基于車車通信的CBTC系統(tǒng)*

黃蘇蘇 馮浩楠

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京；2.國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心，100081，北京 ∥ 第一作者，助理研究員)

軌道交通系統(tǒng)需要使用先進的信號系統(tǒng)和通信方式來控制列車運行、保障行車安全、提高運輸效率、節(jié)約能源并減少維護費用、改善員工勞動條件和用戶體驗。歐洲、北美的軌道交通信號系統(tǒng)與中國的軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展過程相似，卻又因為不同的國家情況、地理位置及實施目的而各有差異。

1 世界主流軌道交通信號系統(tǒng)介紹

1.1 歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)

ERTMS(歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng))是由歐盟制定的鐵路信號管理和互操作標準體系，由GSM-R(全球移動通信-鐵路)、ETCS(歐洲列車控制系統(tǒng))、ETML(歐洲鐵路運輸管理層)組成。ETCS可以分為車載和軌旁兩個子系統(tǒng)。其中，根據應用等級的不同，軌旁子系統(tǒng)由應答器、沿線的電子單元、GSM-R(全球移動通信-鐵路)、RBC(無線閉塞中心)、歐標環(huán)線、無線接入單元、密鑰管理中心(KMC)、公鑰基礎設施(PKI)組成。車載子系統(tǒng)由ETCS車載設備和GSM-R無線系統(tǒng)的車載部分組成。具體系統(tǒng)結構和通信協(xié)議見圖1。

圖1 ERTMS結構和通信協(xié)議示意圖

ETCS運行等級是表達軌道和列車之間操作關系的一種方式，其定義與所使用的軌旁設備、車地通信方式、車載和軌旁設備分別處理的功能有關。

1) ETCS-0級：配備了ETCS的列車在未配備任何列車控制系統(tǒng)的線路上運行，或者在配備了ETCS軌旁系統(tǒng)或歐洲各國的國家級列車控制系統(tǒng)的線路上運行，但目前無法在它們的監(jiān)督下進行操作。

2) ETCS-NTC級：配備了ETCS的列車在配備國家級列車控制系統(tǒng)的線路上運行。

3) ETCS-1級：配備了ETCS的列車在配備歐標應答器、歐標環(huán)線或無線電填充設備的線路上運行。

4) ETCS-2級：配備ETCS的列車由RBC控制，并在配備歐標應答器或歐標環(huán)線的線路上運行。其中列車位置和列車完整性證明由軌旁設備提供。

5) ETCS-3級：類似于ETCS-2級，但系統(tǒng)需根據車載收到的信息進行列車位置和列車完整性監(jiān)督。

1.2 美國主動列車控制系統(tǒng)

美國國家運輸安全委員會早在1971年就要求采用更先進的技術措施去防護鐵路運輸中的人因故障。1994年美國聯(lián)邦鐵路管理局在鐵路通信和列車控制方面向國會提交了一份報告，提出了PTC(主動列車控制)系統(tǒng)，并于2004年向國會撥款委員會提交了一份關于PTC系統(tǒng)優(yōu)勢和成本的報告[3]。

基于美國鐵路貨運居多的特點，PTC 標準在制定之初，決定通過在既有傳統(tǒng)信號系統(tǒng)上疊加車載列控來加強安全保障，并側重考慮了低成本、兼容通用、無線通信、衛(wèi)星定位、集中控制以及易于維護等原則。目前通過驗證的美國PTC系統(tǒng)支持的列車最高運營速度為177 km/h。PTC系統(tǒng)的理念與世界主流列車運行控制系統(tǒng)相關標準不同,這些特征反映出美國鐵路的運營需求及發(fā)展特點。該系統(tǒng)主要由衛(wèi)星定位系統(tǒng)、軌旁信號設備、室內信號設備、控制中心調度系統(tǒng)組成。PTC系統(tǒng)基本的列車運行控制原理為：使用GPS計算列車到授權邊界的距離；如果司機沒有在限速范圍內減速，PTC系統(tǒng)給出警告；如果司機沒有在限速范圍內剎車，PTC系統(tǒng)觸發(fā)緊急制動。

美國鐵路公司向聯(lián)邦鐵路管理局(FRA)提交的報告顯示，截至2017年，全美68%的貨運機車和50%的客運機車已經安裝并運行了PTC系統(tǒng)[4]。大多數(shù)PTC系統(tǒng)是依靠軌旁的固定轉發(fā)設備與GPS(全球定位系統(tǒng))結合的方式來和列車進行單向信息通信，以滿足PTC系統(tǒng)的基本要求。只有少數(shù)系統(tǒng)能夠與計算機輔助調度系統(tǒng)進行實時雙向通信。

1.3 城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)

城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)是基于列車和軌旁設備之間的雙向連續(xù)通信和列車能被準確定位這兩個基礎發(fā)展而來的。CBTC系統(tǒng)能夠在保持甚至提高安全性的同時改善追蹤間隔。現(xiàn)代CBTC系統(tǒng)允許存在不同的自動化等級(GoA)，如IEC 62290-1:2014[5]中定義和分類了5個級別的列車自動化等級，見圖2。典型的CBTC架構通常包括車載ATP(列車自動保護)子系統(tǒng)、車載ATO(列車自動運行)子系統(tǒng)、區(qū)域控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

圖2 CBTC系統(tǒng)總體示意圖

目前，CBTC技術已經成功應用于各種實際項目中，包括部分采用短軌、運營車輛數(shù)量有限和運營模式較少的線路，如舊金山和華盛頓的機場APM(自動旅客捷運系統(tǒng))；同時還能覆蓋日載客量超過100萬人次，且擁有超過100列列車的復雜鐵路網絡，如馬德里地鐵1號線和6號線、深圳地鐵3號線、巴黎地鐵部分線路、紐約市地鐵和北京地鐵、倫敦地鐵網絡等?；谲囓囃ㄐ诺腃BTC系統(tǒng)更需要一個靈活的結構，既能應對稀疏線網，也能應對城市中心的繁忙線路。

2 基于車車通信CBTC系統(tǒng)的基本特征

由于各個國家的習慣、語言、地理位置等條件不同，鐵路信號系統(tǒng)的需求在不同國家、不同城市都不盡相同，這使得鐵路信號系統(tǒng)幾乎已經成為一個定制系統(tǒng)，每條線路、每個項目都需要根據實際情況進行調整。隨著現(xiàn)代城市的不斷發(fā)展，預期下一代的鐵路信號系統(tǒng)解決方案不僅需要降低成本，還需要為密集城市網絡與其周邊的郊區(qū)/干線網絡之間的平滑連接提供有效的技術手段，并能夠適應以下不同類型的鐵路需求。

1) 城市軌道交通系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要在完全獨立的基礎設施上運行，旅客密集且發(fā)車間隔短，具有非常高的性能要求。

2) 干線鐵路系統(tǒng)。該系統(tǒng)連接各個城市的干線鐵路系統(tǒng)。

3) 區(qū)域/市郊鐵路系統(tǒng)。該系統(tǒng)是部分完全屬于主線領域的區(qū)域軌道交通系統(tǒng)。

4) 市域鐵路系統(tǒng)。

綜合而言，能夠在干線鐵路和城市軌道交通中運行的基于車車通信的CBTC系統(tǒng)將能夠提供完整的ATP、ATO、ATS功能，支持自動化等級由GOA0到GOA4的列車運行，顯著減少生命周期成本，并以較低的成本實現(xiàn)性能的整體改善。同時，這種面向未來的信號系統(tǒng)解決方案還必須能夠為不同的客戶要求提供一定的可擴展性，且能夠應對從低密度線路向高性能線路轉變的情況。

3 基于車車通信的CBTC系統(tǒng)

IEEE 1474.1—2004[6]規(guī)定：“軌道上同一方向，前后跟隨的列車必須以足夠的距離分開，這是為了確保后行列車能夠在到達前行列車的尾端位置之前，完成緊急制動?！眻D3 a)建立了相對位置的列車制動模型。該模型中，由于鋼制車輪與鋼軌之間的附著力限制了制動速度，故所需的列車追蹤間隔隨著速度的增加將急劇增加。通常在高速鐵路上，兩車的追蹤間隔距離必須要達到數(shù)公里。從固定閉塞到移動閉塞的信號系統(tǒng)升級是為了達到在這種限制內最大化線路運行容量的目的，但面對不斷增加的容量需求，原本的緊急制動原則目前正面臨挑戰(zhàn)[7]。

如果兩列列車具有相似的制動速率，則列車可以更緊密地連接在一起。列車之間的通信鏈路可以確保若前行列車開始制動，則后行列車即執(zhí)行相同的操作，并且在兩列列車一同減速時保持分離，見圖3 b)。該操作模式的先例是在道路交通中，車輛通常基于行駛間距運行，且駕駛員根據前方車輛的制動燈作出反應，而非依賴列車停止的完全制動距離。道路交通實現(xiàn)的安全水平比鐵路的需求低，究其原因主要是由于對司機駕駛技術的依賴。伴隨著鐵路列車自動化等級的提高，以及全自動駕駛的推廣，其安全性將得到保障。此類概念通常被其支持者稱為“ERTMS4級”、“列車車隊”或“虛擬連掛”，并在國家和國際研究議程中有所體現(xiàn)，如英國鐵路技術戰(zhàn)略和歐洲Shift2Rail 研究計劃[8]。

圖3 相對位置和相對速度模式下的列車制動模型[8]

圖4比較了以軌旁為中心的CBTC系統(tǒng)的控車信息交換方式和基于車車通信的CBTC系統(tǒng)的控車信息交換方式。以軌旁為中心的CBTC系統(tǒng)中，ATS將進路請求發(fā)送給聯(lián)鎖系統(tǒng)，同時將列車移動命令發(fā)送給區(qū)域控制器。聯(lián)鎖系統(tǒng)通過軌旁控制器操作轉轍機、信號機及部分次級檢測設備，并將進路辦理完成并鎖閉的狀態(tài)發(fā)送給區(qū)域控制器，同時反饋給ATS。區(qū)域控制器根據聯(lián)鎖的進路狀態(tài)和ATS的列車移動命令計算移動授權，并將其發(fā)送給車載設備并持續(xù)地管理列車位置。區(qū)域控制器將列車位置信息反饋給ATS，并將進路占用/不占用的狀態(tài)命令反饋給聯(lián)鎖。這一系列過程中，整個CBTC系統(tǒng)需要一個周期來等待多個子系統(tǒng)的數(shù)據保持一致。該等待周期雖然可以不斷優(yōu)化，卻始終影響整個CBTC系統(tǒng)的反應效率。

基于車車通信的CBTC系統(tǒng)無需同步軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)，其中ATS將列車移動命令直接發(fā)送給車載，車載控制軌旁的對象控制器占用/釋放軌道資源、操作轉轍機等，進路狀態(tài)信息和列車狀態(tài)信息則由車載直接反饋給ATS。該設計基于同質的“交通安全”設計原則，整個系統(tǒng)可以集中提高追蹤間隔、操作靈活性，以及保障系統(tǒng)性能穩(wěn)健，能夠更快地響應未來多樣化的列車運營場景。

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，基于車車通信的CBTC系統(tǒng)的核心概念如下：

1) 傳統(tǒng)聯(lián)鎖的功能被重新分配到車載和軌旁的對象控制單元，列車可以直接占用、釋放軌旁資源，自主排列進路；

2) 使用車車直接通信的方式獲取列車狀態(tài)信息，以及計算列車移動授權。列車能夠自主定位并通過與區(qū)域內的其它列車直接通信，結合車載電子地圖，自主計算本車的移動授權。

基于車車通信的 CBTC系統(tǒng)結構改變了傳統(tǒng)由地面計算列車移動授權的方式，減少了軌旁設備，節(jié)約了成本，同時減少了相關子系統(tǒng)和子系統(tǒng)間的接口，優(yōu)化了整個信號系統(tǒng)構架。優(yōu)化后的以列車為中心的CBTC系統(tǒng)能夠最大化地提高線路容量、實現(xiàn)運輸靈活性并提高效率。

4 基本應用場景

基于車車通信的CBTC系統(tǒng)能夠支持更多樣化、更靈活的運營場景：列車自主操作進路，列車折返，虛擬連掛。

4.1 列車自主操作進路

列車接收到來自控制中心的目的任務信息，車載自主判斷其所需的進路信息和相關進路資源。列車運行過程中經過道岔時，通過占用軌旁的對象控制器操作道岔并占用線路資源，從而實現(xiàn)自主操作進路，如圖5所示。具體操作過程如下：

圖5 列車自主通過道岔場景示意圖

1)列車獲得下一個運行任務信息，車載自主計算出到達目標點的進路及進路所需的軌道資源，此時列車的移動授權僅為前方道岔。

2)列車向進路所需的下一個道岔的對象控制器發(fā)送軌道資源占用請求，此時列車的移動授權僅為前方道岔。

3)軌旁的對象控制器控制轉轍機動作后鎖閉，同時鎖閉該道岔的側沖防護資源，完成后將占用信息發(fā)送給列車。對象控制器管理道岔的轉轍機和側沖防護，此時列車的移動授權仍然為前方道岔。

4)列車檢查線路上相鄰范圍內列車的車車通信信息，對本車的移動授權進行安全校核，此時列車的移動授權仍然為前方道岔。

5)列車移動授權向前延伸，列車向前運行。

6)列車運行通過道岔。

7)列車運行到離開道岔的側沖防護范圍時，向該道岔的對象控制器發(fā)送釋放資源的請求，對象控制器收到信息后釋放轉轍機和側沖防護資源。

4.2 列車折返

列車折返一直是傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)效率無法真正提高的瓶頸。無論正線列車追蹤間隔多短(目前最小的正線列車追蹤間隔時間能到達60 s)，如果列車在折返時的效率無法提高，則所有列車都需要在折返軌處等待。目前最小的折返間隔時間一般約為3 min，在部分老舊線路，特別是折返時牽出線較長的線路，列車折返將需要更長的時間。

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)和基于車車通信的CBTC系統(tǒng)列車折返場景對比如圖6所示。在基于車車通信的CBTC系統(tǒng)中，前行列車離開最后一個道岔的側沖防護區(qū)域時，后行列車就可以開始運行。而傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)則需要前行列車離開包含最后一個道岔的進路，后行列車才能運行。相比而言，基于車車通信的CBTC系統(tǒng)中后行列車可以更早地開始移動，轉轍機也可以更早地開始動作，該系統(tǒng)在提高折返效率方面有更好的表現(xiàn)。同時由于該系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)，其反應時間會比傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)更短，使得系統(tǒng)折返效率相應提高。

圖6 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)和基于車車通信的CBTC系統(tǒng)列車折返場景對比

4.3 虛擬連掛

基于車車通信的CBTC系統(tǒng)中一個比較容易推廣的方案是虛擬連掛。通過列車與列車之間的直接通信，使兩列追蹤列車形成一個虛擬連掛的小編組，從而優(yōu)化和縮短列車追蹤間隔。在列車小編組范圍內，前行列車通過點對點的通信向后行列車報告它的位置、速度、移動授權等信息，且允許后行列車立即調整其速度。后行列車的ATO根據前行列車的運行狀態(tài)信息，并結合本車的測速定位信息來控制后行列車，使其保持一個動態(tài)的安全距離去跟隨前行列車運行。在這個虛擬連掛的小編組中，相鄰兩列列車之間能夠通過自主定位和車車直接通信技術維持一個非常近的距離[9]。

此處的虛擬連掛小編組可以覆蓋傳統(tǒng)的 CBTC系統(tǒng)，但需要傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)升級部分列車忽略信號。在未定義所謂的“跟隨運行”是否達到虛擬連掛狀態(tài)，或者列車之間的距離是否更大時，后行列車總是會停車等待。第1列列車稱為“主車”，在公共進路的起始處通過道岔并發(fā)起跟隨運行。后行列車進入被占用的區(qū)域并自行負責保持與前行列車的相對制動距離。

前行列車起動占用區(qū)段，后行列車起動釋放區(qū)段。兩列列車均知道其解掛的道岔位置以及周圍的信號狀態(tài)。在前行列車未出清道岔前，后行列車占用解掛道岔處的對象控制器并保持絕對緊急制動距離。在解掛之后，列車遵循傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)規(guī)則運行,并跟隨至運行結束。

5 結語

相比傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，基于車車通信的CBTC系統(tǒng)能夠精簡軌旁設備、提高信號系統(tǒng)反應時間、提高列車運行效率、降低運營維護成本，并且能滿足更多新的運營需求，在一定程度上可提高整個鐵路行業(yè)的智能化水平。

實現(xiàn)基于車車通信的CBTC系統(tǒng)最關鍵的技術是列車與列車之間的直接通信，主流的技術研究主要集中在TETRA(泛歐集群無線電)、ITS-G5(智能交通系統(tǒng)-G5)、LTE(長期演進)版本等方向。此外，要完整地實現(xiàn)全部的系統(tǒng)功能，還需要列車的自動化等級達到GOA3 或GOA4。列車能夠自主地完成完整性檢查和精確定位，軌旁系統(tǒng)還要具備能夠通過無線連接的智能控制單元的功能。目前基于車車通信的CBTC系統(tǒng)中部分技術還未真正進入實際應用階段，世界各地的研究人員仍在不遺余力地為其努力。