基于車-車通信的CBTC系統方案研究

柴明東 祝陶美 王 濤

(同濟大學浙江學院，314051，嘉興//第一作者，工程師)

基于通信的列車控制(CBTC)系統是目前城市軌道交通中廣泛使用的信號系統。隨著城市軌道交通信號系統的發展，對傳統的CBTC系統的運營靈活性提出了更高的要求，并希望在一定程度上減少軌旁設備數量以減小維護成本。基于車-車通信的新型CBTC系統將為滿足上述需求提供新的方向。

隨著技術的發展，基于車-車通信的CBTC系統有可能取代傳統的CBTC系統，成為今后軌道交通信號系統的主流。2013年，文獻[1]介紹了阿爾斯通在法國Lille 1號線采用精簡CBTC系統的方案(該方案提出了追蹤列車之間直接實時通信的構想)。2014年，文獻[3]以阿爾斯通精簡CBTC系統為原型，提出基于車-車通信的新型CBTC系統構架、功能以及子系統之間信息交互接口。2016年,文獻[4]根據列車控制系統發展趨勢提出車-車通信的構想，并對車-車通信信號系統的結構、控制邏輯以及特點進行了論述。2017年，文獻[6]更為系統地開展了對基于車-車通信的CBTC系統的車載設備相關功能的應用研究。我國也有相關研究機構就車-車通信技術進行立項研究。

本文在對比了現有的基于車-地通信的CBTC系統的基礎上，對基于車-車通信的CBTC系統的結構和功能進行分析，并就相鄰列車通信和全網列車通信等具體實現方案展開了討論。

1 CBTC系統結構

1.1 傳統CBTC系統的結構

一般而言，傳統的CBTC系統主要包含列車自動監控(ATS)、區域控制器(ZC)、車載控制器(VOBC)、數據庫存儲單元(DSU)、數據通信系統(DCS)等子系統。其中，DCS將各個子系統相連，并確保任意兩個子系統之間都可以相互通信。圖 1所示為一個典型的CBTC系統結構。

從圖1中可以看出，傳統的CBTC系統采用車-地無線通信方式，將區域控制器作為軌旁核心設備，由區域控制器完成列車的移動授權計算和聯鎖運算并發送給車載控制器。中心控制設備將行車指揮權交給軌旁控制設備，軌旁控制設備發送控制命令至軌旁受控設備；也可以由控制中心直接控制軌旁受控設備；軌旁監測設備將接收到的軌旁受控設備的狀態信息處理后發送給中心控制設備；中心控制設備與列車(必要時)、軌旁控制設備與車載無線設備分別通過無線網絡相連接，完成數據通信。

圖1 傳統CBTC系統結構概念示意圖

雖然傳統的CBTC系統在技術上已較為成熟，并得到了廣泛應用，但其系統接口過于復雜，某種程度上仍不利于維護，且車-地通信數據流量較大，難以進一步縮短通信時延。

1.2 基于車-車通信的CBTC系統結構

相對傳統的CBTC系統，基于車-車通信的CBTC系統取消了計算機聯鎖(CI)子系統和ZC，加入了對象控制器(Object Controller)。VOBC和對象控制器共同作用，實現了原ZC和CI子系統的功能。各個子系統都由DCS相連。本文給出了一種基于車-車通信的CBTC系統構架,如圖2所示。

對比圖1，圖2中減少了軌旁ZC、CI及其對應的與各個子系統間的接口，增加了列車與列車之間的通信接口、軌旁受控設備和無線網絡的接口,以及對象控制器。對象控制器用以實現列車對軌旁道岔及屏蔽門等設備的控制，以及軌旁監測設備向車載通信設備直接反饋實時狀態信息。

圖2 基于車-車通信的CBTC系統結構概念示意圖

2 基于車-車通信的CBTC系統的功能原理

基于車-車通信的CBTC系統由于取消了軌旁核心設備ZC，在功能原理和功能分配上與傳統的CBTC系統有較大的差別。基于車-車通信的CBTC系統基本功能原理如圖3所示。其主要分為三個功能層次，即車-車通信的VOBC、對象控制器和ATS功能。

基于車-車通信的CBTC系統功能主要集權于VOBC，VOBC通過無線網絡直接和鄰車、ATS進行通信。這種方式減少了信息傳輸經過的接口，縮短了VOBC獲取信息的時間，提高了VOBC的反應速度，使整個系統的運行性能得到了提高。在車-車信息傳遞過程中，VOBC的通信模塊在軟件和硬件上要具備冗余結構，使系統符合故障-安全原則。

圖3 基于車-車通信的CBTC系統基本功能原理圖

對象控制器通過接收VOBC所發出的控制命令來控制道岔、站臺門等軌旁聯鎖設備。同時，對象控制器向VOBC和ATS反饋軌旁設備的實時狀態。列車通過接收到的相關信息進行聯鎖邏輯計算，并實時向對象控制器發出征用命令和控制命令，從而提高了系統運行靈活性。

在車-車通信正常狀態下，ATS負責監督列車與對象控制器等軌旁設備狀態。當基于車-車通信的CBTC系統難以保證列車運行效率時，ATS根據車流情況對全局或相關部分列車進行運行計劃調整，并向所有VOBC和對象控制器發送調整后的計劃或控制命令。

3 基于車-車通信的CBTC系統方案

3.1 只與相鄰列車通信

在這一方案中，所有列車只與其相鄰的前車和后車進行通信。相鄰兩車之間通過無線接入點(AP)進行信息交互，后車得到前行列車位置信息并計算移動授權；同時，列車通過AP將自身數據發送給ATS進行報備。ATS下發給線路列車的信息為相應列車的前后車數據信息，列車的VOBC將車-車之間交互獲得的數據信息與ATS反饋的信息進行核對后，計算其速度曲線。

列車只與相鄰列車通信的概念模型如圖4所示。在該方案下，為保證相鄰列車之間的通信質量和通信覆蓋面，列車可通過兩個AP將數據信息同時發送給相鄰列車，如列車3的數據信息傳輸途徑；也可通過同一個AP分別轉發給兩列相鄰列車，如列車2的數據信息傳輸途徑。

該方案的優點是在一定程度上減輕了VOBC處理信息和計算的負擔。由于相互通信的列車數量較少，列車可以迅速做出動態計劃變更。其缺點在于列車只與相鄰列車在小范圍內進行通信，不能得到全線列車的具體情況，也不能將自身行車計劃的變更及時通知給線路上的每一列列車。在此情況下，當列車進行一定幅度的動態計劃變更時，極易產生“多米諾骨牌效應”，使其后的每一列列車均被動地改變行車計劃，造成全線路列車大面積的晚點，影響全線運營效率。

3.2 全線所有列車可相互通信

在這一方案中，某一列車的VOBC可與線路上的其他列車保持實時通信。線路上的每一列列車均通過通信網絡向線路上的其他列車及ATS發送列車實時數據信息，列車的VOBC將接收到的線路上其他列車的實時信息和ATS所反饋的信息進行核對，然后計算出列車運行曲線。

全線所有列車可相互通信的概念模型如圖5所示。由于系統的通信規模龐大，且對通信質量有很高的要求，該方案可借助“云平臺”實現資源與信息的共享。列車將自身數據信息上傳到“云”中，供線路上其他列車以及ATS調用，實現列車之間的數據信息快速共享，也相應解決現有通信設備難以實時高效完成全線列車通信的問題。

這種通信方案的優點是任一列車都可掌握線路上其他列車的信息。當線路上某一列車出現異常狀況時，列車可根據自身情況預先做出運行計劃變更。全線所有列車的信息共享，可以大幅度減少因某一列車故障導致其后行所有列車晚點的情況發生。該通信方式也可以更好地保證列車運行的安全。但是，該方式需要VOBC處理較大的信息，故要求VOBC具備與其信息處理功能相適應的硬件資源；此外，線路上的每一列列車均需保持良好的實時通信和信息共享，這也對無線通信設備的性能提出了更高的要求。

圖5 全線所有列車可相互通信的概念模型

3.3 兩種通信方案的對比

對比上述兩種通信方案，列車只與鄰車通信(方案一)，雖然保證了列車之間通信的時效性，但難以在特殊情況下保證線路的運營能力；全線路所有列車可相互通信(方案二)，可以保證全線路的運營能力，但為保證其高質量信息共享，需要相應配置列車運行管理“云”等資源共享平臺。因此，在列車運行間隔相對較大、運行列車較少線路上，可以使用方案一；在列車運行間隔小、運行密度大的線路上，方案二更加適合。

4 基于車-車通信的CBTC系統VOBC的主要功能

由于基于車-車通信的CBTC系統是集權于VOBC的列車運行控制系統，因此其功能分配與傳統的CBTC系統有較大的差別。傳統CBTC系統中的軌旁核心功能基本都移至基于車-車通信的CBTC系統中的VOBC上實現。基于車-車通信的CBTC系統的VOBC功能和傳統CBTC系統的VOBC功能的區別見表 1。

表1 基于車-車通信的CBTC系統的VOBC與傳統CBTC系統的VOBC的功能對比

4.1 聯鎖計算功能

基于車-車通信的CBTC系統在執行進路過程中，由VOBC完成聯鎖計算，并向對象控制器發送相應的征用請求和控制命令，再由對象控制器控制道岔動作，從而實現進路控制。列車進路完成后，自動取消對對象控制器的征用，供后行列車使用。通過這種方式，各個子系統間的接口數量可以大量減少，數據信息的傳遞時間也可以相應縮短。這改變了傳統CBTC系統中由ZC計算移動授權并轉發ATS調整信息給列車的方式，使列車運行靈活性更高。基于車-車通信的CBTC系統中雖然取消了ZC，但VOBC和對象控制器的共同作用依舊可以保證列車的運行安全。

在線路異常情況下，如果VOBC難以處理聯鎖信息，為保證全線路列車的運行安全和秩序，ATS將根據全線列車和對象控制器反饋的信息，對線路上所有列車的運行計劃進行大規模的調整，列車按ATS下達的運行計劃運行。

4.2 移動授權功能

在基于車-車通信的CBTC系統中，VOBC還具有自身移動授權計算的功能。后行列車在得到前行列車的位置后，對應的VOBC可以根據該位置信息計算列車的移動授權和速度曲線。

VOBC不間斷地與相鄰列車通信，并計算移動授權，實現移動閉塞。在列車運行過程中，由于前行列車相對位置不停地變化，VOBC計算的移動授權也不斷地更新。列車之間的通信必須保證嚴格的時效性。

4.3 控制模式管理

從行車調度和聯鎖控制的角度，基于車-車通信的CBTC系統的控制模式有以下兩種：①VOBC主控，ATS輔助監督；②控制中心ATS主控。VOBC需具備相應的模式管理功能，在一定的條件下實現以上兩種控制模式的轉換。

正常情況下，所有列車及軌旁設備都工作在VOBC主控模式下。

VOBC的通信模塊要具有識別和處理異常數據信息的功能，并對異常數據進行報警和記錄。當列車接收到異常數據時，列車將根據自身運行情況判定風險等級。在列車不能處理自身異常情況下，列車的行車指揮權由車載控制轉為控制中心控制。控制中心直接對列車下達調度命令，指揮列車安全運行。若車-車通信方案選用方案一，故障列車通信異常會影響其前后相鄰列車的位置確認，則故障列車及其前后列車均轉為控制中心ATS主控，其余列車仍保持VOBC主控。若車-車通信方案采用方案二，由于全線列車信息共享，某一列車的故障會造成全線列車的錯誤判斷，則需將全線列車的控制轉為列控中心ATS主控，由ATS直接對全線列車下達調度計劃，列車按計劃運行。不論選擇哪一種方案，當系統局部或整體失去通信時，按照故障-安全原則，失去通信的列車將緊急制動，等待通信恢復，必要時ATS可通過其他方式向列車下達緊急調整命令。

在列車通信恢復正常后，管理模式切換回VOBC主控。實現切換可以有兩種協商方案。其一，由ATS判定列車VOBC是否恢復正常通信功能，并向VOBC發起詢問;VOBC根據自身通信狀態，在VOBC收發數據信息符合準確、安全的前提下，接受ATS的授權，完成由控制中心ATS控制向VOBC控制的切換。其二，VOBC判定自身通信功能恢復正常后，向ATS發送請求；ATS通過對VOBC的監視，判定VOBC是否可以取得控制權，條件判定符合后，恢復VOBC主控模式。

5 結語

從目前通信技術和列車運行控制系統的發展趨勢來看，基于車-車通信的CBTC系統符合軌道交通信號系統精簡、高效和安全的發展需求[4]。本文給出了基于車-車通信的CBTC系統的理論構架，并對基于車-車通信的CBTC系統的兩種方案進行對比，為該系統適應不同的線路需求提供選擇方案。同時，分析了基于車-車通信的CBTC系統的VOBC的功能，構建了在車-車通信下的列車運行控制流程和故障模式處理的理論基礎。本文討論的方案預示著：①基于車-車通信的CBTC系統可不受軌旁設備的限制，這為列車跨線運營提供了更好的條件，便于實現線路的互聯互通；②配置列車運行管理“云”資源共享平臺，可使列車更快地上傳和下載大流量的信息；③列車的VOBC具備更強的自主運營和調整能力，有助于使列車行車調度更加智能化。

綜上所述，基于車-車通信的CBTC系統具有很大的發展空間，其理念有望成為今后軌道交通信號系統發展的新方向。但該系統的VOBC是否可以弱化甚至取代ATS的職能，以及整個系統在失去通信情況下的具體應急方案等問題，可在后續進一步展開研究。