基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)研究

陳 浩，雷成健

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南長沙 410199）

1 概述

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通在城市公共交通中的地位日益顯著，城市軌道交通得到迅速發(fā)展，特別是信號系統(tǒng)的技術(shù)水平已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。基于通信的列車控制（communication-based train control，CBTC）系統(tǒng)采用引進(jìn)、消化吸收、創(chuàng)新的技術(shù)路線，根據(jù)國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)與運營的特點，借鑒國外CBTC的經(jīng)驗，實現(xiàn)CBTC技術(shù)國產(chǎn)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，基于互聯(lián)互通的CBTC系統(tǒng)、自動化等級4（GoA4）的全自動運行系統(tǒng)已順利開通。我國城市軌道交通信號系統(tǒng)技術(shù)水平已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。為促進(jìn)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對新一代城市軌道交通控制系統(tǒng)的研究已成為一個重要課題。

2 基于通信的列車控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，在我國城市軌道交通領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的列車控制系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)。在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，采用連續(xù)車-地-車雙向數(shù)據(jù)通信技術(shù)、不依賴軌旁列車占用檢測設(shè)備的列車主動定位技術(shù)，通過地面控制設(shè)備與車載控制設(shè)備協(xié)同配合，為列車提供連續(xù)的自動控制服務(wù)。系統(tǒng)配備聯(lián)鎖系統(tǒng)（CBI）設(shè)備、區(qū)域控制器系統(tǒng)（ZC）設(shè)備、調(diào)度管理系統(tǒng)（ATS）設(shè)備、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（DMS），列車上裝載車載控制（VOBC）設(shè)備，同時在線路軌旁配置列車位置次級列車檢測設(shè)備、信號機(jī)、多種應(yīng)答器等。在CBTC系統(tǒng)中，通過各設(shè)備的相互配合，控制中心對線路上的列車進(jìn)行集中管理；通過車對地?zé)o線通信，車載VOBC設(shè)備與地面ZC設(shè)備持續(xù)交互信息，ZC控制列車的追蹤間隔，VOBC根據(jù)ZC計算的移動授權(quán)計算列車運行控制曲線，對列車運行進(jìn)行安全防護(hù)；在2個相鄰的ZC的邊界處，VOBC設(shè)備持續(xù)與分界處兩側(cè)的ZC進(jìn)行通信，完成區(qū)域控制切換。典型的CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，圖1中DCS為信號數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，CI為計算機(jī)聯(lián)鎖，LEU為軌旁電子單元，ATO為列車自動運行系統(tǒng)，ATP為列車自動防護(hù)系統(tǒng)。

圖1 CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 存在的問題分析

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)采用連續(xù)車-地雙向數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具有發(fā)車間隔短、運行效率高等優(yōu)勢，但因其采用“車-地-車”的控制信息交互架構(gòu)體系，存在如下問題。

（1）系統(tǒng)功能耦合度高，互相依賴，導(dǎo)致系統(tǒng)缺乏靈活性，采用車-地-車的體系結(jié)構(gòu)，行車高度依靠地面的ZC，系統(tǒng)的通過、折返能力受制于ZC。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、子系統(tǒng)繁多、系統(tǒng)間接口眾多，各接口中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)重復(fù)度較高，在加大信息傳輸時延的同時，造成通信資源的浪費，增加了系統(tǒng)的通信壓力。

（3）軌旁設(shè)備數(shù)量眾多，在增加系統(tǒng)建設(shè)成本的同時，也增加了故障點，增加了系統(tǒng)運營維護(hù)的成本和工作量。

由于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)存在的上述問題，在系統(tǒng)的可靠性、運營效率及互聯(lián)互通方面無法滿足智慧城軌發(fā)展的要求，尤其在不影響既有線路正常運營的前提下進(jìn)行線路設(shè)備的改造更新，對傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)來說，面臨巨大的困難與挑戰(zhàn)。

3 基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)升級到全自動運行（FAO）信號系統(tǒng)后，雖然對CBTC功能進(jìn)行了升級，增加了全自動運行的相關(guān)功能，提高了系統(tǒng)的自動化水平，但升級為FAO系統(tǒng)后未能從根本上改變CBTC系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。因此，有必要通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建城市軌道交通新一代列車控制信號系統(tǒng)。

在基于車-車通信的新一代全自動運行信號系統(tǒng)中，對CBTC系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)以車載控制為中心，大幅減少地面設(shè)備，對系統(tǒng)功能進(jìn)行重新分配，把原系統(tǒng)中地面設(shè)備的功能集成到車載控制系統(tǒng)中，地面僅設(shè)置軌旁資源管理控制器（OC）進(jìn)行資源管理。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于車-車通信的新一代全自動運行信號系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由ATS、OC、車載VOBC設(shè)備組成，系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)CBTC信號系統(tǒng)的地面CBI和ZC設(shè)備，把原CBTC系統(tǒng)中CBI與ZC的功能集成到車載VOBC控制器中，地面僅設(shè)置OC設(shè)備對線路資源進(jìn)行管理，大大簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，減少了軌旁設(shè)備，優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口，提高了系統(tǒng)的實時性，同時列車基于ATS下發(fā)的運行計劃以及車-車間直接通信交互信息，實現(xiàn)列車自主路徑、列車自主防護(hù)和列車自主運行調(diào)整的功能。

圖2 基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3.2 系統(tǒng)原理

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)，將傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車-地-車”架構(gòu)優(yōu)化為“車-車”架構(gòu)，VOBC集成了原地面CBI和ZC的功能以及ATS的部分功能，將列車的移動授權(quán)計算、進(jìn)路控制等原地面控制系統(tǒng)的功能集成到車載VOBC，確保列車根據(jù)運行計劃及線路資源分配狀態(tài)和采集的表示狀態(tài)信息自主規(guī)劃辦理進(jìn)路，正確實現(xiàn)進(jìn)路、道岔、信號機(jī)的聯(lián)鎖關(guān)系，同時利用列車與相鄰列車間的直接通信交互信息計算列車自身的移動授權(quán)，在此基礎(chǔ)上取消傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的CBI和ZC設(shè)備，簡化軌旁設(shè)備布置，減少系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)成本。

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)的工作原理如下。

（1）VOBC接收到ATS下發(fā)的時刻表或人工調(diào)整命令，自主進(jìn)路模塊自動觸發(fā)運行路徑。

（2）OC負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的列車管理與軌旁資源管理，向車載VOBC發(fā)送軌旁設(shè)備狀態(tài)信息，通過車-地?zé)o線通信接收來自車載VOBC的命令，根據(jù)指令控制軌旁設(shè)備。

（3）車載VOBC根據(jù)行車路徑內(nèi)對資源的需求，向所需資源的持有列車主動建立通信，向其發(fā)送對該資源的釋放申請，同時當(dāng)前列車也接收其他列車發(fā)送的資源釋放申請；車載VOBC使用完該資源，確認(rèn)完可以釋放時，將該資源釋放移交給請求申請列車。車載VOBC在獲得該資源后即占有該資源，可以根據(jù)時機(jī)向OC發(fā)送對該資源的控制命令，同時接收OC發(fā)送的軌旁資源的狀態(tài)表示信息。基于以上信息，車載VOBC可自主計算列車移動授權(quán)和控車速度曲線，對列車的安全運行進(jìn)行防護(hù)。

（4）基于LTE-M的無線通信系統(tǒng)為車-車與車-地之間提供可靠的通信，該系統(tǒng)采用多級冗余與多重保障的設(shè)計理念，提升系統(tǒng)的可用性與可靠性，在地面與車載設(shè)備及前后車之間交互數(shù)據(jù)時使用安全通信協(xié)議，進(jìn)一步提升基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)的安全性與可靠性。

3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要有列車自主進(jìn)路、資源管理、自主防護(hù)、列車自主調(diào)整等。

3.3.1 列車自主進(jìn)路

車載VOBC接收ATS下發(fā)的運行時刻表（包含時間信息的運行路徑）自動規(guī)劃列車運行路徑，ATS也可以通過下發(fā)人工命令對車載VOBC自主規(guī)劃的運行路徑進(jìn)行干預(yù)與調(diào)整，人工命令包括人工調(diào)整運行計劃，人工分配車次號，人工設(shè)置目的地碼、扣車、跳停等，人工命令發(fā)送給車載VOBC，車載VOBC通過列車自主進(jìn)路模塊處理，調(diào)整列車的運行路徑。

3.3.2 自主資源管理

在基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)中，將線路資源的顆粒度進(jìn)一步細(xì)化管理，線路資源指列車運行所依賴的線路元素，主要包括區(qū)段、道岔等。系統(tǒng)根據(jù)列車的目的地及線路資源的狀態(tài)，實時為列車規(guī)劃路徑，對路徑內(nèi)的線路資源進(jìn)行安全占用與釋放。

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)自主管理線路資源，車載VOBC接收ATS發(fā)送的運行計劃或調(diào)度命令；車載VOBC根據(jù)列車在行車路徑內(nèi)對資源的需求，向OC登記并查詢資源登記結(jié)果，向所需資源的持有列車嘗試建立通信鏈接，并向其申請該資源，該資源持有列車車載VOBC接收到其他列車發(fā)送的對該資源的釋放請求時，在確認(rèn)使用完該資源可以釋放時，將該資源釋放移交給請求列車，同時將資源的分配狀態(tài)發(fā)送給OC，由OC更新登記該資源的分配狀態(tài)。若持有列車仍需使用該資源時，不可釋放該資源。

當(dāng)線路資源存在共享及沖突關(guān)系時，申請列車與持有列車車載VOBC設(shè)備之間需持續(xù)交互相關(guān)聯(lián)的資源信息。

3.3.3 自主防護(hù)

列車自主防護(hù)指列車在相應(yīng)的駕駛模式下，根據(jù)自身狀態(tài)和外部輸入信息，自動規(guī)劃行車路徑，計算移動授權(quán)和運行速度控制曲線，為列車安全運行提供多種防護(hù)及監(jiān)督功能，包括列車超速安全防護(hù)、列車進(jìn)站與出站安全防護(hù)、作業(yè)封鎖開關(guān)安全防護(hù)、站臺門實時監(jiān)督、站臺緊急停車按鈕監(jiān)督及列車完整性狀態(tài)實時監(jiān)督等。

在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過進(jìn)路對列車提供安全防護(hù)，只有當(dāng)進(jìn)路對列車開放時，列車的移動授權(quán)才能延伸到進(jìn)路內(nèi)方；在基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)中，將線路資源的顆粒度進(jìn)一步細(xì)化管理，因此，進(jìn)路的概念演變?yōu)榫€路上的路徑資源，車載VOBC負(fù)責(zé)列車的安全防護(hù)。車載VOBC根據(jù)列車的目的地自動匹配運行路徑，與OC實時通信，獲取運行路徑內(nèi)資源的登記情況；根據(jù)資源的登記情況，車載VOBC主動與所需資源的持有列車通信，請求獲取資源，同時獲取和識別前車的位置、速度、運行方向及移動授權(quán)等信息，自主計算移動授權(quán)和安全列車控制速度曲線。

車載VOBC在對行車路徑進(jìn)行安全防護(hù)時，依據(jù)路徑內(nèi)的資源元素屬性和規(guī)則進(jìn)行行車防護(hù)，例如路徑內(nèi)的道岔需要操縱并鎖閉到定位時，車載VOBC向OC發(fā)送操縱道岔至定位并鎖閉的命令。進(jìn)行路徑防護(hù)時，車載VOBC采用由近及遠(yuǎn)、連續(xù)式防護(hù)的防護(hù)措施，根據(jù)行車路徑，對路徑內(nèi)資源對象由近及遠(yuǎn)進(jìn)行組合式判斷；同時根據(jù)列車的實時位置動態(tài)釋放資源，提高對線路資源的利用率。

3.3.4 列車自主調(diào)整

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)中，車載VOBC系統(tǒng)集成了原CBTC系統(tǒng)ATS系統(tǒng)的列車自動調(diào)整功能。在沒有控制中心ATS人工調(diào)整命令時，如果列車實際運行時間與計劃運行時間發(fā)生偏差，車載 VOBC根據(jù)接收到的運行時刻表自動調(diào)整后續(xù)列車運行時間。車載VOBC通過調(diào)整列車的停站時間或修改下一區(qū)間的運行等級達(dá)到列車自主調(diào)整的目的。車載 VOBC也能響應(yīng)中心ATS調(diào)度員的人工調(diào)整命令，包括修改停站時間、修改區(qū)間運行等級等命令。當(dāng)偏差過大時（偏差時間可配置），車載VOBC向中心ATS發(fā)送報警信息，請求調(diào)度員人工干預(yù)，調(diào)度員可重新調(diào)整運行計劃。

3.3.5 降級列車管理

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)以列車為中心，車載VOBC依據(jù)自身的狀態(tài)和外部輸入信息，自動規(guī)劃行車路徑，計算移動授權(quán)和運行控車速度曲線，因此，對通信設(shè)備、車載設(shè)備、測速定位設(shè)備的要求很高，應(yīng)盡量提高這些設(shè)備的可靠性，降低降級發(fā)生的概率；在設(shè)計時，考慮故障快速恢復(fù)技術(shù)及流程，降級時盡快恢復(fù)，降低對運營的影響，并提供降級運行方式。

降級運行方式分為有信號機(jī)與無信號機(jī)2種方式：無信號機(jī)的降級模式不配置次級列車檢測設(shè)備，當(dāng)列車發(fā)生故障降級時，系統(tǒng)自動設(shè)置封鎖區(qū)，列車轉(zhuǎn)入人工駕駛模式，由司機(jī)和調(diào)度確認(rèn)并獲取發(fā)車授權(quán)后，可人工駕駛列車運行，正常通信列車接近封鎖區(qū)域時，也需轉(zhuǎn)換為人工駕駛模式；有信號機(jī)的降級模式需配備次級列車檢測設(shè)備檢測列車位置，當(dāng)列車發(fā)生故障降級時，系統(tǒng)自動點亮故障列車前方的信號機(jī)，司機(jī)根據(jù)信號機(jī)的信號指示，人工駕駛列車運行。

3.4 系統(tǒng)特點

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，在車載VOBC上集成了列車自主進(jìn)路，列車自主防護(hù)、列車自主調(diào)整、自主計算移動授權(quán)等功能，簡化了地面設(shè)備，列車與列車直接交互信息，基于資源管理的理念，形成以列車為中心的自主運行控制系統(tǒng)。

3.4.1 架構(gòu)合理

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)將傳統(tǒng)CBTC的集中控制優(yōu)化為以列車為中心的分布式控制，優(yōu)化了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車-地-車”通信控制架構(gòu)，取消了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的地面CBI設(shè)備和ZC設(shè)備，車載VOBC集成原地面CBI、ZC及ATS的部分功能，軌旁僅保留與現(xiàn)場設(shè)備接口的軌旁O(shè)C設(shè)備，減少了內(nèi)部接口的復(fù)雜度，縮短了信息傳輸?shù)穆窂剑岣吡丝刂浦噶畹膱?zhí)行效率。

3.4.2 自主運行

在基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)中，車載VOBC根據(jù)ATS提前下發(fā)的運行計劃，自動匹配并觸發(fā)進(jìn)路；與相鄰列車及OC通信，獲取計算移動授權(quán)所需信息，自主計算移動授權(quán)，并根據(jù)移動授權(quán)生成控車速度曲線，對列車的安全運行進(jìn)行防護(hù)；當(dāng)列車實際運行與運行計劃出現(xiàn)偏差時，車載VOBC通過調(diào)整停站時間與區(qū)間運行等級等參數(shù)對列車的自主運行進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)主動進(jìn)路、自主運行與防護(hù)，降低對地面與中心設(shè)備的依賴。

3.4.3 故障快速恢復(fù)

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，ZC對控制區(qū)域內(nèi)的列車進(jìn)行集中管理，收集所有列車的位置信息及控制區(qū)域內(nèi)的進(jìn)路狀態(tài)，為每一列車計算移動授權(quán)。當(dāng)ZC發(fā)生故障時，整個控制區(qū)域內(nèi)的CBTC列車都會受到影響；基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)，采用分布區(qū)控制，以列車為中心自主對所需要線路資源進(jìn)行申請占用，使用完后及時釋放占用資源，當(dāng)列車故障時，影響面積小，且能快速恢復(fù)，對運營影響小。

3.4.4 安全可靠

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)優(yōu)化了傳統(tǒng)CBTC的系統(tǒng)架構(gòu)，取消了地面的ZC與CBI設(shè)備，在地面僅保留軌旁O(shè)C設(shè)備，降低了系統(tǒng)設(shè)備和接口的復(fù)雜度，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。

系統(tǒng)把ZC與CBI的功能集成到列車車載VOBC中，減少對中心ATS依賴，車載VOBC可以自主計算移動授權(quán)，控制列車在安全防護(hù)速度曲線下運行，當(dāng)列車車載VOBC故障時，相鄰正常列車可以基于故障列車設(shè)置的隔離防護(hù)區(qū)實時調(diào)整計算移動授權(quán)和控車速度曲線。實現(xiàn)正常列車與故障列車的混跑，大大降低整個系統(tǒng)發(fā)生區(qū)域性降級的可能性，提高了系統(tǒng)可用性。

3.4.5 智能高效

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)優(yōu)化了傳統(tǒng)CBTC的系統(tǒng)架構(gòu)，減少了地面設(shè)備，優(yōu)化了子系統(tǒng)間的接口，列車與前車直接通信，可獲取前車的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過減少信息在系統(tǒng)內(nèi)部的傳輸路徑與時間，提高系統(tǒng)的實時性，進(jìn)一步縮短控制指令的執(zhí)行時間，提升系統(tǒng)控制精度，達(dá)到縮短列車追蹤間隔、提高乘客乘坐舒適度的目標(biāo)。

系統(tǒng)將行車路徑虛擬為資源，列車自主占用與釋放資源，能夠更加靈活地適應(yīng)線路反向、對向及折返運行等場景，提高列車運行組織靈活性與效率。

3.4.6 降低成本

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，減少了地面控制系統(tǒng)及軌旁信號設(shè)備，優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口，降低系統(tǒng)的耦合性，從而顯著降低系統(tǒng)項目的建設(shè)、運營、維護(hù)成本，使系統(tǒng)項目工程施工、調(diào)試更容易實施，施工周期也大大縮短。預(yù)計系統(tǒng)項目建設(shè)、運營、維護(hù)成本可降低20%～30%，系統(tǒng)項目工程施工、調(diào)試周期可縮短 20%～30%。

3.4.7 有利于舊線改造

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)，地面僅保留了軌旁O(shè)C設(shè)備等少量設(shè)備，在已建線路進(jìn)行升級改造時，對既有線路的正常運營影響小，便于新系統(tǒng)的調(diào)試與舊系統(tǒng)的恢復(fù)，系統(tǒng)改造安全風(fēng)險小。

4 總結(jié)

基于車-車通信的全自動運行信號系統(tǒng)對傳統(tǒng)CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，減少了地面設(shè)備，優(yōu)化了子系統(tǒng)間接口，縮短了狀態(tài)數(shù)據(jù)與控制指令命令的傳輸路徑，提高了系統(tǒng)的性能與效率；對系統(tǒng)功能進(jìn)行了重新分配，以列車為中心，支持列車自主進(jìn)路、自主防護(hù)與自主調(diào)整，智能化程度更高。這種新型列車運行控制系統(tǒng)可提高運行效率，降低全生命周期成本，將成為新一代城市軌道交通列車控制信號系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。