夏庭鍇 崔 科

（卡斯柯信號有限公司,200071，上?！蔚谝蛔髡?，高級工程師）

經(jīng)過10多年的發(fā)展，CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)已經(jīng)成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的標配。當(dāng)前國內(nèi)運營的CBTC系統(tǒng)大多屬于第二代CBTC。經(jīng)過多年的實際運營考驗，這代CBTC系統(tǒng)在獲得巨大成功的同時也暴露出很多由于技術(shù)條件限制、慣性思維等原因造成的設(shè)計缺陷，這自然引發(fā)了對這代CBTC系統(tǒng)的反思和對下一代CBTC系統(tǒng)發(fā)展方向的思考。本文根據(jù)對第二代CBTC系統(tǒng)及下一代CBTC研究現(xiàn)狀的分析，總結(jié)下一代CBTC發(fā)展的可能方向，并探討這些發(fā)展方向面臨的技術(shù)風(fēng)險以及產(chǎn)品化所需的時間。

1 既有CBTC系統(tǒng)的特點

第二代CBTC系統(tǒng)基本采用的是區(qū)域控制器（ZC）+計算機聯(lián)鎖（CI）+車載控制器（VOBC）架構(gòu)，其主要特點是：

（1）所有在線車輛將其位置和狀態(tài)信息發(fā)送給ZC，ZC匯總這些信息后再發(fā)送移動授權(quán)給列車；

（2）線路資源（如軌道區(qū)段和道岔）的管理和分配由CI完成，并通知ZC；

（3）列車位置關(guān)系的計算則由ZC完成并告知CI，ZC根據(jù)CI提供的線路資源分配使用的狀態(tài)和列車提供的位置報文為列車計算移動授權(quán)。

這種CBTC設(shè)計方案有ZC和CI兩個區(qū)域控制的核心，會帶來如下問題：

（1）CBTC控制邏輯都必須經(jīng)過VOBC、ZC和CI三個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理，為了改善ZC/CI雙核心架構(gòu)帶來的系統(tǒng)效率的降低，引入了更多的請求/確認機制來盡量避免基于容忍度設(shè)計的方案。這種設(shè)計在一定程度上改善系統(tǒng)性能的同時也使得整個系統(tǒng)更加脆弱，請求/確認機制的任何環(huán)節(jié)的中斷都可能帶來整個流程的死鎖。

（2）兼顧后備模式的要求使得所有與安全相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計均必須考慮CBTC和后備混跑以及兩種模式隨時切換的場景，同時帶來軌旁設(shè)備較多而降低整體系統(tǒng)可靠性的問題。而在實際運營中，如果因ZC故障而必須降級到后備模式，時間成本可能會超過重啟ZC，且需遵循更多的安全限制。

2 下一代CBTC系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

針對當(dāng)前CBTC系統(tǒng)存在的問題，已有部分信號廠商開始投入到下一代CBTC的研究中。但總的來說，下一代CBTC的研究在當(dāng)前CBTC系統(tǒng)仍廣泛應(yīng)用且無明顯缺陷的背景下并沒有明確的方向。本文通過分析目前已有的下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計方案，試圖找出下一代CBTC系統(tǒng)發(fā)展的背后邏輯。

2.1 阿爾斯通-以列車為中心的CBTC

在目前已知的下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計方案中，阿爾斯通的新型CBTC是唯一真正付諸工程實踐的方案。根據(jù)文獻［1-2］的介紹和阿爾斯通網(wǎng)站資料，可總結(jié)出該系統(tǒng)的核心思想如下：

（1）整個系統(tǒng)以“資源管理”為核心，以車載為主導(dǎo)；

（2）所有軌道要素（道岔、軌道區(qū)段等）被抽象為“軌道資源”，由對象控制器（OC）管理；

（3）車載根據(jù)運行計劃和資源組的系統(tǒng)配置（類似進路信息）獲得需要征用的資源列表，然后向相應(yīng)的OC發(fā)起資源使用申請，OC負責(zé)計算被申請資源的狀態(tài)并決定是否可將該資源分配給車輛；

（4）車載根據(jù)從OC獲取的資源分配情況獲知其前車信息，直接向前車請求位置信息用于計算自身移動授權(quán)；

（5）對降級車輛依靠一種新型的基于RFID（射頻識別）的次級檢測設(shè)備進行管理，列車車身安裝RFID（攜帶相應(yīng)的列車ID信息），軌旁安裝讀卡器，列車經(jīng)過讀卡器時，讀卡器將讀到的列車ID信息傳送到一個中央控制器，該中央控制器根據(jù)配置數(shù)據(jù)提供的讀卡器位置信息和讀卡器提供的列車ID信息“偽造”一個列車位置報告，從而實現(xiàn)用同一個框架管理通信列車和非通信列車。

上述設(shè)計方案需要解決的一個關(guān)鍵問題是正常運營的列車如何確定其前方列車。在該方案中，列車在獲得資源分配后，可以從軌旁的OC獲得描述該資源分配狀態(tài)的“注冊表”（該資源是否可分配以及當(dāng)前占用該資源的列車信息），從而確定其前方列車的身份信息；然后通過與前方列車建立通信獲得計算移動授權(quán)需要的其他信息。其基本算法流程如圖1所示。

圖1 阿爾斯通新型CBTC的基于車車通信的前車追蹤邏輯

從其設(shè)計原理分析，相對于既有CBTC系統(tǒng)，阿爾斯通的新系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：運營效率略有提高；由于簡化了軌旁系統(tǒng)架構(gòu)，其安裝、維護和擴展成本大大降低。

2.2 日立-基于令牌環(huán)的CBTC系統(tǒng)

日立的“低成本”CBTC設(shè)計方案［3-4］也是一個比較有代表性的方案，其核心思想是構(gòu)造一個局部令牌環(huán)，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的所有設(shè)備交換信息的目的，并通過一定的注冊和注銷機制實現(xiàn)加入和退出 該通信環(huán)路。如圖2所示。

圖2 列車運行時的令牌環(huán)

日立的這個新一代CBTC系統(tǒng)特別強調(diào)了其成本低、結(jié)構(gòu)簡單的特點，但同時指出，這種系統(tǒng)架構(gòu)存在一個先天的缺陷，即信息交換的效率受限于環(huán)內(nèi)設(shè)備的數(shù)量，所以該低成本的CBTC系統(tǒng)在性能（追蹤間隔）上與第二代CBTC相比未必有優(yōu)勢。也就是說，該系統(tǒng)并沒有把提高列車追蹤效率作為創(chuàng)新點，只要求不比既有CBTC系統(tǒng)差。這個思路的可借鑒之處在于，在某些具體的應(yīng)用中，降低全生命周期成本、提高系統(tǒng)的可操作性和可靠性以及降低系統(tǒng)擴展和改造成本的需求，可能比提高追蹤效率的需求更為迫切。

該CBTC系統(tǒng)的設(shè)計思路給CBTC的研發(fā)帶來的最重要啟示是，面向不同的應(yīng)用背景（運載量、追蹤間隔的不同需求），可以考慮采用不同的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)。

2.3 泰雷茲-資源分配和釋放

除上述兩個相對完整的信號系統(tǒng)解決方案，其他信號廠商也提出了一些CBTC系統(tǒng)的設(shè)計方法。這些方法基本圍繞“資源分配”的概念來設(shè)計CBTC系統(tǒng)，其中以泰雷茲的方案最具代表性［5］。該方案的思想實際上已得到了應(yīng)用，其核心思路為：

（1）車輛為完成運行任務(wù)需占用若干進路資源。

（2）所有資源需遵循用前申請、用后釋放的原則。

（3）車輛在執(zhí)行任務(wù)前需確認所需進路資源已分配給它。

（4）資源請求接力：

·資源請求設(shè)備向資源控制器發(fā)起請求；

·資源控制器檢查被請求資源列表中的資源是否是其管理以及是否可用；

·資源控制器分配完其轄區(qū)內(nèi)資源后向其他資源控制器轉(zhuǎn)發(fā)剩余資源的分配請求；

·資源分配結(jié)束時，最后一個負責(zé)分配的資源控制器向資源分配發(fā)送設(shè)備和/或資源請求設(shè)備發(fā)送“分配完成”信息。

（5）資源競爭發(fā)生時的處理原則：

·總體遵循先到先得原則，在某些具體的應(yīng)用場景中，需防止死鎖發(fā)生；

·在某些具體實現(xiàn)中，如果在分配過程中遇到申請列表中的某個資源已分配給其他設(shè)備，則前面已經(jīng)分配的資源也會退回“未分配”狀態(tài)；

·優(yōu)先級控制和緊急請求設(shè)置。

上述基于資源管理的設(shè)計方法與信號系統(tǒng)的具體架構(gòu)無關(guān)，無論是集中式還是分布式的信號系統(tǒng)架構(gòu)均可采用該設(shè)計方法所蘊含的邏輯。實際上，所有信號系統(tǒng)的核心采用的均是基于資源管理的方法，只是在CBTC下，控制器可以得到更多更精確的信息，從而提高運行效率。

2.4 CBTC與歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）統(tǒng)一架構(gòu)的研究

歐盟也在推動下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計在標準方面的相關(guān)探索。其第7科技框架計劃支持的NGTC項目（Next Generation of Train Control Systems）就著眼于分析歐洲列車控制系統(tǒng)（European Train Control System，簡為ETCS）和CBTC系統(tǒng)功能需求的異同，以盡可能將這兩個系統(tǒng)融合進一個統(tǒng)一的框架下，提煉統(tǒng)一的包括硬件平臺和系統(tǒng)設(shè)計的需求。

NGTC的主要研究內(nèi)容包括：

（1）開發(fā)標準化的列車保護系統(tǒng)的內(nèi)核，以推進系統(tǒng)設(shè)計和硬件的標準化；

（2）解決不同供應(yīng)商間的互聯(lián)互換問題，以及干線、市郊及地鐵的聯(lián)通問題；

（3）研究基于GNSS衛(wèi)星（伽俐略衛(wèi)星定位系統(tǒng)）的虛擬信標定位技術(shù)并應(yīng)用于列控系統(tǒng)；

（4）研究移動閉塞原理在鐵路和地鐵中的應(yīng)用；

（5）研究通信技術(shù)，選擇最適合應(yīng)用于下一代列控系統(tǒng)的高效、低成本的通信方案。

其項目組織如圖3所示。

從NGTC給出的工作內(nèi)容可以看出，對地鐵信號系統(tǒng)的開發(fā)而言，最關(guān)鍵的兩點為：

（1）減少對軌旁設(shè)備的依賴，不需次級檢測設(shè)備，這在很大程度上依賴于傳感器技術(shù)的發(fā)展；

（2）系統(tǒng)的標準化，子系統(tǒng)級的互聯(lián)互通。

圖3NGTC項目組織

3 下一代CBTC設(shè)計展望

根據(jù)對當(dāng)前具有代表性的下一代CBTC系統(tǒng)的分析，不難看出，去中心化和弱化軌旁設(shè)備是CBTC信號系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。所以，下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計按其實現(xiàn)的不確定性從大到小排列，有如下三種可能方案：

首先，目前的CBTC系統(tǒng)設(shè)計方案之所以無法離開軌旁設(shè)備，最根本的原因是列車無法依靠自身配置的傳感器安全地感知周圍的線路狀態(tài)（如道岔）和障礙物信息（如其他列車）。其主要存在如下難點：

（1）沒有可以進行量化安全評估的列車周圍環(huán)境檢測方法。從功能實現(xiàn)的角度，檢測周圍環(huán)境的方法有很多，尤其近10年來無人駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展在這方面已經(jīng)積累了相當(dāng)多的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，但這些方法的安全等級很難進行量化評估。

（2）隧道環(huán)境可能影響到主動障礙物檢測的前視距離。目前無人駕駛汽車上廣泛應(yīng)用的基于視覺和基于激光雷達/毫米波雷達的障礙物檢測算法都會因為大曲率的隧道環(huán)境而失效，唯一可行的解決方案還是通過車地協(xié)調(diào)實現(xiàn)。

如果上述問題被完全解決，則整個CBTC系統(tǒng)對軌旁設(shè)備的依賴將降到最低，只需保留車載與道岔控制器的通信，從而成為一個真正分布式的CBTC系統(tǒng)。

其次，如果由于列車仍然無法實現(xiàn)全自主導(dǎo)航，CBTC系統(tǒng)中仍然必須配備軌旁控制器，則為了降低網(wǎng)絡(luò)通信故障的影響范圍，開發(fā)或找到一種能提供更多信息的次級檢測設(shè)備就成為CBTC系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要任務(wù)。如果新的次級檢測設(shè)備可以檢測列車ID信息，則整個CBTC系統(tǒng)對車地通信的依賴可大為降低。

最后，在既有傳感器配置的前提下，列控聯(lián)鎖一體化是一個可行的發(fā)展方向。其既可大幅降低當(dāng)前CBTC系統(tǒng)中資源管理算法的復(fù)雜度，又可以提升資源管理效率。另一個思路是類似日立所提出的信號系統(tǒng)方案，是低運營密度線路的一個可選方案。

綜上所述，下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計可能有如下發(fā)展方向：

（1）基于OC的集中式方案：在傳感器技術(shù)沒有根本性變革的前提下，可將ZC和CI功能融合為軌旁O(shè)C的功能，采用OC+VOBC的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)架構(gòu)可保證CBTC系統(tǒng)的運營效率在既有基礎(chǔ)上得到一定提升，同時在一定程度上減少了軌旁設(shè)備，并簡化了軌旁設(shè)備之間的接口。這個方案可兼容下述基于車車通信的半集中式方案。

（2）基于車車通信的與ETCS標準融合的方案：OC+VOBC的系統(tǒng)架構(gòu)，可不采用次級檢測設(shè)備或使用類RFID設(shè)備作為次級檢測設(shè)備。這個框架里，OC只負責(zé)維護線路資源的占用情況（如線路資源上的列車列表），移動授權(quán)的計算由車載通過車車間通信實現(xiàn)，軌旁設(shè)備之間無接口。

（3）車載全自主導(dǎo)航方案：完全擺脫軌旁設(shè)備的限制，實現(xiàn)列車的全自主導(dǎo)航。該方案依賴于傳感器的革命性變革，從產(chǎn)品化的角度而言，只能作為遠景規(guī)劃。

需要注意的是，無論是基于OC的列控聯(lián)鎖一體化方案，還是通過車車通信機制實現(xiàn)移動授權(quán)計算方案，本身并不會對整個系統(tǒng)的運營效率有革命性的提升，這些方案更多的價值還在于降低系統(tǒng)復(fù)雜度，從而降低設(shè)計、維護、升級的難度和成本，提高整體可靠性。

上述系統(tǒng)設(shè)計方案的關(guān)系和演化路徑如表1所示。

表1 下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計方案比較

4 結(jié)語

通過以上分析不難看出，下一代CBTC系統(tǒng)的發(fā)展可能經(jīng)歷列控和聯(lián)鎖一體化、基于車車通信的去中心化CBTC系統(tǒng)以及車載全自主CBTC系統(tǒng)三個發(fā)展階段，每個發(fā)展階段還可能出現(xiàn)不同制式的CBTC系統(tǒng)同時在線運營的情況。采用哪種方案將主要取決于最終用戶對可靠性和運營效率更敏感，還是對運營維護和建設(shè)成本更敏感。

就CBTC系統(tǒng)設(shè)計研究而言，需注意發(fā)展方向的研究不能只以技術(shù)為導(dǎo)向，應(yīng)更多地從既有運營場景和長期運營數(shù)據(jù)中分析提煉CBTC系統(tǒng)發(fā)展的需求；設(shè)計方案要勇于改進和拋棄過時的傳統(tǒng)技術(shù)和思維方式。這樣，才能讓下一代CBTC系統(tǒng)設(shè)計走上健康的發(fā)展道路。

參考文獻

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