城市軌道交通信號系統架構研究

余 繼

(合肥市軌道交通集團有限公司， 230001， 合肥∥高級工程師)

CBTC(基于通信的列車控制)系統早在20世紀80年代中期就被應用于城市軌道交通線路(1984年加拿大多倫多士嘉堡快軌線和1985年溫哥華天車世博線[1])。21世紀初，我國引進了CBTC系統，歷經10余年的發展，實現了對CBTC系統的引進、消化與吸收，形成了被廣泛應用的經典的CBTC系統架構。同時，針對經典的CBTC系統在大規模線網的建設運營中暴露出的問題，不同的業內集成商分別提出了精簡的CBTC系統架構和TACS(列車自主運行系統)架構兩種改進方案。本文對經典的CBTC系統存在的問題及精簡的CBTC系統架構和TACS架構的特點和應用狀況進行了分析，并對精簡的CBTC系統架構和TACS架構進行了比選。

1 經典的CBTC系統應用現狀

經典的CBTC系統通常在以聯鎖系統為核心的列車運行控制系統上疊加CBTC功能，并新增了ZC(區域控制器)設備為列車計算移動授權，同時將基于聯鎖的列車運行控制系統作為后備模式。為解決大容量雙向車-地通信問題，通常采用基于WLAN(無線局域網)的車-地無線通信系統。隨著歐標應答器的發展成熟，歐標應答器取代了交叉感應環線，成為主流CBTC系統采用的定位技術。在中國，工作在1.8 GHz頻段的LTE-M(城市軌道交通綜合無線通信系統)由于其在移動性、可靠性方面的優勢，逐步取代了WLAN，成為主流CBTC系統的車-地通信體制。經過上述演進，形成了如圖1所示的典型的CBTC系統架構。

經典的CBTC系統技術較為成熟，且已形成招標文件標準范本，被業界廣泛采用。但經過長期建設和運營實踐，經典的CBTC系統逐漸暴露出其弊端，主要表現在下面幾個方面：

1) 資源分配不夠精細，難以實現敏捷功能。受制于聯鎖邏輯的限制，系統資源分配不夠精細，難以實現諸如任意位置折返，雙向移動閉塞運行等敏捷功能；同時，在道岔區段，按邏輯區段進行資源分配，限制了折返能力的提高。經典的CBTC系統的列車折返能力普遍在120 s左右。

2) 后備系統建設和運維成本高、使用少、投入產出比低。經典的CBTC系統中，后備系統主要包括計算機聯鎖(主用和后備系統共用)、LEU及有源應答器系統(僅后備系統使用)。其中計算機聯鎖使用繼電接口執行單元，不僅需要大量繼電器，而且繼電接口單元配線工作繁重、維護工作量大、建設和運維成本高，但后備系統卻較少被使用，投入產出比較低。

3) 系統健壯性不足。經典的CBTC系統的核心設備計算機聯鎖和ZC通常采用單套3取2或者2乘2取2的安全計算機平臺承載，只能抵御一次計算單元故障，在維護不及時的情況下容易導致設備宕機而影響運營。繼電接口執行單元的繼電器壽命影響系統可靠性，以站臺門接口繼電器為例，在密度高的線路上此類繼電器每日動作100次以上，動作壽命10萬次的鐵路信號繼電器需要每3年更換一次，加重了維護負擔。無線網絡采用相同制式的兩路網絡，且兩路網絡采用相同的工作頻率，易受共因故障影響。

4) 系統升級改造困難。經典的CBTC系統軌旁設備多，改造調試過程需要對既有系統的信號機、計軸系統、有源應答器和道岔等大量設備進行更新和倒接，工作量大且存在安全隱患。

5) 建設和運維成本高。經典的CBTC系統復雜，設備數量和種類多，建設成本高；備品備件供應鏈壓力大，需要較多維護人員，增加了維護成本。

目前，經典的CBTC系統仍是城市軌道交通列控系統中的主流架構，但在部分新建線和改造線路中，為了改善經典的CBTC系統中存在的上述問題，已經開始采用兩種新型CBTC系統架構，即精簡的CBTC系統和TACS。

2 精簡的CBTC系統架構及其特點

為改善經典的CBTC系統存在的問題，部分國內集成商提出精簡的CBTC系統方案[2-4]，其典型代表為上海電氣泰雷茲交通自動化系統有限公司的TSTCBTC 2.0產品，并成功應用于上海軌道交通5號線的改造項目。精簡的CBTC系統架構如圖2所示。

2.1 精簡的CBTC系統主要技術特點

1) 計算機聯鎖與ZC一體化，并使用ECU。將計算機聯鎖與ZC部署在同一套安全計算機平臺中，構成一體化WSC設備[2]。ECU具有體積小，可靠性高的特點。使用ECU取代繼電接口，不僅可以節省大量的繼電器設備[3]，亦可改善系統的可靠性。

2) 加固CBTC主用系統。WSC設備，采用雙套冗余配置[4]，每套均采用3取2安全計算機平臺，構成2乘3取2結構，這種結構可以抵御3次計算單元故障，從而提高了系統可用性。同時，為了避免車地無線通信中斷對運營造成的影響，采用雙套雙路無線網絡系統，例如分別使用雙路1.8 GHz LTE-M網絡和雙路5.8 GHz Wi-Fi 6(第六代無線網絡技術)網絡，可進一步提升無線網絡的可靠性。

3) 取消點式后備系統。在主用CBTC系統被有效加固后，系統降級運行的概率進一步降低，點式后備系統已無存在的必要，取消點式后備系統，成為順其自然的選擇。取消點式后備系統可節省大量軌旁設備(LEU、有源應答器和配套線纜等)。

2.2 精簡的CBTC系統主要優勢

與經典的CBTC系統相比，精簡的CBTC系統具有下列優勢：

1) 資源分配更加精細，易于實現敏捷功能。精簡的CBTC系統在將計算機聯鎖與ZC集成的同時，采用更加精細的資源分配機制，可實現任意位置折返、雙向移動閉塞運行等敏捷功能；在道岔區段、可實現雙動道岔解耦，列車出清道岔可動區域即可提前動岔，可將系統折返間隔縮短至90 s以內[5]。

2) 系統健壯性更好。精簡的CBTC主用系統和無線網絡均為雙套冗余配置，且使用ECU取代繼電接口單元，極大地降低了故障的概率，為長期持續運營奠定了基礎。

3) 系統兼容性好，易于實現現平滑演進。精簡的CBTC系統基本上保持了經典的CBTC系統中的功能分配，可與既有的經典CBTC系統實現兼容。同時，由于軌旁設備大幅度減少，也降低了既有經典的CBTC系統改造過程中的施工總量，可通過逐步改造實現平滑演進。

4) 系統建設和運維成本低。精簡的CBTC系統采用的是計算機聯鎖與ZC一體化軌旁控制器和電子執行單元，并取消點式后備系統，省去了繼電器接口單元、LEU、可變應答器等設備，極大地減少了軌旁設備數量，可節約大量機房空間和電纜消耗。同時，設備種類減少，運維復雜度降低，從而大幅節約運維成本。

綜上所述，精簡的CBTC系統極大地改善了經典的CBTC系統中存在的問題，可較好地適應未來線網化運行的需求。

3 TACS架構及其特點

在經典的CBTC系統向精簡的CBTC系統演進的同時，部分集成商另辟蹊徑，基于“以列車為中心”和“車-車通信”理念，開發了TACS，以卡斯柯信號有限公司的“啟驥”TACS為代表，已應用于深圳地鐵20號線。

最早的以列車為中心和基于車-車通信的信號系統是由法國阿爾斯通(Alstom)公司開發的，并應用于法國里爾軌道交通線路[6]，該系統為TACS的雛形。

3.1 TACS主要技術特點

與精簡的CBTC系統相比，TACS具有如下技術特點：

1) 自主運行。TACS的工作原理為ATS直接向列車下達運行計劃，列車根據目的地自主向對象控制器(OC)請求軌旁資源(道岔、軌道區段、站臺門等)，列車通過與前方列車和對象控制器通信，獲取前方列車位置及資源使用情況，為自身計算移動授權，并依據移動授權控制列車，實現“自主”運行[7]。

2) 軌旁設備進一步簡化。TACS對經典的CBTC系統進行了更大幅度的簡化，不僅取消了點式后備系統，而且不再需要計算機聯鎖、ZC等的軌旁設備，取而代之的是用于控制軌旁設備的OC[8]，在一些設計方案中計軸系統和信號機也被取消。

3.2 TACS主要優勢

與精簡的CBTC系統相比，TACS具有如下優勢：

1) 系統反應敏捷，控制時延小。TACS采用與精簡的CBTC系統類似的精細資源分配機制，可實現與精簡的CBTC系統相似的敏捷功能，可支持快速折返。同時TACS車載控制器可為自身計算移動授權，無需反復多次與地面系統交互，故通信時延低，相對精簡的CBTC系統控制更加敏捷。

2) 進一步降低建設和運維成本。軌旁設備進一步精簡，僅有OC(含電子執行單元)，在節約大量線纜和機房空間的同時簡化了系統調試，有利于降低建設成本。文獻[9]的研究認為，設備室面積可減少15%～20%，調試時間可縮短30%。同時，更少的設備有利于降低運維成本。針對既有線改造項目，由于TACS軌旁設備較少，可一定程度上降低改造的工作量。在取消計軸和信號機的情況下，僅需要對道岔進行倒接操作。

3.3 TACS應用中需要注意的問題

TACS的原型系統應用于國外中低運量線路，在我國尚處于應用早期，缺乏在高密度線路上的運營經驗。因此，在應用TACS的線路建設和運營過程中，下列問題必須謹慎對待。

3.3.1 系統健壯性

與精簡的CBTC系統可從經典的CBTC系統平滑演進相比，TACS對系統功能進行了重新分配。VOBC在TACS中承擔了較多的系統功能，復雜度和對算力的要求較高。而基于工業級嵌入式系統開發的VOBC，在嚴苛的工作條件下，較難實現高算力與高可靠的平衡。同時，在高峰時刻，VOBC或車地通信故障，將導致列車失去位置匯報，影響對列車的資源分配和移動授權計算，故障列車可能阻塞正線，進而造成全線嚴重晚點，將對運營造成較大影響，乘客體驗較差。為了保證系統的可靠性，TACS車載應至少在頭尾各配置1套3取2系統互為冗余，車地無線通信系統應采用兩套不同制式的雙路無線網絡。

3.3.2 故障情況下運營場景的后備系統設計

TACS的原型系統應用于國外低密度線路，是CBTC系統的一種低成本實現，未考慮后備系統問題；但在高密度線路應用時，如不設置后備系統，主用系統故障后，故障恢復耗時較長，會對運營秩序造成較大干擾。因此，在高密度線路運用的TACS需要設置后備系統。TACS可采用的后備系統包括如下幾種。

1) 無線列車調度電話。VOBC故障或車地通信故障后，調度員可通過軌旁列車管理模塊，人工向OC為故障列車申請運行資源，建立安全防護區域[10]；軌旁列車管理模塊可將故障列車安全防護區域位置發送給線網內其他列車，實現對故障列車的安全防護。同時，調度員使用無線列車調度電話，指揮故障列車司機安全退出運行，并釋放相關資源。利用無線列車調度電話指揮的方式無需增加成本，但自動化程度低，故障處理過程耗時較長；且依賴于人工操作與確認，存在安全隱患，因此在高密度的線路中不宜采用。

2) 自主障礙物檢測系統。其采用多傳感器融合技術，基于激光雷達、二次雷達、毫米波雷達和工業相機等傳感器檢測列車前方的障礙物，可在信號系統故障的情況下獨立工作，為列車提供安全防護[10]。采用自主障礙物檢測系統時，前方列車VOBC故障或失去通信時，后方列車只需降低運行速度(而不是立即停車)，使制動距離小于主動障礙物檢測系統的探測距離，即可保證列車安全運行。當前自主障礙物檢測系統的性能尚存在一些局限：① 由于傳感器性能的限制及受線路曲線和坡道的影響，難以實現高速運行(25～40 km/h以上)條件下制動距離內連續探測,如引入車路協同技術，在軌旁安裝傳感器，將導致成本大幅增加；② 移植自汽車ADAS(高級自動駕駛)技術的自主障礙物檢測系統，往往使用卷積神經網絡一類的深度學習技術[11]，其難以滿足軌道交通領域SIL(安全完整性等級)2級及2級以上的認證要求。解決這一問題，有賴于科學界對于人工神經網絡可解釋性研究，但這一研究目前尚未取得突破。綜上，在當前條件下，基于非深度學習技術實現的自主障礙物檢測系統，只能在低速(25～40 km/h)條件下有限地運用。自主障礙物檢測系統所用的高性能激光雷達等傳感器價格在數萬元左右，每列車需裝備頭尾兩套自主障礙物檢測系統，整體成本約數十萬元，整條線路的投入在千萬元左右。

3) 后備定位系統。增設后備列車定位系統，使軌旁列車管理模塊和列車調度員可以實時掌握列車的精確位置，從而改善故障恢復過程的安全性，以提高系統效率。為避免削弱TACS軌旁設備少的優勢，后備列車定位系統不宜使用計軸系統。在無線網絡較為可靠的情況下，獨立的基于無線位置匯報的后備定位系統，可在VOBC故障的情況下，提供基于應答器定位信息的列車位置匯報，為列車計算移動授權及故障恢復提供安全保證[10]。采用基于無線位置匯報的后備定位系統只需每列車增加一套定位處理單元，且與VOBC共用傳感器系統，故整體成本增加不多。

4) 后備計算機聯鎖系統。使用通過OC驅動軌旁設備的計算機聯鎖(后備聯鎖)系統，作為降級模式下的安全保證設備。后備聯鎖系統可以用于為故障列車建立安全區域[10]。使用后備聯鎖系統，需要增加計算機聯鎖機柜和相應的軌道占用檢測設備，將導致軌旁設備數量增加，從而抵消TACS的軌旁設備少的優勢。

綜合上述分析，一種可用于高密度線路運營的實用TACS架構如圖3所示。

該架構車載系統為雙套3取2 VOBC頭尾冗余配置，考慮到后備系統的成本和應用效果，選取了成本較低，且可以解決后備模式下定位問題的基于無線位置匯報的后備定位系統。后備定位系統通過獨立于VOBC的通信通道匯報位置。車地無線通信系統為雙路LTE與雙路Wi-Fi 6構成的雙制式網絡。

軌旁配置TRC，包括軌旁列車管理模塊和軌旁資源管理模塊，主要功能包括線路資源分配管理、故障列車位置維持、故障列車安全區建立和軌旁資源管理。基于TRC系統算力和故障分散考慮，TRC仍然需要每個集中區設置，而不是全線僅在中心設置[10]。由于TRC需要承擔線路資源分配管理，其故障對運營秩序影響較大，因此TRC亦采用雙套3取2冗余配置。

4 CBTC系統架構比選

上述對精簡的CBTC系統和TACS的分析表明，相較于經典的CBTC系統二者均具有控制敏捷、可靠性好、軌旁設備少、建設及運維成本低、既有線改造工作量小等特點，可較好地解決大規模線網建設過程中對信號系統的需求。

TACS軌旁設備較少，無需計軸系統和信號機；雖為實現故障情況下的列車追蹤，需增加車載后備定位系統，由于車載系統算力增加，成本亦有所增加，但整體部署成本仍低于精簡的CBTC系統。

當前，精簡的CBTC系統技術相對成熟，且可通過經典的CBTC系統通過平滑演進實現，具備大范圍推廣條件。

TACS相對于精簡的CBTC系統，雖然在控制敏捷性和成本上略有勝出，但TACS尚處在應用初期，如圖3所示的“可用于高密度線路的TACS”尚未有實施案例，針對高密度運營的線路需要謹慎處理針對故障情況下的運營場景的后備系統設計。

5 結語

CBTC系統的架構對CBTC系統控制的敏捷性、健壯性、改造的便利性、建設和運維成本有著顯著的影響。在進行系統選型時，必須依據系統需求，予以綜合考慮，選擇合適的系統架構。針對經典的CBTC系統存在的問題，精簡的CBTC系統和TACS都進行了針對性的改進，可作為未來一段時間內大規模線網建設可選用的系統架構。精簡的CBTC系統是在經典的CBTC系統基礎上，針對我國的應用實踐開發的。而當前TACS尚需要進行針對性的改進，以適應我國高密度線路應用。在未來線網建設選擇CBTC系統架構時需要因地制宜，針對相關技術在我國應用的適應性進行分析和改進，避免產生因應用環境不一致而可能導致的潛在問題。