新一代CBTC系統方案研究與關鍵技術探索

代繼龍李曉剛李兆齡韓 臻

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

新一代CBTC系統方案研究與關鍵技術探索

代繼龍1，2李曉剛1，2李兆齡1，2韓 臻1，2

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

在傳統CBTC系統的基礎上，提出基于車-車通信技術和相對速度追蹤技術的新一代CBTC系統概念，并研究其系統構架及關鍵技術。

新一代；車-車通信；相對速度；鏈路

1 概念的提出

傳統CBTC系統以地面設備為列車運行的控制核心，列車運行控制采用從“列車-地面-列車”的方式，即前車將自身定位信息發送給地面，地面根據前車的位置報告，并結合其他安全條件，為后車計算移動授權并將移動授權發送給后車。列車需要與地面進行“去、回”通信交互，因此增加了信息周轉時間，系統也需為這些延時增加相應的處理機制。

傳統CBTC系統采用基于列車相對位置追蹤的移動閉塞原理。追蹤原理是在計算移動授權時假定前行列車位置固定，后續運行列車以前車尾部為列車運行終點，并留有適當余量，進而保證列車運行安全。由于實際運用中，前行列車的位置通常并非固定（停站、故障等情況除外），因此，基于列車相對位置追蹤的列車運行控制方式并沒有最大限度的發揮線路運能。

隨著軌道交通線路的大力發展，軌道交通線路的運營能力需求在不斷提高，信號系統設備的使用頻率及設備維護量也隨之增加。在保證行車安全的前提下，減少軌旁設備的數量，最大限度的縮短列車運行間隔是未來CBTC系統發展的方向。

目前，歐洲NGTC組織機構已在研究下一代列車控制系統技術方案，國內則處于對既有CBTC系統技術進行改進的研究摸索階段。因此，迫切需要在既有CBTC系統技術的基礎上，擴展思路、優化系統構架、改進關鍵技術、研究新型CBTC系統技術，形成基于車-車通信技術和相對速度列車追蹤技術的新一代CBTC系統技術方案。

2 系統方案

新一代CBTC系統是從傳統CBTC系統演變出適合未來信號系統發展方向的信號系統方案。與傳統CBTC系統相比，引入“以列車為核心”和“車-車通信”兩個概念。“以列車為核心”是指列車的移動授權計算由列車自己完成，不再經由傳統的軌旁ZC計算后轉發至列車。“車-車通信”改變了傳統地面計算列車移動授權的方式，前車可根據后車請求，實時向后車發送本車位置及速度信息，以便后車確定移動授權。

“以列車為核心”的本質是將傳統CBTC系統的軌旁核心控制功能移植至列車上，進而減少軌旁設備數量，優化系統構架。可以通過簡化軌旁設備、重新進行設備功能分配的方式實現，主要有以下兩種方案：

方案一：向車載移植ZC及CI功能；

方案二：向車載移植ZC功能。

2.1 向車載移植ZC及CI功能的新一代CBTC系統方案

在此方式下，傳統CBTC系統中ZC及CI將被取消，其功能全部移植至車載ATP，車載ATP利用車-地無線通信并通過軌旁設置的目標控制設備OC監控基礎信號設備，如圖1所示。

圖1 新一代CBTC系統結構演進示意圖-移植ZC及CI功能

從系統結構變化來看，移植ZC和CI功能至車載ATP設備對傳統CBTC系統來說是一次重大改變，列車運行控制及軌旁設備的監控將全部由車載設備完成。系統車-地無線通信系統需要具備非常高的可靠性及可用性。地面不具有聯鎖邏輯運算功能，若車-地無線通信故障，信號系統將不能保障列車降級后的行車安全。結合軌道交通運營組織方式及目前車-地無線通信系統的穩定性來看，移植CI暫不適用于國內軌道交通信號系統。

2.2 向車載移植ZC功能的新一代CBTC系統方案

在此方式下，傳統CBTC系統中用于列車移動授權計算的設備ZC將被取消，其功能將分解到車載ATP和軌旁控制系統LCS中，如圖2所示。

從系統結構變化來看，傳統CBTC系統下ZC設備的大部分功能將被分解到車載ATP。地面設置LCS主機，LCS主機分為CI和TMU（列車管理單元）兩個模塊，CI模塊完成傳統CBTC系統計算機聯鎖相關功能，TMU模塊用于完成傳統CBTC系統中ZC設備的部分功能（如列車位置管理、軌道區段管理、臨時限速管理等），同時，為減小信息傳輸周轉時間，增加列車與列車相互通信，TMU模塊還需具備車-車通信鏈路管理功能。

圖2 新一代CBTC系統結構演進示意圖-移植ZC功能

與傳統CBTC系統相比，新一代CBTC系統最大的區別是增加列車與列車間的通信、由列車車載設備計算自己的移動授權。傳統CBTC與新一代CBTC列車移動授權計算路由對比如圖3、4所示（以列車2移動授權確定為例）：

圖3 傳統CBTC列車移動授權計算路由示意圖

圖4 新一代CBTC列車移動授權計算路由示意圖

由此可見，新一代CBTC系統計算移動授權的核心設備為每列車的車載設備——車載ATP。車載ATP接受地面LCS發送的進路狀態信息及軌旁設備狀態信息作為移動授權計算的一個外部輸入條件；通過與列車1的相互通信，列車2得到列車1的位置、速度及運行方向信息，作為移動授權計算的另一個外部輸入條件。列車2車載ATP設備結合地面LCS-CI發送的進路信息和列車1發送的速度及位置信息為本車計算移動授權。而在車-車通信中斷后，列車2還可通過地面LCS-TMU發送的前車位置信息進行移動授權計算。

以列車為核心計算移動授權及車-車直接通信的列車控制技術的引入，減少列控信息在多個系統間的傳輸環節，有效減少通信傳輸時延，提高系統控制精度，縮短列車追蹤間隔，提高線路運營效率，且精簡了地面設備，降低系統維護成本。

3 關鍵技術

新一代CBTC系統作為傳統CBTC系統的一次技術革新，其采用的部分技術已突破CBTC原有的技術原理。這些關鍵技術也將成為列車運行控制系統技術發展的方向。

新一代CBTC系統和傳統CBTC系統相比增加了以下關鍵技術：

1）車-車通信技術；

2）相對速度的追蹤技術；

3）列車鏈路管理技術。

3.1 車-車通信技術

新一代CBTC系統與傳統CBTC系統移動授權計算相比，更加簡捷，最重要的是兩個列車作為移動終端，實現端到端直接通信。目前隨著通信技術的不斷發展，端到端直接通信已經可以實現。例如Device-to-Device（D2D）通信是一種在系統的控制下，允許終端之間通過復用小區資源直接進行通信的新型技術。D信息交互可不經過網絡中轉而直接傳輸。D2D通信技術與傳統的無線通信網絡架構有明顯區別，如圖5所示。

在D2D通信模式下，通信數據直接在兩列車之間傳輸，避免了數據經過網絡中轉傳輸而產生的信息延時；其次，傳統無線通信網絡對通信基礎設施的要求較高，核心網設施或接入網設備的損壞都可能導致通信系統的癱瘓。D2D通信的引入使得列車終端在無線通信基礎設施損壞或者在無線網絡的覆蓋盲區時仍可實現端到端通信。

圖5 D2D端到端通信結構示意圖

縱然D2D技術的發展仍處于起步階段，尚未得到廣泛應用，其技術還需進一步研究及完善。然而技術先進性及可行性勢必促使其成為未來無線通信技術的發展方向。

3.2 相對速度的追蹤技術

移動閉塞是一種沒有預先設定的閉塞分區、可以實現列車按最小安全間隔運行的閉塞方式。兩列車追蹤的最小間隔距離由列車在線路上的實際位置和運行狀態確定，因此移動閉塞列車追蹤方式有兩種：相對位置方式和相對速度方式。

1）相對位置模式

此模式下，系統以前車報告的列車位置尾端為危險點為后車計算移動授權。此種主要考慮其列車位置的處理方式，稱之為相對位置方式。其追蹤原理如圖6所示。

圖6 相對位置追蹤示意圖

2）相對速度方式

在此模式下，系統以前車報告的列車位置外加前車當前速度信息為依據，為后車計算移動授權點，稱之為相對速度方式。選取的危險點為假定前車以當前速度觸發緊急制動停車后列車尾端。其追蹤原理如圖7所示。

圖7 相對速度追蹤示意圖

綜上所述，相對位置的追蹤方式是后車假定前車當前速度為0、列車位置固定的追蹤方式，而實際運用中除停站和一些特殊場景外，列車均在移動狀態，速度并不為0，很明顯此種方式并未發揮線路的最大運能。而相對速度方式考慮了前車的實際速度，可為后車提供更長的移動授權，進而縮短了列車追蹤間距，將成為未來列車追蹤技術的發展方向。

3.3 列車鏈路管理技術

新一代CBTC系統基于車-車通信技術，線路上運行的列車間通信連接順序并非固定，需要根據行車策略的改變而改變列車間的通信連接順序。LCS的TMU模塊負責本區域內所有列車之間的通信鏈路管理。TMU結合列車前方路徑信息及運行圖為區域內所有列車計算通信連接順序，形成車-車通信鏈路發送給區域內所有列車。每列車根據通信鏈路向目標車發起/斷開通信連接請求。同時，每列車將車-車通信連接狀態反饋給TMU。

TMU以路徑為基礎確定車-車通信鏈路，當列車進路已建立或在建立過程時，TMU確定列車可申請與徑路上的注冊列車建立通信鏈接請求；當本車進路未建立時，TMU根據前方道岔的位置并向列車運行方向延伸（按一定范圍），尋找徑路上的注冊列車，確定列車連接順序。

當已連接的兩列車運行方向相反或者后車路徑改變時，TMU確定立即斷開兩列車之前的連接。在折返換端時，TMU還需結合運行圖確定車-車通信鏈路。

4 結束語

新一代CBTC系統方案基于車-車通信技術及列車相對速度追蹤技術，列車移動授權計算以列車為核心，是在傳統CBTC基礎上逐漸演變而來的技術方案，其系統構架及技術特點符合未來軌道交通信號系統的發展方向。

[1] Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee of the IEEE Vehicular Technology Society. IEEE Std 1474.1-2004 IEEE Standard for Communications-Based Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements[S].2004.

[2]焦巖，高月紅，楊鴻文，等.D2D技術研究現狀及發展前景[J].技術與業務創新，2014（6）：83-87.

On the basis of traditional CBTC system, the paper puts forward a concept of the new generation of CBTC system based on train-train communication technology and relative speed tracking technology, and gives the research on the architecture and the key techniques of the new system.

new generation; train-train communication; relative speed; link

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.012

2016-07-08）

中國鐵路通信信號股份有限公司科技研發項目（2300-K1150040-1）