基于車-車通信的全自動運行信號系統研究

陳 浩，雷成健

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南長沙 410199）

1 概述

近年來，隨著國民經濟的飛速發展與城市化進程的不斷加快，城市軌道交通在城市公共交通中的地位日益顯著，城市軌道交通得到迅速發展，特別是信號系統的技術水平已經取得了相當大的進步。基于通信的列車控制（communication-based train control，CBTC）系統采用引進、消化吸收、創新的技術路線，根據國內城市軌道交通建設與運營的特點，借鑒國外CBTC的經驗，實現CBTC技術國產化，并在此基礎上進行技術創新，基于互聯互通的CBTC系統、自動化等級4（GoA4）的全自動運行系統已順利開通。我國城市軌道交通信號系統技術水平已經處于世界領先地位。為促進行業技術的發展，對新一代城市軌道交通控制系統的研究已成為一個重要課題。

2 基于通信的列車控制系統

2.1 系統架構

目前，在我國城市軌道交通領域中應用最廣泛的列車控制系統是CBTC系統。在傳統CBTC系統中，采用連續車-地-車雙向數據通信技術、不依賴軌旁列車占用檢測設備的列車主動定位技術，通過地面控制設備與車載控制設備協同配合，為列車提供連續的自動控制服務。系統配備聯鎖系統（CBI）設備、區域控制器系統（ZC）設備、調度管理系統（ATS）設備、數據管理系統（DMS），列車上裝載車載控制（VOBC）設備，同時在線路軌旁配置列車位置次級列車檢測設備、信號機、多種應答器等。在CBTC系統中，通過各設備的相互配合，控制中心對線路上的列車進行集中管理；通過車對地無線通信，車載VOBC設備與地面ZC設備持續交互信息，ZC控制列車的追蹤間隔，VOBC根據ZC計算的移動授權計算列車運行控制曲線，對列車運行進行安全防護；在2個相鄰的ZC的邊界處，VOBC設備持續與分界處兩側的ZC進行通信，完成區域控制切換。典型的CBTC信號系統架構圖如圖1所示，圖1中DCS為信號數據通信系統，CI為計算機聯鎖，LEU為軌旁電子單元，ATO為列車自動運行系統，ATP為列車自動防護系統。

圖1 CBTC信號系統架構示意圖

2.2 存在的問題分析

傳統CBTC系統采用連續車-地雙向數據通信技術，具有發車間隔短、運行效率高等優勢，但因其采用“車-地-車”的控制信息交互架構體系，存在如下問題。

（1）系統功能耦合度高，互相依賴，導致系統缺乏靈活性，采用車-地-車的體系結構，行車高度依靠地面的ZC，系統的通過、折返能力受制于ZC。

（2）系統結構復雜、子系統繁多、系統間接口眾多，各接口中傳輸的數據重復度較高，在加大信息傳輸時延的同時，造成通信資源的浪費，增加了系統的通信壓力。

（3）軌旁設備數量眾多，在增加系統建設成本的同時，也增加了故障點，增加了系統運營維護的成本和工作量。

由于傳統CBTC系統存在的上述問題，在系統的可靠性、運營效率及互聯互通方面無法滿足智慧城軌發展的要求，尤其在不影響既有線路正常運營的前提下進行線路設備的改造更新，對傳統CBTC系統來說，面臨巨大的困難與挑戰。

3 基于車-車通信的全自動運行信號系統

傳統CBTC系統升級到全自動運行（FAO）信號系統后，雖然對CBTC功能進行了升級，增加了全自動運行的相關功能，提高了系統的自動化水平，但升級為FAO系統后未能從根本上改變CBTC系統復雜的結構。因此，有必要通過優化系統結構，構建城市軌道交通新一代列車控制信號系統。

在基于車-車通信的新一代全自動運行信號系統中，對CBTC系統架構進行優化，系統以車載控制為中心，大幅減少地面設備，對系統功能進行重新分配，把原系統中地面設備的功能集成到車載控制系統中，地面僅設置軌旁資源管理控制器（OC）進行資源管理。

3.1 系統架構

基于車-車通信的新一代全自動運行信號系統的系統結構如圖2所示，系統主要由ATS、OC、車載VOBC設備組成，系統取消了傳統CBTC信號系統的地面CBI和ZC設備，把原CBTC系統中CBI與ZC的功能集成到車載VOBC控制器中，地面僅設置OC設備對線路資源進行管理，大大簡化了系統架構，減少了軌旁設備，優化了各子系統間接口，提高了系統的實時性，同時列車基于ATS下發的運行計劃以及車-車間直接通信交互信息，實現列車自主路徑、列車自主防護和列車自主運行調整的功能。

圖2 基于車-車通信的全自動運行信號系統架構示意圖

3.2 系統原理

基于車-車通信的全自動運行信號系統，將傳統CBTC系統的“車-地-車”架構優化為“車-車”架構，VOBC集成了原地面CBI和ZC的功能以及ATS的部分功能，將列車的移動授權計算、進路控制等原地面控制系統的功能集成到車載VOBC，確保列車根據運行計劃及線路資源分配狀態和采集的表示狀態信息自主規劃辦理進路，正確實現進路、道岔、信號機的聯鎖關系，同時利用列車與相鄰列車間的直接通信交互信息計算列車自身的移動授權，在此基礎上取消傳統CBTC系統的CBI和ZC設備，簡化軌旁設備布置，減少系統建設、維護成本。

基于車-車通信的全自動運行信號系統的工作原理如下。

（1）VOBC接收到ATS下發的時刻表或人工調整命令，自主進路模塊自動觸發運行路徑。

（2）OC負責區域內的列車管理與軌旁資源管理，向車載VOBC發送軌旁設備狀態信息，通過車-地無線通信接收來自車載VOBC的命令，根據指令控制軌旁設備。

（3）車載VOBC根據行車路徑內對資源的需求，向所需資源的持有列車主動建立通信，向其發送對該資源的釋放申請，同時當前列車也接收其他列車發送的資源釋放申請；車載VOBC使用完該資源，確認完可以釋放時，將該資源釋放移交給請求申請列車。車載VOBC在獲得該資源后即占有該資源，可以根據時機向OC發送對該資源的控制命令，同時接收OC發送的軌旁資源的狀態表示信息。基于以上信息，車載VOBC可自主計算列車移動授權和控車速度曲線，對列車的安全運行進行防護。

（4）基于LTE-M的無線通信系統為車-車與車-地之間提供可靠的通信，該系統采用多級冗余與多重保障的設計理念，提升系統的可用性與可靠性，在地面與車載設備及前后車之間交互數據時使用安全通信協議，進一步提升基于車-車通信的全自動運行信號系統的安全性與可靠性。

3.3 系統關鍵技術

基于車-車通信的全自動運行信號系統關鍵技術主要有列車自主進路、資源管理、自主防護、列車自主調整等。

3.3.1 列車自主進路

車載VOBC接收ATS下發的運行時刻表（包含時間信息的運行路徑）自動規劃列車運行路徑，ATS也可以通過下發人工命令對車載VOBC自主規劃的運行路徑進行干預與調整，人工命令包括人工調整運行計劃，人工分配車次號，人工設置目的地碼、扣車、跳停等，人工命令發送給車載VOBC，車載VOBC通過列車自主進路模塊處理，調整列車的運行路徑。

3.3.2 自主資源管理

在基于車-車通信的全自動運行信號系統中，將線路資源的顆粒度進一步細化管理，線路資源指列車運行所依賴的線路元素，主要包括區段、道岔等。系統根據列車的目的地及線路資源的狀態，實時為列車規劃路徑，對路徑內的線路資源進行安全占用與釋放。

基于車-車通信的全自動運行信號系統自主管理線路資源，車載VOBC接收ATS發送的運行計劃或調度命令；車載VOBC根據列車在行車路徑內對資源的需求，向OC登記并查詢資源登記結果，向所需資源的持有列車嘗試建立通信鏈接，并向其申請該資源，該資源持有列車車載VOBC接收到其他列車發送的對該資源的釋放請求時，在確認使用完該資源可以釋放時，將該資源釋放移交給請求列車，同時將資源的分配狀態發送給OC，由OC更新登記該資源的分配狀態。若持有列車仍需使用該資源時，不可釋放該資源。

當線路資源存在共享及沖突關系時，申請列車與持有列車車載VOBC設備之間需持續交互相關聯的資源信息。

3.3.3 自主防護

列車自主防護指列車在相應的駕駛模式下，根據自身狀態和外部輸入信息，自動規劃行車路徑，計算移動授權和運行速度控制曲線，為列車安全運行提供多種防護及監督功能，包括列車超速安全防護、列車進站與出站安全防護、作業封鎖開關安全防護、站臺門實時監督、站臺緊急停車按鈕監督及列車完整性狀態實時監督等。

在傳統CBTC系統中，系統通過進路對列車提供安全防護，只有當進路對列車開放時，列車的移動授權才能延伸到進路內方；在基于車-車通信的全自動運行信號系統中，將線路資源的顆粒度進一步細化管理，因此，進路的概念演變為線路上的路徑資源，車載VOBC負責列車的安全防護。車載VOBC根據列車的目的地自動匹配運行路徑，與OC實時通信，獲取運行路徑內資源的登記情況；根據資源的登記情況，車載VOBC主動與所需資源的持有列車通信，請求獲取資源，同時獲取和識別前車的位置、速度、運行方向及移動授權等信息，自主計算移動授權和安全列車控制速度曲線。

車載VOBC在對行車路徑進行安全防護時，依據路徑內的資源元素屬性和規則進行行車防護，例如路徑內的道岔需要操縱并鎖閉到定位時，車載VOBC向OC發送操縱道岔至定位并鎖閉的命令。進行路徑防護時，車載VOBC采用由近及遠、連續式防護的防護措施，根據行車路徑，對路徑內資源對象由近及遠進行組合式判斷；同時根據列車的實時位置動態釋放資源，提高對線路資源的利用率。

3.3.4 列車自主調整

基于車-車通信的全自動運行信號系統中，車載VOBC系統集成了原CBTC系統ATS系統的列車自動調整功能。在沒有控制中心ATS人工調整命令時，如果列車實際運行時間與計劃運行時間發生偏差，車載 VOBC根據接收到的運行時刻表自動調整后續列車運行時間。車載VOBC通過調整列車的停站時間或修改下一區間的運行等級達到列車自主調整的目的。車載 VOBC也能響應中心ATS調度員的人工調整命令，包括修改停站時間、修改區間運行等級等命令。當偏差過大時（偏差時間可配置），車載VOBC向中心ATS發送報警信息，請求調度員人工干預，調度員可重新調整運行計劃。

3.3.5 降級列車管理

基于車-車通信的全自動運行信號系統以列車為中心，車載VOBC依據自身的狀態和外部輸入信息，自動規劃行車路徑，計算移動授權和運行控車速度曲線，因此，對通信設備、車載設備、測速定位設備的要求很高，應盡量提高這些設備的可靠性，降低降級發生的概率；在設計時，考慮故障快速恢復技術及流程，降級時盡快恢復，降低對運營的影響，并提供降級運行方式。

降級運行方式分為有信號機與無信號機2種方式：無信號機的降級模式不配置次級列車檢測設備，當列車發生故障降級時，系統自動設置封鎖區，列車轉入人工駕駛模式，由司機和調度確認并獲取發車授權后，可人工駕駛列車運行，正常通信列車接近封鎖區域時，也需轉換為人工駕駛模式；有信號機的降級模式需配備次級列車檢測設備檢測列車位置，當列車發生故障降級時，系統自動點亮故障列車前方的信號機，司機根據信號機的信號指示，人工駕駛列車運行。

3.4 系統特點

與傳統CBTC系統相比，基于車-車通信的全自動運行信號系統對系統架構進行了優化，在車載VOBC上集成了列車自主進路，列車自主防護、列車自主調整、自主計算移動授權等功能，簡化了地面設備，列車與列車直接交互信息，基于資源管理的理念，形成以列車為中心的自主運行控制系統。

3.4.1 架構合理

基于車-車通信的全自動運行信號系統將傳統CBTC的集中控制優化為以列車為中心的分布式控制，優化了傳統CBTC系統的“車-地-車”通信控制架構，取消了傳統CBTC系統的地面CBI設備和ZC設備，車載VOBC集成原地面CBI、ZC及ATS的部分功能，軌旁僅保留與現場設備接口的軌旁OC設備，減少了內部接口的復雜度，縮短了信息傳輸的路徑，提高了控制指令的執行效率。

3.4.2 自主運行

在基于車-車通信的全自動運行信號系統中，車載VOBC根據ATS提前下發的運行計劃，自動匹配并觸發進路；與相鄰列車及OC通信，獲取計算移動授權所需信息，自主計算移動授權，并根據移動授權生成控車速度曲線，對列車的安全運行進行防護；當列車實際運行與運行計劃出現偏差時，車載VOBC通過調整停站時間與區間運行等級等參數對列車的自主運行進行調整，實現主動進路、自主運行與防護，降低對地面與中心設備的依賴。

3.4.3 故障快速恢復

傳統CBTC系統中，ZC對控制區域內的列車進行集中管理，收集所有列車的位置信息及控制區域內的進路狀態，為每一列車計算移動授權。當ZC發生故障時，整個控制區域內的CBTC列車都會受到影響；基于車-車通信的全自動運行信號系統，采用分布區控制，以列車為中心自主對所需要線路資源進行申請占用，使用完后及時釋放占用資源，當列車故障時，影響面積小，且能快速恢復，對運營影響小。

3.4.4 安全可靠

基于車-車通信的全自動運行信號系統優化了傳統CBTC的系統架構，取消了地面的ZC與CBI設備，在地面僅保留軌旁OC設備，降低了系統設備和接口的復雜度，進一步提高了系統可靠性。

系統把ZC與CBI的功能集成到列車車載VOBC中，減少對中心ATS依賴，車載VOBC可以自主計算移動授權，控制列車在安全防護速度曲線下運行，當列車車載VOBC故障時，相鄰正常列車可以基于故障列車設置的隔離防護區實時調整計算移動授權和控車速度曲線。實現正常列車與故障列車的混跑，大大降低整個系統發生區域性降級的可能性，提高了系統可用性。

3.4.5 智能高效

基于車-車通信的全自動運行信號系統優化了傳統CBTC的系統架構，減少了地面設備，優化了子系統間的接口，列車與前車直接通信，可獲取前車的實時運行狀態數據，通過減少信息在系統內部的傳輸路徑與時間，提高系統的實時性，進一步縮短控制指令的執行時間，提升系統控制精度，達到縮短列車追蹤間隔、提高乘客乘坐舒適度的目標。

系統將行車路徑虛擬為資源，列車自主占用與釋放資源，能夠更加靈活地適應線路反向、對向及折返運行等場景，提高列車運行組織靈活性與效率。

3.4.6 降低成本

與傳統CBTC系統相比，基于車-車通信的全自動運行信號系統簡化了系統架構，減少了地面控制系統及軌旁信號設備，優化了各子系統間接口，降低系統的耦合性，從而顯著降低系統項目的建設、運營、維護成本，使系統項目工程施工、調試更容易實施，施工周期也大大縮短。預計系統項目建設、運營、維護成本可降低20%～30%，系統項目工程施工、調試周期可縮短 20%～30%。

3.4.7 有利于舊線改造

基于車-車通信的全自動運行信號系統，地面僅保留了軌旁OC設備等少量設備，在已建線路進行升級改造時，對既有線路的正常運營影響小，便于新系統的調試與舊系統的恢復，系統改造安全風險小。

4 總結

基于車-車通信的全自動運行信號系統對傳統CBTC信號系統架構進行了優化，減少了地面設備，優化了子系統間接口，縮短了狀態數據與控制指令命令的傳輸路徑，提高了系統的性能與效率；對系統功能進行了重新分配，以列車為中心，支持列車自主進路、自主防護與自主調整，智能化程度更高。這種新型列車運行控制系統可提高運行效率，降低全生命周期成本，將成為新一代城市軌道交通列車控制信號系統發展的主流方向。