新一代CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究

高 翔 劉會(huì)明

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

《智慧城軌發(fā)展綱要》提出，在CBTC(基于通信的列車控制)已經(jīng)普及的情況下，新一代列車控制技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)該是系統(tǒng)更加智慧并最終能夠?qū)崿F(xiàn)列車的自主控制[1]。近年來，基于車車通信(V2V)的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)(TACS)是新一代列控技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。然而，行業(yè)內(nèi)對于TACS內(nèi)涵的理解并不一致，國內(nèi)外不同信號(hào)系統(tǒng)研制單位采用的TACS架構(gòu)和技術(shù)路線均有不同，在系統(tǒng)功能定義、接口協(xié)議、運(yùn)用規(guī)則等方面都存在巨大差異，對新一代CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展造成了困擾。

為厘清概念，本文就CBTC技術(shù)現(xiàn)狀及用戶需求的變化趨勢進(jìn)行分析，總結(jié)了新一代CBTC列控系統(tǒng)應(yīng)具備的特性目標(biāo)，深入研究了新一代CBTC信號(hào)系統(tǒng)TACS的關(guān)鍵技術(shù)特征：自主運(yùn)行、資源細(xì)化以及架構(gòu)精簡。在此基礎(chǔ)上，提出了新的TACS架構(gòu)，可為新一代CBTC信號(hào)系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 CBTC技術(shù)現(xiàn)狀及用戶需求變化趨勢

CBTC系統(tǒng)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(tǒng)用戶的需求強(qiáng)調(diào)基于聯(lián)鎖的降級運(yùn)行，同時(shí)增加列車的點(diǎn)式運(yùn)行模式，以確保線路開通運(yùn)行為主要目標(biāo)。隨著技術(shù)的成熟，我國CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一次性全功能開通已經(jīng)沒有難度。同時(shí)，多年運(yùn)行證明，因地面ATP(列車自動(dòng)防護(hù))設(shè)備故障而導(dǎo)致控區(qū)降級到聯(lián)鎖模式的情況極少，啟用點(diǎn)式模式運(yùn)行的情況也不多。將降級功能簡化，減少降級功能設(shè)備，并增強(qiáng)CBTC主系統(tǒng)的可靠性和冗余性成為用戶需求轉(zhuǎn)變的一大趨勢，例如上海軌道交通5號(hào)線的TSTCBTC?2.0信號(hào)系統(tǒng)方案[4]，以及國內(nèi)已開通的多條FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)線路。此外，聯(lián)鎖區(qū)域控制一體化、全電子執(zhí)行單元及云平臺(tái)信息化集成等技術(shù)也越來越多地受到關(guān)注并得以部署應(yīng)用[5]。這些技術(shù)為CBTC系統(tǒng)的精簡提供了可能。

CBTC系統(tǒng)用戶需求的另一大轉(zhuǎn)變是從以建設(shè)開通為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐赃\(yùn)營使用為主，需求更加關(guān)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(qiáng)調(diào)倒切平滑，不影響持續(xù)運(yùn)營；提升運(yùn)營過程的自動(dòng)化、信息化和智能化水平，減少工作人員數(shù)量；綠色節(jié)能，強(qiáng)調(diào)城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展。

基于用戶需求的這些變化趨勢，可以總結(jié)出新一代CBTC信號(hào)系統(tǒng)的特性目標(biāo)包括：架構(gòu)精簡、實(shí)施便利；智能高效、彈性可靠；綠色友好、標(biāo)準(zhǔn)易用。

2 TACS信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)特征分析

為實(shí)現(xiàn)新一代CBTC信號(hào)系統(tǒng)的特性目標(biāo)，一般認(rèn)為[2]，TACS應(yīng)采用三項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù)：自主運(yùn)行、資源細(xì)化以及精簡架構(gòu)。

2.1 自主運(yùn)行

自主控制系統(tǒng)的研究最早是在美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開展，并在1991年的論文中對自主(Autonomous)的概念進(jìn)行了闡述[6]。文中提到自主系統(tǒng)能夠運(yùn)行在不確定性較大的環(huán)境中，能夠在無外部介入的條件下自主調(diào)節(jié)，以適應(yīng)環(huán)境和條件的變化。參照國際汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)在行業(yè)技術(shù)規(guī)范J 3016中基于汽車的駕駛功能對“自主控制”進(jìn)行的分級和界定，SAE將自主系統(tǒng)按功能復(fù)雜程度分為三層：操控功能、戰(zhàn)術(shù)功能和戰(zhàn)略功能。在城市軌道交通中，操控功能對應(yīng)ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)功能，核心的ATP功能屬于戰(zhàn)術(shù)功能，而ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)執(zhí)行了一定程度上的戰(zhàn)略功能?！白灾鬟\(yùn)行”控制強(qiáng)調(diào)的是無人員介入調(diào)節(jié)下的系統(tǒng)自適應(yīng)能力，對環(huán)境進(jìn)行自感知和自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)智能化的自動(dòng)控制。因此，TACS作為新一代CBTC系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)真正的“自主運(yùn)行”，應(yīng)該具備的關(guān)鍵技術(shù)特征需包括列車精確位置的主動(dòng)感知、障礙物主動(dòng)探測和避障、運(yùn)營環(huán)境感知(客流、天氣等)。

2.2 資源細(xì)化

信號(hào)系統(tǒng)最重要的安全控制功能就是對列車運(yùn)行線路資源的管理。線路資源對列車運(yùn)行而言就是一段列車運(yùn)行空間。通過資源的時(shí)空分配實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行間隔的防護(hù)即“閉塞”技術(shù)。不同的閉塞技術(shù)下，列車對線路資源的使用效率不同，體現(xiàn)在線路列車的最小追蹤間隔時(shí)間、最小折返間隔時(shí)間等性能指標(biāo)中。

典型的CBTC系統(tǒng)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖上疊加列控系統(tǒng)，列車移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算依賴于聯(lián)鎖進(jìn)路，列車的間隔防護(hù)需要結(jié)合聯(lián)鎖進(jìn)路和移動(dòng)授權(quán)兩部分功能實(shí)現(xiàn)，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(cè)面沖撞防護(hù)等。折返過程中，前后車的間隔以聯(lián)鎖進(jìn)路和相關(guān)聯(lián)的區(qū)段為單位，與非道岔區(qū)段前后車按列車精確位置進(jìn)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(jié)合通信技術(shù)，通過獲取實(shí)時(shí)更新的CBTC列車精確位置，將聯(lián)鎖與區(qū)域控制器的功能融合，構(gòu)建地面一體化ATP控制器，將聯(lián)鎖的二值布爾邏輯數(shù)據(jù)化，對道岔區(qū)段線路資源進(jìn)行精細(xì)管理，實(shí)現(xiàn)了一種以列車為中心的岔區(qū)移動(dòng)閉塞。TACS資源細(xì)化技術(shù)在道岔區(qū)段折返間隔防護(hù)上的應(yīng)用如圖1所示。

基于聯(lián)鎖的防護(hù)需要遵循進(jìn)路的防護(hù)原則。在圖1所示折返站內(nèi)，后車發(fā)車進(jìn)路(起始信號(hào)機(jī)X2323)至少需要等到前車的折出進(jìn)路解鎖，且前車尾部出清計(jì)軸區(qū)段GC2311-2313，才能開始辦理，需額外等待一個(gè)道岔的動(dòng)作時(shí)間，完成進(jìn)路辦理后授權(quán)發(fā)車。

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

通過研究道岔的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)岔區(qū)防護(hù)的聯(lián)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(xiǎn)點(diǎn)運(yùn)行的條件下，基于TACS資源細(xì)化技術(shù)對道岔區(qū)域進(jìn)行數(shù)字化。其具體的做法是將道岔區(qū)段細(xì)化為尖軌防護(hù)區(qū)和侵限防護(hù)區(qū)，在地面一體化ATP控制器的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行定義，如圖1中圈出部分。這樣，當(dāng)折出中的前車車尾出清尖軌防護(hù)區(qū)時(shí)，后車折入的資源申請就能夠進(jìn)入道岔2313，命令2313移動(dòng)到側(cè)向，而當(dāng)前車車尾出清侵限防護(hù)區(qū)后，后車的授權(quán)延伸進(jìn)入折返軌，后車起動(dòng)發(fā)車。這一過程與基于傳統(tǒng)聯(lián)鎖的CBTC相比，節(jié)省了道岔的動(dòng)作時(shí)間和前車走行出清岔區(qū)GC2311-2313的時(shí)間。在上海軌道交通5號(hào)線實(shí)際線路的應(yīng)用中，TACS道岔區(qū)段資源細(xì)化技術(shù)使得折返運(yùn)營間隔從113 s顯著減少到86 s。此外，整個(gè)過程中，地面ATP系統(tǒng)對兩列車的運(yùn)行模式實(shí)時(shí)監(jiān)督，一旦任意一列車發(fā)生降級運(yùn)行的情況，系統(tǒng)的防護(hù)原則自動(dòng)回歸到與傳統(tǒng)聯(lián)鎖一致的邏輯，確保各種場景下的安全運(yùn)行。

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

TACS資源細(xì)化技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是列車運(yùn)行的靈活性大大增加。由于列車的換方向運(yùn)行脫離了聯(lián)鎖進(jìn)路限制，從而實(shí)現(xiàn)了列車在軌道的任意點(diǎn)進(jìn)行折返運(yùn)行。以區(qū)間火災(zāi)為例，列車因?yàn)榍胺交馂?zāi)需要退回到后方車站，目前傳統(tǒng)聯(lián)鎖疊加ATO模式的CBTC由于受聯(lián)鎖進(jìn)路的限制，無法實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)(火災(zāi)可以發(fā)生在任意點(diǎn))改變列車運(yùn)行方向。而基于資源細(xì)化的TACS則很容易實(shí)現(xiàn)列車在任意點(diǎn)停車后，給出反向授權(quán)，使得列車可以以全自動(dòng)運(yùn)行模式回到后方站臺(tái)，避免由于一個(gè)災(zāi)害引發(fā)的次生災(zāi)害。

2.3 精簡架構(gòu)

車車通信的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)最早由阿爾斯通在法國里爾膠輪輕軌改造項(xiàng)目中提出[7]。該方案的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種簡化的CBTC列控系統(tǒng)，從而減少地面設(shè)備的數(shù)量和安裝工程量。相較于典型的CBTC，簡化的CBTC列控系統(tǒng)最大的改動(dòng)是取消地面聯(lián)鎖和區(qū)域控制器，兩列車的車載控制器之間進(jìn)行通信，聯(lián)鎖和區(qū)域控制器功能重新分配到車載控制器和地面目標(biāo)控制器。典型的CBTC及車車通信的CBTC概念架構(gòu)如圖2所示。

實(shí)際上，信號(hào)系統(tǒng)需要對一條線路甚至是一個(gè)城市線路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有列車進(jìn)行協(xié)同控制。在分析車車通信的CBTC架構(gòu)時(shí)，車車通信的CBTC概念架構(gòu)需要展開，展開后的完整系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示中間部分“完整架構(gòu)”。

針對車車通信系統(tǒng)完整架構(gòu)，就以下關(guān)鍵問題及其解決方案進(jìn)行分析。

a) 典型CBTC架構(gòu)

1) 通信故障時(shí)如何管理非通信列車：通信發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該能對非通信車進(jìn)行跟蹤并為這些列車分配線路資源，支持非通信車的持續(xù)運(yùn)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(jìn)行管理。要實(shí)現(xiàn)這類方案，前提是這列健康主控列車需要一開始就實(shí)時(shí)對所有其它列車進(jìn)行跟蹤，以便一旦發(fā)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(jìn)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(fā)生故障，一旦發(fā)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(dān)。

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(dòng)后嘗試與所有列車進(jìn)行握手通信，或至少根據(jù)與當(dāng)前所在區(qū)域OC(目標(biāo)控制器)報(bào)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(jù)本列車的當(dāng)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(huì)隨著列車數(shù)量的增加而大量增加，建立保持的車間鏈接數(shù)量為2i(i為列車數(shù))個(gè)。后一種方案可以考慮由車載控制器來負(fù)責(zé)搜索和更新，或由地面設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。如果由車載來進(jìn)行搜索，則車載控制器還需要知道一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有列車的信息，在沒有地面設(shè)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(gè)列車的任務(wù)和當(dāng)前位置，其本質(zhì)與第一種方案沒有區(qū)別。而最為合理的方式依然是地面設(shè)備對所有列車進(jìn)行追蹤，并為新進(jìn)入控制區(qū)域范圍內(nèi)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(shù)。

3) 資源在非通信列車與通信列車之間如何交接：已經(jīng)分配給一列健康列車的資源在該列車丟失通信后，應(yīng)能保留已有的分配并轉(zhuǎn)交給負(fù)責(zé)非通信列車跟蹤控制的子系統(tǒng)，這一非通信車跟蹤控制功能如果由另一列健康車來實(shí)現(xiàn)，則這列控制列車需要對所有的列車資源進(jìn)行跟蹤記錄，一旦該列控制列車出現(xiàn)問題，則會(huì)造成非通信列車管理的混亂，難以快速恢復(fù)。因此合理的解決方式與問題2類似，基于地面設(shè)備實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)無縫切換。

4) 基于全局智能調(diào)整的多車協(xié)同調(diào)度如何實(shí)現(xiàn)：線路規(guī)模的增加，尤其運(yùn)行列車數(shù)量增加后，為實(shí)現(xiàn)全局調(diào)度的優(yōu)化，提升系統(tǒng)效能，需對多列車根據(jù)擾動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度調(diào)整，因此系統(tǒng)應(yīng)對全局信息進(jìn)行分析，包括對所有運(yùn)行車輛的動(dòng)態(tài)、早晚點(diǎn)、客流甚至突發(fā)事件進(jìn)行信息提取和優(yōu)化計(jì)算。將ATS時(shí)刻表任務(wù)交給各列列車的方式無法實(shí)現(xiàn)這些更加智能化的功能。

綜上所述，資源細(xì)化技術(shù)能進(jìn)一步提升線路資源使用效率，但現(xiàn)有的V2V架構(gòu)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(xiàn)劣化的情況。為此，考慮對現(xiàn)有的V2V架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種更加可行的車車通信CBTC系統(tǒng)建議架構(gòu)如圖3中所示。此建議架構(gòu)從既有的CBTC系統(tǒng)演化而來，將聯(lián)鎖與區(qū)域控制器的功能進(jìn)行融合，構(gòu)成地面ATP資源管理控制器，降低了復(fù)雜度，系統(tǒng)應(yīng)付故障場景具備更高的彈性，易于實(shí)現(xiàn)故障下的持續(xù)運(yùn)行。

3 新一代TACS信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)

對圖3中所示建議架構(gòu)完整展開，即新一代TACS信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用在中心、地面以及車載三層部署方式。地面系統(tǒng)與典型的CBTC系統(tǒng)不同，車站上僅分布部署目標(biāo)控制器，通過目標(biāo)控制器的全電子化，減少或無需點(diǎn)式后備，取消獨(dú)立聯(lián)鎖設(shè)備。該系統(tǒng)能夠節(jié)省約20%的地面設(shè)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(yùn)行等級適配維護(hù)人員。在不增加地面設(shè)備的前提下，車載設(shè)備增加了基于多傳感器融合和人工智能技術(shù)的主動(dòng)障礙物探測系統(tǒng)，在系統(tǒng)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(hù)功能。列車根據(jù)地面系統(tǒng)提供的所有列車的追蹤信息，建立與前后相關(guān)列車的車間通信，實(shí)現(xiàn)大運(yùn)量線路短間隔運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)ATO速度協(xié)同調(diào)整功能及虛擬聯(lián)掛功能，結(jié)合智能ATS的綠色CBTC功能達(dá)到整體的能耗優(yōu)化控制。

注：OCC——運(yùn)營控制中心；DDOC——電子聯(lián)鎖執(zhí)行單元；BOCC——備用OCC；ACE——計(jì)軸；MPU——主處理器；HDPPU——外設(shè)接口單元；TOD——司機(jī)操作主屏;LTE——長期演進(jìn)；5G——第5代移動(dòng)通訊技術(shù)；j——ATP控區(qū)的數(shù)量。圖4 新一代TACS信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of new generation signaling system TACS

4 結(jié)語

本文通過對TACS的自主控制、以車為中心的資源管理、架構(gòu)精簡等關(guān)鍵技術(shù)特征進(jìn)行分析得出結(jié)論：TACS的自主控制技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的感知能力和決策能力，資源細(xì)化管理技術(shù)是提升TACS性能的核心，而車與車之間直接通信在系統(tǒng)中的作用需要重新思考。借助V2V技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多車間協(xié)同控制、虛擬聯(lián)掛等功能，進(jìn)而帶來系統(tǒng)性能的提升，但如果提升的重點(diǎn)是用于功能分配重組，則需要平衡由此增加的系統(tǒng)復(fù)雜度，并避免故障情況下系統(tǒng)可用性的損失?；诖?，本文提出了新一代TACS信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)。由于涉及到的技術(shù)內(nèi)容較多，受篇幅限制，本文未就新系統(tǒng)的關(guān)鍵信息傳輸路徑和時(shí)序，資源申請、分配和移動(dòng)授權(quán)計(jì)算三層控制邏輯等方面進(jìn)行詳細(xì)展開。這些內(nèi)容可另行探討。