摘 要：目前我國(guó)國(guó)內(nèi)地鐵使用的信號(hào)系統(tǒng)大多數(shù)都是需要借助地面設(shè)備的CBTC系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始研發(fā)新一代車(chē)車(chē)通信的列車(chē)控制系統(tǒng)。列車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)備所需要的電能輸送和信號(hào)傳輸會(huì)受外部因素影響，雷電就是其中之一。列車(chē)以及線路旁的的地面電子設(shè)備受雷電等外部侵害的風(fēng)險(xiǎn)極大，由于雷電干擾而造成的災(zāi)害是巨大的，車(chē)車(chē)通信列車(chē)控制系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用后，在減少傳統(tǒng)地面設(shè)備的同時(shí)也要降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)。車(chē)車(chē)通信列車(chē)控制系統(tǒng)硬件設(shè)施的雷電防護(hù)必須達(dá)到現(xiàn)有國(guó)家防雷規(guī)范的要求，才能最大限度保障人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

關(guān)鍵詞：CBTC；地面設(shè)備；車(chē)車(chē)通信；雷電防護(hù)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，居民的出行方式在不知不覺(jué)中發(fā)生了改變。日益擴(kuò)大的城市板塊，以及不斷增加的城市人口，城市交通形勢(shì)嚴(yán)峻。而地鐵這種安全、準(zhǔn)時(shí)、快速、運(yùn)量大、不影響地面交通的公交設(shè)施，越來(lái)越得到政府的重視，是解決城市居民出行難，實(shí)現(xiàn)低碳出行的最佳方案。

決定列車(chē)運(yùn)行效率的其中一個(gè)重要因素就是列控系統(tǒng)，一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)不僅可以提高運(yùn)行效率，還能降低能耗、提高乘客舒適度等。傳統(tǒng)CBTC列控系統(tǒng)基于車(chē)地之間無(wú)線通信的方式，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面設(shè)備之間數(shù)據(jù)大量、雙向、高速的實(shí)時(shí)通信。但是該系統(tǒng)會(huì)因?yàn)楦髯酉到y(tǒng)之間存在大量的信息實(shí)時(shí)交互導(dǎo)致系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、通信設(shè)備相對(duì)繁瑣等缺點(diǎn)?，F(xiàn)在通過(guò)探究和設(shè)計(jì)下一代基于車(chē)車(chē)通信列車(chē)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)減少軌旁通信設(shè)備、降低施工和后期維修成本、縮短行車(chē)間隔時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。車(chē)車(chē)通信技術(shù)的加入可以使列車(chē)具備高度的自控能力，還能減少地面設(shè)備對(duì)列車(chē)的控制；然而不管列車(chē)自動(dòng)化程度多高，安全最為關(guān)鍵。因此本文對(duì)車(chē)車(chē)通信列控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中會(huì)包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、功能，引入智能技術(shù)，合理降低成本的同時(shí)，必須做好雷電防護(hù)的措施，做好各方面的安全風(fēng)險(xiǎn)防控，列車(chē)才能安全運(yùn)行，利國(guó)利民。

針對(duì)存在的問(wèn)題，可以有以下對(duì)策：

（1）列車(chē)與列車(chē)之間直接交互信息，減少與列車(chē)通信的地面設(shè)備，這樣還可以間接解決造價(jià)高問(wèn)題。

（2）通過(guò)減少軌旁設(shè)備，間接降低雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）車(chē)車(chē)通信列車(chē)控制系統(tǒng)雖然減少地鐵外部環(huán)境（雷電）的干擾，但雷電感應(yīng)防護(hù)和等電位聯(lián)接等必須按現(xiàn)行防雷規(guī)范做好，確保列車(chē)安全運(yùn)行。

一、車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)總體構(gòu)建

（一）系統(tǒng)構(gòu)建思路

上一代的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為車(chē)輛－地面設(shè)備－車(chē)輛的控制模式，即列車(chē)需要先采集速度感器的速度信息加上應(yīng)答器的精確定位信息通過(guò)車(chē)載ATP計(jì)算得出自身定位信息然后經(jīng)由車(chē)載通信設(shè)備發(fā)送給地面設(shè)備，然后經(jīng)過(guò)地面設(shè)備一系列的運(yùn)算為車(chē)輛生成移動(dòng)授權(quán)再發(fā)回給車(chē)輛的復(fù)雜過(guò)程。

ZC是控制列車(chē)行車(chē)的一個(gè)重要地面ATP設(shè)備，因?yàn)樵诳刂频倪^(guò)程當(dāng)中車(chē)載設(shè)備都需要與ZC進(jìn)行發(fā)送和回傳的通信，這將會(huì)増加信息交互時(shí)間，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，系統(tǒng)為了減少這些延時(shí)對(duì)列車(chē)運(yùn)行造成的影響，系統(tǒng)需要進(jìn)行額外的運(yùn)算處理，這將會(huì)使得信號(hào)系統(tǒng)更加繁雜。車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了這些問(wèn)題，所以對(duì)傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)進(jìn)行精簡(jiǎn)，即將區(qū)域控制器、聯(lián)鎖、軌旁信號(hào)設(shè)備等進(jìn)行簡(jiǎn)化，將他們的部分功能整合到車(chē)上，通過(guò)相鄰列車(chē)之間進(jìn)行自主相互通信、互相識(shí)別、對(duì)地面設(shè)備資源占用并控制等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)區(qū)域控制器和聯(lián)鎖的功能。車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)是在原有傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)對(duì)于列車(chē)運(yùn)行控制的理論上新設(shè)想的一種以列車(chē)主動(dòng)通信、自主控制為重點(diǎn)的列控系統(tǒng)。車(chē)載設(shè)備可以通過(guò)收集前方線路設(shè)備占用狀況及當(dāng)前列車(chē)的運(yùn)行情況自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，確保正線上的所有列車(chē)都可以自主控制并安全運(yùn)行。在列車(chē)保證前后距離達(dá)到安全距離的基礎(chǔ)上，可以在追蹤前車(chē)時(shí)以很小的間隔進(jìn)行追蹤，能使列車(chē)以一個(gè)很高的速度運(yùn)行，提高列車(chē)在線上的運(yùn)行效率。而且直接由車(chē)載設(shè)備與對(duì)象控制器通信，對(duì)沿線的設(shè)備進(jìn)行占用和控制的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔的控制以及沿線資源的分配，不再需要聯(lián)鎖設(shè)備的介入，簡(jiǎn)化了控制的過(guò)程。

（二）系統(tǒng)的構(gòu)成

基于車(chē)車(chē)通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)包括車(chē)載子系統(tǒng)（VOBC）、對(duì)象控制器（OC）、ITS子系統(tǒng)、TMC子系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)以及軌旁設(shè)備等，去掉了既有的聯(lián)鎖子系統(tǒng)和區(qū)域控制器[3]。

車(chē)載子系統(tǒng)（VOBC）：通過(guò)車(chē)載ATP/ATO保證列車(chē)運(yùn)行安全、輔助列車(chē)運(yùn)行等功能，通過(guò)接收智能列車(chē)監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)送的運(yùn)行計(jì)劃，對(duì)行車(chē)路徑進(jìn)行自主規(guī)劃并對(duì)前方路徑上對(duì)應(yīng)的道岔進(jìn)行控制和鎖閉，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)CBTC車(chē)載設(shè)備、區(qū)域控制器和聯(lián)鎖的功能，而且可以通過(guò)通信獲取相鄰列車(chē)的位置信息和軌旁設(shè)備信息然后結(jié)合自主定位經(jīng)過(guò)運(yùn)算為列車(chē)計(jì)算移動(dòng)閉塞。

對(duì)象控制器：OC一般布置在室內(nèi)或室外軌旁，是采集對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)并控制的設(shè)備，OC可以通過(guò)接收車(chē)載設(shè)備和智能列車(chē)監(jiān)控子系統(tǒng)的指令，然后反饋對(duì)象設(shè)備的狀態(tài)信息。對(duì)象控制器還具備資源的占用和分配功能，監(jiān)視緊停按鈕和屏蔽門(mén)的狀態(tài)，對(duì)屏蔽門(mén)進(jìn)行開(kāi)和關(guān)的控制。

ITS系統(tǒng)：這個(gè)子系統(tǒng)可以將它認(rèn)為是監(jiān)控平臺(tái)，主要把線上車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和軌旁信號(hào)設(shè)備的信息發(fā)送給中心調(diào)度人員，實(shí)現(xiàn)緊急情況報(bào)警和監(jiān)督、管理列車(chē)運(yùn)營(yíng)等。調(diào)度人員根據(jù)ITS系統(tǒng)反饋的線上車(chē)輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以及軌旁設(shè)備狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃的編寫(xiě)和下達(dá)、調(diào)整列車(chē)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)列車(chē)運(yùn)行數(shù)量。

TMC系統(tǒng)：在車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)中的作用與傳統(tǒng)CBTC中DSU的功能類(lèi)似，用于存儲(chǔ)電子地圖數(shù)據(jù)、用戶(hù)數(shù)據(jù)以及其它一些配置數(shù)據(jù)和設(shè)備的地址表，還可以協(xié)助區(qū)間臨時(shí)限速的下達(dá)和撤銷(xiāo)。

DCS系統(tǒng)：與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)一樣是包含骨干有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其功能是為了給地面各子系統(tǒng)之間的有線傳輸以及地面設(shè)備與車(chē)載設(shè)備之間的無(wú)線傳輸提供傳輸通道。

軌旁設(shè)備：包括計(jì)軸器、信號(hào)燈、地面信標(biāo)、道岔轉(zhuǎn)輒機(jī)、LEU、屏蔽門(mén)以及各種無(wú)線傳播方式的天線等，主要實(shí)現(xiàn)軌道的占用檢測(cè)，降級(jí)運(yùn)行的信號(hào)指示，輔助列車(chē)定位，發(fā)送和接收信息等功能。

（三）系統(tǒng)與防雷防護(hù)的關(guān)系

當(dāng)列車(chē)控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的CBTC改為車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)后，減少了大量包含ZC、CL在內(nèi)軌旁設(shè)備，減少了系統(tǒng)與外部的影響，從而對(duì)降低列車(chē)外部設(shè)備雷擊造成影響的風(fēng)險(xiǎn)。但是，列車(chē)運(yùn)行中只要與外界有接觸，就有雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，繼續(xù)做好雷電防護(hù)措施仍然是抵御雷電侵害最好的方法。

二、CBTC系統(tǒng)與車(chē)車(chē)通信的對(duì)比分析

傳統(tǒng)車(chē)地通信系統(tǒng)是通過(guò)空間間隔運(yùn)行原理來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)間隔控制。前后相鄰列車(chē)追蹤的安全距離需要先通過(guò)考慮追蹤列車(chē)的運(yùn)行時(shí)速、測(cè)速測(cè)距的誤差、滿(mǎn)載和雨雪天氣等情況下對(duì)車(chē)輛制動(dòng)能力影響，然后再經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的結(jié)果。車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)在上一代車(chē)地通信系統(tǒng)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行了精簡(jiǎn)，把原有的區(qū)域控制器的功能放到車(chē)載設(shè)備，通過(guò)與相鄰列車(chē)之間的主動(dòng)通信獲取前車(chē)的精確定位后與地面設(shè)備通信獲得前方線路的設(shè)備狀態(tài)，車(chē)載設(shè)備向地面設(shè)備申請(qǐng)線路占用，獲得資源占用后自主計(jì)算生成移動(dòng)授權(quán)指導(dǎo)列車(chē)運(yùn)行自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)實(shí)現(xiàn)列車(chē)主動(dòng)控制，車(chē)載設(shè)備將擁有大部分地面控制設(shè)備的功能，真正做到以“列車(chē)為中心”的運(yùn)行方式。在確保前后追蹤列車(chē)之間滿(mǎn)足最小安全距離的情況下運(yùn)行，提高行車(chē)效率。

通過(guò)以上對(duì)比分析，可以更容易看出車(chē)車(chē)通信與上一代系統(tǒng)的區(qū)別，車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)將原來(lái)舊系統(tǒng)的一部分地面設(shè)備的功能通過(guò)車(chē)載來(lái)實(shí)現(xiàn)，由車(chē)載設(shè)備自主辦理進(jìn)路，自主獲取前車(chē)位置信息，自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)信息等，地面設(shè)備只負(fù)責(zé)監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)列車(chē)數(shù)據(jù)等基本功能[4]。降低建設(shè)維護(hù)成本，而且相鄰列車(chē)之間直接通信的方式提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)的整體性。在車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)中，線上的每列車(chē)都可以實(shí)現(xiàn)自主控制，在通信車(chē)之間通過(guò)相互通信實(shí)現(xiàn)安全、高效、有序的運(yùn)行。

三、車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)雷電防護(hù)措施的保障

軌道交通安全防護(hù)包括防災(zāi)（防火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、水淹、冰雪、地震、雷擊和停車(chē)事故等災(zāi)害）和其他防護(hù)措施。國(guó)家和各地方均設(shè)有氣象、防洪和地震監(jiān)測(cè)部門(mén)，發(fā)布的災(zāi)情預(yù)備較為可靠，在控制中心設(shè)置與氣象、防洪和地震監(jiān)測(cè)部門(mén)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，直接接收有關(guān)預(yù)報(bào)信息。雷電是一種天氣現(xiàn)象，雷電災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，軌道交通也不例外，地鐵是軌道交通之一。所以在構(gòu)建地鐵車(chē)車(chē)列車(chē)控制系統(tǒng)時(shí)，還必須有系統(tǒng)的雷電防護(hù)措施，才能減少列車(chē)運(yùn)行時(shí)受到雷電的侵害，確保地鐵列車(chē)運(yùn)行安全。軌道交通的車(chē)站、車(chē)廂和軌道附屬設(shè)備的防雷設(shè)施方案必須由有相應(yīng)設(shè)計(jì)資質(zhì)的單位設(shè)計(jì)，由有相應(yīng)施工資質(zhì)的單位負(fù)責(zé)施工，最后由有相應(yīng)防雷設(shè)施檢測(cè)驗(yàn)收資質(zhì)（甲級(jí)）的單位驗(yàn)收，檢測(cè)驗(yàn)收?qǐng)?bào)告結(jié)論符合審防雷設(shè)施方案和防雷規(guī)范要求，才能投入使用。

（一）直擊雷電的防護(hù)

依據(jù)現(xiàn)行《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—2010要求，列車(chē)車(chē)站屬于二類(lèi)建（構(gòu)）物，車(chē)站必須按防雷規(guī)范設(shè)計(jì)安裝防直擊雷裝置，列車(chē)在運(yùn)行中必須在防直擊雷保護(hù)范圍內(nèi)或列車(chē)自身具有防直擊雷的能力，才能最大限度抵御直擊雷電的侵害。

（二）雷擊電磁脈沖的防護(hù)

車(chē)站和列車(chē)的電源線路和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)線路均由外部引入；當(dāng)外部受到雷擊后，雷電產(chǎn)生的高電壓和大電流會(huì)通過(guò)外部線路引入到車(chē)站及列車(chē)，會(huì)危害到車(chē)站和列車(chē)的設(shè)備和人員安全。主要的防護(hù)措施是按規(guī)范在線路輸入前端設(shè)計(jì)安裝電涌保護(hù)器（SPD），根據(jù)防護(hù)的要求，選用匹配的電涌保護(hù)器的型號(hào)和參數(shù)（通流量、漏電量、啟動(dòng)電壓、電壓保護(hù)水平、響應(yīng)時(shí)間、防爆阻燃特性、插入損耗等），可設(shè)計(jì)多級(jí)電涌保護(hù)器，直至滿(mǎn)足安全要求（如圖3、圖4）。

（三）感應(yīng)雷電的防護(hù)

車(chē)站和列車(chē)內(nèi)部有很多電子設(shè)備和金屬構(gòu)件，極易受到雷電的干擾。當(dāng)車(chē)站或列車(chē)周邊響雷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的磁感應(yīng)變化，電子設(shè)備和金屬物（含軌道）就會(huì)受感應(yīng)雷電的干擾，因此要做好感應(yīng)雷電的防護(hù)措施。主要的措施是按規(guī)范做好金屬構(gòu)件等電位聯(lián)接并接地或局部金屬網(wǎng)屏蔽（如信號(hào)光纖線路有金屬屏蔽網(wǎng)的，要求屏蔽網(wǎng)兩端接地）。列車(chē)本身就是個(gè)金屬廂，做好雷電防護(hù)后，車(chē)廂就好像個(gè)法拉第籠，人和設(shè)備在車(chē)廂里相對(duì)安全。

四、總結(jié)與展望

（一）總結(jié)

車(chē)車(chē)通信列控系統(tǒng)已經(jīng)成為了下一代列控系統(tǒng)的主要研究方向，因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)和微機(jī)技術(shù)在近幾年得到了快速的發(fā)展，更加先進(jìn)的技術(shù)得以在軌道交通上應(yīng)用。先進(jìn)智能的列控系統(tǒng)可以提高列車(chē)行車(chē)效率，解決市區(qū)道路擁堵問(wèn)題，緩解交通壓力，同時(shí)提高系統(tǒng)抗御雷電的能力。本文的主要完成的工作有以下兩個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)了基于車(chē)車(chē)通信的列控系統(tǒng)的大體思路，并介紹系統(tǒng)組成。

（2）車(chē)車(chē)通信列控系統(tǒng)構(gòu)建運(yùn)行時(shí)，雖然可以減少部分雷電對(duì)列車(chē)運(yùn)行的危害，但是雷電防護(hù)措施不能松懈，還需要繼續(xù)的創(chuàng)新和完善。

（二）研究展望

由于本人水平有限，對(duì)于一些關(guān)鍵技術(shù)了解只能通過(guò)閱讀參考文獻(xiàn)，還有很多需要改進(jìn)和完善的地方。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均是在理論的情況下，對(duì)于復(fù)雜的場(chǎng)景、后備模式、以及列車(chē)之間通信的丟包率等問(wèn)題并沒(méi)有進(jìn)行研究。目前，基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)運(yùn)行控制的研究尚在系統(tǒng)架構(gòu)層面，部分技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段。

基于通信的列控系統(tǒng)是具有發(fā)展?jié)摿Φ牧锌叵到y(tǒng)，而且是可持續(xù)發(fā)展的，隨著新的需求的產(chǎn)生與微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、AI人工智能等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)地鐵將會(huì)使用集自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化于一身的列控系統(tǒng)；結(jié)合軌道交通安全防護(hù)的要求，在雷電防護(hù)措施不斷得到完善和加強(qiáng)，特別是控制機(jī)房。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 50057—2010

[2] 何芊穎. 基于TSSM的車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)車(chē)載移動(dòng)授權(quán)模塊的建模和驗(yàn)證[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2017：5

[3]方思儀. 基于資源自主調(diào)配的聯(lián)鎖子系統(tǒng)在車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2017：9

[4] 李聰. 基于狀態(tài)機(jī)的車(chē)車(chē)通信環(huán)境下列車(chē)通信協(xié)作研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2017：3