新一代CBTC系統關鍵技術發展研究

高 翔 劉會明

(上海電氣泰雷茲交通自動化系統有限公司， 201206， 上海∥第一作者， 高級工程師)

《智慧城軌發展綱要》提出，在CBTC(基于通信的列車控制)已經普及的情況下，新一代列車控制技術發展方向應該是系統更加智慧并最終能夠實現列車的自主控制[1]。近年來，基于車車通信(V2V)的列車自主運行系統(TACS)是新一代列控技術的研究熱點之一。然而，行業內對于TACS內涵的理解并不一致，國內外不同信號系統研制單位采用的TACS架構和技術路線均有不同，在系統功能定義、接口協議、運用規則等方面都存在巨大差異，對新一代CBTC系統的應用及發展造成了困擾。

為厘清概念，本文就CBTC技術現狀及用戶需求的變化趨勢進行分析，總結了新一代CBTC列控系統應具備的特性目標，深入研究了新一代CBTC信號系統TACS的關鍵技術特征：自主運行、資源細化以及架構精簡。在此基礎上，提出了新的TACS架構，可為新一代CBTC信號系統開發、應用及相關標準的制定提供參考。

1 CBTC技術現狀及用戶需求變化趨勢

CBTC系統1984年在加拿大多倫多士嘉堡快軌線和1985年溫哥華天車世博線首次開通[3]。引入我國后，CBTC系統用戶的需求強調基于聯鎖的降級運行，同時增加列車的點式運行模式，以確保線路開通運行為主要目標。隨著技術的成熟，我國CBTC系統實現一次性全功能開通已經沒有難度。同時，多年運行證明，因地面ATP(列車自動防護)設備故障而導致控區降級到聯鎖模式的情況極少，啟用點式模式運行的情況也不多。將降級功能簡化，減少降級功能設備，并增強CBTC主系統的可靠性和冗余性成為用戶需求轉變的一大趨勢，例如上海軌道交通5號線的TSTCBTC?2.0信號系統方案[4]，以及國內已開通的多條FAO(全自動運行)線路。此外，聯鎖區域控制一體化、全電子執行單元及云平臺信息化集成等技術也越來越多地受到關注并得以部署應用[5]。這些技術為CBTC系統的精簡提供了可能。

CBTC系統用戶需求的另一大轉變是從以建設開通為主轉變為以運營使用為主，需求更加關注全生命周期過程。主要包括：舊有線路的改造升級過程中，強調倒切平滑，不影響持續運營；提升運營過程的自動化、信息化和智能化水平，減少工作人員數量；綠色節能，強調城市軌道交通的可持續發展。

基于用戶需求的這些變化趨勢，可以總結出新一代CBTC信號系統的特性目標包括：架構精簡、實施便利；智能高效、彈性可靠；綠色友好、標準易用。

2 TACS信號系統關鍵技術特征分析

為實現新一代CBTC信號系統的特性目標，一般認為[2]，TACS應采用三項主要關鍵技術：自主運行、資源細化以及精簡架構。

2.1 自主運行

自主控制系統的研究最早是在美國噴氣推進實驗室(JPL)開展，并在1991年的論文中對自主(Autonomous)的概念進行了闡述[6]。文中提到自主系統能夠運行在不確定性較大的環境中，能夠在無外部介入的條件下自主調節，以適應環境和條件的變化。參照國際汽車工程師協會(SAE)在行業技術規范J 3016中基于汽車的駕駛功能對“自主控制”進行的分級和界定，SAE將自主系統按功能復雜程度分為三層：操控功能、戰術功能和戰略功能。在城市軌道交通中，操控功能對應ATO(列車自動運行)功能，核心的ATP功能屬于戰術功能，而ATS(列車自動監控)執行了一定程度上的戰略功能。“自主運行”控制強調的是無人員介入調節下的系統自適應能力，對環境進行自感知和自適應，實現智能化的自動控制。因此，TACS作為新一代CBTC系統,要實現真正的“自主運行”，應該具備的關鍵技術特征需包括列車精確位置的主動感知、障礙物主動探測和避障、運營環境感知(客流、天氣等)。

2.2 資源細化

信號系統最重要的安全控制功能就是對列車運行線路資源的管理。線路資源對列車運行而言就是一段列車運行空間。通過資源的時空分配實現對列車運行間隔的防護即“閉塞”技術。不同的閉塞技術下，列車對線路資源的使用效率不同，體現在線路列車的最小追蹤間隔時間、最小折返間隔時間等性能指標中。

典型的CBTC系統在傳統計算機聯鎖上疊加列控系統，列車移動授權的計算依賴于聯鎖進路，列車的間隔防護需要結合聯鎖進路和移動授權兩部分功能實現，包括前后列車間隔、列車與未按指定方向鎖閉的道岔間隔以及兩車側面沖撞防護等。折返過程中，前后車的間隔以聯鎖進路和相關聯的區段為單位，與非道岔區段前后車按列車精確位置進行追蹤差異巨大，因此折返間隔成為提高線路資源利用率的瓶頸。為解決該瓶頸問題，TACS結合通信技術，通過獲取實時更新的CBTC列車精確位置，將聯鎖與區域控制器的功能融合，構建地面一體化ATP控制器，將聯鎖的二值布爾邏輯數據化，對道岔區段線路資源進行精細管理，實現了一種以列車為中心的岔區移動閉塞。TACS資源細化技術在道岔區段折返間隔防護上的應用如圖1所示。

基于聯鎖的防護需要遵循進路的防護原則。在圖1所示折返站內，后車發車進路(起始信號機X2323)至少需要等到前車的折出進路解鎖，且前車尾部出清計軸區段GC2311-2313，才能開始辦理，需額外等待一個道岔的動作時間，完成進路辦理后授權發車。

可以看出，在聯鎖二值布爾邏輯中，線路資源按區段為單位進行劃分。道岔區段的占用、出清代表了列車的位置，聯鎖的道岔占用鎖閉和解鎖與道岔區段的狀態直接關聯，這是一種非常簡化的資源管理手段，便于邏輯實現。但道岔區段線路資源使用效率不高，列車折返間隔時間較長。

通過研究道岔的機械結構特征，根據岔區防護的聯鎖要求，在前后兩列CBTC列車位置已知且車載ATP確保列車不超過危險點運行的條件下，基于TACS資源細化技術對道岔區域進行數字化。其具體的做法是將道岔區段細化為尖軌防護區和侵限防護區，在地面一體化ATP控制器的數據庫中進行定義，如圖1中圈出部分。這樣，當折出中的前車車尾出清尖軌防護區時，后車折入的資源申請就能夠進入道岔2313，命令2313移動到側向，而當前車車尾出清侵限防護區后，后車的授權延伸進入折返軌，后車起動發車。這一過程與基于傳統聯鎖的CBTC相比，節省了道岔的動作時間和前車走行出清岔區GC2311-2313的時間。在上海軌道交通5號線實際線路的應用中，TACS道岔區段資源細化技術使得折返運營間隔從113 s顯著減少到86 s。此外，整個過程中，地面ATP系統對兩列車的運行模式實時監督，一旦任意一列車發生降級運行的情況，系統的防護原則自動回歸到與傳統聯鎖一致的邏輯，確保各種場景下的安全運行。

圖1 基于TACS資源細化的高性能折返Fig.1 High performance turnback based on resource refinement of TACS

TACS資源細化技術的另一個優點是列車運行的靈活性大大增加。由于列車的換方向運行脫離了聯鎖進路限制，從而實現了列車在軌道的任意點進行折返運行。以區間火災為例，列車因為前方火災需要退回到后方車站，目前傳統聯鎖疊加ATO模式的CBTC由于受聯鎖進路的限制，無法實現任意點(火災可以發生在任意點)改變列車運行方向。而基于資源細化的TACS則很容易實現列車在任意點停車后，給出反向授權，使得列車可以以全自動運行模式回到后方站臺，避免由于一個災害引發的次生災害。

2.3 精簡架構

車車通信的城市軌道交通信號系統架構最早由阿爾斯通在法國里爾膠輪輕軌改造項目中提出[7]。該方案的目標是實現一種簡化的CBTC列控系統，從而減少地面設備的數量和安裝工程量。相較于典型的CBTC，簡化的CBTC列控系統最大的改動是取消地面聯鎖和區域控制器，兩列車的車載控制器之間進行通信，聯鎖和區域控制器功能重新分配到車載控制器和地面目標控制器。典型的CBTC及車車通信的CBTC概念架構如圖2所示。

實際上，信號系統需要對一條線路甚至是一個城市線路網絡內的所有列車進行協同控制。在分析車車通信的CBTC架構時，車車通信的CBTC概念架構需要展開，展開后的完整系統架構如圖3所示中間部分“完整架構”。

針對車車通信系統完整架構，就以下關鍵問題及其解決方案進行分析。

a) 典型CBTC架構

1) 通信故障時如何管理非通信列車：通信發生故障時，系統應該能對非通信車進行跟蹤并為這些列車分配線路資源，支持非通信車的持續運行。一類方案是由其中一列車載控制器健康的列車對這類非通信車進行管理。要實現這類方案，前提是這列健康主控列車需要一開始就實時對所有其它列車進行跟蹤，以便一旦發生某列車通信故障的情況，立即接手故障前已獲得資源，并按非通信車的原則進行資源的切換。因此，主控列車車載需要與所有列車保持通信，通信量巨大；主控列車車載控制器不能發生故障，一旦發生故障就需要其它列車的車載控制器來接手主控的功能，備份車載控制器的選擇將非常困難。另一類方案則是把非通信車的管理功能由地面ATP來承擔。

2) 如何建立車間通信：一種最直接的建立車車間通信的方式是啟動后嘗試與所有列車進行握手通信，或至少根據與當前所在區域OC(目標控制器)報告的所有注冊列車建立通信。另外一種方式是基于列車位置追蹤，根據本列車的當前位置來搜索前方資源干擾位置的列車。第一種方案的通信量會隨著列車數量的增加而大量增加，建立保持的車間鏈接數量為2i(i為列車數)個。后一種方案可以考慮由車載控制器來負責搜索和更新，或由地面設備來實現。如果由車載來進行搜索，則車載控制器還需要知道一個區域內所有列車的信息，在沒有地面設備對列車追蹤的情況下，車載控制器依然需要與所有列車建立通信以了解各個列車的任務和當前位置，其本質與第一種方案沒有區別。而最為合理的方式依然是地面設備對所有列車進行追蹤，并為新進入控制區域范圍內的列車提供前方待通信列車的信息。

注：VOBC——車載控制器；RMC——資源管理控制器;n——車站數。

3) 資源在非通信列車與通信列車之間如何交接：已經分配給一列健康列車的資源在該列車丟失通信后，應能保留已有的分配并轉交給負責非通信列車跟蹤控制的子系統，這一非通信車跟蹤控制功能如果由另一列健康車來實現，則這列控制列車需要對所有的列車資源進行跟蹤記錄，一旦該列控制列車出現問題，則會造成非通信列車管理的混亂，難以快速恢復。因此合理的解決方式與問題2類似，基于地面設備實現對所有列車的跟蹤，這一資源交接問題則非常易于處理，可以實現無縫切換。

4) 基于全局智能調整的多車協同調度如何實現：線路規模的增加，尤其運行列車數量增加后，為實現全局調度的優化，提升系統效能，需對多列車根據擾動情況進行實時調度調整，因此系統應對全局信息進行分析，包括對所有運行車輛的動態、早晚點、客流甚至突發事件進行信息提取和優化計算。將ATS時刻表任務交給各列列車的方式無法實現這些更加智能化的功能。

綜上所述，資源細化技術能進一步提升線路資源使用效率，但現有的V2V架構并沒有帶來資源使用效率的顯著變化，甚至還在一些場景下出現劣化的情況。為此，考慮對現有的V2V架構進行優化，提出了一種更加可行的車車通信CBTC系統建議架構如圖3中所示。此建議架構從既有的CBTC系統演化而來，將聯鎖與區域控制器的功能進行融合，構成地面ATP資源管理控制器，降低了復雜度，系統應付故障場景具備更高的彈性，易于實現故障下的持續運行。

3 新一代TACS信號系統架構

對圖3中所示建議架構完整展開，即新一代TACS信號系統架構，如圖4所示。該系統采用在中心、地面以及車載三層部署方式。地面系統與典型的CBTC系統不同，車站上僅分布部署目標控制器，通過目標控制器的全電子化，減少或無需點式后備，取消獨立聯鎖設備。該系統能夠節省約20%的地面設備硬件全生命周期投入。資源管理器靈活部署到中心或指定車站，按線路運行等級適配維護人員。在不增加地面設備的前提下，車載設備增加了基于多傳感器融合和人工智能技術的主動障礙物探測系統，在系統故障的情況下為列車提供一種降級模式下的輔助安全防護功能。列車根據地面系統提供的所有列車的追蹤信息，建立與前后相關列車的車間通信，實現大運量線路短間隔運行時系統ATO速度協同調整功能及虛擬聯掛功能，結合智能ATS的綠色CBTC功能達到整體的能耗優化控制。

注：OCC——運營控制中心；DDOC——電子聯鎖執行單元；BOCC——備用OCC；ACE——計軸；MPU——主處理器；HDPPU——外設接口單元；TOD——司機操作主屏;LTE——長期演進；5G——第5代移動通訊技術；j——ATP控區的數量。圖4 新一代TACS信號系統架構Fig.4 Architecture of new generation signaling system TACS

4 結語

本文通過對TACS的自主控制、以車為中心的資源管理、架構精簡等關鍵技術特征進行分析得出結論：TACS的自主控制技術增強系統的感知能力和決策能力，資源細化管理技術是提升TACS性能的核心，而車與車之間直接通信在系統中的作用需要重新思考。借助V2V技術，系統能夠實現多車間協同控制、虛擬聯掛等功能，進而帶來系統性能的提升，但如果提升的重點是用于功能分配重組，則需要平衡由此增加的系統復雜度，并避免故障情況下系統可用性的損失。基于此，本文提出了新一代TACS信號系統架構。由于涉及到的技術內容較多，受篇幅限制，本文未就新系統的關鍵信息傳輸路徑和時序，資源申請、分配和移動授權計算三層控制邏輯等方面進行詳細展開。這些內容可另行探討。