城市軌道交通車-車通信系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)

孔 軍， 宋 丹

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266000）

1 研究背景

目前，城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)主要采用基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC），CBTC系統(tǒng)集先進(jìn)的控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為一體，具有系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化等特點(diǎn)[1-5]。但是在CBTC系統(tǒng)下，線路資源由聯(lián)鎖子系統(tǒng)以進(jìn)路的方式進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，很大程度上影響了線路的運(yùn)行能力。隨著國家關(guān)于加快建設(shè)交通強(qiáng)國規(guī)劃的推進(jìn)[6-7]，在城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，都市圈和城市群不斷發(fā)展的背景下，對(duì)城市軌道交通的運(yùn)能提出了更高要求[8-10]，因此，由聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行線路資源統(tǒng)一分配的運(yùn)行控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題逐漸凸顯出來。在此背景下，基于車-車通信[11-15]的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（Train Autonomous Circumambulate System，TACS）應(yīng)運(yùn)而生。TACS系統(tǒng)以列車為核心，將軌旁資源進(jìn)行精細(xì)化管理，精簡了系統(tǒng)架構(gòu)和各系統(tǒng)之間的通信鏈路，使得列車有自己的“大腦”，實(shí)現(xiàn)車與車之間的協(xié)同控制，同時(shí)將車載設(shè)備和軌旁設(shè)備進(jìn)行解耦，原有的聯(lián)鎖和區(qū)域控制器功能由車載控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）實(shí)現(xiàn)，增設(shè)目標(biāo)控制器（Object Controller，OC）進(jìn)行線路資源占用情況的登記和解鎖，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了信號(hào)系統(tǒng)的兼容性和易部署性。該系統(tǒng)保持以列車為核心，基于車-車通信實(shí)現(xiàn)列車主動(dòng)進(jìn)路與自主防護(hù)功能；在系統(tǒng)降級(jí)情況下，由OC實(shí)現(xiàn)非通信列車追蹤、行車資源回收以及進(jìn)路安全防護(hù)等系統(tǒng)降級(jí)功能。TACS地面設(shè)備與車載設(shè)備融合功能分配如圖1所示。

圖1 TACS地面設(shè)備與車載設(shè)備融合功能分配示意圖

盡管城市軌道交通車輛、信號(hào)核心控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全面的自主設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)，但無論是CBTC系統(tǒng)還是TACS系統(tǒng)，在車輛控制方面都存在以下問題，制約列車智能化技術(shù)的發(fā)展。

（1）系統(tǒng)復(fù)雜。信號(hào)、牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，各系統(tǒng)間壁壘明顯，信息無法充分共享；車輛傳感器、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等重復(fù)設(shè)置，成本高、可靠性低；車輛大量采用繼電器、接觸器，電路復(fù)雜、故障率高。

（2）智能化程度低。各系統(tǒng)之間的控制匹配度不高，導(dǎo)致制動(dòng)距離長、沖欠標(biāo)問題突出、閘瓦磨耗大等問題，影響運(yùn)營安全，增加運(yùn)營成本；列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）控車的輸入信息單元控制鏈路長，導(dǎo)致車輛控制不精準(zhǔn)，能源消耗大，智能化程度低。

（3）系統(tǒng)維護(hù)困難。復(fù)雜的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)工作量大，系統(tǒng)智能運(yùn)維需要采集大量的數(shù)據(jù)，既有網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)處理方式不足以支撐智能運(yùn)維等新技術(shù)需求。

本文以青島地鐵6號(hào)線工程為例，通過對(duì)該線TACS系統(tǒng)展開研究，以期為類似工程提供參考。

2 TACS 融合方案設(shè)計(jì)

根據(jù)TACS自主運(yùn)行和智能化的總體要求，TACS融合設(shè)計(jì)的目標(biāo)是以列車為控制核心，集成信號(hào)、牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)、防撞系統(tǒng)，從全系統(tǒng)層面開展一體化融合設(shè)計(jì)和功能再分配，實(shí)現(xiàn)列車級(jí)別的“控制大腦”，全面提升列車運(yùn)行、維護(hù)和智能化水平。本文將從基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)管理、車載硬線融合、車載顯示屏融合、速度信息融合、ATO與制動(dòng)系統(tǒng)融合等方面介紹TACS融合設(shè)計(jì)方案。

2.1 基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)管理

TACS系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)，采用實(shí)時(shí)多重冗余的百兆以太網(wǎng)，在通信速率提升2個(gè)數(shù)量級(jí)的同時(shí)滿足安全性要求，符合IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)[16]，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)通信信息的充分共享，以實(shí)時(shí)以太網(wǎng)為核心，融合了信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)、制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)、車輛維護(hù)網(wǎng)，將列車的主要智能設(shè)備統(tǒng)一納入網(wǎng)絡(luò)管理，減少車輛通信設(shè)備和跨車線纜。同時(shí)，由于各系統(tǒng)間可實(shí)現(xiàn)信息的充分共享，可有效縮短系統(tǒng)間通信鏈路。一體化網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)如圖2所示。

圖2 一體化網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)圖

通過列車控制和管理系統(tǒng)（Train Control Manage System，TCMS）進(jìn)行信息傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)管理，保證關(guān)鍵安全信息處于高優(yōu)先級(jí)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，通信周期縮短70%。TCMS為交互信息提供透明傳輸通道，接口安全由安全通信協(xié)議保證。

2.2 車載硬線融合

本文所提的TACS系統(tǒng)融合方案中大幅減少了信號(hào)系統(tǒng)輸入/輸出（Input / Output，I / O）接口數(shù)量，在保證安全的前提下，取消信號(hào)系統(tǒng)非安全繼電接口，TCMS統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)采集并通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)信息共享。同時(shí)減少了16類I/O硬線的使用數(shù)量，由TCMS集中檢測車輛狀態(tài)，使得整個(gè)系統(tǒng)易于維護(hù)。表1為信號(hào)系統(tǒng)非安全繼電器接口形式對(duì)比，通過車輛以太網(wǎng)來代替安全繼電器、電流環(huán)、多功能車輛總線（MVB），功能實(shí)現(xiàn)方式統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)精簡。表2為信號(hào)系統(tǒng)I/O信號(hào)融合前后對(duì)比，通過數(shù)字量輸入（DI）和數(shù)字量輸出（DO）來代替鑰匙激活狀態(tài)、牽引制動(dòng)手柄位置、門控狀態(tài)、駕駛模式等信息，將多種信號(hào)融合成一種數(shù)字量信號(hào)，使得通信更加簡單高效。

表1 信號(hào)系統(tǒng)非安全繼電器接口形式對(duì)比表

表2 信號(hào)系統(tǒng)I/O信號(hào)融合前后對(duì)比表

2.3 車載顯示屏融合

本文所提的TACS系統(tǒng)融合方案中將司機(jī)顯示界面進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，將信號(hào)顯示屏（DMI）與網(wǎng)絡(luò)顯示屏（HMI）合二為一，由1個(gè)17.3英寸的顯示屏統(tǒng)一呈現(xiàn)車輛狀態(tài)和列車運(yùn)行信息，如圖3所示。信號(hào)與TCMS數(shù)據(jù)信息并網(wǎng)傳輸，簡單、直觀、信息全面、易操作。

圖3 TCMS和信號(hào)系統(tǒng)融合屏幕

屏幕左側(cè)包括行車模式、信號(hào)運(yùn)行模式、列車速度、站點(diǎn)信息、車門指令及其他信號(hào)相關(guān)信息。屏幕右側(cè)包括車門、牽引、輔助、制動(dòng)、網(wǎng)壓、故障及其他車輛相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2.4 速度信息融合

傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)分別使用各自的速度傳感器和齒輪盤，本文所提的TACS融合系統(tǒng)，信號(hào)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)共用速度傳感器與齒輪盤，整車節(jié)省4個(gè)速度傳感器及對(duì)應(yīng)齒輪盤。另外，制動(dòng)系統(tǒng)向信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送各輪軸速度，信息充分共享，優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)速度。

信號(hào)系統(tǒng)向制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送輪徑校正應(yīng)答器信息，制動(dòng)系統(tǒng)據(jù)此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪徑修正。信號(hào)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)速度信息融合前后對(duì)比如圖4所示。

圖4 速度信息融合前后對(duì)比圖

2.5 ATO 與制動(dòng)系統(tǒng)融合

ATO與制動(dòng)系統(tǒng)融合前架構(gòu)如圖5所示，傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)中，ATO利用采集的速度、位置信息進(jìn)行列車運(yùn)行的閉環(huán)控制，通過TCMS等設(shè)備控制牽引制動(dòng)系統(tǒng)，通信鏈路長，產(chǎn)生較大的通信延時(shí)，導(dǎo)致ATO控車?yán)щy。

圖5 ATO與制動(dòng)系統(tǒng)融合前架構(gòu)圖

本文提出的TACS系統(tǒng)融合方案中，ATO與制動(dòng)系統(tǒng)融合后架構(gòu)如圖6所示，ATO板卡集成至制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)箱中，兩者通過背板直接通信，縮短控制鏈路，減少中間環(huán)節(jié)，制動(dòng)延時(shí)減少了150 ms，有效提升控制實(shí)時(shí)性。

圖6 ATO與制動(dòng)系統(tǒng)融合后架構(gòu)圖

另外，車輛向ATO提供必要的列車狀態(tài)信息，包括牽引、制動(dòng)能力/狀態(tài)等，形成控制指令與狀態(tài)采集的內(nèi)部閉環(huán)，停車精度、車輛沖動(dòng)抑制水平、節(jié)能運(yùn)行等ATO性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。

3 實(shí)驗(yàn)室一體化集成調(diào)試

中車青島四方車輛研究所有限公司在國內(nèi)首次聯(lián)合搭建了TACS系統(tǒng)一體化集成調(diào)試環(huán)境，作為多系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)和工程化調(diào)試平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)包括牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)、供電、動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的車-網(wǎng)-路一體化仿真驗(yàn)證。

在該平臺(tái)中，車輛各系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)均采用真實(shí)軟硬件，在實(shí)驗(yàn)室即可完成車輛-信號(hào)的接口測試和功能測試，此外，牽引制動(dòng)實(shí)時(shí)仿真器能夠最大程度仿真特定車輛的實(shí)際運(yùn)行特性參數(shù)，可調(diào)試優(yōu)化ATO自動(dòng)控車性能，還可以利用弓網(wǎng)仿真等開展列車節(jié)能技術(shù)的研究。TACS系統(tǒng)一體化集成調(diào)試環(huán)境架構(gòu)如圖7所示。

圖7 一體化集成調(diào)試環(huán)境架構(gòu)圖

通過一體化集成調(diào)試環(huán)境可以對(duì)整個(gè)車-網(wǎng)-路系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，進(jìn)行系統(tǒng)融合后的TACS系統(tǒng)，軌旁設(shè)備減少10%，車載設(shè)備減少10%，仿真環(huán)境安裝部署簡易，設(shè)備機(jī)柜占地面積減少15%，軌旁功能簡化，軌旁設(shè)備調(diào)試工作量小，整體安裝調(diào)試工作量可減少30%。車輛系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)深度融合，可在實(shí)驗(yàn)室完成調(diào)試工作，列車現(xiàn)場調(diào)試工作量以及維護(hù)工作量可減少30%。

4 結(jié)論與展望

TACS系統(tǒng)作為更加高效的下一代城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，使得系統(tǒng)更加輕量化，提升了運(yùn)行能力。但是從整車角度來看，各系統(tǒng)之間的壁壘仍然存在，本文將TACS系統(tǒng)進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，提出基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)管理，將車載硬線、車載顯示屏、速度信息、ATO與BCU進(jìn)行融合設(shè)計(jì)。基于軌道交通裝備全自主化技術(shù)，以列車自主控制為核心，以提升整車可靠性與運(yùn)營效率、降低成本為目標(biāo)，聚集全行業(yè)力量深入開展整車一體化融合，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛控制領(lǐng)域的融合創(chuàng)新。