地鐵車車通信列車控制系統的構建及雷電防護保障

摘 要：目前我國國內地鐵使用的信號系統大多數都是需要借助地面設備的CBTC系統，國內外開始研發新一代車車通信的列車控制系統。列車控制系統的設備所需要的電能輸送和信號傳輸會受外部因素影響，雷電就是其中之一。列車以及線路旁的的地面電子設備受雷電等外部侵害的風險極大，由于雷電干擾而造成的災害是巨大的，車車通信列車控制系統構建應用后，在減少傳統地面設備的同時也要降低雷擊風險。車車通信列車控制系統硬件設施的雷電防護必須達到現有國家防雷規范的要求，才能最大限度保障人員和財產的安全。

關鍵詞：CBTC；地面設備；車車通信；雷電防護

隨著我國經濟的飛速發展，居民的出行方式在不知不覺中發生了改變。日益擴大的城市板塊，以及不斷增加的城市人口，城市交通形勢嚴峻。而地鐵這種安全、準時、快速、運量大、不影響地面交通的公交設施，越來越得到政府的重視，是解決城市居民出行難，實現低碳出行的最佳方案。

決定列車運行效率的其中一個重要因素就是列控系統，一個優秀的系統不僅可以提高運行效率，還能降低能耗、提高乘客舒適度等。傳統CBTC列控系統基于車地之間無線通信的方式，實現列車與地面設備之間數據大量、雙向、高速的實時通信。但是該系統會因為各子系統之間存在大量的信息實時交互導致系統網絡延時、通信設備相對繁瑣等缺點。現在通過探究和設計下一代基于車車通信列車控制系統，可以實現減少軌旁通信設備、降低施工和后期維修成本、縮短行車間隔時間等優點。車車通信技術的加入可以使列車具備高度的自控能力，還能減少地面設備對列車的控制；然而不管列車自動化程度多高，安全最為關鍵。因此本文對車車通信列控系統進行設計，設計中會包括系統的結構、組成、功能，引入智能技術，合理降低成本的同時，必須做好雷電防護的措施，做好各方面的安全風險防控，列車才能安全運行，利國利民。

針對存在的問題，可以有以下對策：

（1）列車與列車之間直接交互信息，減少與列車通信的地面設備，這樣還可以間接解決造價高問題。

（2）通過減少軌旁設備，間接降低雷擊的風險。

（3）車車通信列車控制系統雖然減少地鐵外部環境（雷電）的干擾，但雷電感應防護和等電位聯接等必須按現行防雷規范做好，確保列車安全運行。

一、車車通信系統總體構建

（一）系統構建思路

上一代的列控系統結構為車輛－地面設備－車輛的控制模式，即列車需要先采集速度感器的速度信息加上應答器的精確定位信息通過車載ATP計算得出自身定位信息然后經由車載通信設備發送給地面設備，然后經過地面設備一系列的運算為車輛生成移動授權再發回給車輛的復雜過程。

ZC是控制列車行車的一個重要地面ATP設備，因為在控制的過程當中車載設備都需要與ZC進行發送和回傳的通信，這將會増加信息交互時間，系統就會產生延時，系統為了減少這些延時對列車運行造成的影響，系統需要進行額外的運算處理，這將會使得信號系統更加繁雜。車車通信系統在設計時就考慮到了這些問題，所以對傳統CBTC系統進行精簡，即將區域控制器、聯鎖、軌旁信號設備等進行簡化，將他們的部分功能整合到車上，通過相鄰列車之間進行自主相互通信、互相識別、對地面設備資源占用并控制等方法來實現傳統區域控制器和聯鎖的功能。車車通信系統是在原有傳統CBTC系統對于列車運行控制的理論上新設想的一種以列車主動通信、自主控制為重點的列控系統。車載設備可以通過收集前方線路設備占用狀況及當前列車的運行情況自主計算移動授權，確保正線上的所有列車都可以自主控制并安全運行。在列車保證前后距離達到安全距離的基礎上，可以在追蹤前車時以很小的間隔進行追蹤，能使列車以一個很高的速度運行，提高列車在線上的運行效率。而且直接由車載設備與對象控制器通信，對沿線的設備進行占用和控制的方式實現對道岔的控制以及沿線資源的分配，不再需要聯鎖設備的介入，簡化了控制的過程。

（二）系統的構成

基于車車通信的移動閉塞系統包括車載子系統（VOBC）、對象控制器（OC）、ITS子系統、TMC子系統、DCS子系統以及軌旁設備等，去掉了既有的聯鎖子系統和區域控制器[3]。

車載子系統（VOBC）：通過車載ATP/ATO保證列車運行安全、輔助列車運行等功能，通過接收智能列車監控子系統發送的運行計劃，對行車路徑進行自主規劃并對前方路徑上對應的道岔進行控制和鎖閉，實現了傳統CBTC車載設備、區域控制器和聯鎖的功能，而且可以通過通信獲取相鄰列車的位置信息和軌旁設備信息然后結合自主定位經過運算為列車計算移動閉塞。

對象控制器：OC一般布置在室內或室外軌旁，是采集對象運行狀態并控制的設備，OC可以通過接收車載設備和智能列車監控子系統的指令，然后反饋對象設備的狀態信息。對象控制器還具備資源的占用和分配功能，監視緊停按鈕和屏蔽門的狀態，對屏蔽門進行開和關的控制。

ITS系統：這個子系統可以將它認為是監控平臺，主要把線上車輛運行狀態和軌旁信號設備的信息發送給中心調度人員，實現緊急情況報警和監督、管理列車運營等。調度人員根據ITS系統反饋的線上車輛運行的實時狀態信息以及軌旁設備狀態信息實現列車運行計劃的編寫和下達、調整列車運營計劃、統計列車運行數量。

TMC系統：在車車通信系統中的作用與傳統CBTC中DSU的功能類似，用于存儲電子地圖數據、用戶數據以及其它一些配置數據和設備的地址表，還可以協助區間臨時限速的下達和撤銷。

DCS系統：與傳統CBTC系統一樣是包含骨干有線網絡和無線網絡，其功能是為了給地面各子系統之間的有線傳輸以及地面設備與車載設備之間的無線傳輸提供傳輸通道。

軌旁設備：包括計軸器、信號燈、地面信標、道岔轉輒機、LEU、屏蔽門以及各種無線傳播方式的天線等，主要實現軌道的占用檢測，降級運行的信號指示，輔助列車定位，發送和接收信息等功能。

（三）系統與防雷防護的關系

當列車控制系統由傳統的CBTC改為車車通信系統后，減少了大量包含ZC、CL在內軌旁設備，減少了系統與外部的影響，從而對降低列車外部設備雷擊造成影響的風險。但是，列車運行中只要與外界有接觸，就有雷擊的風險，繼續做好雷電防護措施仍然是抵御雷電侵害最好的方法。

二、CBTC系統與車車通信的對比分析

傳統車地通信系統是通過空間間隔運行原理來實現列車間隔控制。前后相鄰列車追蹤的安全距離需要先通過考慮追蹤列車的運行時速、測速測距的誤差、滿載和雨雪天氣等情況下對車輛制動能力影響，然后再經過計算得出的結果。車車通信系統在上一代車地通信系統上對設備進行了精簡，把原有的區域控制器的功能放到車載設備，通過與相鄰列車之間的主動通信獲取前車的精確定位后與地面設備通信獲得前方線路的設備狀態，車載設備向地面設備申請線路占用，獲得資源占用后自主計算生成移動授權指導列車運行自主計算移動授權實現列車主動控制，車載設備將擁有大部分地面控制設備的功能，真正做到以“列車為中心”的運行方式。在確保前后追蹤列車之間滿足最小安全距離的情況下運行，提高行車效率。

通過以上對比分析，可以更容易看出車車通信與上一代系統的區別，車車通信系統將原來舊系統的一部分地面設備的功能通過車載來實現，由車載設備自主辦理進路，自主獲取前車位置信息，自主計算移動授權信息等，地面設備只負責監控列車運行、存儲和轉發列車數據等基本功能[4]。降低建設維護成本，而且相鄰列車之間直接通信的方式提高了系統的實時性和系統的整體性。在車車通信系統中，線上的每列車都可以實現自主控制，在通信車之間通過相互通信實現安全、高效、有序的運行。

三、車車通信系統雷電防護措施的保障

軌道交通安全防護包括防災（防火災、風災、水淹、冰雪、地震、雷擊和停車事故等災害）和其他防護措施。國家和各地方均設有氣象、防洪和地震監測部門，發布的災情預備較為可靠，在控制中心設置與氣象、防洪和地震監測部門的網絡設施，直接接收有關預報信息。雷電是一種天氣現象，雷電災害時有發生，軌道交通也不例外，地鐵是軌道交通之一。所以在構建地鐵車車列車控制系統時，還必須有系統的雷電防護措施，才能減少列車運行時受到雷電的侵害，確保地鐵列車運行安全。軌道交通的車站、車廂和軌道附屬設備的防雷設施方案必須由有相應設計資質的單位設計，由有相應施工資質的單位負責施工，最后由有相應防雷設施檢測驗收資質（甲級）的單位驗收，檢測驗收報告結論符合審防雷設施方案和防雷規范要求，才能投入使用。

（一）直擊雷電的防護

依據現行《建筑物防雷設計規范》GB50057—2010要求，列車車站屬于二類建（構）物，車站必須按防雷規范設計安裝防直擊雷裝置，列車在運行中必須在防直擊雷保護范圍內或列車自身具有防直擊雷的能力，才能最大限度抵御直擊雷電的侵害。

（二）雷擊電磁脈沖的防護

車站和列車的電源線路和信號網絡線路均由外部引入；當外部受到雷擊后，雷電產生的高電壓和大電流會通過外部線路引入到車站及列車，會危害到車站和列車的設備和人員安全。主要的防護措施是按規范在線路輸入前端設計安裝電涌保護器（SPD），根據防護的要求，選用匹配的電涌保護器的型號和參數（通流量、漏電量、啟動電壓、電壓保護水平、響應時間、防爆阻燃特性、插入損耗等），可設計多級電涌保護器，直至滿足安全要求（如圖3、圖4）。

（三）感應雷電的防護

車站和列車內部有很多電子設備和金屬構件，極易受到雷電的干擾。當車站或列車周邊響雷時，會產生很大的磁感應變化，電子設備和金屬物（含軌道）就會受感應雷電的干擾，因此要做好感應雷電的防護措施。主要的措施是按規范做好金屬構件等電位聯接并接地或局部金屬網屏蔽（如信號光纖線路有金屬屏蔽網的，要求屏蔽網兩端接地）。列車本身就是個金屬廂，做好雷電防護后，車廂就好像個法拉第籠，人和設備在車廂里相對安全。

四、總結與展望

（一）總結

車車通信列控系統已經成為了下一代列控系統的主要研究方向，因為通信技術和微機技術在近幾年得到了快速的發展，更加先進的技術得以在軌道交通上應用。先進智能的列控系統可以提高列車行車效率，解決市區道路擁堵問題，緩解交通壓力，同時提高系統抗御雷電的能力。本文的主要完成的工作有以下兩個方面。

（1）設計了基于車車通信的列控系統的大體思路，并介紹系統組成。

（2）車車通信列控系統構建運行時，雖然可以減少部分雷電對列車運行的危害，但是雷電防護措施不能松懈，還需要繼續的創新和完善。

（二）研究展望

由于本人水平有限，對于一些關鍵技術了解只能通過閱讀參考文獻，還有很多需要改進和完善的地方。整個系統的設計均是在理論的情況下，對于復雜的場景、后備模式、以及列車之間通信的丟包率等問題并沒有進行研究。目前，基于車車通信的列車運行控制的研究尚在系統架構層面，部分技術仍處于試驗階段。

基于通信的列控系統是具有發展潛力的列控系統，而且是可持續發展的，隨著新的需求的產生與微機技術、網絡通信、AI人工智能等高新技術的不斷發展，未來地鐵將會使用集自動化、標準化、智能化于一身的列控系統；結合軌道交通安全防護的要求，在雷電防護措施不斷得到完善和加強，特別是控制機房。

參考文獻：

[1] 《建筑物設計規范》，GB 50057—2010

[2] 何芊穎. 基于TSSM的車車通信系統車載移動授權模塊的建模和驗證[D]. 北京：北京交通大學，2017：5

[3]方思儀. 基于資源自主調配的聯鎖子系統在車車通信系統中的應用[D]. 北京：北京交通大學，2017：9

[4] 李聰. 基于狀態機的車車通信環境下列車通信協作研究[D]. 北京：北京交通大學，2017：3