基于車車通信的新型CBTC 系統(tǒng)研究與分析

王雙英

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230000）

信號(hào)作為軌道交通系統(tǒng)保證運(yùn)行安全、提高運(yùn)行效率的重要基礎(chǔ)裝備，一直在安全與效率之間尋求平衡。目前，城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)從以前的電話閉塞、半自動(dòng)閉塞到現(xiàn)在的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞，列車在區(qū)間內(nèi)的行車間隔逐步縮短，最短時(shí)間間隔達(dá)到2 分鐘以內(nèi)。在保證安全的基礎(chǔ)上，運(yùn)行效率大大提高了。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道交通系統(tǒng)的高效、舒適、智能成為熱門課題，信號(hào)系統(tǒng)以及信號(hào)設(shè)備的高智能化、高性價(jià)比也是各軌道交通所追求的。怎么能在保證安全運(yùn)行的情況下，節(jié)約成本、高效運(yùn)行是未來的信號(hào)系統(tǒng)的方向。

城市軌道交通目前常用的信號(hào)系統(tǒng)為基于無線通信的CBTC 系統(tǒng)，區(qū)間采用移動(dòng)閉塞，聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備信息的分配等。閉塞主要實(shí)現(xiàn)列車在區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行安全和效率，目前使用的移動(dòng)閉塞，相比之前系統(tǒng)采用的閉塞方式，現(xiàn)在信號(hào)系統(tǒng)的追蹤間隔是最短的，從這個(gè)角度來看，基于CBTC 系統(tǒng)是比之前的信號(hào)系統(tǒng)要高效。軌旁的設(shè)備信息是以進(jìn)路方式由聯(lián)鎖來控制，所以在岔區(qū)、折返區(qū)段等，效率低，影響這個(gè)系統(tǒng)的性能。城市軌道交通的發(fā)展其實(shí)是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展，對信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)能、靈活性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及兼容性等都提出了更高的要求。各個(gè)指標(biāo)之間又是相互聯(lián)系和相互制約的，對未來信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展是一個(gè)待解決的難題。各軌道機(jī)構(gòu)以及專家在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了基于車-車通信的新型CBTC 系統(tǒng)，軌旁設(shè)備中的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和區(qū)域控制設(shè)備取消，采用對象控制器來控制軌旁設(shè)備，比如道岔控制等，列車不再需要軌旁設(shè)備來采集地面信息（道岔、信號(hào)機(jī)、區(qū)段等），直接通過軌旁的無線通信設(shè)備直接與周圍列車進(jìn)行通信，不再主要依據(jù)車載信號(hào)來進(jìn)行行車，實(shí)現(xiàn)了列車與列車之間相互通信。新系統(tǒng)取消了聯(lián)鎖設(shè)備，也就減少了聯(lián)鎖關(guān)系的相互制約，各個(gè)線路之間能更好地兼容，運(yùn)行效率也會(huì)大幅度提升。

數(shù)字電子技術(shù)、無線通信以及自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，基于車-地通信的CBTC 系統(tǒng)很大可能會(huì)被基于車-車通信的CBTC 系統(tǒng)取代，成為未來軌道交通常用的信號(hào)系統(tǒng)。2014 年，文獻(xiàn)［2］以列車實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)為模型對CBTC 的系統(tǒng)組成、功能以及各個(gè)系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信進(jìn)行了分析與研究。2016 年，文獻(xiàn)［3］在列車與列車之間實(shí)時(shí)通信為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的整個(gè)控制邏輯進(jìn)行了詳述。在我國相關(guān)的軌道機(jī)構(gòu)也對列車與列車之間的相互通信進(jìn)行了獨(dú)立的研究。如青島地鐵在6 號(hào)線也進(jìn)行了無人駕駛系統(tǒng)的驗(yàn)證等。

就目前的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)使用的是IEEEl474 標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)設(shè)備無論是采購國外的信號(hào)供應(yīng)商還是國內(nèi)的信號(hào)設(shè)備供應(yīng)商，均是采用的IEEEl474標(biāo)準(zhǔn)。在基于車-地通信的CBTC 系統(tǒng)中大部分采用了移動(dòng)閉塞或者準(zhǔn)移動(dòng)閉塞，但還是存在系統(tǒng)的缺陷：（1）車載設(shè)備、軌旁設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備等各個(gè)子系統(tǒng)之間接口多，不同廠家的信號(hào)系統(tǒng)都是不一樣的，系統(tǒng)復(fù)雜性高；（2）計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、區(qū)域控制器、軌旁車載設(shè)備等軌旁設(shè)備多，設(shè)備的人工維修成本大；（3）列車是和地面之間通過軌旁無線AP 實(shí)時(shí)通信，通過地面信息確定列車的精確位置，如果前方列車出現(xiàn)故障，不能及時(shí)地應(yīng)對，追蹤列車之間的信息交互需要通過區(qū)域控制器來實(shí)現(xiàn)。增加了不安全因素，影響了行車效率。（4）軌旁的聯(lián)鎖設(shè)備以進(jìn)路為條件，增加了很多限制，靈活性大大降低。新型的CBTC 系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：①取消了聯(lián)鎖設(shè)備和區(qū)域控制器；②列車的控制不需要經(jīng)過軌旁設(shè)備信息來提供，直接與車載控制器VOBC 進(jìn)行信息交互，進(jìn)路信息直接發(fā)給列車；③道岔等軌旁設(shè)備的控制不再由聯(lián)鎖控制，而是車載設(shè)備直接控制，車載設(shè)備計(jì)算完成之后控制列車的走與停?？偠灾滦偷腃BTC 系統(tǒng)取消了軌旁設(shè)備，列車與列車之間通過無線進(jìn)行信息交互，設(shè)備的減少降低了運(yùn)營成本和維修成本，取消了聯(lián)鎖設(shè)備，對系統(tǒng)的升級改造少了很多的限制，系統(tǒng)的兼容性更好，減少了升級改造成本。新型CBTC 系統(tǒng)是未來城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

一般而言，基于車地通信的CBTC 系統(tǒng)主要由ATS（列車自動(dòng)監(jiān)視)設(shè)備、軌旁ZC(區(qū)域控制器)、車載VOBC、聯(lián)鎖設(shè)備和軌旁信號(hào)設(shè)備（室外轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、信標(biāo)等）組成。該系統(tǒng)主要以進(jìn)路來觸發(fā)列車，ATS 根據(jù)運(yùn)營需求向聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)布進(jìn)路請求，聯(lián)鎖設(shè)備根據(jù)進(jìn)路表通過接口電路控制室外軌旁設(shè)備（如道岔、信號(hào)機(jī)等），把采集的軌旁設(shè)備狀態(tài)發(fā)送給ZC，ATS 把列車的狀態(tài)信息也同時(shí)發(fā)給ZC，ZC 通過綜合計(jì)算把MA（移動(dòng)授權(quán)）通過無線給VOBC。

新型CBTC 系統(tǒng)由OC 來控制軌旁信號(hào)設(shè)備，根據(jù)運(yùn)行圖，ATS 把進(jìn)路需求直接發(fā)給車載設(shè)備，追蹤列車之間直接無線通信，追蹤列車均能收到雙方的精確位置，計(jì)算自身的移動(dòng)授權(quán)距離；如果線路上有道岔區(qū)段，列車申請相應(yīng)的OC 對道岔位置進(jìn)行控制，減少了傳統(tǒng)的CBTC 系統(tǒng)由聯(lián)鎖設(shè)備來控制軌旁信號(hào)設(shè)備，再反饋給車載，減少了系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。新型CBTC 系統(tǒng)取消了聯(lián)鎖和軌旁設(shè)備，有一個(gè)問題就是軌旁設(shè)備的功能怎么實(shí)現(xiàn)，在新系統(tǒng)中，由車載控制器來實(shí)現(xiàn)舊系統(tǒng)的軌旁功能，減少了信息傳輸延遲時(shí)間，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

新系統(tǒng)中，道岔的轉(zhuǎn)換由相應(yīng)的OC 來進(jìn)行控制，不再由聯(lián)鎖設(shè)備控制，減少了信息交互的時(shí)間，在新系統(tǒng)能夠保證安全的前提下，減少了聯(lián)鎖設(shè)備的安全把控，也就減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性和設(shè)備的維修成本。新型CBTC 系統(tǒng)不再擁有聯(lián)鎖設(shè)備，其現(xiàn)在的車載控制器就要具有聯(lián)鎖的功能，包括聯(lián)鎖設(shè)備里面的進(jìn)路表、邏輯關(guān)系等內(nèi)容。在沒有硬件聯(lián)鎖設(shè)備的情況下，要依然有聯(lián)鎖設(shè)備的功能，保證列車安全高效地運(yùn)行。

基于車-地的CBTC 系統(tǒng)的通信模式是列車和地面設(shè)備之間的信息傳遞，車載設(shè)備把位置信息通過無線傳給ZC，ATS 把進(jìn)路信息傳給ZC，ZC 綜合計(jì)算出移動(dòng)授權(quán)信息，再通過無線傳給車載設(shè)備，控制列車的走與停。新型CBTC 系統(tǒng)采用車車通信方式，相鄰列車之間相互通信，能實(shí)時(shí)知道雙方位置信息，相應(yīng)的OC 計(jì)算出移動(dòng)授權(quán)，控制列車的走與停。兩種系統(tǒng)的通信模式可以看出，新系統(tǒng)減少了信息的來回交互，在傳送的信息量上也大大減少了。

道岔位置的正確轉(zhuǎn)換對列車安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。新型CBTC 系統(tǒng)的通信模式可分為廣義與狹義兩種。在廣義來說，線路的列車之間相互直接通信。ATS 發(fā)布進(jìn)路信息給車載設(shè)備和OC（對象控制器），相鄰列車的車載設(shè)備之間進(jìn)行信息交互并計(jì)算各自的MA，OC 根據(jù)列車位置和ATS 給的進(jìn)路信息對軌旁設(shè)備進(jìn)行控制。這種方式實(shí)現(xiàn)了列車之間的相互通信，但是對軌旁設(shè)備的控制還是OC 來控制，就實(shí)際增加了OC 的復(fù)雜性和接口問題。

狹義上來說，列車之間的相互通信是一種更扁平化的管理模式，這種模式是軌旁設(shè)備不是由OC 直接來控制，通過車載設(shè)備來中轉(zhuǎn)，在線路由道岔的地方，會(huì)提前由相應(yīng)的OC 來申請控制權(quán)，然后根據(jù)ATS 給的進(jìn)路信息對道岔位置進(jìn)行轉(zhuǎn)換并鎖閉，列車駛過道岔后，相應(yīng)的OC 會(huì)釋放掉控制權(quán)，在注冊表中顯示為未分配狀態(tài)。這種通信模式更能體現(xiàn)“以列車為中心”的思想。

沒有聯(lián)鎖設(shè)備來把控安全，很容易出現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換不到位、道岔死鎖等情景，這些情況就要提前預(yù)設(shè)好，OC要根據(jù)相應(yīng)的情況，來對道岔進(jìn)行控制。道岔的控制要有優(yōu)先級，實(shí)行“先進(jìn)先出”原則，如相應(yīng)的OC 控制器先建立通信列車，OC 在注冊表中獲取道岔控制權(quán)后，列車先通過道岔。在這種情況下，需要考慮的一個(gè)問題就是OC 什么時(shí)候是最合適的時(shí)候建立通信。如果建立通信的時(shí)間過早或者過晚，不僅會(huì)影響列車運(yùn)行的效率，還會(huì)造成列車脫軌等不安全因素。

道岔的控制對任何通信系統(tǒng)來說都是一個(gè)安全問題。如圖1 所示，根據(jù)線路運(yùn)營需求，ATS 下發(fā)進(jìn)路命令，列車VOBC2 需要經(jīng)過道岔WD3（WD 主要是指室外設(shè)備）。在此之前，就需要對列車VOBC2 進(jìn)行排列進(jìn)路，道岔WD3 要處于定位且鎖閉。具體的流程如圖1。

圖1 列車控制并預(yù)留道岔示意

（1）列車的車載設(shè)備（VOBC2）與道岔控制單元3號(hào)（WD3）道岔建立通信；（2）列車的車載設(shè)備發(fā)送命令給3 號(hào)道岔 ，使其轉(zhuǎn)換到定位；（3）3 號(hào)道岔接到命令后，通過接口電路轉(zhuǎn)換到定位鎖閉并預(yù)留；（4）3號(hào)道岔反饋道岔定位信息給列車的車載設(shè)備，并與列車的車載設(shè)備保持通信。

列車駛過3 號(hào)道岔的控制范圍時(shí)，列車的車載設(shè)備將道岔WD3 的釋放命令發(fā)送給3 號(hào)道岔，3 號(hào)道岔的位置狀態(tài)轉(zhuǎn)換為非預(yù)留，其他列車可以使用3 號(hào)道岔。列車申請控制道岔的時(shí)機(jī)過早或者過晚，可能會(huì)出現(xiàn)脫軌或者影響行車效率的問題。列車何時(shí)申請控制道岔是研究的一個(gè)重要問題。

在新型CBTC 系統(tǒng)中，線路上的列車的車載設(shè)備與相鄰的列車能夠保持實(shí)時(shí)通信。在運(yùn)營線上的列車均可通過無線通信與其他列車信息交互，共享ATS 的數(shù)據(jù)信息。每輛列車可通過車載設(shè)備計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并與ATS 的反饋信息進(jìn)行比對。所有列車實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的通信，對通信的時(shí)延、可靠性等要求非常高，通信規(guī)模非常大，復(fù)雜性高。怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的實(shí)時(shí)共享，可以通過“云平臺(tái)”的方式實(shí)現(xiàn)，解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問題。

通過云平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)線路上所有列車相互通信，每列車的信息是可以共享的。如果在運(yùn)營過程中，有列車出現(xiàn)脫軌，或者意外情況發(fā)生時(shí)，線路上的其他列車可以根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整。這種新型的車車通信方式，很大程度上減少了目前比較常見的大事故的發(fā)生，大大降低了所有列車晚點(diǎn)的情況發(fā)生。同時(shí)，該系統(tǒng)在最大程度上保證了列車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提高了列車運(yùn)行的效率。在這個(gè)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系中，車載設(shè)備計(jì)算移動(dòng)授權(quán)完成了之前系統(tǒng)的聯(lián)鎖設(shè)備的功能，所以車載設(shè)備的硬件和軟件要求相對應(yīng)地就比較復(fù)雜，要有合適的硬件設(shè)備來完成其功能；新型系統(tǒng)中，運(yùn)行線路上的所有列車能夠?qū)崟r(shí)可靠地進(jìn)行信息交互，這對無線系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的需求。

對基于車車通信的新型CBTC 系統(tǒng)研究，來改善目前車地通信的CBTC 系統(tǒng)的一些不足，主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：

（1）基于車車通信的CBTC 系統(tǒng)取消了聯(lián)鎖設(shè)備，少了很多系統(tǒng)限制，系統(tǒng)的復(fù)雜性小，大大增強(qiáng)了軌道交通運(yùn)營的靈活性，提高了信號(hào)系統(tǒng)的兼容性，減少了舊線的升級改造成本；（2）通過“云”平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)全線列車的實(shí)時(shí)可靠通信，線上所有列車之間能共享線路信息，實(shí)現(xiàn)全線列車相互通信，使列車更快地進(jìn)行信息交互，提高系統(tǒng)的高效安全性；（3）列車的車載設(shè)備具有聯(lián)鎖設(shè)備的功能，列車的自主性更強(qiáng)，更能體現(xiàn)以列車為中心的特點(diǎn)。