黃蘇蘇 馮浩楠

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，100081，北京；2.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)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(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)和通信方式來控制列車運(yùn)行、保障行車安全、提高運(yùn)輸效率、節(jié)約能源并減少維護(hù)費(fèi)用、改善員工勞動(dòng)條件和用戶體驗(yàn)。歐洲、北美的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)與中國的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展過程相似，卻又因?yàn)椴煌膰仪闆r、地理位置及實(shí)施目的而各有差異。

1 世界主流軌道交通信號(hào)系統(tǒng)介紹

1.1 歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)

ERTMS(歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng))是由歐盟制定的鐵路信號(hào)管理和互操作標(biāo)準(zhǔn)體系，由GSM-R(全球移動(dòng)通信-鐵路)、ETCS(歐洲列車控制系統(tǒng))、ETML(歐洲鐵路運(yùn)輸管理層)組成。ETCS可以分為車載和軌旁兩個(gè)子系統(tǒng)。其中，根據(jù)應(yīng)用等級(jí)的不同，軌旁子系統(tǒng)由應(yīng)答器、沿線的電子單元、GSM-R(全球移動(dòng)通信-鐵路)、RBC(無線閉塞中心)、歐標(biāo)環(huán)線、無線接入單元、密鑰管理中心(KMC)、公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)組成。車載子系統(tǒng)由ETCS車載設(shè)備和GSM-R無線系統(tǒng)的車載部分組成。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議見圖1。

圖1 ERTMS結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議示意圖

ETCS運(yùn)行等級(jí)是表達(dá)軌道和列車之間操作關(guān)系的一種方式，其定義與所使用的軌旁設(shè)備、車地通信方式、車載和軌旁設(shè)備分別處理的功能有關(guān)。

1) ETCS-0級(jí)：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(yùn)行，或者在配備了ETCS軌旁系統(tǒng)或歐洲各國的國家級(jí)列車控制系統(tǒng)的線路上運(yùn)行，但目前無法在它們的監(jiān)督下進(jìn)行操作。

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

3) ETCS-1級(jí)：配備了ETCS的列車在配備歐標(biāo)應(yīng)答器、歐標(biāo)環(huán)線或無線電填充設(shè)備的線路上運(yùn)行。

4) ETCS-2級(jí)：配備ETCS的列車由RBC控制，并在配備歐標(biāo)應(yīng)答器或歐標(biāo)環(huán)線的線路上運(yùn)行。其中列車位置和列車完整性證明由軌旁設(shè)備提供。

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

1.2 美國主動(dòng)列車控制系統(tǒng)

美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)早在1971年就要求采用更先進(jìn)的技術(shù)措施去防護(hù)鐵路運(yùn)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(huì)提交了一份報(bào)告，提出了PTC(主動(dòng)列車控制)系統(tǒng)，并于2004年向國會(huì)撥款委員會(huì)提交了一份關(guān)于PTC系統(tǒng)優(yōu)勢和成本的報(bào)告[3]。

基于美國鐵路貨運(yùn)居多的特點(diǎn)，PTC 標(biāo)準(zhǔn)在制定之初，決定通過在既有傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)上疊加車載列控來加強(qiáng)安全保障，并側(cè)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(hù)等原則。目前通過驗(yàn)證的美國PTC系統(tǒng)支持的列車最高運(yùn)營速度為177 km/h。PTC系統(tǒng)的理念與世界主流列車運(yùn)行控制系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不同,這些特征反映出美國鐵路的運(yùn)營需求及發(fā)展特點(diǎn)。該系統(tǒng)主要由衛(wèi)星定位系統(tǒng)、軌旁信號(hào)設(shè)備、室內(nèi)信號(hào)設(shè)備、控制中心調(diào)度系統(tǒng)組成。PTC系統(tǒng)基本的列車運(yùn)行控制原理為：使用GPS計(jì)算列車到授權(quán)邊界的距離；如果司機(jī)沒有在限速范圍內(nèi)減速，PTC系統(tǒng)給出警告；如果司機(jī)沒有在限速范圍內(nèi)剎車，PTC系統(tǒng)觸發(fā)緊急制動(dòng)。

美國鐵路公司向聯(lián)邦鐵路管理局(FRA)提交的報(bào)告顯示，截至2017年，全美68%的貨運(yùn)機(jī)車和50%的客運(yùn)機(jī)車已經(jīng)安裝并運(yùn)行了PTC系統(tǒng)[4]。大多數(shù)PTC系統(tǒng)是依靠軌旁的固定轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與GPS(全球定位系統(tǒng))結(jié)合的方式來和列車進(jìn)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(jì)算機(jī)輔助調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shè)備之間的雙向連續(xù)通信和列車能被準(zhǔn)確定位這兩個(gè)基礎(chǔ)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(shí)改善追蹤間隔?，F(xiàn)代CBTC系統(tǒng)允許存在不同的自動(dòng)化等級(jí)(GoA)，如IEC 62290-1:2014[5]中定義和分類了5個(gè)級(jí)別的列車自動(dòng)化等級(jí)，見圖2。典型的CBTC架構(gòu)通常包括車載ATP(列車自動(dòng)保護(hù))子系統(tǒng)、車載ATO(列車自動(dòng)運(yùn)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(dòng)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(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于各種實(shí)際項(xiàng)目中，包括部分采用短軌、運(yùn)營車輛數(shù)量有限和運(yùn)營模式較少的線路，如舊金山和華盛頓的機(jī)場APM(自動(dòng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng))；同時(shí)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(fù)雜鐵路網(wǎng)絡(luò)，如馬德里地鐵1號(hào)線和6號(hào)線、深圳地鐵3號(hào)線、巴黎地鐵部分線路、紐約市地鐵和北京地鐵、倫敦地鐵網(wǎng)絡(luò)等?；谲囓囃ㄐ诺腃BTC系統(tǒng)更需要一個(gè)靈活的結(jié)構(gòu)，既能應(yīng)對(duì)稀疏線網(wǎng)，也能應(yīng)對(duì)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(gè)國家的習(xí)慣、語言、地理位置等條件不同，鐵路信號(hào)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(hào)系統(tǒng)幾乎已經(jīng)成為一個(gè)定制系統(tǒng)，每條線路、每個(gè)項(xiàng)目都需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。隨著現(xiàn)代城市的不斷發(fā)展，預(yù)期下一代的鐵路信號(hào)系統(tǒng)解決方案不僅需要降低成本，還需要為密集城市網(wǎng)絡(luò)與其周邊的郊區(qū)/干線網(wǎng)絡(luò)之間的平滑連接提供有效的技術(shù)手段，并能夠適應(yīng)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(dú)立的基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)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(gè)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(lǐng)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(yùn)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(dòng)化等級(jí)由GOA0到GOA4的列車運(yùn)行，顯著減少生命周期成本，并以較低的成本實(shí)現(xiàn)性能的整體改善。同時(shí)，這種面向未來的信號(hào)系統(tǒng)解決方案還必須能夠?yàn)椴煌目蛻粢筇峁┮欢ǖ目蓴U(kuò)展性，且能夠應(yīng)對(duì)從低密度線路向高性能線路轉(zhuǎn)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(dá)前行列車的尾端位置之前，完成緊急制動(dòng)?！眻D3 a)建立了相對(duì)位置的列車制動(dòng)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(dòng)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(dá)到數(shù)公里。從固定閉塞到移動(dòng)閉塞的信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)是為了達(dá)到在這種限制內(nèi)最大化線路運(yùn)行容量的目的，但面對(duì)不斷增加的容量需求，原本的緊急制動(dòng)原則目前正面臨挑戰(zhàn)[7]。

如果兩列列車具有相似的制動(dòng)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(dòng)，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(shí)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?；谛旭傞g距運(yùn)行，且駕駛員根據(jù)前方車輛的制動(dòng)燈作出反應(yīng)，而非依賴列車停止的完全制動(dòng)距離。道路交通實(shí)現(xiàn)的安全水平比鐵路的需求低，究其原因主要是由于對(duì)司機(jī)駕駛技術(shù)的依賴。伴隨著鐵路列車自動(dòng)化等級(jí)的提高，以及全自動(dòng)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(jí)”、“列車車隊(duì)”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(shù)戰(zhàn)略和歐洲Shift2Rail 研究計(jì)劃[8]。

圖3 相對(duì)位置和相對(duì)速度模式下的列車制動(dòng)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(jìn)路請(qǐng)求發(fā)送給聯(lián)鎖系統(tǒng)，同時(shí)將列車移動(dòng)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(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)及部分次級(jí)檢測設(shè)備，并將進(jìn)路辦理完成并鎖閉的狀態(tài)發(fā)送給區(qū)域控制器，同時(shí)反饋給ATS。區(qū)域控制器根據(jù)聯(lián)鎖的進(jìn)路狀態(tài)和ATS的列車移動(dòng)命令計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，并將其發(fā)送給車載設(shè)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(jìn)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(gè)CBTC系統(tǒng)需要一個(gè)周期來等待多個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(gè)CBTC系統(tǒng)的反應(yīng)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(dòng)命令直接發(fā)送給車載，車載控制軌旁的對(duì)象控制器占用/釋放軌道資源、操作轉(zhuǎn)轍機(jī)等，進(jìn)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(shè)計(jì)基于同質(zhì)的“交通安全”設(shè)計(jì)原則，整個(gè)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(yīng)未來多樣化的列車運(yùn)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(duì)象控制單元，列車可以直接占用、釋放軌旁資源，自主排列進(jìn)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(jì)算列車移動(dòng)授權(quán)。列車能夠自主定位并通過與區(qū)域內(nèi)的其它列車直接通信，結(jié)合車載電子地圖，自主計(jì)算本車的移動(dòng)授權(quán)。

基于車車通信的 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)由地面計(jì)算列車移動(dòng)授權(quán)的方式，減少了軌旁設(shè)備，節(jié)約了成本，同時(shí)減少了相關(guān)子系統(tǒng)和子系統(tǒng)間的接口，優(yōu)化了整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)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(shí)現(xiàn)運(yùn)輸靈活性并提高效率。

4 基本應(yīng)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(yùn)營場景：列車自主操作進(jìn)路，列車折返，虛擬連掛。

4.1 列車自主操作進(jìn)路

列車接收到來自控制中心的目的任務(wù)信息，車載自主判斷其所需的進(jìn)路信息和相關(guān)進(jìn)路資源。列車運(yùn)行過程中經(jīng)過道岔時(shí)，通過占用軌旁的對(duì)象控制器操作道岔并占用線路資源，從而實(shí)現(xiàn)自主操作進(jìn)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(gè)運(yùn)行任務(wù)信息，車載自主計(jì)算出到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的進(jìn)路及進(jìn)路所需的軌道資源，此時(shí)列車的移動(dòng)授權(quán)僅為前方道岔。

2)列車向進(jìn)路所需的下一個(gè)道岔的對(duì)象控制器發(fā)送軌道資源占用請(qǐng)求，此時(shí)列車的移動(dòng)授權(quán)僅為前方道岔。

3)軌旁的對(duì)象控制器控制轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作后鎖閉，同時(shí)鎖閉該道岔的側(cè)沖防護(hù)資源，完成后將占用信息發(fā)送給列車。對(duì)象控制器管理道岔的轉(zhuǎn)轍機(jī)和側(cè)沖防護(hù)，此時(shí)列車的移動(dòng)授權(quán)仍然為前方道岔。

4)列車檢查線路上相鄰范圍內(nèi)列車的車車通信信息，對(duì)本車的移動(dòng)授權(quán)進(jìn)行安全校核，此時(shí)列車的移動(dòng)授權(quán)仍然為前方道岔。

5)列車移動(dòng)授權(quán)向前延伸，列車向前運(yùn)行。

6)列車運(yùn)行通過道岔。

7)列車運(yùn)行到離開道岔的側(cè)沖防護(hù)范圍時(shí)，向該道岔的對(duì)象控制器發(fā)送釋放資源的請(qǐng)求，對(duì)象控制器收到信息后釋放轉(zhuǎn)轍機(jī)和側(cè)沖防護(hù)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(shí)間能到達(dá)60 s)，如果列車在折返時(shí)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(shí)間一般約為3 min，在部分老舊線路，特別是折返時(shí)牽出線較長的線路，列車折返將需要更長的時(shí)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(duì)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(gè)道岔的側(cè)沖防護(hù)區(qū)域時(shí)，后行列車就可以開始運(yùn)行。而傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)則需要前行列車離開包含最后一個(gè)道岔的進(jìn)路，后行列車才能運(yùn)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(dòng)，轉(zhuǎn)轍機(jī)也可以更早地開始動(dòng)作，該系統(tǒng)在提高折返效率方面有更好的表現(xiàn)。同時(shí)由于該系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)，其反應(yīng)時(shí)間會(huì)比傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)更短，使得系統(tǒng)折返效率相應(yīng)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(duì)比

4.3 虛擬連掛

基于車車通信的CBTC系統(tǒng)中一個(gè)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(gè)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(nèi)，前行列車通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信向后行列車報(bào)告它的位置、速度、移動(dòng)授權(quán)等信息，且允許后行列車立即調(diào)整其速度。后行列車的ATO根據(jù)前行列車的運(yùn)行狀態(tài)信息，并結(jié)合本車的測速定位信息來控制后行列車，使其保持一個(gè)動(dòng)態(tài)的安全距離去跟隨前行列車運(yùn)行。在這個(gè)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(shù)維持一個(gè)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(jí)部分列車忽略信號(hào)。在未定義所謂的“跟隨運(yùn)行”是否達(dá)到虛擬連掛狀態(tài)，或者列車之間的距離是否更大時(shí)，后行列車總是會(huì)停車等待。第1列列車稱為“主車”，在公共進(jìn)路的起始處通過道岔并發(fā)起跟隨運(yùn)行。后行列車進(jìn)入被占用的區(qū)域并自行負(fù)責(zé)保持與前行列車的相對(duì)制動(dòng)距離。

前行列車起動(dòng)占用區(qū)段，后行列車起動(dòng)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(hào)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(duì)象控制器并保持絕對(duì)緊急制動(dòng)距離。在解掛之后，列車遵循傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)規(guī)則運(yùn)行,并跟隨至運(yùn)行結(jié)束。

5 結(jié)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(shè)備、提高信號(hào)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、提高列車運(yùn)行效率、降低運(yùn)營維護(hù)成本，并且能滿足更多新的運(yùn)營需求，在一定程度上可提高整個(gè)鐵路行業(yè)的智能化水平。

實(shí)現(xiàn)基于車車通信的CBTC系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)是列車與列車之間的直接通信，主流的技術(shù)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(jìn))版本等方向。此外，要完整地實(shí)現(xiàn)全部的系統(tǒng)功能，還需要列車的自動(dòng)化等級(jí)達(dá)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(shù)還未真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，世界各地的研究人員仍在不遺余力地為其努力。