車車通信在軌道交通信號改造中的應用研究

陳爾超

摘要 針對城市軌道交通信號改造需求和既有線信號改造存在的問題，結合車車通信技術來研究新一代的軌道交通信號改造方案。文章提出基于車車通信的信號改造系統架構，分析信息交互和改造實施過程，以及從無線通信要求、車載改造空間和新舊系統倒切方面來探討車車通信改造的關鍵技術問題。基于車車通信的信號改造方案可發揮車車通信技術優勢，并解決軌道交通信號改造中的難點問題，為軌道交通信號改造提供新的方向。

關鍵詞 車車通信;信號系統;城市軌道交通;信號改造

中圖分類號 U284 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0017-03

0 概述

我國早期建成的線路已逐步進入大修期限并開始進行大修改造，如北京地鐵1、2、8號線，上海地鐵1、2、5號線，天津地鐵1號線，深圳地鐵1號線，大連地鐵3號線等已經完成或正在進行改造。在既有線改造作業中，信號系統改造乃重中之重，關系到行車安全。信號系統改造的目的在于解決設備的老化、制式的陳舊、運力的不足，以及設備達到自身設備壽命等問題。

城市軌道交通早期的信號系統多為基于軌道電路的固定閉塞/準移動閉塞制式（TBTC），通過軌道電路傳遞速度命令信息，追蹤列車與前行列車的行車間隔依據閉塞分區的劃分。隨著通信技術的發展，基于通信的列車運行控制（CBTC）系統逐漸成為主流信號制式。CBTC系統屬于移動閉塞制式，采用無線通信技術實現列車與地面的雙向通信，追蹤列車與前行列車的行車間隔依據制動距離與動態安全防護距離而定。

基于車車通信的列車自主運行系統（TACS）是信號領域的新一代列控技術，也是我國軌道交通關鍵核心領域的一次重大突破，該技術已列入中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要。車車通信系統以列車為主體，以列車之間數據通信為基礎，以車載控制平臺為功能核心，實現由列控中心集中控制到列車分布式控制、從列車自動運行向列車自主運行的技術轉變，目前已在青島6號線一期工程中進行了示范應用[1-2]。

1 既有線信號改造現狀分析

信號設備壽命一般15～20年，長期運營設備老化，可靠性降低，故障率提升;早期建設的信號系統存在制式陳舊、備品備件短缺、不能適應運營能力要求的問題。

1.1 當前改造方案

1.1.1 維持既有系統制式

上海地鐵1號線由于其既有系統故障率低，維護工作量可觀，在大修改造時沿用了既有系統制式，僅對部分硬件和軟件進行了更新。但TBTC系統為早期的信號系統制式，技術水平相對落后，供貨廠家相對單一，已經難以適應小間隔的運營能力要求。為此，除特別考慮，不建議維持TBTC系統[3]。

1.1.2 CBTC系統替代TBTC系統

CBTC系統為當今軌道交通信號系統的主流系統，目前已在我國地鐵線路中廣泛應用。由于其無線通信方式與既有軌道電路互不干擾，也成為信號改造的首選，北京2號線、北京八通線、天津1號線采用的均是此改造方案。改造后的CBTC系統基本可滿足運營需求，且考慮設備設施的運營和維護成本，在新舊系統倒切之后拆除既有的系統設備。

1.1.3 新舊系統并存

上海地鐵2號線由于分為四個階段開通運營，每個區段的系統設備壽命不一，為了解決只更新“到期”的舊系統，但保留“未到期”的新系統，其采用了新舊并存的方案。對于“到期”的線路采用CBTC系統，對于“未到期”的仍維持既有的TBTC系統，同時車載設備采用兼容CBTC與TBTC的車載系統。

1.2 當前改造存在問題

由于信號設備數量較多，導致改造階段既有信號機房面積不足，不得不新設信號設備室。軌道交通用房是非常稀缺的，這將進一步增大房屋的緊缺，給日常運營帶來了諸多不便。

TBTC或CBTC的系統間接口較多，以CBTC為例，聯鎖和區域控制器（ZC）需與列車自動監控（ATS）、車載控制器（VOBC）、微機監測以及鄰站系統接口，兩個系統也均需采集道岔位置、計軸區段等設備狀態及進路信息。系統間接口多，隨之帶來調試工作量也較多。對于既有線改造，須在不中斷運營的前提下完成，這樣安裝及調試工作只能在夜間天窗時間完成，老化的設備也亟須盡快更新，工期非常緊張。

2 基于車車通信的信號系統改造方案

2.1 技術優勢

相比于CBTC系統，TACS有以下技術優勢：

2.1.1 系統結構更簡潔

TACS系統優化了車-地-車的系統結構，采用車載控制器集成聯鎖和ZC的功能，取消了軌旁的聯鎖和ZC，減小了各子系統間接口量，降低了系統復雜度[4]。系統結構、設備數量精簡后，也隨之減少了設備維護工作量以及設備用房使用面積。

2.1.2 系統性能更優

TACS將移動授權和線路資源管理從軌旁移至車載，通過列車間的通信，車載數據流直達被控列車，實現列車自主控制和自主調整。追蹤列車直接與前行列車通信，直接獲取所需的位置、速度等信息，提高了系統的實時性，有利于提高數據處理速度，減小列車行車間隔。

2.1.3 設備故障影響更低

傳統的CBTC系統通過聯鎖與ZC子系統來集中控制，其設備故障將影響整個系統，以至于不得不降級運行，運營能力難以保證。TACS系統以列車為控制核心，軌旁設備較少，類似于分散式控制，采用線路資源占用的理念。若車載設備故障，可讓列車停到存車線快速退出運營，退出運營后其他列車不受影響。

2.1.4 節省安裝調試時間

由于系統結構的優化，軌旁需要安裝的設備數量更少，各子系統間接口數量更少，進而可降低系統設備的安裝和調試工作量。另一方面融合設計后的車載設備可直接進行工廠調試，或者在試車線完成調試，不用長時間地占用正線車站或區間資源來調試，大大節能調試時間，尤其對于時間緊張的改造工程效果顯著。

2.2 系統架構

TACS系統主要由ATS、目標控制器（OC）、VOBC以及數據通信系統（DCS）等組成，為了實現過渡階段的運營和調試，新舊系統之間的設備倒切裝置，改造系統架構如圖1所示。

TACS系統的核心設備集中于車載VOBC，車載VOBC包括為實現聯鎖和ZC功能的處理單元。VOBC通過DCS無線網絡直接和鄰車、ATS進行通信，根據位置、速度等信息進行聯鎖邏輯運算、計算移動授權。考慮到VOBC的重要性，其硬件和軟件應具備冗余架構，滿足故障導向安全原則。

車站設備取消了聯鎖設備、ZC設備，主要設置目標控制器OC和DCS網絡設備。OC設備負責與軌旁實體設備接口，根據VOBC下達的控制命令來操縱道岔、站臺門等軌旁設備;同時OC設備采集軌旁設備的狀態信息，并向VOBC和ATS實時反饋。DCS系統提供數據通信網絡，為車-車、車地通信提供通道。

控制中心ATS負責監督目標控制器與車載設備的狀態，自動檢測上線列車在交匯點的運營沖突，具備運營沖突管理功能。當列車故障或TACS系統難以匹配運營效率時，ATS系統根據相應的運營情況，通過預先設定的調整策略進行運行計劃調整，并將調整后計劃發送給VOBC和目標控制器。

在不間斷運營的前提下進行改造，需兼顧新老系統，為此采用倒接裝置來實現新系統與老系統的切換。倒接裝置連通了新老系統，白天運營時間倒接開關處于既有系統位置，接通既有信號設備，依靠既有系統維持正常的運營;夜間天窗時間，倒切開關調至TACS系統位置，接通新設備進行調試[5]。

2.3 信息交互

以追蹤列車為分析對象，車車通信的信息交互如圖2所示：

前行列車通過速度傳感器、靜態應答器等定位裝置采集列車位置和軌旁占用信息，并通過DCS無線網絡傳遞給追蹤列車。追蹤列車通過DCS無線網絡接收前行列車的數據信息、目標控制器的軌旁設備信息，并基于控制中心ATS發送的時刻表信息，進行聯鎖邏輯運算，然后將軌旁設備列車命令發送給目標控制器，控制和鎖定線路資源。同時，進行移動授權和列車運行速度曲線的計算，并據此控制列車自主運行和安全防護。

2.4 實施過程

2.4.1 第一階段：車載設備改造

先行開展新系統車載設備的安裝，安裝完成后進行車載功能測試，車載改造和調試不占用線路資源、不受地面改造工程的影響，可在車輛廠或試車線獨立完成。

2.4.2 第二階段：軌旁設備安裝及調試

分別安裝TACS系統的中心、車站及軌旁設備;設備安裝完畢后，在夜間天窗時間，通過倒切裝置切換至TACS系統，進行新系統的調試。

2.4.3 第三階段：全系統倒切

在完成新系統調試工作后，在非運營時段組織開展場景演練，采集和記錄相關數據，并分析測試結果。進行多次演練并取得系統安全授權之后，一次性將系統倒切到TACS系統投入運營。

2.4.4 第四階段：既有設備拆除

TACS系統投入運營后，利用非運營時間逐步拆除既有系統設備、倒切裝置及相關箱盒、線纜。

3 工程應用關鍵點分析

3.1 無線通信要求

信號系統直接關系到運營的安全和效率，列車運行控制業務屬于高優先級的業務類型，基于車車通信的系統對通信網絡提出了更高的要求。為了保證通信需求，至少采用應用于1.8G專用頻段的LTE-M系統。工業與信息化部于2015年發布了《關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》（工信部無〔2015〕65號），指出1 785～1 805 MHz頻段可用于城市軌道交通行業，其目的也是為了消除信號系統無線通信運用過程中影響正常行車的隱患，保證列車安全、高效運行。目前LTE-M已經廣泛應用于軌道交通信號系統中，并且取得了較好的成效。

但是LTE-M系統的頻段資源非常緊缺，帶寬最大20 MHz，考慮到其他行業的分配，大部分地鐵只能申請到10 M。而基于車車通信的TACS系統將進一步提高帶寬需求，以及進一步推動通信行業核心技術的突破。2020年，我國提出加快建設5G網絡，在此背景下5G技術與城市軌道交通行業將迎來重大歷史發展契機，5G網絡與TACS系統的結合，可隨5G技術的發展進一步研究。

3.2 車載改造空間

車載設備作為TACS系統中最核心的設備，車載改造工作是改造工程的重點也是難點。如若有新購車輛，可在新購車輛上直接安裝新車載設備，為此也建議TACS改造項目采用新購車方案，如利用延伸線工程的購車作為過渡方案。如若沒有新購車，可考慮兼容式車載或雙套車載設備方案，但考慮到TACS系統結構與CBTC、TBTC差異較大，兼容式車載較難實現，下面針對雙套車載設備方案進行分析。

在改造過渡時期，若采用雙套車載方案，逐一對車載設備進行改造，并通過倒切箱連接新舊車載設備。白天運營時間接通既有車載設備，維持日常運營;夜間調試期間切換至新設車載設備，進行所需的調試工作。待TACS開通運營后，拆除既有車載設備。具體包括車載主機柜、車載顯示器、測速設備、天線等，為避免二次就位，可先將既有設備移至其他空間，新設備安裝就位。

3.3 新舊系統倒切

為了兼顧新系統的調試、老系統的運營以及場景演練與割接，采用倒接裝置來實現新系統與老系統的切換。

倒接流程如下：

（1）安裝倒接裝置，新敷設控制電纜至被控對象。

（2）逐個斷開既有設備與被控對象的電纜連接，既有系統通過倒切裝置實現與被控對象連接;運營時間利用既有系統運行，天窗時間切換至新系統。

（3）新舊系統割接后，連接新系統與被控對象，拆除倒接裝置。

4 結語

車車通信作為一種新型的列車控制技術，符合軌道交通靈活、高效和精簡的發展需求，有望成為下一代軌道交通信號系統。基于車車通信的信號改造可發揮車車通信的技術優勢，并解決當前軌道交通信號改造所面臨的問題。考慮到新技術的應用需要工程實踐的檢驗，未來可根據車車通信更多的應用情況做進一步的探討。

參考文獻

[1]劉劍. 新一代城市軌道交通信號系統研究[J]. 城市軌道交通研究， 2019（7）：71-74.

[2]中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要[R]. 中國城市軌道交通協會， 2020.

[3]徐金祥. 城市軌道交通信號系統迎接新時代發展的一些思考[J].城市軌道交通研究， 2018（5）：34-36.

[4]羅情平， 吳昊， 陳麗君. 基于車一車通信的列車自主運行系統研究[J]. 城市軌道交通研究， 2018（12）：46-49.

[5]劉德偉. 城市軌道交通信號系統倒接方案研究[J]. 鐵道通信信號， 2017（5）：82-84.