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(hào)系統(tǒng)。隨著城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)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?；谲?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(hào)系統(tǒng)的主流。2013年，文獻(xiàn)[1]介紹了阿爾斯通在法國(guó)Lille 1號(hào)線采用精簡(jiǎn)CBTC系統(tǒng)的方案(該方案提出了追蹤列車之間直接實(shí)時(shí)通信的構(gòu)想)。2014年，文獻(xiàn)[3]以阿爾斯通精簡(jiǎn)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(shì)提出車-車通信的構(gòu)想，并對(duì)車-車通信信號(hào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制邏輯以及特點(diǎn)進(jìn)行了論述。2017年，文獻(xiàn)[6]更為系統(tǒng)地開展了對(duì)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(guó)也有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)就車-車通信技術(shù)進(jìn)行立項(xiàng)研究。

本文在對(duì)比了現(xiàn)有的基于車-地通信的CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)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(shí)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(dòng)監(jiān)控(ATS)、區(qū)域控制器(ZC)、車載控制器(VOBC)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)單元(DSU)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)等子系統(tǒng)。其中，DCS將各個(gè)子系統(tǒng)相連，并確保任意兩個(gè)子系統(tǒng)之間都可以相互通信。圖 1所示為一個(gè)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(dòng)授權(quán)計(jì)算和聯(lián)鎖運(yùn)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(cè)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(shí))、軌旁控制設(shè)備與車載無(wú)線設(shè)備分別通過無(wú)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(shí)延。

1.2 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相對(duì)傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)取消了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CI)子系統(tǒng)和ZC，加入了對(duì)象控制器(Object Controller)。VOBC和對(duì)象控制器共同作用，實(shí)現(xiàn)了原ZC和CI子系統(tǒng)的功能。各個(gè)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(duì)比圖1，圖2中減少了軌旁ZC、CI及其對(duì)應(yīng)的與各個(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接口,以及對(duì)象控制器。對(duì)象控制器用以實(shí)現(xiàn)列車對(duì)軌旁道岔及屏蔽門等設(shè)備的控制，以及軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備向車載通信設(shè)備直接反饋實(shí)時(shí)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?；谲?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(gè)功能層次，即車-車通信的VOBC、對(duì)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(wú)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(shí)間，提高了VOBC的反應(yīng)速度，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(duì)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(tái)門等軌旁聯(lián)鎖設(shè)備。同時(shí)，對(duì)象控制器向VOBC和ATS反饋軌旁設(shè)備的實(shí)時(shí)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(jì)算，并實(shí)時(shí)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(yùn)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(duì)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(yùn)行效率時(shí)，ATS根據(jù)車流情況對(duì)全局或相關(guān)部分列車進(jìn)行運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整，并向所有VOBC和對(duì)象控制器發(fā)送調(diào)整后的計(jì)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(wú)線接入點(diǎn)(AP)進(jìn)行信息交互，后車得到前行列車位置信息并計(jì)算移動(dòng)授權(quán)；同時(shí)，列車通過AP將自身數(shù)據(jù)發(fā)送給ATS進(jìn)行報(bào)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(duì)后，計(jì)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(gè)AP將數(shù)據(jù)信息同時(shí)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(gè)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(diǎn)是在一定程度上減輕了VOBC處理信息和計(jì)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(dòng)態(tài)計(jì)劃變更。其缺點(diǎn)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(jì)劃的變更及時(shí)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(dòng)態(tài)計(jì)劃變更時(shí)，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(dòng)地改變行車計(jì)劃，造成全線路列車大面積的晚點(diǎn)，影響全線運(yùn)營(yíng)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，列車的VOBC將接收到的線路上其他列車的實(shí)時(shí)信息和ATS所反饋的信息進(jìn)行核對(duì)，然后計(jì)算出列車運(yùn)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(duì)通信質(zhì)量有很高的要求，該方案可借助“云平臺(tái)”實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)高效完成全線列車通信的問題。

這種通信方案的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，列車可根據(jù)自身情況預(yù)先做出運(yùn)行計(jì)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(diǎn)的情況發(fā)生。該通信方式也可以更好地保證列車運(yùn)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(shí)時(shí)通信和信息共享，這也對(duì)無(wú)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(duì)比

對(duì)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(shí)效性，但難以在特殊情況下保證線路的運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)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(yùn)行管理“云”等資源共享平臺(tái)。因此，在列車運(yùn)行間隔相對(duì)較大、運(yùn)行列車較少線路上，可以使用方案一；在列車運(yùn)行間隔小、運(yùn)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(yùn)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(shí)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(duì)比

4.1 聯(lián)鎖計(jì)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(jì)算，并向?qū)ο罂刂破靼l(fā)送相應(yīng)的征用請(qǐng)求和控制命令，再由對(duì)象控制器控制道岔動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)路控制。列車進(jìn)路完成后，自動(dòng)取消對(duì)對(duì)象控制器的征用，供后行列車使用。通過這種方式，各個(gè)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(shí)間也可以相應(yīng)縮短。這改變了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中由ZC計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并轉(zhuǎn)發(fā)ATS調(diào)整信息給列車的方式，使列車運(yùn)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(duì)象控制器的共同作用依舊可以保證列車的運(yùn)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(yùn)行安全和秩序，ATS將根據(jù)全線列車和對(duì)象控制器反饋的信息，對(duì)線路上所有列車的運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整，列車按ATS下達(dá)的運(yùn)行計(jì)劃運(yùn)行。

4.2 移動(dòng)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(dòng)授權(quán)計(jì)算的功能。后行列車在得到前行列車的位置后，對(duì)應(yīng)的VOBC可以根據(jù)該位置信息計(jì)算列車的移動(dòng)授權(quán)和速度曲線。

VOBC不間斷地與相鄰列車通信，并計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞。在列車運(yùn)行過程中，由于前行列車相對(duì)位置不停地變化，VOBC計(jì)算的移動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)別和處理異常數(shù)據(jù)信息的功能，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警和記錄。當(dāng)列車接收到異常數(shù)據(jù)時(shí)，列車將根據(jù)自身運(yùn)行情況判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。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?duì)列車下達(dá)調(diào)度命令，指揮列車安全運(yùn)行。若車-車通信方案選用方案一，故障列車通信異常會(huì)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(huì)造成全線列車的錯(cuò)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(duì)全線列車下達(dá)調(diào)度計(jì)劃，列車按計(jì)劃運(yùn)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(shí)，按照故障-安全原則，失去通信的列車將緊急制動(dòng)，等待通信恢復(fù)，必要時(shí)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(shí)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(qǐng)求；ATS通過對(duì)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(yǔ)

從目前通信技術(shù)和列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來看，基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)符合軌道交通信號(hào)系統(tǒng)精簡(jiǎn)、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(duì)基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)的兩種方案進(jìn)行對(duì)比，為該系統(tǒng)適應(yīng)不同的線路需求提供選擇方案。同時(shí)，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(yùn)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(yùn)營(yíng)提供了更好的條件，便于實(shí)現(xiàn)線路的互聯(lián)互通；②配置列車運(yùn)行管理“云”資源共享平臺(tái)，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(yùn)營(yíng)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(hào)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(gè)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。