城市軌道交通信號系統(tǒng)新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用前景

雷錫絨

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 副教授 陜西 西安 710014）

近年來，在我國各大城市軌道交通向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化方向邁進的同時，全自動駕駛技術(shù)、車-車通信技術(shù)、互聯(lián)互通技術(shù)、信息化技術(shù)也發(fā)展迅速，這些新技術(shù)具有自動化水平高、集成度高、軟硬件資源共享等優(yōu)勢，是智慧城市軌道交通信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的方向。

1 全自動駕駛FAO

1.1 全自動駕駛?cè)粘＿\營場景描述城市軌道交通列車全自動駕駛系統(tǒng)具有列車運行性能更佳、安全可靠性更高、運能增大、運輸成本降低等優(yōu)勢，是軌道交通技術(shù)發(fā)展的方向。全自動駕駛的列車出庫投入運營前，上電從休眠狀態(tài)自動喚醒、進行綜合自檢、自動啟動行駛到轉(zhuǎn)換軌、進入正線升級至CBTC系統(tǒng)、按照時刻表載客運營、完成站間行駛、到站精準(zhǔn)停車、自動開關(guān)車門、自動發(fā)車離站、自動折返、完成運營后入庫自動對位停車、上傳當(dāng)天運行數(shù)據(jù)、自動斷電休眠［1］。全自動駕駛?cè)粘＿\營流程如圖1所示：

圖1 全自動駕駛?cè)粘＿\營流程

1.2 全自動駕駛自動化級別全自動駕駛FAO 包括DTO 和UTO。DTO 為無司機但有人值守的自動駕駛模式，正常情況系統(tǒng)控制列車自動運行，異常情況人工隨時介入干預(yù)。UTO 為完全無人的自動駕駛模式，正常情況系統(tǒng)控制列車自動運行；大多異常情況下，信號、車輛、綜合監(jiān)控等多系統(tǒng)間可實現(xiàn)信息綜合、聯(lián)動控制功能，安全和效率均達到最佳。

1.3 全自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)點及應(yīng)用

1.3.1 聯(lián)動功能 行車綜合自動化系統(tǒng)TIAS 高度集成列車自動監(jiān)控ATS 系統(tǒng)、變電所綜合自動化系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、互聯(lián)門禁系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、站臺門等系統(tǒng)，實現(xiàn)整個地鐵運營系統(tǒng)的綜合信息顯示、集中控制、程序聯(lián)動。

場景舉例：段場早間列車上電和自動喚醒聯(lián)動流程如圖2所示：

圖2 列車上電和自動喚醒聯(lián)動流程

1.3.2 自動化功能 信號CBTC 系統(tǒng)架構(gòu)上增加設(shè)備，新增自動化功能。全自動駕駛CBTC 系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，車載主要增加喚醒休眠模塊，地面主要增加智能化車輛段ATP/ATO 設(shè)備［2］，新增如下功能：

1）正線運行。站臺自動對位調(diào)整、全自動發(fā)車、遠(yuǎn)程自動清客、無人自動折返和工作者防護。

2）車輛段實現(xiàn)自動化。自動喚醒與休眠、自動出入車輛段、自動調(diào)車、自動洗車、自動庫門防護、有人區(qū)與無人區(qū)隔離。

3）應(yīng)急處理。蠕動、站臺門與車門對位隔離、緊急手柄與火災(zāi)等系統(tǒng)聯(lián)動、車輛監(jiān)測信息處置及上報、遠(yuǎn)程操控、乘客疏散及應(yīng)急逃生、站臺關(guān)車門與清客確認(rèn)。

1.3.3 實現(xiàn)全系統(tǒng)硬件冗余 全自動駕駛車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)均按冗余方式配置。車載系統(tǒng)包括列車數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)TDMS、速度傳感器、天線等。地面系統(tǒng)包括軌旁ATP、軌旁聯(lián)鎖、軌旁ATS、繼電器（用于道岔驅(qū)動采集、計軸接口、洗車機、車庫門等。

1.3.4 系統(tǒng)軟件升級并提高運行的穩(wěn)定性 全自動駕駛CBTC系統(tǒng)和傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，更多的是功能性需求增加，這就需要信號系統(tǒng)與諸多外部系統(tǒng)進行接口，實現(xiàn)集中監(jiān)視、綜合聯(lián)動。如此龐大、復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需從軟件架構(gòu)層面重新設(shè)計。一般采用既有系統(tǒng)軟件逐步升級的方式（模塊化和層次化的軟件設(shè)計使得系統(tǒng)可方便地進行升級和外部擴展），最終的軟件系統(tǒng)要保障整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 基于車-車通信的新型CBTC系統(tǒng)

目前我國城市軌道交通信號系統(tǒng)都采用的是車-地通信的CBTC 系統(tǒng)，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，基于車-車通信的新型CBTC 系統(tǒng)將會取代現(xiàn)有的CBTC 系統(tǒng)，因為基于車-車通信的新型CBTC 系統(tǒng)具有車載設(shè)備集成度高、軌旁設(shè)備減少、系統(tǒng)接口數(shù)量減少、系統(tǒng)復(fù)雜度降低等特點，可以在保證安全的前提下，為運營提供更加靈活和多樣化的運輸組織方案，因此，該系統(tǒng)是城市軌道交通信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的方向。

2.1 基于車-車通信的新型CBTC系統(tǒng)架構(gòu)基于車-車通信的新型CBTC 系統(tǒng)，與現(xiàn)有車-地通信的CBTC 系統(tǒng)相比，簡化了軌旁設(shè)備。軌旁取消了區(qū)域控制器子系統(tǒng)ZC和計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)CI，新設(shè)對象控制器控制軌旁信號機、道岔、站臺門等設(shè)備，車載系統(tǒng)集成原軌旁ZC和CI的功能。

2.2 基于車-車通信的新型CBTC系統(tǒng)工作簡介

在車-車通信方式中，列車車載控制器VOBC一方面與ATS進行通信，接收ATS發(fā)送的進路信息，通過軌旁對象控制器控制道岔的轉(zhuǎn)換和進路的開通，另一方面與前行列車進行無線通信，請求前車的位置信息，根據(jù)收到的前車位置信息，快速計算自身的移動授權(quán)和相關(guān)制動曲線（無需由地面軌旁系統(tǒng)計算移動授權(quán)后再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載控制器），完成與軌旁相關(guān)的安全功能。

2.3 基于車-車通信的新型CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢

1）車-車通信系統(tǒng)的車載設(shè)備集成了車-地通信系統(tǒng)的列車控制功能、軌旁ZC和CI的功能，增強了各系統(tǒng)間的耦合度，大大簡化了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的復(fù)雜度，減少了信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的信息處理速度，使得系統(tǒng)整體性能更好。

2）車-車通信系統(tǒng)軌旁取消了ZC 子系統(tǒng)和CI子系統(tǒng)，節(jié)省了設(shè)備室空間和減少了系統(tǒng)接口數(shù)量，系統(tǒng)復(fù)雜度降低，維護成本隨之降低。

3）車-車通信系統(tǒng)減少了車與地之間交互的數(shù)據(jù)通信量和交互時間，減少了車載控制器的反應(yīng)時間，可進一步縮短運行時間間隔，與傳統(tǒng)的CBTC相比，可以達到60 s的間隔時間［3］。

4）車-車通信系統(tǒng)提升了車與車信息的交互性。后車向前車請求位置信息后，能快速計算移動授權(quán)并迅速更新運行速度曲線和制動曲線，并及時對自身的運行狀態(tài)做出調(diào)整，確保了安全。

3 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通是指裝備不同CBTC廠商提供車載設(shè)備的列車可以在不同廠商提供軌旁設(shè)備的線路上運營。互聯(lián)互通的總體目標(biāo)是支持軌道交通網(wǎng)絡(luò)運營的聯(lián)通聯(lián)運，實現(xiàn)軌道交通線網(wǎng)建設(shè)、運營和管理的資源共享。

目前我國城市軌道交通CBTC系統(tǒng)主要依賴于進口，各供貨商CBTC系統(tǒng)因接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)互聯(lián)互通。隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴大，我國對軌道交通提出了“節(jié)約成本、避免重復(fù)投資、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)、運營、管理”的新要求。隨著中城協(xié)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定工作的穩(wěn)步推進，CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通勢必成為今后發(fā)展的方向。

3.1 CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通的技術(shù)條件各互聯(lián)互通的線路采用的信號系統(tǒng)應(yīng)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，主要包括：

1）采用一致的系統(tǒng)功能定義；

2）采用一致的系統(tǒng)架構(gòu)和功能分配；

3）采用一致的互聯(lián)互通接口規(guī)范（接口協(xié)議從物理層、協(xié)議層和應(yīng)用層必須保持統(tǒng)一）；

4）采用一致的軌旁設(shè)計原則和設(shè)備安裝原則（應(yīng)答器、信號機、計軸等安裝位置應(yīng)統(tǒng)一或兼容；DCS軌旁漏纜、天線安裝位置應(yīng)統(tǒng)一或兼容）；

5）采用一致的人機界面和操作方式，為調(diào)度員和司機的共享提供條件。

3.2 城軌CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通的接口規(guī)范見圖3所示［4］

圖3 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通接口規(guī)范

3.3 城軌CBTC 系統(tǒng)互聯(lián)互通的其他條件城市軌道交通互聯(lián)互通是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，除涉及信號系統(tǒng)自身的系統(tǒng)總體架構(gòu)、通信協(xié)議、通信接口、工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)外，還涉及線路、限界、車輛、牽引供電、運營管理體制等外部條件。

4 城市軌道交通信息化建設(shè)

4.1 加快軌道交通信息化建設(shè)的緊迫性我國城市軌道交通信息化系統(tǒng)由信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、綜合安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、乘客資訊系統(tǒng)等6個子系統(tǒng)組成。其中信號系統(tǒng)是軌道交通信息化系統(tǒng)中需求最大的子系統(tǒng)。但是，到目前為止，這些子系統(tǒng)在信息化建設(shè)方面還存在總體架構(gòu)陳舊、信息孤島嚴(yán)重、基礎(chǔ)設(shè)施分散、網(wǎng)絡(luò)資源浪費、安全管控偏弱、運維體系失衡、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失、建管統(tǒng)籌乏力等弊端。為了順應(yīng)城市軌道交通快速發(fā)展的形勢，貫徹“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展戰(zhàn)略,必須將信息技術(shù)與城市軌道交通業(yè)務(wù)深度融合,以信息化帶動軌道交通智能化，以軌道交通智能化促進信息化，為軌道交通的可持續(xù)、快速發(fā)展，提供強有力的信息技術(shù)支撐。

4.2 城市軌道交通信息化建設(shè)總體架構(gòu)由“六個層面、兩大體系”構(gòu)成［5］。

4.2.1 六個層面 六個層面分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用層和展示層。

1）感知層:利用多種感應(yīng)器件，采用射頻技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)進行物體識別和信息采集。

2）網(wǎng)絡(luò)層：構(gòu)建信息之間的有線、無線連接，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的快速通信。

3）數(shù)據(jù)層：是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，集中各類項目數(shù)據(jù)庫，支持各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的運行。

4）平臺層：建立各系統(tǒng)信息融合貫通的大數(shù)據(jù)、云計算平臺，安全、高效地完成各系統(tǒng)信息化數(shù)據(jù)量的儲存和處理，實現(xiàn)信息資源共享。

5）應(yīng)用層：構(gòu)建生產(chǎn)指揮、乘客服務(wù)、企業(yè)管理三個中心，完成乘客服務(wù)、運輸組織、安全管控、企業(yè)管理和建設(shè)管理五大業(yè)務(wù)。

6）展示層:構(gòu)建城市軌道交通門戶網(wǎng)站，包括供內(nèi)部訪問的內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)門戶和供外部訪問的外部門戶網(wǎng)站。

4.2.2 兩大體系 兩大體系為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和網(wǎng)絡(luò)信息安全體系，貫穿于城市軌道交通信息化的建設(shè)、運營、管理、維護、服務(wù)等各階段。

1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系：是信息平臺建設(shè)的保障，是為信息化建設(shè)制定的軟硬件接口協(xié)議、數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)建設(shè)和運營組織管理的規(guī)范等。

2）網(wǎng)絡(luò)信息安全體系：是從設(shè)施安全、平臺安全、數(shù)據(jù)安全、通信安全、應(yīng)用安全、運行安全、管理安全等層面上進行綜合的分析和管理。

5 結(jié)束語

到目前為止，全自動駕駛技術(shù)和互聯(lián)互通技術(shù)已經(jīng)在我國城市軌道交通示范工程中得到應(yīng)用，車-車通信技術(shù)和信息化技術(shù)中的大數(shù)據(jù)、云計算還在探索研究之中。可以預(yù)見，這些新技術(shù)是城市軌道交通信號系統(tǒng)未來發(fā)展的方向，不久的將來，隨著這些技術(shù)的成熟并推廣應(yīng)用，必將為智慧城市軌道交通帶來全新的變革。