基于車-車通信的列車自主運行系統(tǒng)研究

羅情平 吳 昊 陳麗君

(1. 青島地鐵集團有限公司， 266045， 青島； 2. 上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上海//第一作者，高級工程師)

1 城市軌道交通信號系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著我國城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，城市軌道交通車輛及信號系統(tǒng)技術水平已獲得了持續(xù)進步，但總體上仍處于追蹤國外先進技術的階段，尚未達到全面超越國外技術的水平。目前普遍采用的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)雖具有發(fā)車間隔小、運行效率高等優(yōu)勢，但因其列車進路和安全防護等關鍵功能均是基于“車-地-車”的結構體系，且CBTC系統(tǒng)存在子系統(tǒng)種類與軌旁設備繁多，子系統(tǒng)之間耦合度過高且相互之間功能交叉、功能冗余及交互復雜，子系統(tǒng)之間交互通信的信息周轉及系統(tǒng)處理周期長等特點；同時CBTC系統(tǒng)對列車的移動授權在地面進行集中管理，單個設備發(fā)生故障則影響到整個區(qū)域。上述問題造成CBTC系統(tǒng)復雜度過高，對系統(tǒng)的可靠性和建設、運營及維護都帶來了較多的挑戰(zhàn)和困難，無法滿足未來對地鐵運營效率提升、互聯(lián)互通及大規(guī)模設備更換等需求。

2015年2月，工信部明確將1.8 G、1 785～1 805 MHz頻段作為城市軌道交通等行業(yè)專用頻段，在此基礎上，結合第四代無線通信技術(TD-LTE)，形成了城市軌道交通無線通信技術平臺。同時，我國城市軌道交通協(xié)會組織制定了《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)規(guī)范》，并在全國主要城市地鐵建設中作為信號系統(tǒng)車-地無線通信技術進行推廣。

基于上述現(xiàn)狀，優(yōu)化傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車-地-車”結構體系，將列車控制主體轉移到車載控制平臺，充分利用LTE-M這一安全高速的信息傳輸平臺，通過實現(xiàn)“車-車”之間的通信，支持列車安全、高密度和自動化運行，有效降低全生命周期成本，這樣的新型信號系統(tǒng)必將成為未來的技術發(fā)展方向。

2 列車自主運行系統(tǒng)及其原理

列車自主運行系統(tǒng)(TACS)克服了傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)的缺點。其主要設計思想是：以基于LTE-M的“車-車”通信為基礎，以將傳統(tǒng)的車地兩層列車控制系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等高度融合為手段，從列車運營管理的角度出發(fā)，圍繞列車安全與高效運行這一核心，采用一體化設計思想，通過優(yōu)化系統(tǒng)結構和功能分配，實現(xiàn)支持列車主動進路和自主防護，以達到提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和運行效率，以及降低建設和運營維護成本的目的。同時,TACS還支持FAM(快速輔助存貯器)的全自動運行及自動化車輛段設計。

TACS業(yè)務是城市軌道交通安全運營的關鍵業(yè)務，其對可靠性要求極高。其中，車-車之間的通信,以及車載與地面之間的通信通道均由基于LTE-M的車地無線通信網(wǎng)絡提供。LTE-M系統(tǒng)在采用受保護的專用1.8 GHz頻段基礎上，通過多級冗余的可靠性設計，在系統(tǒng)架構、網(wǎng)絡鏈路和設備供電等方面采取了多種保障措施以提升系統(tǒng)的可靠性和可用性，并且車-車以及車-地之間的應用通信協(xié)議采用成熟并廣泛應用的RSSP-II(鐵路信號安全協(xié)議II)，從而確保車-車通信的可靠性和安全性。與此同時，LTE-M和專設的安全網(wǎng)關均可以提供TACS業(yè)務的鑒權、加密和完整性保護，確保車-車通信業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约鞍踩浴?/p>

TACS核心架構如圖1所示。圖1中，每列列車上的車載信號設備獨立進行車輛位置和速度等狀態(tài)的采集與計算，并根據(jù)收到的相鄰列車位置狀態(tài)信息和軌旁設備的狀態(tài)信息，獲取動作并鎖定軌道資源，控制車輛速度，以確保行車安全與效率。

注：ATS代表列車自動監(jiān)控，CI代表計算機聯(lián)鎖,ZC代表區(qū)域控制器,OC代表目標控制器，OBC代表車載控制器，DMI代表車載人機接口

TACS的組成如下：

(1) ATS將時刻表或實時人工進路命令下發(fā)給列車。

(2) OC負責登記列車信息和更新資源登記，并執(zhí)行列車動作命令。

(3) 列車OBC根據(jù)進路需求向OC登記并查詢資源登記結果；向前車申請資源，并接受其他車輛申請釋放資源；列車在OC更新登記實體資源，并對現(xiàn)場設備進行驅采；在獲得的獨占軌道資源內(nèi)，計算列車制動曲線，防護列車運行。

(4) 車-地無線通信網(wǎng)絡負責提供可靠的車-車與車-地通信通道。

3 TACS較傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS對系統(tǒng)架構進行了優(yōu)化。列車可以根據(jù)提前收到的運行計劃進行自主觸發(fā)進路，主要的ATP(列車自動保護)和聯(lián)鎖功能均可在列車上實現(xiàn)，基于資源管理的車載理念自主計算移動授權并在移動授權范圍內(nèi)自主行車，同時信號系統(tǒng)車載設備與車輛設備進行高度融合，形成以智能列車為中心的分布式控制系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結構更優(yōu)

TACS取消了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的軌旁CBI(聯(lián)鎖)和ZC設備，優(yōu)化了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車-地-車”結構，車載OBC集成原軌旁的CBI與ZC的功能，軌旁僅保留與現(xiàn)場設備接口的OC，減少了控制環(huán)節(jié)與接口復雜度，并通過“車-車”通信方式實現(xiàn)行車資源的交互。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)和TACS架構圖[1]比較如圖2所示。

另外，TACS對車輛和信號車載設備進行了充分的融合。車輛網(wǎng)絡采用實時以太網(wǎng)技術，TCMS(列車監(jiān)控管理系統(tǒng))為信號車載各設備間的信息傳輸提供透明傳輸通道；信號車載設備和車輛之間將互相提供更為豐富的狀態(tài)及控制信息，不但減少了硬線接口，而且通過交互的數(shù)據(jù)使信號系統(tǒng)和牽引、制動系統(tǒng)更為緊密結合，使列車控制過程更為精確。此外，TACS是在基于實時以太網(wǎng)的基礎上，對車輛和信號系統(tǒng)的HMI(人機接口界面)硬件設備進行融合，綜合顯示來自信號和車輛的行車信息，并整合重復信息，以簡單、直觀和全面為原則，對行車信息顯示進行一體化設計。

a) 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)

b) TACS

3.2 基于列車主動進路和自主防護的自主運行

TACS中，ATS將運行計劃提前下發(fā)至列車，由車載控制系統(tǒng)自主調(diào)整列車運行及自動觸發(fā)進路，并根據(jù)列車計算的自身移動授權自主防護列車運行，從而實現(xiàn)列車主動進路、自主防護及自主運行，減少對ATS子系統(tǒng)可靠性的依賴。

3.3 故障影響面小，運營恢復速度快

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)通過ZC收集每列列車的位置信息及聯(lián)鎖的進路狀態(tài)，并集中地統(tǒng)一處理控區(qū)范圍內(nèi)的每列列車的移動授權，這種管理方式稱為集中式管理；TACS由列車自主對所需資源進行占用，且資源是否能夠釋放完全由列車自主判斷，資源的交互直接發(fā)生在列車之間，這種原理方式稱為分布式控制。

針對集中式管理，若ZC發(fā)生故障，整個控區(qū)的CBTC系統(tǒng)的行車都要受到影響，故需要快速解決ZC故障以恢復小間隔運營；TACS的分布式控制則具有故障影響面小、能夠快速恢復的優(yōu)勢。

3.4 基于“資源”的安全防護原理

相對于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)基于進路和移動授權防護的安全原理，TACS將行車路徑虛擬為一段資源。其行車間隔的安全防護依賴于列車自主性的“獨占”資源和移交機制，可以簡化進路的設計和接口數(shù)據(jù)，并能更好地支持反向行駛、列車對開及往返行駛等行車方式。TACS提高了列車運營組織的靈活性，尤其是在應急情況下，豐富了行車路線的選擇，有利于提高行車指揮水平。

3.5 提升行車間隔，更優(yōu)的系統(tǒng)性能

TACS通過優(yōu)化系統(tǒng)結構，摒棄了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的ZC及聯(lián)鎖雙核心架構，將線路資源管理及移動授權功能由軌旁系統(tǒng)移至車載系統(tǒng)；設備的減少及子系統(tǒng)/設備間接口的優(yōu)化，減少了設備間的數(shù)據(jù)交互及系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)交互次數(shù)，同時車載控制數(shù)據(jù)流直達控制對象，提高了系統(tǒng)的實時性，有助于減小列車追蹤間隔及提高系統(tǒng)性能；車輛段采用支持FAM(全自動運行模式)的運行方式，提高了出庫和入庫效率以及車輛段的防護水平和作業(yè)水平。

TACS中后車可通過直接與前車通信，獲取前車更多信息，如速度、加速度、位置等，從而生成平穩(wěn)的追蹤速度曲線，提高乘客乘坐舒適度。同時，TACS的優(yōu)化降低了系統(tǒng)的設備和接口的復雜度，進一步提高了系統(tǒng)可靠性。

3.6 更高的列車智能化水平，更靈活的運營組織方式

TACS的“車-車”通信方案實現(xiàn)了“車-車”及“車-地”的實時安全通信，有利于列車通過環(huán)境感知等新技術進一步提高其智能化水平。列車作為城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的控制主體，使得同一區(qū)域多列車之間的協(xié)商運行成為可能，有利于豐富行車組織方式，降低運營組織的復雜度，以及提高運營組織的靈活性。

3.7 更利于工廠化調(diào)試，節(jié)約現(xiàn)場測試時間

TACS的主要功能集中在列車上，且TACS的信號車載與車輛深度融合，新車生產(chǎn)時即可方便地實現(xiàn)信號主要功能的工廠化調(diào)試，尤其是信號系統(tǒng)與牽引、制動系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)完全可以在廠內(nèi)試驗臺和工廠試車線完成。車載功能調(diào)試結束后，列車僅需驗證線路地圖就能進入正線來完成與ATS、OC簡單的聯(lián)合調(diào)試。與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS能夠縮短工程線路現(xiàn)場的地面調(diào)試時間約30%。

3.8 降低了建設及運營維護成本

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS精簡了車站/軌旁設備，優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口，降低了系統(tǒng)復雜度，預計可減少15%的設備費用、30%的設備用房面積及40%的維護工作量，同時用于設計、施工、調(diào)試及用電等費用均將有所降低。

3.9 線路改造升級簡單

TACS在地面設備部分僅保留了基礎信號及OC等少量設備，有利于對已建線路進行升級改造。同時，對于分期開通的延伸線路，系統(tǒng)的調(diào)試和割接工作得到簡化，只需要對車載進行測試和升級，對已運行線路的影響大大降低。

4 列車自主運行系統(tǒng)的實踐

針對青島地鐵，TACS著重在集成系統(tǒng)技術/產(chǎn)品平臺、系統(tǒng)測試與驗證平臺、技術規(guī)范體系、工程示范應用和運營維護體系等5個方面進行了創(chuàng)新和應用。其核心目標是掌握基于車載控制平臺的列車自主運行系統(tǒng)核心技術，形成TACS技術平臺及完成成套系統(tǒng)產(chǎn)品，在此基礎上形成兼具系統(tǒng)功能、性能和接口的行業(yè)技術標準及運營維護管理體系，為列車自主運行系統(tǒng)的示范推廣提供條件。

為達成核心目標，TACS的實踐通過建立仿真測試中心、建成5 km真實的試驗線(以下簡為“試驗線”)，并結合青島地鐵6號線示范工程實施等多個步驟有序進行。

TACS仿真測試中心為TACS在系統(tǒng)調(diào)試階段提供半實物的仿真測試環(huán)境，采用部分真實的車輛和信號設備與仿真的車輛和信號設備相結合的方式。在試驗線及青島地鐵6號線示范工程建設期間，信號系統(tǒng)和車輛可在TACS仿真測試中心提供的車輛和信號系統(tǒng)融合的實驗室聯(lián)合測試環(huán)境中進行測試；同時對TACS所涉及的特殊場景及各子系統(tǒng)(車輛、信號、LTE)的接口進行驗證，并對測試數(shù)據(jù)進行收集和分析。TACS仿真測試中心兼具演示和培訓等功能。

5 結語

TACS作為一種新型的列車控制系統(tǒng)，具有較高的可靠性和運行效率及更低的全生命周期成本，將成為下一代信號系統(tǒng)的主流方向。