新一代城市軌道交通信號系統研究

劉 劍

(中國鐵道科學研究院集團有限公司，100081，北京//副研究員)

目前，我國CBTC系統已經逐步從國產化階段邁入自主化階段，首個基于自主化CBTC系統的互聯互通示范項目已在重慶實施，基于GoA4(自動化等級4)的全自動無人駕駛系統在北京燕房線順利開通。我國城市軌道交通信號系統的整體技術水平已經處于世界領先地位。構建新一代城市軌道交通信號系統，引領行業技術發展，已成為當前的一個重要課題。

1 傳統CBTC系統

1. 1 系統架構

基于互聯互通的CBTC系統由ATS(列車自動監控)、CBTC軌旁(含區域控制器(ZC))、CBTC車載、聯鎖、數據通信系統(DCS)等組成[2]，其物理接口示意圖和邏輯接口示意圖如圖1所示。

圖1 CBTC系統接口示意圖

在CBTC系統中，聯鎖、ZC、ATP(列車自動保護)、LEU(地面電子單元)/應答器安全完整性等級應為SIL4級，ATS系統、ATO(列車自動運行)系統宜為SIL2級，DCS等系統為SIL0級，其功能分配表如表1所示。

表1 CBTC系統各子系統及部件的功能及安全完整性等級

1. 2 存在的問題

1) 功能相互依賴，耦合度高。以線路區段占用狀態為例，聯鎖系統根據計軸區段占用狀態和ZC系統提供的邏輯區段占用狀態綜合判定線路區段占用狀態[3]，而ZC系統的邏輯區段占用狀態是根據聯鎖系統提供的計軸區段占用狀態和車載系統提供的列車位置報告綜合判定而來。在上述過程中，聯鎖系統分別直接、間接使用了計軸區段占用狀態，兩個功能間相互依賴、高度耦合。

2) 響應時間慢，信息顯示不同步。在CBTC系統中，計軸區段由聯鎖系統直接發送給車站ATS，邏輯區段由ZC系統經聯鎖系統發送給車站ATS，位置報告由VOBC系統直接發送給中心ATS，上述三種位置信息傳遞鏈路的不同導致了在ATS界面上列車位置信息顯示的不同步。

3) 系統間接口多、接口內容重復度高。以聯鎖和ZC為例，各自均需與ATS、微機監測、VOBC以及相鄰系統接口，接口眾多；兩個系統內部均存在計軸區段、道岔位置等軌旁設備狀態信息以及進路等站場信息，都分別向ATS、微機監測提供，接口內容重復度高。

4) 設備數量多，導致故障點增多，維護工作量大。現有CBTC系統因結構復雜、設備多、接口多導致故障點多、維護量大；采用繼電方式與現場設備接口，室內占地面積大、施工配線多，繼電器需要定期檢修，維護復雜。

2 新一代城市軌道交通信號系統

現有CBTC系統存在上述問題的根本原因在于系統整體結構過于復雜，為此通過優化系統結構來構建新一代城市軌道交通信號系統。

2. 1 基于車-車通信的CBTC系統

基于車-車通信技術的CBTC系統引入了“以列車為核心”的設計理念，將傳統CBTC系統中的聯鎖和ZC的功能“移植”至車載設備，從而達到減少軌旁設備、優化系統結構的目的[4-6]。基于車-車通信技術的CBTC系統由ATS、OC(目標控制器)、VOBC(車載設備)、DCS等組成，其系統結構示意圖如圖2所示。

基于車-車通信技術的CBTC系統與現有CBTC系統在功能分配方面的主要區別在于：①以目標控制器代替聯鎖系統控制現場設備，應為SIL4級；②車載ATP系統新增現場設備控制、列車追蹤、移動授權分配等功能，互傳列車位置、速度等安全信息功能，應仍為SIL4級；③ATS系統通過OC控制現場設備并獲取狀態信息，向VOBC下達運行計劃調整、臨時限速等命令，接收VOBC返回的列車位置、移動授權等信息并顯示，無新增安全功能，應仍為SIL2級。綜上所述，基于車-車通信技術的CBTC系統雖然系統結構大幅簡化，但安全性指標經重新分配后，其整體安全性不會降低。

2. 2 基于聯鎖列控一體化的CBTC系統

在CBTC系統中，聯鎖系統是核心、基礎，ZC系統的主要作用是將聯鎖系統提供的軌旁設備狀態和進路信息、ATS系統的臨時限速信息等經過匯集、處理，最終“翻譯”給車載系統。結合聯鎖系統的“不可替代性”，考慮將聯鎖系統與ZC系統合并，

圖2 基于車-車通信技術的CBTC系統結構示意圖

構建基于聯鎖列控一體化的CBTC系統。根據融合程度的不同，又有3種實現方式：

1) 方案一：聯鎖系統和ZC系統放置在一個機柜內，仍采用獨立硬件、獨立軟件，通過以太網等高速通信方式接口。兩個系統本質上還是獨立系統，通過高速通信提高了效率，緩解了延時，但未從根本上克服現有CBTC系統的全部問題。

2) 方案二：聯鎖系統和ZC系統采用同一硬件，但軟件相互獨立，在系統內部通過共享內存等共享機制實現信息互傳[7]。為減少繼電器的使用，該系統應采用全電子化的硬件平臺。由于軟件間仍相互獨立，所以仍然無法克服部分功能高度耦合的問題。

3) 方案三：聯鎖系統和ZC系統采用同一硬件，軟件模塊高度融合[8]。為減少繼電器的使用，該系統應采用全電子化的硬件平臺。通過硬件的統一以及全電子平臺的使用，整個CBTC系統的結構得以簡化，系統間接口大大減少，維護工作量將有效降低；通過軟件的高度融合，傳統CBTC系統存在的功能依賴性強、顯示不一致等問題也將大大得以改善。

廠商可根據情況采用方案二或方案三。基于聯鎖列控一體化的CBTC系統由ATS、加強版區域控制器(新ZC)、車載設備、DCS等組成，其系統結構示意圖如圖3所示。

基于聯鎖列控一體化的CBTC系統與現有CBTC系統在功能分配方面的主要區別在于：新ZC系統“繼承”了原聯鎖系統和ZC系統的所有功能和接口，應仍為SIL4級；除原與聯鎖系統和ZC系統的2個接口改為1個接口外，VOBC系統和ATS系統在功能和接口上未改變，應仍分別為SIL4級和SIL2級。綜上所述，基于聯鎖列控一體化的CBTC系統僅是將原聯鎖系統和ZC系統的功能重新分配給新ZC系統，其整體安全性不會降低。

2. 3 方案比較

從系統結構看，與傳統CBTC系統相比，兩種架構的CBTC系統的設備數量和內部接口均大幅減少；由于不存在進路的概念，所以基于車-車通信技術的CBTC系統無需設置信號機、有源應答器，甚至計軸系統，其結構更為簡單。據阿爾斯通公司測算，其研發的Urbalis Fluence系統可以減少20%的軌旁設備[9]。

從系統性能看，基于聯鎖列控一體化的CBTC系統實現聯鎖和ZC系統的“完全融合”，在計算線路區段占用狀態等方面不再有“系統性延時”，功能不再相互依賴，效率大幅提高。基于車-車通信技術的CBTC系統由于可以“實時”直接獲得前車位置，所以正線列車追蹤間隔大幅縮短，可以達到60 s[10]。

從系統成本看，基于車-車通信技術的CBTC系統由于設備數量和系統接口均少于基于聯鎖列控一體化的CBTC系統，所以其硬件成本更低；由于其無需對信號機、進路、有源應答器等進行調試，所以其安裝調試成本更低。

從系統維護看，基于車-車通信技術的CBTC系統由于減少的設備更多，所以維護量更少。對于OC設備，如果放置于軌旁，雖然可以減少室內與軌旁設備間的電纜，但是可能會造成維護的不便。

圖3 基于聯鎖列控一體化的CBTC系統結構示意圖

從后備模式看，基于聯鎖列控一體化的CBTC系統像現有CBTC系統一樣，可以提供聯鎖級、點式級的后備模式，便于未裝備車載設備或車載設備故障的列車在線路內混合運營，大大提高了線路故障情況下的系統安全性。而基于車-車通信技術的CBTC系統沒有后備模式，一旦有列車發生故障，調度員必須人工介入，對正常運營影響較大。

從兼容性看，基于聯鎖列控一體化的CBTC系統與現有CBTC系統可以完全兼容；而由于沒有像聯鎖或ZC一樣“邏輯性”的軌旁設備，基于車-車通信技術的CBTC系統與現有CBTC系統無法兼容。由于延伸線路與既有線路之間的約束限制條件少，基于車-車通信技術的CBTC系統更有利于線路擴展延伸，而不會影響既有線路的安全數據準備工作。

綜上所述，基于車-車通信技術的CBTC系統在系統結構、性能、成本、維護等方面更具優勢，基于聯鎖列控一體化的CBTC系統在后備模式、與傳統CBTC系統的兼容性方面更好。鑒于擁有后備模式已經成為我國城市軌道交通的“基本”要求，因此基于聯鎖列控一體化的CBTC系統更適合成為我國新一代城市軌道交通信號系統。

3 結語

在實現系統結構優化的同時，新一代城市軌道交通信號系統應以無人值守下的全自動運行為目標，在互聯互通的基礎上逐步實現“互通互換”；利用大數據、云計算、新一代人工智能等先進技術實現列車的智能調度、智能控制及智能運維。在更遠的未來，結合鐵路信號技術的發展，可實現城市軌道交通信號系統與鐵路信號系統的“互聯互通”。