下一代城軌列車控制系統技術方案

■ 傅志清

目前，歐洲NGTC組織機構與國內相關研究團隊已開展下一代列車控制系統技術研究?；谲?車通信的下一代新型信號控制系統，其本質是以列車為核心、車輛與信號深度融合的列車運行控制系統，將在“安全性、智能化、高效運營”方面有顯著提高，為線路間的互聯互通提供基礎。列車通信采用車-車架構，發車間隔比傳統的CBTC控制明顯縮短，軌旁設備配置減少，各系統高度融合，可大大提高運營效率，節約建設和運營成本。

1 基于車-車通信的信號控制系統特點

（1）通信鏈路的高可靠性。高可靠性、高數據業務傳輸速率、低時延、抗干擾能力強和支持高速運行下的雙向通信是保證車-車通信的前提。傳輸網絡的硬件通過無線設備和特定頻率劃分，軟件采用特定編碼保證通信安全[1]。

（2）信息交互延時大幅縮短?；谲?車通信的新型信號控制系統取消了軌旁控制計算，客觀上精簡了車-地之間交互的信息量及交互時間，減少了軌旁控制器運算的延時時間，車載控制器反應速度快，可及時建立速度曲線；列車可調整運行狀態，在其發出請求后，可迅速獲得周圍列車和設備位置；可提供更短的運行時間間隔；在保證安全的前提下，可為運營提供更加靈活和多樣化的運輸組織方案。

（3）多手段預警防護保證行車安全。由于車-車通信列車無法識別線路上故障列車或非通信列車，必須具備多重預警安全防護手段，采用視覺、物探等傳感器進行數據采集，實現對軌道線路、軌旁設備、車輛等智能識別，對列車安全運行進行防護。

（4）結構簡單、成本低廉。車-車通信系統省略了聯鎖子系統和區域控制器子系統，類似于有軌電車系統設備的設置方案，利用軌旁目標控制器控制軌旁設備，節省大量土建房間面積；各子系統之間的數據流交互和接口簡單清晰，避免了繁瑣的流程，降低了各子系統之間的耦合度，防止各子系統干擾；不用過多的連接，解決了接口不兼容問題，使用簡單，維護成本低廉。

2 系統方案

根據車-車通信信號控制系統在城市軌道交通應用的特點、功能與需求，采用目標控制器作為控制軌旁設備的控制器。“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到列車上，實現簡化軌旁設備和重新進行設備功能分配方式，列車具備主動進路、列車自主防護等技術特點；實現從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[2]。車-車通信列車控制系統邏輯結構見圖1。

車-車通信列車控制系統由車載控制器、DCS軌旁設備、中央ATS設備、軌旁控制器等設備組成。其中ATS設備發布進路、時刻表、限速命令等；DCS軌旁設備實現列車與列車、列車與地面的信息傳輸；車載控制器根據車-地、車-車間的所有數據信息，自行計算移動授權和相關制動曲線，并控制列車運行。

（1）列車數據流程。在車-車通信方式中，后續列車根據自身狀態，向前行列車請求前車位置信息。后續列車根據收到的前車位置信息自行計算移動授權和相關制動曲線。因此，前后列車之間僅通過交互列車位置信息的簡單動作，便可實現列車移動授權計算等功能，無需由軌旁系統計算后再通過網絡發送給車載控制器，大量減少了數據通信量，降低了車載控制器的反應時間，并且能快速更新后續列車的速度曲線。車-車通信數據流程見圖2。

（2）列車追蹤控制原理。列車1通過車-車通信傳輸通道實時獲取列車2的瞬時速度和尾部位置，考慮車輛牽引制動特性和通信傳輸延遲，生成移動授權安全防護點，包括安全位置和限制速度。列車1根據安全防護點及自身的速度位置信息，綜合考慮車輛特征對能量進行防護。車-車通信列車追蹤原理見圖3。

（3）道岔控制原理。在車-車通信系統中，道岔可通過進路帶動或人工控制，人工控制的優先級高于進路帶動控制。道岔的轉動需要符合聯鎖條件，確保列車不出現側沖、擠岔風險。

圖1 車-車通信列車控制系統邏輯結構

圖2 車-車通信數據流程

正常情況下，車載控制器根據ATS的運營計劃征用前方的道岔資源，控制道岔的動作，當列車完全出清道岔區段后，釋放道岔資源，提供給后續列車使用；如果車載控制器與目標控制器之間丟失通信，調度員可通過人工恢復進路的方式帶動道岔動作。車-車通信道岔控制示意見圖4。

道岔資源具有獨占性，一旦被征用，任何通信列車或調度員無法使用，直到道岔資源被釋放[3]。道岔具有單鎖功能，單鎖的道岔不能動作，但不影響資源的占用與釋放。

圖3 車-車通信列車追蹤原理

圖4 車-車通信道岔控制示意圖

3 研究現狀

2016年1月，北京市科學技術委員會設立“基于車-車通信的城際鐵路信號系統研究”項目，由交控科技股份有限公司、北京交通大學、北京京投投資有限公司聯合承擔，開展車-車通信技術研究。2018年3月，北京市科學技術委員會組織專家對該項研究成果進行驗收。通過車-車通信列控系統的樣機和最小系統仿真測試平臺，完成基于車-車通信信號系統的實驗室功能測試，使車-車通信下一代信號控制系統的商用化向前邁進一大步。

4 結束語

在基于車-車通信技術及列車相對速度追蹤技術中，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，其構架及技術特點符合未來軌道交通信號系統的發展趨勢和方向[4]。

[1] 甘玉璽，肖華健，金志虎，等．軌道交通車地通信技術研討[J]． 城市軌道交通研究，2014，17(1)：103-106．

[2] 杜恒，孫國軍，張強．基于地面無聯鎖及區域控制器的新一代CBTC系統方案[J]．都市快軌交通，2017(4)：91-95．

[3] 徐紀康，賈森，許琰．基于車車通信的新型CBTC系統中的道岔控制功能研究[J]．鐵路通信信號，2017，14(3)：47-49．

[4] 徐繼康．基于車-車通信的新型CBTC系統分析[J]．鐵道通信信號，2014(6)：78-80．