軌道交通線網(wǎng)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(tǒng)線路信息情況

列車控制系統(tǒng)(以下簡稱“列控系統(tǒng)”)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(tǒng))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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù);RBC通過無線網(wǎng)絡傳輸列車運行前方2個車站范圍內(nèi)的線路數(shù)據(jù)。每列車對線路數(shù)據(jù)即用即刪，不存儲固定線路數(shù)據(jù)。CTCS獲取線路數(shù)據(jù)的方式提高了列車網(wǎng)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(xié)會發(fā)布的《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)(CBTC)互聯(lián)互通系列團體規(guī)范》規(guī)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(shù)據(jù)存儲單元)校核電子地圖的版本號，保證CBTC系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)共用相同的電子地圖。CBTC的電子地圖有全局觀念，即線網(wǎng)內(nèi)列車的VOBC和每個DSU均掌握以軌道區(qū)段為單位的所有線路信息。對于封閉和穩(wěn)定的線路/線網(wǎng)而言，CBTC系統(tǒng)設計方案的線路數(shù)據(jù)傳輸壓力較小，即完成一次性傳輸后，若線路不發(fā)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(shù)據(jù)量約為1～2 Mbit，數(shù)據(jù)主要包括4個方面：①線路數(shù)據(jù)；②軌道區(qū)段數(shù)據(jù)；③軌旁設備數(shù)據(jù),包括應答器、信號機、車檔、ZC(區(qū)域控制器)、ATS(列車自動監(jiān)控)、CI(計算機聯(lián)鎖)、DSU、MSS(維護支持系統(tǒng))等；④安全通信協(xié)議數(shù)據(jù)?；跉W洲標準設計的應答器報文的傳輸數(shù)據(jù)量共計830 bit，其數(shù)據(jù)量主要包括幀標志位(約50 bit)、用戶信息包(約772 bit)和結(jié)束信息(約8 bit)。通過對比可知，傳輸數(shù)據(jù)量的差別決定了CBTC系統(tǒng)電子地圖的數(shù)據(jù)傳輸很難與應答器的數(shù)據(jù)傳輸相匹配。

2 電子地圖傳輸方案研究

為實現(xiàn)城市軌道交通的網(wǎng)絡化運營，使得各線間能互聯(lián)互通，本文設計了4個電子地圖傳輸方案，從電子地圖傳輸?shù)姆秶瓦\營交路的角度，對全線網(wǎng)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?shù)木€網(wǎng)電子地圖方案

在基于無線傳輸?shù)木€網(wǎng)電子地圖方案(方案一)中，VOBC儲存最新的完整版線網(wǎng)電子地圖，并通過無線網(wǎng)絡及時予以更新。方案一的架構(gòu)如圖1所示，需設置線網(wǎng)的COCC(網(wǎng)絡運營協(xié)調(diào)中心)，在COCC配置專用的電子地圖服務器(即線網(wǎng)級的DSU)，用以存儲全線網(wǎng)各線的電子地圖信息，并匯總、編制全線網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)中的線路或設備若發(fā)生變化，均會導致電子地圖中軌道區(qū)段數(shù)據(jù)和軌旁設備數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，此時需更新COCC電子地圖服務器的版本，并通過線網(wǎng)電子地圖服務器將電子地圖信息下發(fā)至各線的電子地圖服務器。在運營結(jié)束后，各線的電子地圖服務器還需向該線所有列車廣播發(fā)送新版的電子地圖信息。

圖1 基于無線傳輸?shù)木€網(wǎng)電子地圖方案架構(gòu)示意圖

為防止OCC更新的電子地圖與現(xiàn)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(huán)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(shù)據(jù)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(wǎng)電子地圖版本校核機制如圖2所示，當比對結(jié)果不一致時，列車將緊急制動，將報警信息發(fā)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(wǎng)電子地圖傳輸方案

上述方案一可實現(xiàn)全線網(wǎng)的電子地圖統(tǒng)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(wǎng)車載設備的列車網(wǎng)絡地址進行統(tǒng)一規(guī)劃，并預留了未來可能增加的列車網(wǎng)絡地址，以達到線網(wǎng)列車數(shù)增加后盡量減少全線網(wǎng)電子地圖修改次數(shù)和修改量的目的。但由于城市軌道交通網(wǎng)絡很大，線網(wǎng)中任何一處線路發(fā)生局部變化，都會導致整個線網(wǎng)電子地圖的更新。而且，由于VOBC內(nèi)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(wǎng)電子地圖傳輸方案(方案二)。方案二以車站/區(qū)間數(shù)量或線路區(qū)間長度(如10個車站/區(qū)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(nèi)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(guī)模的城市軌道交通線網(wǎng)。

2.3 基于行車交路的線網(wǎng)電子地圖傳輸方案

基于行車交路的線網(wǎng)電子地圖傳輸方案(方案三)由COCC配置列車行車交路范圍內(nèi)的電子地圖，通過無線網(wǎng)絡傳輸至VOBC。VOBC根據(jù)配置的行車交路范圍內(nèi)的電子地圖執(zhí)行列車控制任務。該方案以單個車站及其對應的區(qū)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(wǎng)電子地圖進行配置，各線同步更新從COCC下載的線網(wǎng)電子地圖數(shù)據(jù)。ZC或DSU根據(jù)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(nèi)的電子地圖。VOBC通過無線網(wǎng)絡，從始發(fā)站所在線路的ZC或DSU下載本次行車任務范圍內(nèi)的電子地圖。在正常工況下，VOBC按目的地碼結(jié)合電子地圖控制列車運行。若出現(xiàn)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(diào)度命令以RM(限制人工模式)將列車駛?cè)胱罱恼鄯稻€內(nèi)。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(wǎng)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(qū)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(fā)，運行通過1號線相關(guān)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(nèi)的電子地圖。

注：1G、1DG、2G—nG、(n+1)G均為軌道區(qū)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(nèi)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(qū)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(nèi)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(jù)列車運行圖/時刻表編制列車在本線運行進路范圍內(nèi)的電子地圖。VOBC存儲所在線路列車進路范圍內(nèi)的電子地圖，在跨線交接區(qū)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(qū)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(diào)度配合，駕駛列車至最近的車站實施清客，再駕駛列車駛?cè)胱罱拇孳嚲€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(nèi)的電子地圖；列車運行至1號線與2號線的交接區(qū)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(nèi)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(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)流和硬件配置進行修改，但其在電子地圖傳輸頻次、傳輸數(shù)據(jù)量、VOBC存儲要求、適用線網(wǎng)規(guī)模、系統(tǒng)復雜度和系統(tǒng)可靠性等方面有所區(qū)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(tǒng)性能上的對比

通過以上對比可知，應基于無線傳輸技術(shù)的發(fā)展程度、城市軌道交通的線網(wǎng)規(guī)模和系統(tǒng)可靠性等選擇電子地圖傳輸方案：

1) 若線網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)互通線路數(shù)量較少(僅有1～2條線路)，且VOBC存儲的電子地圖不影響系統(tǒng)響應速度時，方案一具有明顯優(yōu)勢。雖然方案一需要傳輸整個線網(wǎng)內(nèi)各線完整結(jié)構(gòu)的電子地圖，但此工作可在運營結(jié)束后再進行下載和更新，對線路/線網(wǎng)的正常運營影響不大。

2) 方案二可支持互聯(lián)互通線路數(shù)量較多(3條及以上線路)的城市軌道交通線網(wǎng)。與普通地鐵線路的電子地圖數(shù)據(jù)量相比，方案二在電子地圖傳輸數(shù)據(jù)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(wǎng)絡壓力，避免出現(xiàn)因無線網(wǎng)絡問題導致列車在區(qū)間或在無停車折返線車站降級運行等問題，提高信號系統(tǒng)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(wǎng)。

4) 方案四可支持互聯(lián)互通線路數(shù)量較多(3條及以上線路)的城市軌道交通線網(wǎng)。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(nèi)固定的幾條列車運行交路或轉(zhuǎn)線作業(yè)進路的完整電子地圖，其傳輸數(shù)據(jù)量小于1條完整線路電子地圖的傳輸數(shù)據(jù)量。

4 結(jié)語

綜上分析，本文得到結(jié)論如下：對于有1～2條互聯(lián)互通線路的線網(wǎng)，方案一更具優(yōu)勢；對于有3條及以上互聯(lián)互通線路的線網(wǎng)，方案二和方案四均具有優(yōu)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(fā)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(tǒng)的影響。