劉義強(qiáng)

（上海電氣泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，上海 200000）

1 CBTC2.0 開(kāi)發(fā)背景

地鐵在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，會(huì)因區(qū)域控制設(shè)備故障或者車地通信故障，導(dǎo)致大面積的列車需要降級(jí)為點(diǎn)式模式運(yùn)營(yíng)。系統(tǒng)在降級(jí)過(guò)程中，從故障識(shí)別，應(yīng)急處置，到故障恢復(fù)，導(dǎo)致部分列車至少停在區(qū)間半小時(shí)，容易引起乘客恐慌。同時(shí)，在后續(xù)降級(jí)點(diǎn)式模式下運(yùn)營(yíng)間隔將大幅度增大，影響運(yùn)營(yíng)效率。CBTC2.0 則采用雙套CBTC 系統(tǒng)，不再用降級(jí)點(diǎn)式作為后備運(yùn)營(yíng)模式，當(dāng)單套區(qū)域控制設(shè)備故障時(shí)，不再對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生任何影響，提高運(yùn)營(yíng)效率[1]。

2 CBTC2.0 產(chǎn)品特點(diǎn)

2.1 最大程度地保證系統(tǒng)可用性

CBTC2.0 所有子系統(tǒng)均采用相互獨(dú)立的雙子系統(tǒng)，雙子系統(tǒng)獨(dú)立工作，不互相依賴，同時(shí)雙子系統(tǒng)又相互冗余，可以無(wú)縫切換，系統(tǒng)單套故障可由備用CBTC 系統(tǒng)繼續(xù)維護(hù)列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，簡(jiǎn)稱ATP）模式/列車自動(dòng)駕駛(Automatic Train Operation，簡(jiǎn)稱ATO)模式，可以認(rèn)為是以CBTC 作為CBTC 的后備。因此傳統(tǒng)的聯(lián)鎖點(diǎn)式后備不再需要，從而不再依賴軌旁信號(hào)機(jī)及計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)，極大減少維護(hù)工作以及維護(hù)難度[2]。

2.2 列控/聯(lián)鎖一體化，精簡(jiǎn)點(diǎn)式后備，提高安全性

通過(guò)區(qū)域控制與聯(lián)鎖集成，突破了傳統(tǒng)聯(lián)鎖疊加列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中，聯(lián)鎖系統(tǒng)固有對(duì)系統(tǒng)性能的限制，減少中間接口，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，依舊契合中國(guó)聯(lián)鎖功能標(biāo)準(zhǔn)和要求，貼近城市軌道未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)車車通信減設(shè)備的目標(biāo)[3]。

2.3 以車為本，以資源為中心，保持高自動(dòng)化模式運(yùn)行，支持全自動(dòng)無(wú)人駕駛

設(shè)計(jì)在軌旁資源分配上關(guān)聯(lián)到列車，一車一進(jìn)路，對(duì)于調(diào)度操作上會(huì)更加安全、靈活，以車為本的特點(diǎn)與車車通信系統(tǒng)的以車為中心的控制理念更加貼近。

2.4 高性能，雙向ATP/ATO 運(yùn)營(yíng)

CBTC 模式不依賴于聯(lián)鎖進(jìn)路，信號(hào)機(jī)可以在任意地點(diǎn)任意方向運(yùn)行，靈活換端，并提供全方位的列車ATP 防護(hù)。這個(gè)設(shè)計(jì)可以有效避免當(dāng)列車前方發(fā)生不可控災(zāi)難時(shí)，不會(huì)因?yàn)闆](méi)有反向的聯(lián)鎖進(jìn)路導(dǎo)致列車無(wú)法反向安全運(yùn)行，可以保證列車快速安全地運(yùn)行至安全區(qū)域。

3 CBTC2.0 移動(dòng)閉塞的原理

3.1 列車定位

列車的定位分為一級(jí)定位和二級(jí)定位。一級(jí)定位是通過(guò)安裝在軌旁的定位信標(biāo)以及車載控制單元（Vehicle Control Unit，簡(jiǎn)稱VCU）測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)連續(xù)的通過(guò)兩個(gè)定位信標(biāo)來(lái)確定列車位置以及運(yùn)行方向且時(shí)時(shí)更新列車位置，通過(guò)區(qū)間分布的校準(zhǔn)信標(biāo)不斷校準(zhǔn)、更新列車的輪徑。二級(jí)定位則是通過(guò)安裝在軌旁的計(jì)軸檢測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是實(shí)現(xiàn)固定閉塞的基礎(chǔ)，對(duì)于CBTC2.0 系統(tǒng)只有當(dāng)列車失去通信時(shí)，才采用二級(jí)定位來(lái)判斷列車位置。

對(duì)于靜止或者運(yùn)行的通信列車來(lái)說(shuō)，雖然車身長(zhǎng)度固定，但實(shí)時(shí)的位置是通過(guò)列車速度傳感器以及軌旁布置的定位信標(biāo)計(jì)算得到的，必然存在較小的誤差。同時(shí)列車存在潛在的倒溜以及預(yù)期的列車到達(dá)的位置。所以在計(jì)算列車移動(dòng)授權(quán)時(shí)需要計(jì)算列車的包絡(luò)，以整個(gè)包絡(luò)作為列車目前的位置如圖1 所示。

圖1 列車定位包絡(luò)計(jì)算

對(duì)于靜止或者運(yùn)行的非通信列車來(lái)說(shuō)，列車在斷通信后60s，系統(tǒng)就會(huì)定義列車為非通信障礙物（Non Communication Obstacle，簡(jiǎn)稱NCO）。與通信列車包絡(luò)相比，如果非通信列車包絡(luò)相鄰的區(qū)段是非空閑狀態(tài)時(shí)，由于無(wú)法判斷非通信列車是否在運(yùn)動(dòng)，所以非通信的車包絡(luò)會(huì)延伸到相鄰非空閑區(qū)段，在計(jì)算移動(dòng)授權(quán)時(shí)系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)包絡(luò)作為非通信車的位置[4]。

3.2 進(jìn)路排列

CBTC2.0 進(jìn)路排列的方式是以車為本，列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，簡(jiǎn)稱ATS）把進(jìn)路請(qǐng)求發(fā)給軌旁移動(dòng)授權(quán)單元（Movement Control Unit，簡(jiǎn)稱MCU）。進(jìn)路的請(qǐng)求主要包括：路徑ID、方向、列車ID、進(jìn)路起點(diǎn)以及目的地。MCU 會(huì)確認(rèn)進(jìn)路請(qǐng)求的有效性并提供移動(dòng)授權(quán)。對(duì)于通信列車授權(quán)進(jìn)路會(huì)基于列車位置逐段解鎖，而對(duì)于非通信列車授權(quán)進(jìn)路則基于區(qū)段占用/出清解鎖。對(duì)于日常運(yùn)營(yíng)中分配了班次或運(yùn)行線的列車，列車到達(dá)目的地或者進(jìn)路觸發(fā)位置，ATS 將發(fā)出新的進(jìn)路請(qǐng)求給MCU。

3.3 移動(dòng)授權(quán)

CBTC2.0 支持通信列車、裝備故障列車及非裝備列車混合運(yùn)營(yíng)。受控列車具備連續(xù)的列車自動(dòng)防護(hù)ATP/ATO，遵循移動(dòng)閉塞原則行車。非受控車具備點(diǎn)式列車自動(dòng)防護(hù)（Intermittent ATP， 簡(jiǎn)稱IATP），根據(jù)軌旁信號(hào)機(jī)顯示遵循固定閉塞原則行車[5]。

對(duì)于移動(dòng)閉塞來(lái)說(shuō)，允許列車以ATP/ATO 模式進(jìn)入的區(qū)域即為列車的移動(dòng)授權(quán)（Limited Movement Authorization，簡(jiǎn)稱LMA），LMA 終端將根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行方向前方的第一個(gè)障礙物進(jìn)行定義，障礙物的類型可以是通信/非通信的列車，其他列車的LMA，占用的軌道區(qū)段或沒(méi)在要求位置上的道岔。

移動(dòng)授權(quán)的實(shí)現(xiàn)的過(guò)程如圖2 所示。首先，ATS為列車請(qǐng)求到車站的進(jìn)路并發(fā)送進(jìn)路給軌旁的移動(dòng)授權(quán)單元MCU。其次，MCU 鎖閉進(jìn)路中的道岔，并預(yù)留列車到車站的進(jìn)路或到最近的障礙物的進(jìn)路。最后，MCU 計(jì)算移動(dòng)授權(quán)LMA、開(kāi)放信號(hào)機(jī)，并發(fā)送給列車。

圖2 移動(dòng)授權(quán)過(guò)程圖例

4 CBTC2.0 移動(dòng)授權(quán)的應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 應(yīng)用場(chǎng)景1：LMA 的基本場(chǎng)景

給停放在站臺(tái)A 的列車1 排列一條ATS 進(jìn)路到站臺(tái)B，軌旁MCU 通過(guò)控制軌旁設(shè)備控制單元(Equipment Control Unit，簡(jiǎn)稱ECU)輸出信號(hào)命令將列車前方的信號(hào)機(jī)的綠燈繼電器驅(qū)起，使信號(hào)機(jī)顯示綠色允許信號(hào)。列車壓過(guò)綠燈信號(hào)機(jī)后，MCU 再通過(guò)ECU 將信號(hào)機(jī)變?yōu)榻剐盘?hào)，當(dāng)列車車尾離開(kāi)信號(hào)機(jī)超過(guò)50m 后，如果后續(xù)列車再有信號(hào)請(qǐng)求，則MCU 會(huì)根據(jù)ATS 請(qǐng)求以及軌旁資源重新開(kāi)放信號(hào)機(jī)信號(hào)。當(dāng)列車?yán)^續(xù)前進(jìn)至ATS 進(jìn)路終端后，ATS 進(jìn)路請(qǐng)求、MCU 預(yù)留的保護(hù)進(jìn)路以及LMA 會(huì)自動(dòng)解鎖移除（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3 進(jìn)路排列移動(dòng)授權(quán)及信號(hào)開(kāi)放

4.2 應(yīng)用場(chǎng)景2：LMA 越過(guò)道岔的場(chǎng)景

給停放在站臺(tái)B 的列車1 排列一條ATS 進(jìn)路到站臺(tái)C，軌旁MCU 判斷ATS 進(jìn)路請(qǐng)求，通過(guò)ECU 開(kāi)放列車前方的信號(hào)機(jī)。當(dāng)列車?yán)^續(xù)向前運(yùn)行至觸發(fā)區(qū)段后，MCU 首先判斷前方道岔的位置是否是在進(jìn)路需求的位置，道岔資源是否被其他進(jìn)路占用或有故障，當(dāng)?shù)啦砜梢詽M足進(jìn)路需求位置，MCU 會(huì)通過(guò)ECU控制道岔電路將道岔扳動(dòng)到需求位置，并聯(lián)鎖鎖閉道岔，同時(shí)通過(guò)ECU 開(kāi)放道岔前的防護(hù)信號(hào)機(jī)。當(dāng)列車運(yùn)行至目的地站臺(tái)C 后，ATS 進(jìn)路、MCU 保護(hù)進(jìn)路及LMA 釋放并移除（見(jiàn)圖5）。

圖5 越道岔移動(dòng)授權(quán)分部延伸

4.3 應(yīng)用場(chǎng)景3：雙向LMA 的場(chǎng)景

先給停放在站臺(tái)D 的列車2 排列一條ATS 進(jìn)路到站臺(tái)B，再給列車1 排列到站臺(tái)B。列車2 的LMA 優(yōu)先到達(dá)站臺(tái)B，列車1 的LMA 受限于列車2 的LMA 會(huì)到達(dá)不了站臺(tái)B。列車2 最終會(huì)?？吭谡九_(tái)B，并移除ATS 進(jìn)路以及LMA。列車1 會(huì)根據(jù)LMA 貼近站臺(tái)B，并在LMA 到達(dá)的最遠(yuǎn)點(diǎn)停車，直到滿足LMA 延伸到站臺(tái)B 之后，列車1 會(huì)重新獲取目標(biāo)距離以及推薦速度（見(jiàn)圖6）。

圖6 雙向移動(dòng)授權(quán)延伸機(jī)制

4.4 應(yīng)用場(chǎng)景4：兩列車追蹤LMA

先給停放在站臺(tái)B 的列車1 排列到站臺(tái)D，再給停放在站臺(tái)A 的列車2 排列到站臺(tái)C 的進(jìn)路。列車1的進(jìn)路在檢查完道岔?xiàng)l件后，MCU 預(yù)留以及LMA 會(huì)直接延伸到目的地站臺(tái)D，對(duì)于列車2，由于列車1 一開(kāi)始在B 站臺(tái)，所以列車2 的LMA 受限于列車1 的位置，列車2 的MCU 預(yù)留會(huì)延伸到列車1 的尾部，隨著列車1 移動(dòng)，移動(dòng)中的列車2 的LMA 以及MCU 預(yù)留會(huì)不斷延伸，同時(shí)，由于一開(kāi)始列車1 的ATS 進(jìn)路把道岔轉(zhuǎn)到了反位，當(dāng)列車1 到達(dá)站臺(tái)D 進(jìn)路解鎖后，道岔聯(lián)鎖鎖閉解鎖，此時(shí)列車2 的MCU 預(yù)留在不斷延伸過(guò)程中，會(huì)控制軌旁ECU 輸出命令，將道岔轉(zhuǎn)到定位，使列車2 的LMA 以及MCU 預(yù)留最終到達(dá)目的地站臺(tái)C（見(jiàn)圖7）。

圖7 追蹤移動(dòng)授權(quán)延伸機(jī)制

4.5 應(yīng)用場(chǎng)景5：跨邊界的LMA

給列車1 排列站臺(tái)A 到站臺(tái)B 的進(jìn)路，MCU1 建立LMA 到邊界，一旦LMA 到達(dá)邊界，MCU1 將請(qǐng)求LMA 延伸，MCU1 通過(guò)軌旁的ATP 骨干網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸 給MCU2，MCU2 計(jì)算列車1 的MCU 預(yù)留以及LMA。 一旦列車即將接近邊界時(shí)，列車VCU 與MCU2 建立連接后，MCU2 將本控區(qū)內(nèi)的MCU 預(yù)留以及LMA 發(fā)送給列車1 的VCU，VCU 將連接兩個(gè)LMA（見(jiàn)圖8）。

5 結(jié)語(yǔ)

TSTCBTC2.0 在可靠的雙冗余設(shè)計(jì)情況下，首次采用聯(lián)鎖/列控一體化設(shè)計(jì)理念，將更多的功能及計(jì)算集成到MCU 中，減少傳統(tǒng)聯(lián)鎖在列車運(yùn)行中的參與，以車為中心的設(shè)計(jì)理念，安全的列車定位計(jì)算以及獨(dú)特的移動(dòng)授權(quán)機(jī)制，在一定程度上不再依靠古板的聯(lián)鎖表保證列車運(yùn)行安全，未來(lái)在5G、列車定位、環(huán)境感知、人工智能等大數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)的加持下，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)聯(lián)鎖且可靠高效的運(yùn)營(yíng)。