軌道交通線網車載電子地圖傳輸方案研究

趙 亮

(中國鐵路設計集團有限公司， 300251， 天津∥高級工程師)

1 既有列車控制系統線路信息情況

列車控制系統(以下簡稱“列控系統”)主要包括兩種制式標準，分別為國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)線路采用的CTCS(中國列車運行控制系統)制式標準和城市軌道交通線路采用的CBTC(基于通信的列車控制)制式標準。這兩種制式標準在部分設計理念上有所不同。

CTCS通過應答器和RBC(無線承載控制器)傳輸列車運行前方局部線路的數據。其中：應答器存儲局部(一般鏈接列車運行前方的2組應答器)的線路數據;RBC通過無線網絡傳輸列車運行前方2個車站范圍內的線路數據。每列車對線路數據即用即刪，不存儲固定線路數據。CTCS獲取線路數據的方式提高了列車網絡化運行的靈活性和可用性，減輕了VOBC(車載控制器)的存儲壓力，提高了VOBC的運算速度。

中國城市軌道交通協會發布的《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(CBTC)互聯互通系列團體規范》規定，采用CBTC制式的城市軌道交通線路，其線路信息以車載電子地圖(以下簡稱“電子地圖”)方式被拷貝或無線傳輸至VOBC，并通過與地面應答器或DSU(數據存儲單元)校核電子地圖的版本號，保證CBTC系統內各子系統共用相同的電子地圖。CBTC的電子地圖有全局觀念，即線網內列車的VOBC和每個DSU均掌握以軌道區段為單位的所有線路信息。對于封閉和穩定的線路/線網而言，CBTC系統設計方案的線路數據傳輸壓力較小，即完成一次性傳輸后，若線路不發生變化則不需實時更新。但是，線路的局部變動會影響整個電子地圖的修改，此時需要更新所有列車和DSU的電子地圖版本。

采用CBTC的城市軌道交通線路，其電子地圖的傳輸數據量約為1～2 Mbit，數據主要包括4個方面：①線路數據；②軌道區段數據；③軌旁設備數據,包括應答器、信號機、車檔、ZC(區域控制器)、ATS(列車自動監控)、CI(計算機聯鎖)、DSU、MSS(維護支持系統)等；④安全通信協議數據?；跉W洲標準設計的應答器報文的傳輸數據量共計830 bit，其數據量主要包括幀標志位(約50 bit)、用戶信息包(約772 bit)和結束信息(約8 bit)。通過對比可知，傳輸數據量的差別決定了CBTC系統電子地圖的數據傳輸很難與應答器的數據傳輸相匹配。

2 電子地圖傳輸方案研究

為實現城市軌道交通的網絡化運營，使得各線間能互聯互通，本文設計了4個電子地圖傳輸方案，從電子地圖傳輸的范圍和運營交路的角度，對全線網的電子地圖進行“切片”和“訂制”處理，并對各方案進行分析、對比。

2.1 基于無線傳輸的線網電子地圖方案

在基于無線傳輸的線網電子地圖方案(方案一)中，VOBC儲存最新的完整版線網電子地圖，并通過無線網絡及時予以更新。方案一的架構如圖1所示，需設置線網的COCC(網絡運營協調中心)，在COCC配置專用的電子地圖服務器(即線網級的DSU)，用以存儲全線網各線的電子地圖信息，并匯總、編制全線網的電子地圖。此外，在各城市軌道交通線路的OCC(運營控制中心)內分別設置服務于本線的電子地圖服務器(即線路級的DSU)。線網中的線路或設備若發生變化，均會導致電子地圖中軌道區段數據和軌旁設備數據產生變化，此時需更新COCC電子地圖服務器的版本，并通過線網電子地圖服務器將電子地圖信息下發至各線的電子地圖服務器。在運營結束后，各線的電子地圖服務器還需向該線所有列車廣播發送新版的電子地圖信息。

圖1 基于無線傳輸的線網電子地圖方案架構示意圖

為防止OCC更新的電子地圖與現場的電子地圖不一致，在出段信號機處設有用于電子地圖版本校核的JH(無源應答器)。JH用以存儲最新的電子地圖版本和CRC(循環冗余校驗)碼，并在每次電子地圖版本升級時采用人工方式進行應答器的數據更新。當車載設備讀取到JH后，VOBC將比對應答器的版本號和CRC碼。線網電子地圖版本校核機制如圖2所示，當比對結果不一致時，列車將緊急制動，將報警信息發送至所屬線路OCC甚至COCC。列車在完整、準確接收電子地圖前無法出段，以避免對運營造成影響。

注：CK——出庫信號機；CD——出段信號機。

2.2 基于固定范圍的線網電子地圖傳輸方案

上述方案一可實現全線網的電子地圖統一更新和提供下載服務，并采取校核機制來確保版本的一致性。COCC電子地圖服務器對全線網車載設備的列車網絡地址進行統一規劃，并預留了未來可能增加的列車網絡地址，以達到線網列車數增加后盡量減少全線網電子地圖修改次數和修改量的目的。但由于城市軌道交通網絡很大，線網中任何一處線路發生局部變化，都會導致整個線網電子地圖的更新。而且，由于VOBC內存有多條線路的電子地圖，占用了較多的計算和存儲資源，勢必導致VOBC的運算速度減慢。

為此，對方案一進行完善后，得到基于固定范圍的線網電子地圖傳輸方案(方案二)。方案二以車站/區間數量或線路區間長度(如10個車站/區間范圍或10 km范圍)作為“切片”單位，對電子地圖進行分割處理。每列車在運行前，其VOBC會提前更新下載運行線路前方“切片”范圍內的電子地圖。方案二下，VOBC可合理利用存儲空間，減輕了VOBC的計算壓力。該方案適用于較大規模的城市軌道交通線網。

2.3 基于行車交路的線網電子地圖傳輸方案

基于行車交路的線網電子地圖傳輸方案(方案三)由COCC配置列車行車交路范圍內的電子地圖，通過無線網絡傳輸至VOBC。VOBC根據配置的行車交路范圍內的電子地圖執行列車控制任務。該方案以單個車站及其對應的區間為最小單位，將最小單位信息匯總至COCC電子地圖服務器后，COCC電子地圖服務器對線網電子地圖進行配置，各線同步更新從COCC下載的線網電子地圖數據。ZC或DSU根據當前列車位置，以目的地站為目標計算該列車本次行程的進路范圍，并下載本次運行進路范圍內的電子地圖。VOBC通過無線網絡，從始發站所在線路的ZC或DSU下載本次行車任務范圍內的電子地圖。在正常工況下，VOBC按目的地碼結合電子地圖控制列車運行。若出現超出電子地圖范圍的特殊情況，VOBC將命令列車緊急制動，司機按調度命令以RM(限制人工模式)將列車駛入最近的折返線內。此時，需在VOBC接收到新的電子地圖和目的地碼，并通過距離列車最近的2個應答器獲得新的列車定位及運行方向后，將列車運行模式升級至AM(自動駕駛模式)、CM(自動防護模式)，列車方可重新投入正線運營。

圖3為基于行車交路的線網電子地圖方案示例。VOBC在獲得目的地碼和1G、1DG、2G、3G、…、nG、(n+1)G等各軌道區段的電子地圖后，列車按照既定的行車交路，從1號線1#站出發，運行通過1號線相關車站后，到達目的地站(2號線2#站)。隨后，列車將再次申請新的列車識別碼、目的地碼和下一個運行交路范圍內的電子地圖。

注：1G、1DG、2G—nG、(n+1)G均為軌道區段編號。

方案三采用了“訂制”電子地圖的設計理念，僅為列車VOBC傳輸本次運行交路范圍內的電子地圖。對于平均站間距不大于1.5 km、存車折返線間距不大于15 km的普通地鐵線路，電子地圖種類可以固化(如將運行交路固化為第一個具有存車折返線的車站至第二個具有存車折返線的車站的線間區段)，進而降低電子地圖的復雜程度。

2.4 基于行車交路的單線電子地圖傳輸方案

基于行車交路的單線電子地圖傳輸方案(方案四)可按1條線路內列車運行進路進一步分割傳輸電子地圖。與方案三相比，方案四不需要設置COCC電子地圖服務器，只需設置各線OCC電子地圖服務器。線路OCC電子地圖服務器負責根據列車運行圖/時刻表編制列車在本線運行進路范圍內的電子地圖。VOBC存儲所在線路列車進路范圍內的電子地圖，在跨線交接區段從跨線后所在線路的電子地圖服務器中下載運行前方線路列車進路的電子地圖。列車成功跨線運行后，列車可以AM、CM等正常駕駛模式行車，此時VOBC將刪除跨線前的電子地圖，僅保存當前所在線路的電子地圖。若VOBC在跨線交接區段未能成功下載電子地圖，則列車只能以RM、EUM(非限制人工駕駛模式)運行，此時司機應與調度配合，駕駛列車至最近的車站實施清客，再駕駛列車駛入最近的存車線退出運營。

圖4為基于行車交路的單線電子地圖傳輸方案示例。列車在1號線運行時，VOBC存儲了1號線列車進路范圍內的電子地圖；列車運行至1號線與2號線的交接區段時，VOBC將從2號線OCC電子地圖服務器下載2號線列車進路范圍內的電子地圖；列車進入2號線后，VOBC將刪除1號線的電子地圖，僅保留2號線的電子地圖。

注：A為1號線、2號線的分界點。

3 電子地圖傳輸方案比選

上述4個電子地圖傳輸方案均需對原CBTC系統的傳輸數據流和硬件配置進行修改，但其在電子地圖傳輸頻次、傳輸數據量、VOBC存儲要求、適用線網規模、系統復雜度和系統可靠性等方面有所區別，具體的方案對比如表1所示。

表1 4種電子地圖傳輸方案在系統性能上的對比

通過以上對比可知，應基于無線傳輸技術的發展程度、城市軌道交通的線網規模和系統可靠性等選擇電子地圖傳輸方案：

1) 若線網內互聯互通線路數量較少(僅有1～2條線路)，且VOBC存儲的電子地圖不影響系統響應速度時，方案一具有明顯優勢。雖然方案一需要傳輸整個線網內各線完整結構的電子地圖，但此工作可在運營結束后再進行下載和更新，對線路/線網的正常運營影響不大。

2) 方案二可支持互聯互通線路數量較多(3條及以上線路)的城市軌道交通線網。與普通地鐵線路的電子地圖數據量相比，方案二在電子地圖傳輸數據量上有所減少。對于采用CBTC信號制式的城際鐵路和市域(郊)鐵路，因線路的站間距較大，方案二按照線路長度來劃分電子地圖，其傳輸方式更為靈活。

3) 方案三可以降低傳輸頻次，降低無線網絡壓力，避免出現因無線網絡問題導致列車在區間或在無停車折返線車站降級運行等問題，提高信號系統的整體可用性。方案三適用于平均站間距不大于1.5 km且設置的兩個相鄰存車折返線間距不大于15 km的普通地鐵線網。

4) 方案四可支持互聯互通線路數量較多(3條及以上線路)的城市軌道交通線網。因交路折返站一般設置不少于2條折返線，故在電子地圖傳輸失敗時，方案四下故障列車可采用人工駕駛方式運行至折返線，對正常運營的影響較小。此外，方案四只傳輸本線范圍內固定的幾條列車運行交路或轉線作業進路的完整電子地圖，其傳輸數據量小于1條完整線路電子地圖的傳輸數據量。

4 結語

綜上分析，本文得到結論如下：對于有1～2條互聯互通線路的線網，方案一更具優勢；對于有3條及以上互聯互通線路的線網，方案二和方案四均具有優勢，方案四可對故障列車進行更好的處理。

方案二、方案三、方案四均涉及到對電子地圖進行“切片”和“訂制”，與目前常用的電子地圖方案有所不同，故需要進一步研究及開發與這3種方案相匹配的軟件，同時需要進一步仿真評估采用這3種方案對信號系統的影響。