城市軌道交通下一代CBTC系統(tǒng)發(fā)展展望

夏庭鍇 崔 科

（卡斯柯信號(hào)有限公司,200071，上?！蔚谝蛔髡?，高級(jí)工程師）

經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)已經(jīng)成為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的標(biāo)配。當(dāng)前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的CBTC系統(tǒng)大多屬于第二代CBTC。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，這代CBTC系統(tǒng)在獲得巨大成功的同時(shí)也暴露出很多由于技術(shù)條件限制、慣性思維等原因造成的設(shè)計(jì)缺陷，這自然引發(fā)了對(duì)這代CBTC系統(tǒng)的反思和對(duì)下一代CBTC系統(tǒng)發(fā)展方向的思考。本文根據(jù)對(duì)第二代CBTC系統(tǒng)及下一代CBTC研究現(xiàn)狀的分析，總結(jié)下一代CBTC發(fā)展的可能方向，并探討這些發(fā)展方向面臨的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)以及產(chǎn)品化所需的時(shí)間。

1 既有CBTC系統(tǒng)的特點(diǎn)

第二代CBTC系統(tǒng)基本采用的是區(qū)域控制器（ZC）+計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）+車載控制器（VOBC）架構(gòu)，其主要特點(diǎn)是：

（1）所有在線車輛將其位置和狀態(tài)信息發(fā)送給ZC，ZC匯總這些信息后再發(fā)送移動(dòng)授權(quán)給列車；

（2）線路資源（如軌道區(qū)段和道岔）的管理和分配由CI完成，并通知ZC；

（3）列車位置關(guān)系的計(jì)算則由ZC完成并告知CI，ZC根據(jù)CI提供的線路資源分配使用的狀態(tài)和列車提供的位置報(bào)文為列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。

這種CBTC設(shè)計(jì)方案有ZC和CI兩個(gè)區(qū)域控制的核心，會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：

（1）CBTC控制邏輯都必須經(jīng)過(guò)VOBC、ZC和CI三個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理，為了改善ZC/CI雙核心架構(gòu)帶來(lái)的系統(tǒng)效率的降低，引入了更多的請(qǐng)求/確認(rèn)機(jī)制來(lái)盡量避免基于容忍度設(shè)計(jì)的方案。這種設(shè)計(jì)在一定程度上改善系統(tǒng)性能的同時(shí)也使得整個(gè)系統(tǒng)更加脆弱，請(qǐng)求/確認(rèn)機(jī)制的任何環(huán)節(jié)的中斷都可能帶來(lái)整個(gè)流程的死鎖。

（2）兼顧后備模式的要求使得所有與安全相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)均必須考慮CBTC和后備混跑以及兩種模式隨時(shí)切換的場(chǎng)景，同時(shí)帶來(lái)軌旁設(shè)備較多而降低整體系統(tǒng)可靠性的問(wèn)題。而在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，如果因ZC故障而必須降級(jí)到后備模式，時(shí)間成本可能會(huì)超過(guò)重啟ZC，且需遵循更多的安全限制。

2 下一代CBTC系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

針對(duì)當(dāng)前CBTC系統(tǒng)存在的問(wèn)題，已有部分信號(hào)廠商開(kāi)始投入到下一代CBTC的研究中。但總的來(lái)說(shuō)，下一代CBTC的研究在當(dāng)前CBTC系統(tǒng)仍廣泛應(yīng)用且無(wú)明顯缺陷的背景下并沒(méi)有明確的方向。本文通過(guò)分析目前已有的下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，試圖找出下一代CBTC系統(tǒng)發(fā)展的背后邏輯。

2.1 阿爾斯通-以列車為中心的CBTC

在目前已知的下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，阿爾斯通的新型CBTC是唯一真正付諸工程實(shí)踐的方案。根據(jù)文獻(xiàn)［1-2］的介紹和阿爾斯通網(wǎng)站資料，可總結(jié)出該系統(tǒng)的核心思想如下：

（1）整個(gè)系統(tǒng)以“資源管理”為核心，以車載為主導(dǎo)；

（2）所有軌道要素（道岔、軌道區(qū)段等）被抽象為“軌道資源”，由對(duì)象控制器（OC）管理；

（3）車載根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃和資源組的系統(tǒng)配置（類似進(jìn)路信息）獲得需要征用的資源列表，然后向相應(yīng)的OC發(fā)起資源使用申請(qǐng)，OC負(fù)責(zé)計(jì)算被申請(qǐng)資源的狀態(tài)并決定是否可將該資源分配給車輛；

（4）車載根據(jù)從OC獲取的資源分配情況獲知其前車信息，直接向前車請(qǐng)求位置信息用于計(jì)算自身移動(dòng)授權(quán)；

（5）對(duì)降級(jí)車輛依靠一種新型的基于RFID（射頻識(shí)別）的次級(jí)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行管理，列車車身安裝RFID（攜帶相應(yīng)的列車ID信息），軌旁安裝讀卡器，列車經(jīng)過(guò)讀卡器時(shí)，讀卡器將讀到的列車ID信息傳送到一個(gè)中央控制器，該中央控制器根據(jù)配置數(shù)據(jù)提供的讀卡器位置信息和讀卡器提供的列車ID信息“偽造”一個(gè)列車位置報(bào)告，從而實(shí)現(xiàn)用同一個(gè)框架管理通信列車和非通信列車。

上述設(shè)計(jì)方案需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是正常運(yùn)營(yíng)的列車如何確定其前方列車。在該方案中，列車在獲得資源分配后，可以從軌旁的OC獲得描述該資源分配狀態(tài)的“注冊(cè)表”（該資源是否可分配以及當(dāng)前占用該資源的列車信息），從而確定其前方列車的身份信息；然后通過(guò)與前方列車建立通信獲得計(jì)算移動(dòng)授權(quán)需要的其他信息。其基本算法流程如圖1所示。

圖1 阿爾斯通新型CBTC的基于車車通信的前車追蹤邏輯

從其設(shè)計(jì)原理分析，相對(duì)于既有CBTC系統(tǒng)，阿爾斯通的新系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：運(yùn)營(yíng)效率略有提高；由于簡(jiǎn)化了軌旁系統(tǒng)架構(gòu)，其安裝、維護(hù)和擴(kuò)展成本大大降低。

2.2 日立-基于令牌環(huán)的CBTC系統(tǒng)

日立的“低成本”CBTC設(shè)計(jì)方案［3-4］也是一個(gè)比較有代表性的方案，其核心思想是構(gòu)造一個(gè)局部令牌環(huán)，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的所有設(shè)備交換信息的目的，并通過(guò)一定的注冊(cè)和注銷機(jī)制實(shí)現(xiàn)加入和退出 該通信環(huán)路。如圖2所示。

圖2 列車運(yùn)行時(shí)的令牌環(huán)

日立的這個(gè)新一代CBTC系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)了其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但同時(shí)指出，這種系統(tǒng)架構(gòu)存在一個(gè)先天的缺陷，即信息交換的效率受限于環(huán)內(nèi)設(shè)備的數(shù)量，所以該低成本的CBTC系統(tǒng)在性能（追蹤間隔）上與第二代CBTC相比未必有優(yōu)勢(shì)。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)并沒(méi)有把提高列車追蹤效率作為創(chuàng)新點(diǎn)，只要求不比既有CBTC系統(tǒng)差。這個(gè)思路的可借鑒之處在于，在某些具體的應(yīng)用中，降低全生命周期成本、提高系統(tǒng)的可操作性和可靠性以及降低系統(tǒng)擴(kuò)展和改造成本的需求，可能比提高追蹤效率的需求更為迫切。

該CBTC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路給CBTC的研發(fā)帶來(lái)的最重要啟示是，面向不同的應(yīng)用背景（運(yùn)載量、追蹤間隔的不同需求），可以考慮采用不同的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)。

2.3 泰雷茲-資源分配和釋放

除上述兩個(gè)相對(duì)完整的信號(hào)系統(tǒng)解決方案，其他信號(hào)廠商也提出了一些CBTC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。這些方法基本圍繞“資源分配”的概念來(lái)設(shè)計(jì)CBTC系統(tǒng)，其中以泰雷茲的方案最具代表性［5］。該方案的思想實(shí)際上已得到了應(yīng)用，其核心思路為：

（1）車輛為完成運(yùn)行任務(wù)需占用若干進(jìn)路資源。

（2）所有資源需遵循用前申請(qǐng)、用后釋放的原則。

（3）車輛在執(zhí)行任務(wù)前需確認(rèn)所需進(jìn)路資源已分配給它。

（4）資源請(qǐng)求接力：

·資源請(qǐng)求設(shè)備向資源控制器發(fā)起請(qǐng)求；

·資源控制器檢查被請(qǐng)求資源列表中的資源是否是其管理以及是否可用；

·資源控制器分配完其轄區(qū)內(nèi)資源后向其他資源控制器轉(zhuǎn)發(fā)剩余資源的分配請(qǐng)求；

·資源分配結(jié)束時(shí)，最后一個(gè)負(fù)責(zé)分配的資源控制器向資源分配發(fā)送設(shè)備和/或資源請(qǐng)求設(shè)備發(fā)送“分配完成”信息。

（5）資源競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生時(shí)的處理原則：

·總體遵循先到先得原則，在某些具體的應(yīng)用場(chǎng)景中，需防止死鎖發(fā)生；

·在某些具體實(shí)現(xiàn)中，如果在分配過(guò)程中遇到申請(qǐng)列表中的某個(gè)資源已分配給其他設(shè)備，則前面已經(jīng)分配的資源也會(huì)退回“未分配”狀態(tài)；

·優(yōu)先級(jí)控制和緊急請(qǐng)求設(shè)置。

上述基于資源管理的設(shè)計(jì)方法與信號(hào)系統(tǒng)的具體架構(gòu)無(wú)關(guān)，無(wú)論是集中式還是分布式的信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)均可采用該設(shè)計(jì)方法所蘊(yùn)含的邏輯。實(shí)際上，所有信號(hào)系統(tǒng)的核心采用的均是基于資源管理的方法，只是在CBTC下，控制器可以得到更多更精確的信息，從而提高運(yùn)行效率。

2.4 CBTC與歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）統(tǒng)一架構(gòu)的研究

歐盟也在推動(dòng)下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)方面的相關(guān)探索。其第7科技框架計(jì)劃支持的NGTC項(xiàng)目（Next Generation of Train Control Systems）就著眼于分析歐洲列車控制系統(tǒng)（European Train Control System，簡(jiǎn)為ETCS）和CBTC系統(tǒng)功能需求的異同，以盡可能將這兩個(gè)系統(tǒng)融合進(jìn)一個(gè)統(tǒng)一的框架下，提煉統(tǒng)一的包括硬件平臺(tái)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

NGTC的主要研究?jī)?nèi)容包括：

（1）開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的列車保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)核，以推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件的標(biāo)準(zhǔn)化；

（2）解決不同供應(yīng)商間的互聯(lián)互換問(wèn)題，以及干線、市郊及地鐵的聯(lián)通問(wèn)題；

（3）研究基于GNSS衛(wèi)星（伽俐略衛(wèi)星定位系統(tǒng)）的虛擬信標(biāo)定位技術(shù)并應(yīng)用于列控系統(tǒng)；

（4）研究移動(dòng)閉塞原理在鐵路和地鐵中的應(yīng)用；

（5）研究通信技術(shù)，選擇最適合應(yīng)用于下一代列控系統(tǒng)的高效、低成本的通信方案。

其項(xiàng)目組織如圖3所示。

從NGTC給出的工作內(nèi)容可以看出，對(duì)地鐵信號(hào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)而言，最關(guān)鍵的兩點(diǎn)為：

（1）減少對(duì)軌旁設(shè)備的依賴，不需次級(jí)檢測(cè)設(shè)備，這在很大程度上依賴于傳感器技術(shù)的發(fā)展；

（2）系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，子系統(tǒng)級(jí)的互聯(lián)互通。

圖3NGTC項(xiàng)目組織

3 下一代CBTC設(shè)計(jì)展望

根據(jù)對(duì)當(dāng)前具有代表性的下一代CBTC系統(tǒng)的分析，不難看出，去中心化和弱化軌旁設(shè)備是CBTC信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。所以，下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)按其實(shí)現(xiàn)的不確定性從大到小排列，有如下三種可能方案：

首先，目前的CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案之所以無(wú)法離開(kāi)軌旁設(shè)備，最根本的原因是列車無(wú)法依靠自身配置的傳感器安全地感知周圍的線路狀態(tài)（如道岔）和障礙物信息（如其他列車）。其主要存在如下難點(diǎn)：

（1）沒(méi)有可以進(jìn)行量化安全評(píng)估的列車周圍環(huán)境檢測(cè)方法。從功能實(shí)現(xiàn)的角度，檢測(cè)周圍環(huán)境的方法有很多，尤其近10年來(lái)無(wú)人駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展在這方面已經(jīng)積累了相當(dāng)多的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，但這些方法的安全等級(jí)很難進(jìn)行量化評(píng)估。

（2）隧道環(huán)境可能影響到主動(dòng)障礙物檢測(cè)的前視距離。目前無(wú)人駕駛汽車上廣泛應(yīng)用的基于視覺(jué)和基于激光雷達(dá)/毫米波雷達(dá)的障礙物檢測(cè)算法都會(huì)因?yàn)榇笄实乃淼拉h(huán)境而失效，唯一可行的解決方案還是通過(guò)車地協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。

如果上述問(wèn)題被完全解決，則整個(gè)CBTC系統(tǒng)對(duì)軌旁設(shè)備的依賴將降到最低，只需保留車載與道岔控制器的通信，從而成為一個(gè)真正分布式的CBTC系統(tǒng)。

其次，如果由于列車仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自主導(dǎo)航，CBTC系統(tǒng)中仍然必須配備軌旁控制器，則為了降低網(wǎng)絡(luò)通信故障的影響范圍，開(kāi)發(fā)或找到一種能提供更多信息的次級(jí)檢測(cè)設(shè)備就成為CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要任務(wù)。如果新的次級(jí)檢測(cè)設(shè)備可以檢測(cè)列車ID信息，則整個(gè)CBTC系統(tǒng)對(duì)車地通信的依賴可大為降低。

最后，在既有傳感器配置的前提下，列控聯(lián)鎖一體化是一個(gè)可行的發(fā)展方向。其既可大幅降低當(dāng)前CBTC系統(tǒng)中資源管理算法的復(fù)雜度，又可以提升資源管理效率。另一個(gè)思路是類似日立所提出的信號(hào)系統(tǒng)方案，是低運(yùn)營(yíng)密度線路的一個(gè)可選方案。

綜上所述，下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能有如下發(fā)展方向：

（1）基于OC的集中式方案：在傳感器技術(shù)沒(méi)有根本性變革的前提下，可將ZC和CI功能融合為軌旁O(shè)C的功能，采用OC+VOBC的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)架構(gòu)可保證CBTC系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率在既有基礎(chǔ)上得到一定提升，同時(shí)在一定程度上減少了軌旁設(shè)備，并簡(jiǎn)化了軌旁設(shè)備之間的接口。這個(gè)方案可兼容下述基于車車通信的半集中式方案。

（2）基于車車通信的與ETCS標(biāo)準(zhǔn)融合的方案：OC+VOBC的系統(tǒng)架構(gòu)，可不采用次級(jí)檢測(cè)設(shè)備或使用類RFID設(shè)備作為次級(jí)檢測(cè)設(shè)備。這個(gè)框架里，OC只負(fù)責(zé)維護(hù)線路資源的占用情況（如線路資源上的列車列表），移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算由車載通過(guò)車車間通信實(shí)現(xiàn)，軌旁設(shè)備之間無(wú)接口。

（3）車載全自主導(dǎo)航方案：完全擺脫軌旁設(shè)備的限制，實(shí)現(xiàn)列車的全自主導(dǎo)航。該方案依賴于傳感器的革命性變革，從產(chǎn)品化的角度而言，只能作為遠(yuǎn)景規(guī)劃。

需要注意的是，無(wú)論是基于OC的列控聯(lián)鎖一體化方案，還是通過(guò)車車通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)移動(dòng)授權(quán)計(jì)算方案，本身并不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率有革命性的提升，這些方案更多的價(jià)值還在于降低系統(tǒng)復(fù)雜度，從而降低設(shè)計(jì)、維護(hù)、升級(jí)的難度和成本，提高整體可靠性。

上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的關(guān)系和演化路徑如表1所示。

表1 下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析不難看出，下一代CBTC系統(tǒng)的發(fā)展可能經(jīng)歷列控和聯(lián)鎖一體化、基于車車通信的去中心化CBTC系統(tǒng)以及車載全自主CBTC系統(tǒng)三個(gè)發(fā)展階段，每個(gè)發(fā)展階段還可能出現(xiàn)不同制式的CBTC系統(tǒng)同時(shí)在線運(yùn)營(yíng)的情況。采用哪種方案將主要取決于最終用戶對(duì)可靠性和運(yùn)營(yíng)效率更敏感，還是對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)和建設(shè)成本更敏感。

就CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究而言，需注意發(fā)展方向的研究不能只以技術(shù)為導(dǎo)向，應(yīng)更多地從既有運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)中分析提煉CBTC系統(tǒng)發(fā)展的需求；設(shè)計(jì)方案要勇于改進(jìn)和拋棄過(guò)時(shí)的傳統(tǒng)技術(shù)和思維方式。這樣，才能讓下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)走上健康的發(fā)展道路。

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