柴明東 祝陶美 王 濤

(同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，314051，嘉興//第一作者，工程師)

基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)是目前城市軌道交通中廣泛使用的信號系統(tǒng)。隨著城市軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展，對傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)的運營靈活性提出了更高的要求，并希望在一定程度上減少軌旁設(shè)備數(shù)量以減小維護(hù)成本。基于車-車通信的新型CBTC系統(tǒng)將為滿足上述需求提供新的方向。

隨著技術(shù)的發(fā)展，基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)有可能取代傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，成為今后軌道交通信號系統(tǒng)的主流。2013年，文獻(xiàn)[1]介紹了阿爾斯通在法國Lille 1號線采用精簡CBTC系統(tǒng)的方案(該方案提出了追蹤列車之間直接實時通信的構(gòu)想)。2014年，文獻(xiàn)[3]以阿爾斯通精簡CBTC系統(tǒng)為原型，提出基于車-車通信的新型CBTC系統(tǒng)構(gòu)架、功能以及子系統(tǒng)之間信息交互接口。2016年,文獻(xiàn)[4]根據(jù)列車控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢提出車-車通信的構(gòu)想，并對車-車通信信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制邏輯以及特點進(jìn)行了論述。2017年，文獻(xiàn)[6]更為系統(tǒng)地開展了對基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備相關(guān)功能的應(yīng)用研究。我國也有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)就車-車通信技術(shù)進(jìn)行立項研究。

本文在對比了現(xiàn)有的基于車-地通信的CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析，并就相鄰列車通信和全網(wǎng)列車通信等具體實現(xiàn)方案展開了討論。

1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一般而言，傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)主要包含列車自動監(jiān)控(ATS)、區(qū)域控制器(ZC)、車載控制器(VOBC)、數(shù)據(jù)庫存儲單元(DSU)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)等子系統(tǒng)。其中，DCS將各個子系統(tǒng)相連，并確保任意兩個子系統(tǒng)之間都可以相互通信。圖 1所示為一個典型的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

從圖1中可以看出，傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)采用車-地?zé)o線通信方式，將區(qū)域控制器作為軌旁核心設(shè)備，由區(qū)域控制器完成列車的移動授權(quán)計算和聯(lián)鎖運算并發(fā)送給車載控制器。中心控制設(shè)備將行車指揮權(quán)交給軌旁控制設(shè)備，軌旁控制設(shè)備發(fā)送控制命令至軌旁受控設(shè)備；也可以由控制中心直接控制軌旁受控設(shè)備；軌旁監(jiān)測設(shè)備將接收到的軌旁受控設(shè)備的狀態(tài)信息處理后發(fā)送給中心控制設(shè)備；中心控制設(shè)備與列車(必要時)、軌旁控制設(shè)備與車載無線設(shè)備分別通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接，完成數(shù)據(jù)通信。

圖1 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念示意圖

雖然傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)在技術(shù)上已較為成熟，并得到了廣泛應(yīng)用，但其系統(tǒng)接口過于復(fù)雜，某種程度上仍不利于維護(hù)，且車-地通信數(shù)據(jù)流量較大，難以進(jìn)一步縮短通信時延。

1.2 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相對傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)取消了計算機(jī)聯(lián)鎖(CI)子系統(tǒng)和ZC，加入了對象控制器(Object Controller)。VOBC和對象控制器共同作用，實現(xiàn)了原ZC和CI子系統(tǒng)的功能。各個子系統(tǒng)都由DCS相連。本文給出了一種基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)構(gòu)架,如圖2所示。

對比圖1，圖2中減少了軌旁ZC、CI及其對應(yīng)的與各個子系統(tǒng)間的接口，增加了列車與列車之間的通信接口、軌旁受控設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)的接口,以及對象控制器。對象控制器用以實現(xiàn)列車對軌旁道岔及屏蔽門等設(shè)備的控制，以及軌旁監(jiān)測設(shè)備向車載通信設(shè)備直接反饋實時狀態(tài)信息。

圖2 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念示意圖

2 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的功能原理

基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)由于取消了軌旁核心設(shè)備ZC，在功能原理和功能分配上與傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)有較大的差別。基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)基本功能原理如圖3所示。其主要分為三個功能層次，即車-車通信的VOBC、對象控制器和ATS功能。

基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)功能主要集權(quán)于VOBC，VOBC通過無線網(wǎng)絡(luò)直接和鄰車、ATS進(jìn)行通信。這種方式減少了信息傳輸經(jīng)過的接口，縮短了VOBC獲取信息的時間，提高了VOBC的反應(yīng)速度，使整個系統(tǒng)的運行性能得到了提高。在車-車信息傳遞過程中，VOBC的通信模塊在軟件和硬件上要具備冗余結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)符合故障-安全原則。

圖3 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)基本功能原理圖

對象控制器通過接收VOBC所發(fā)出的控制命令來控制道岔、站臺門等軌旁聯(lián)鎖設(shè)備。同時，對象控制器向VOBC和ATS反饋軌旁設(shè)備的實時狀態(tài)。列車通過接收到的相關(guān)信息進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯計算，并實時向?qū)ο罂刂破靼l(fā)出征用命令和控制命令，從而提高了系統(tǒng)運行靈活性。

在車-車通信正常狀態(tài)下，ATS負(fù)責(zé)監(jiān)督列車與對象控制器等軌旁設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)難以保證列車運行效率時，ATS根據(jù)車流情況對全局或相關(guān)部分列車進(jìn)行運行計劃調(diào)整，并向所有VOBC和對象控制器發(fā)送調(diào)整后的計劃或控制命令。

3 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)方案

3.1 只與相鄰列車通信

在這一方案中，所有列車只與其相鄰的前車和后車進(jìn)行通信。相鄰兩車之間通過無線接入點(AP)進(jìn)行信息交互，后車得到前行列車位置信息并計算移動授權(quán)；同時，列車通過AP將自身數(shù)據(jù)發(fā)送給ATS進(jìn)行報備。ATS下發(fā)給線路列車的信息為相應(yīng)列車的前后車數(shù)據(jù)信息，列車的VOBC將車-車之間交互獲得的數(shù)據(jù)信息與ATS反饋的信息進(jìn)行核對后，計算其速度曲線。

列車只與相鄰列車通信的概念模型如圖4所示。在該方案下，為保證相鄰列車之間的通信質(zhì)量和通信覆蓋面，列車可通過兩個AP將數(shù)據(jù)信息同時發(fā)送給相鄰列車，如列車3的數(shù)據(jù)信息傳輸途徑；也可通過同一個AP分別轉(zhuǎn)發(fā)給兩列相鄰列車，如列車2的數(shù)據(jù)信息傳輸途徑。

該方案的優(yōu)點是在一定程度上減輕了VOBC處理信息和計算的負(fù)擔(dān)。由于相互通信的列車數(shù)量較少，列車可以迅速做出動態(tài)計劃變更。其缺點在于列車只與相鄰列車在小范圍內(nèi)進(jìn)行通信，不能得到全線列車的具體情況，也不能將自身行車計劃的變更及時通知給線路上的每一列列車。在此情況下，當(dāng)列車進(jìn)行一定幅度的動態(tài)計劃變更時，極易產(chǎn)生“多米諾骨牌效應(yīng)”，使其后的每一列列車均被動地改變行車計劃，造成全線路列車大面積的晚點，影響全線運營效率。

3.2 全線所有列車可相互通信

在這一方案中，某一列車的VOBC可與線路上的其他列車保持實時通信。線路上的每一列列車均通過通信網(wǎng)絡(luò)向線路上的其他列車及ATS發(fā)送列車實時數(shù)據(jù)信息，列車的VOBC將接收到的線路上其他列車的實時信息和ATS所反饋的信息進(jìn)行核對，然后計算出列車運行曲線。

全線所有列車可相互通信的概念模型如圖5所示。由于系統(tǒng)的通信規(guī)模龐大，且對通信質(zhì)量有很高的要求，該方案可借助“云平臺”實現(xiàn)資源與信息的共享。列車將自身數(shù)據(jù)信息上傳到“云”中，供線路上其他列車以及ATS調(diào)用，實現(xiàn)列車之間的數(shù)據(jù)信息快速共享，也相應(yīng)解決現(xiàn)有通信設(shè)備難以實時高效完成全線列車通信的問題。

這種通信方案的優(yōu)點是任一列車都可掌握線路上其他列車的信息。當(dāng)線路上某一列車出現(xiàn)異常狀況時，列車可根據(jù)自身情況預(yù)先做出運行計劃變更。全線所有列車的信息共享，可以大幅度減少因某一列車故障導(dǎo)致其后行所有列車晚點的情況發(fā)生。該通信方式也可以更好地保證列車運行的安全。但是，該方式需要VOBC處理較大的信息，故要求VOBC具備與其信息處理功能相適應(yīng)的硬件資源；此外，線路上的每一列列車均需保持良好的實時通信和信息共享，這也對無線通信設(shè)備的性能提出了更高的要求。

圖5 全線所有列車可相互通信的概念模型

3.3 兩種通信方案的對比

對比上述兩種通信方案，列車只與鄰車通信(方案一)，雖然保證了列車之間通信的時效性，但難以在特殊情況下保證線路的運營能力；全線路所有列車可相互通信(方案二)，可以保證全線路的運營能力，但為保證其高質(zhì)量信息共享，需要相應(yīng)配置列車運行管理“云”等資源共享平臺。因此，在列車運行間隔相對較大、運行列車較少線路上，可以使用方案一；在列車運行間隔小、運行密度大的線路上，方案二更加適合。

4 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)VOBC的主要功能

由于基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)是集權(quán)于VOBC的列車運行控制系統(tǒng)，因此其功能分配與傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)有較大的差別。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中的軌旁核心功能基本都移至基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)中的VOBC上實現(xiàn)。基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的VOBC功能和傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的VOBC功能的區(qū)別見表 1。

表1 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的VOBC與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的VOBC的功能對比

4.1 聯(lián)鎖計算功能

基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)在執(zhí)行進(jìn)路過程中，由VOBC完成聯(lián)鎖計算，并向?qū)ο罂刂破靼l(fā)送相應(yīng)的征用請求和控制命令，再由對象控制器控制道岔動作，從而實現(xiàn)進(jìn)路控制。列車進(jìn)路完成后，自動取消對對象控制器的征用，供后行列車使用。通過這種方式，各個子系統(tǒng)間的接口數(shù)量可以大量減少，數(shù)據(jù)信息的傳遞時間也可以相應(yīng)縮短。這改變了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中由ZC計算移動授權(quán)并轉(zhuǎn)發(fā)ATS調(diào)整信息給列車的方式，使列車運行靈活性更高?；谲?車通信的CBTC系統(tǒng)中雖然取消了ZC，但VOBC和對象控制器的共同作用依舊可以保證列車的運行安全。

在線路異常情況下，如果VOBC難以處理聯(lián)鎖信息，為保證全線路列車的運行安全和秩序，ATS將根據(jù)全線列車和對象控制器反饋的信息，對線路上所有列車的運行計劃進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整，列車按ATS下達(dá)的運行計劃運行。

4.2 移動授權(quán)功能

在基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)中，VOBC還具有自身移動授權(quán)計算的功能。后行列車在得到前行列車的位置后，對應(yīng)的VOBC可以根據(jù)該位置信息計算列車的移動授權(quán)和速度曲線。

VOBC不間斷地與相鄰列車通信，并計算移動授權(quán)，實現(xiàn)移動閉塞。在列車運行過程中，由于前行列車相對位置不停地變化，VOBC計算的移動授權(quán)也不斷地更新。列車之間的通信必須保證嚴(yán)格的時效性。

4.3 控制模式管理

從行車調(diào)度和聯(lián)鎖控制的角度，基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的控制模式有以下兩種：①VOBC主控，ATS輔助監(jiān)督；②控制中心ATS主控。VOBC需具備相應(yīng)的模式管理功能，在一定的條件下實現(xiàn)以上兩種控制模式的轉(zhuǎn)換。

正常情況下，所有列車及軌旁設(shè)備都工作在VOBC主控模式下。

VOBC的通信模塊要具有識別和處理異常數(shù)據(jù)信息的功能，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警和記錄。當(dāng)列車接收到異常數(shù)據(jù)時，列車將根據(jù)自身運行情況判定風(fēng)險等級。在列車不能處理自身異常情況下，列車的行車指揮權(quán)由車載控制轉(zhuǎn)為控制中心控制?？刂浦行闹苯訉α熊囅逻_(dá)調(diào)度命令，指揮列車安全運行。若車-車通信方案選用方案一，故障列車通信異常會影響其前后相鄰列車的位置確認(rèn)，則故障列車及其前后列車均轉(zhuǎn)為控制中心ATS主控，其余列車仍保持VOBC主控。若車-車通信方案采用方案二，由于全線列車信息共享，某一列車的故障會造成全線列車的錯誤判斷，則需將全線列車的控制轉(zhuǎn)為列控中心ATS主控，由ATS直接對全線列車下達(dá)調(diào)度計劃，列車按計劃運行。不論選擇哪一種方案，當(dāng)系統(tǒng)局部或整體失去通信時，按照故障-安全原則，失去通信的列車將緊急制動，等待通信恢復(fù)，必要時ATS可通過其他方式向列車下達(dá)緊急調(diào)整命令。

在列車通信恢復(fù)正常后，管理模式切換回VOBC主控。實現(xiàn)切換可以有兩種協(xié)商方案。其一，由ATS判定列車VOBC是否恢復(fù)正常通信功能，并向VOBC發(fā)起詢問;VOBC根據(jù)自身通信狀態(tài)，在VOBC收發(fā)數(shù)據(jù)信息符合準(zhǔn)確、安全的前提下，接受ATS的授權(quán)，完成由控制中心ATS控制向VOBC控制的切換。其二，VOBC判定自身通信功能恢復(fù)正常后，向ATS發(fā)送請求；ATS通過對VOBC的監(jiān)視，判定VOBC是否可以取得控制權(quán)，條件判定符合后，恢復(fù)VOBC主控模式。

5 結(jié)語

從目前通信技術(shù)和列車運行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)符合軌道交通信號系統(tǒng)精簡、高效和安全的發(fā)展需求[4]。本文給出了基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的理論構(gòu)架，并對基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的兩種方案進(jìn)行對比，為該系統(tǒng)適應(yīng)不同的線路需求提供選擇方案。同時，分析了基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的VOBC的功能，構(gòu)建了在車-車通信下的列車運行控制流程和故障模式處理的理論基礎(chǔ)。本文討論的方案預(yù)示著：①基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)可不受軌旁設(shè)備的限制，這為列車跨線運營提供了更好的條件，便于實現(xiàn)線路的互聯(lián)互通；②配置列車運行管理“云”資源共享平臺，可使列車更快地上傳和下載大流量的信息；③列車的VOBC具備更強(qiáng)的自主運營和調(diào)整能力，有助于使列車行車調(diào)度更加智能化。

綜上所述，基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)具有很大的發(fā)展空間，其理念有望成為今后軌道交通信號系統(tǒng)發(fā)展的新方向。但該系統(tǒng)的VOBC是否可以弱化甚至取代ATS的職能，以及整個系統(tǒng)在失去通信情況下的具體應(yīng)急方案等問題，可在后續(xù)進(jìn)一步展開研究。