统，无论如何都需要保证计轴系统本身的高可靠性，实现基本的行车控制和运营。
参考文献
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铁道通信信号，2015，51（7）：94-95.
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[3] 北京泰雷兹交通自动化控制系统有限公司. AzLM 型
计轴系统产品说明书[G]. 2013.
[4] 北京泰雷兹交通自动化控制系统有限公司. AzLM 型
计轴系统工程手册[G]. 2013.
[5] 北京泰雷兹交通自动化控制系统有限公司. AzLM 型
计轴系统维护手册[G]. 2013.
收稿日期 2017-07-04
责任编辑 冒一平
图 7 分散控制区段示意图
石头路停车场
AC010162B
0A04
AC010*******
AC010*******
AC010161B 0A03
AC010*******
AC010*******
T010161
T010163
T010165
T010162
T010164
T010166
AC010*******
AC010*******
Analysis and discussion on impact of host axle counter downtime on CBTC
Yang Liubing
Abstract: Axle counter is used in metro signaling system as CBTC system degrade equipment. Under normal circumstances, the host axle counter downtime should not affect the CBTC system, but in some special areas, it is likely to have an impact on the interlocking section where the host axle counter downtime. Taking Gaoqiao West station on Ningbo metro line 1 as an example, this paper analyzes the causes of host axle counter downtime impact on CBTC, and puts forward some optimized solutions.
Keywords: metro signaling, axle counter downtime, CBTC, un-resectable section, cause analysis, optimized solution
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