城市軌道交通信號系統新技術發(fā)展應用前景

雷錫絨

（西安鐵路職業(yè)技術學院 副教授 陜西 西安 710014）

近年來，在我國各大城市軌道交通向網絡化、智能化、信息化方向邁進的同時，全自動駕駛技術、車-車通信技術、互聯互通技術、信息化技術也發(fā)展迅速，這些新技術具有自動化水平高、集成度高、軟硬件資源共享等優(yōu)勢，是智慧城市軌道交通信號系統技術發(fā)展的方向。

1 全自動駕駛FAO

1.1 全自動駕駛日常運營場景描述城市軌道交通列車全自動駕駛系統具有列車運行性能更佳、安全可靠性更高、運能增大、運輸成本降低等優(yōu)勢，是軌道交通技術發(fā)展的方向。全自動駕駛的列車出庫投入運營前，上電從休眠狀態(tài)自動喚醒、進行綜合自檢、自動啟動行駛到轉換軌、進入正線升級至CBTC系統、按照時刻表載客運營、完成站間行駛、到站精準停車、自動開關車門、自動發(fā)車離站、自動折返、完成運營后入庫自動對位停車、上傳當天運行數據、自動斷電休眠［1］。全自動駕駛日常運營流程如圖1所示：

圖1 全自動駕駛日常運營流程

1.2 全自動駕駛自動化級別全自動駕駛FAO 包括DTO 和UTO。DTO 為無司機但有人值守的自動駕駛模式，正常情況系統控制列車自動運行，異常情況人工隨時介入干預。UTO 為完全無人的自動駕駛模式，正常情況系統控制列車自動運行；大多異常情況下，信號、車輛、綜合監(jiān)控等多系統間可實現信息綜合、聯動控制功能，安全和效率均達到最佳。

1.3 全自動駕駛的關鍵技術點及應用

1.3.1 聯動功能 行車綜合自動化系統TIAS 高度集成列車自動監(jiān)控ATS 系統、變電所綜合自動化系統、環(huán)境與設備監(jiān)控系統、廣播系統、閉路電視系統、乘客信息系統、互聯門禁系統、時鐘系統、站臺門等系統，實現整個地鐵運營系統的綜合信息顯示、集中控制、程序聯動。

場景舉例：段場早間列車上電和自動喚醒聯動流程如圖2所示：

圖2 列車上電和自動喚醒聯動流程

1.3.2 自動化功能 信號CBTC 系統架構上增加設備，新增自動化功能。全自動駕駛CBTC 系統與傳統CBTC系統相比，車載主要增加喚醒休眠模塊，地面主要增加智能化車輛段ATP/ATO 設備［2］，新增如下功能：

1）正線運行。站臺自動對位調整、全自動發(fā)車、遠程自動清客、無人自動折返和工作者防護。

2）車輛段實現自動化。自動喚醒與休眠、自動出入車輛段、自動調車、自動洗車、自動庫門防護、有人區(qū)與無人區(qū)隔離。

3）應急處理。蠕動、站臺門與車門對位隔離、緊急手柄與火災等系統聯動、車輛監(jiān)測信息處置及上報、遠程操控、乘客疏散及應急逃生、站臺關車門與清客確認。

1.3.3 實現全系統硬件冗余 全自動駕駛車載系統和地面系統均按冗余方式配置。車載系統包括列車數據管理系統TDMS、速度傳感器、天線等。地面系統包括軌旁ATP、軌旁聯鎖、軌旁ATS、繼電器（用于道岔驅動采集、計軸接口、洗車機、車庫門等。

1.3.4 系統軟件升級并提高運行的穩(wěn)定性 全自動駕駛CBTC系統和傳統CBTC系統相比，更多的是功能性需求增加，這就需要信號系統與諸多外部系統進行接口，實現集中監(jiān)視、綜合聯動。如此龐大、復雜的控制系統，需從軟件架構層面重新設計。一般采用既有系統軟件逐步升級的方式（模塊化和層次化的軟件設計使得系統可方便地進行升級和外部擴展），最終的軟件系統要保障整個系統運行的穩(wěn)定性。

2 基于車-車通信的新型CBTC系統

目前我國城市軌道交通信號系統都采用的是車-地通信的CBTC 系統，隨著技術的進一步發(fā)展，基于車-車通信的新型CBTC 系統將會取代現有的CBTC 系統，因為基于車-車通信的新型CBTC 系統具有車載設備集成度高、軌旁設備減少、系統接口數量減少、系統復雜度降低等特點，可以在保證安全的前提下，為運營提供更加靈活和多樣化的運輸組織方案，因此，該系統是城市軌道交通信號系統技術發(fā)展的方向。

2.1 基于車-車通信的新型CBTC系統架構基于車-車通信的新型CBTC 系統，與現有車-地通信的CBTC 系統相比，簡化了軌旁設備。軌旁取消了區(qū)域控制器子系統ZC和計算機聯鎖子系統CI，新設對象控制器控制軌旁信號機、道岔、站臺門等設備，車載系統集成原軌旁ZC和CI的功能。

2.2 基于車-車通信的新型CBTC系統工作簡介

在車-車通信方式中，列車車載控制器VOBC一方面與ATS進行通信，接收ATS發(fā)送的進路信息，通過軌旁對象控制器控制道岔的轉換和進路的開通，另一方面與前行列車進行無線通信，請求前車的位置信息，根據收到的前車位置信息，快速計算自身的移動授權和相關制動曲線（無需由地面軌旁系統計算移動授權后再通過網絡發(fā)送給車載控制器），完成與軌旁相關的安全功能。

2.3 基于車-車通信的新型CBTC系統的優(yōu)勢

1）車-車通信系統的車載設備集成了車-地通信系統的列車控制功能、軌旁ZC和CI的功能，增強了各系統間的耦合度，大大簡化了系統數據交互的復雜度，減少了信號系統網絡負荷，提高了系統的信息處理速度，使得系統整體性能更好。

2）車-車通信系統軌旁取消了ZC 子系統和CI子系統，節(jié)省了設備室空間和減少了系統接口數量，系統復雜度降低，維護成本隨之降低。

3）車-車通信系統減少了車與地之間交互的數據通信量和交互時間，減少了車載控制器的反應時間，可進一步縮短運行時間間隔，與傳統的CBTC相比，可以達到60 s的間隔時間［3］。

4）車-車通信系統提升了車與車信息的交互性。后車向前車請求位置信息后，能快速計算移動授權并迅速更新運行速度曲線和制動曲線，并及時對自身的運行狀態(tài)做出調整，確保了安全。

3 城市軌道交通CBTC系統互聯互通

城市軌道交通CBTC系統互聯互通是指裝備不同CBTC廠商提供車載設備的列車可以在不同廠商提供軌旁設備的線路上運營?；ヂ摶ネǖ目傮w目標是支持軌道交通網絡運營的聯通聯運，實現軌道交通線網建設、運營和管理的資源共享。

目前我國城市軌道交通CBTC系統主要依賴于進口，各供貨商CBTC系統因接口標準不統一，無法實現互聯互通。隨著城市軌道交通建設規(guī)模的擴大，我國對軌道交通提出了“節(jié)約成本、避免重復投資、實現網絡化建設、運營、管理”的新要求。隨著中城協互聯互通標準規(guī)范制定工作的穩(wěn)步推進，CBTC系統的互聯互通勢必成為今后發(fā)展的方向。

3.1 CBTC 系統互聯互通的技術條件各互聯互通的線路采用的信號系統應采用統一的標準和規(guī)范，主要包括：

1）采用一致的系統功能定義；

2）采用一致的系統架構和功能分配；

3）采用一致的互聯互通接口規(guī)范（接口協議從物理層、協議層和應用層必須保持統一）；

4）采用一致的軌旁設計原則和設備安裝原則（應答器、信號機、計軸等安裝位置應統一或兼容；DCS軌旁漏纜、天線安裝位置應統一或兼容）；

5）采用一致的人機界面和操作方式，為調度員和司機的共享提供條件。

3.2 城軌CBTC系統互聯互通的接口規(guī)范見圖3所示［4］

圖3 城市軌道交通CBTC系統互聯互通接口規(guī)范

3.3 城軌CBTC 系統互聯互通的其他條件城市軌道交通互聯互通是一項復雜的系統性工程，除涉及信號系統自身的系統總體架構、通信協議、通信接口、工程設計標準外，還涉及線路、限界、車輛、牽引供電、運營管理體制等外部條件。

4 城市軌道交通信息化建設

4.1 加快軌道交通信息化建設的緊迫性我國城市軌道交通信息化系統由信號系統、綜合監(jiān)控系統、自動售檢票系統、綜合安防系統、通信系統、乘客資訊系統等6個子系統組成。其中信號系統是軌道交通信息化系統中需求最大的子系統。但是，到目前為止，這些子系統在信息化建設方面還存在總體架構陳舊、信息孤島嚴重、基礎設施分散、網絡資源浪費、安全管控偏弱、運維體系失衡、標準規(guī)范缺失、建管統籌乏力等弊端。為了順應城市軌道交通快速發(fā)展的形勢，貫徹“互聯網+”發(fā)展戰(zhàn)略,必須將信息技術與城市軌道交通業(yè)務深度融合,以信息化帶動軌道交通智能化，以軌道交通智能化促進信息化，為軌道交通的可持續(xù)、快速發(fā)展，提供強有力的信息技術支撐。

4.2 城市軌道交通信息化建設總體架構由“六個層面、兩大體系”構成［5］。

4.2.1 六個層面 六個層面分別為感知層、網絡層、數據層、平臺層、應用層和展示層。

1）感知層:利用多種感應器件，采用射頻技術、藍牙技術進行物體識別和信息采集。

2）網絡層：構建信息之間的有線、無線連接，實現各系統之間的快速通信。

3）數據層：是系統的數據中心，集中各類項目數據庫，支持各類業(yè)務應用系統的運行。

4）平臺層：建立各系統信息融合貫通的大數據、云計算平臺，安全、高效地完成各系統信息化數據量的儲存和處理，實現信息資源共享。

5）應用層：構建生產指揮、乘客服務、企業(yè)管理三個中心，完成乘客服務、運輸組織、安全管控、企業(yè)管理和建設管理五大業(yè)務。

6）展示層:構建城市軌道交通門戶網站，包括供內部訪問的內網業(yè)務門戶和供外部訪問的外部門戶網站。

4.2.2 兩大體系 兩大體系為技術標準規(guī)范體系和網絡信息安全體系，貫穿于城市軌道交通信息化的建設、運營、管理、維護、服務等各階段。

1）技術標準規(guī)范體系：是信息平臺建設的保障，是為信息化建設制定的軟硬件接口協議、數據格式標準、系統建設和運營組織管理的規(guī)范等。

2）網絡信息安全體系：是從設施安全、平臺安全、數據安全、通信安全、應用安全、運行安全、管理安全等層面上進行綜合的分析和管理。

5 結束語

到目前為止，全自動駕駛技術和互聯互通技術已經在我國城市軌道交通示范工程中得到應用，車-車通信技術和信息化技術中的大數據、云計算還在探索研究之中?？梢灶A見，這些新技術是城市軌道交通信號系統未來發(fā)展的方向，不久的將來，隨著這些技術的成熟并推廣應用，必將為智慧城市軌道交通帶來全新的變革。