高 翔 劉會明

(上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司， 201206， 上?！蔚谝蛔髡撸?高級工程師)

《智慧城軌發(fā)展綱要》提出，在CBTC(基于通信的列車控制)已經(jīng)普及的情況下，新一代列車控制技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)該是系統(tǒng)更加智慧并最終能夠?qū)崿F(xiàn)列車的自主控制[1]。近年來，基于車車通信(V2V)的列車自主運行系統(tǒng)(TACS)是新一代列控技術(shù)的研究熱點之一。然而，行業(yè)內(nèi)對于TACS內(nèi)涵的理解并不一致，國內(nèi)外不同信號系統(tǒng)研制單位采用的TACS架構(gòu)和技術(shù)路線均有不同，在系統(tǒng)功能定義、接口協(xié)議、運用規(guī)則等方面都存在巨大差異，對新一代CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展造成了困擾。

為厘清概念，本文就CBTC技術(shù)現(xiàn)狀及用戶需求的變化趨勢進行分析，總結(jié)了新一代CBTC列控系統(tǒng)應(yīng)具備的特性目標(biāo)，深入研究了新一代CBTC信號系統(tǒng)TACS的關(guān)鍵技術(shù)特征：自主運行、資源細(xì)化以及架構(gòu)精簡。在此基礎(chǔ)上，提出了新的TACS架構(gòu)，可為新一代CBTC信號系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 CBTC技術(shù)現(xiàn)狀及用戶需求變化趨勢

CBTC系統(tǒng)1984年在加拿大多倫多士嘉堡快軌線和1985年溫哥華天車世博線首次開通[3]。引入我國后，CBTC系統(tǒng)用戶的需求強調(diào)基于聯(lián)鎖的降級運行，同時增加列車的點式運行模式，以確保線路開通運行為主要目標(biāo)。隨著技術(shù)的成熟，我國CBTC系統(tǒng)實現(xiàn)一次性全功能開通已經(jīng)沒有難度。同時，多年運行證明，因地面ATP(列車自動防護)設(shè)備故障而導(dǎo)致控區(qū)降級到聯(lián)鎖模式的情況極少，啟用點式模式運行的情況也不多。將降級功能簡化，減少降級功能設(shè)備，并增強CBTC主系統(tǒng)的可靠性和冗余性成為用戶需求轉(zhuǎn)變的一大趨勢，例如上海軌道交通5號線的TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)方案[4]，以及國內(nèi)已開通的多條FAO(全自動運行)線路。此外，聯(lián)鎖區(qū)域控制一體化、全電子執(zhí)行單元及云平臺信息化集成等技術(shù)也越來越多地受到關(guān)注并得以部署應(yīng)用[5]。這些技術(shù)為CBTC系統(tǒng)的精簡提供了可能。

CBTC系統(tǒng)用戶需求的另一大轉(zhuǎn)變是從以建設(shè)開通為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐赃\營使用為主，需求更加關(guān)注全生命周期過程。主要包括：舊有線路的改造升級過程中，強調(diào)倒切平滑，不影響持續(xù)運營；提升運營過程的自動化、信息化和智能化水平，減少工作人員數(shù)量；綠色節(jié)能，強調(diào)城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展。

基于用戶需求的這些變化趨勢，可以總結(jié)出新一代CBTC信號系統(tǒng)的特性目標(biāo)包括：架構(gòu)精簡、實施便利；智能高效、彈性可靠；綠色友好、標(biāo)準(zhǔn)易用。

2 TACS信號系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)特征分析

為實現(xiàn)新一代CBTC信號系統(tǒng)的特性目標(biāo)，一般認(rèn)為[2]，TACS應(yīng)采用三項主要關(guān)鍵技術(shù)：自主運行、資源細(xì)化以及精簡架構(gòu)。

2.1 自主運行

自主控制系統(tǒng)的研究最早是在美國噴氣推進實驗室(JPL)開展，并在1991年的論文中對自主(Autonomous)的概念進行了闡述[6]。文中提到自主系統(tǒng)能夠運行在不確定性較大的環(huán)境中，能夠在無外部介入的條件下自主調(diào)節(jié)，以適應(yīng)環(huán)境和條件的變化。參照國際汽車工程師協(xié)會(SAE)在行業(yè)技術(shù)規(guī)范J 3016中基于汽車的駕駛功能對“自主控制”進行的分級和界定，SAE將自主系統(tǒng)按功能復(fù)雜程度分為三層：操控功能、戰(zhàn)術(shù)功能和戰(zhàn)略功能。在城市軌道交通中，操控功能對應(yīng)ATO(列車自動運行)功能，核心的ATP功能屬于戰(zhàn)術(shù)功能，而ATS(列車自動監(jiān)控)執(zhí)行了一定程度上的戰(zhàn)略功能?！白灾鬟\行”控制強調(diào)的是無人員介入調(diào)節(jié)下的系統(tǒng)自適應(yīng)能力，對環(huán)境進行自感知和自適應(yīng)，實現(xiàn)智能化的自動控制。因此，TACS作為新一代CBTC系統(tǒng),要實現(xiàn)真正的“自主運行”，應(yīng)該具備的關(guān)鍵技術(shù)特征需包括列車精確位置的主動感知、障礙物主動探測和避障、運營環(huán)境感知(客流、天氣等)。

2.2 資源細(xì)化

信號系統(tǒng)最重要的安全控制功能就是對列車運行線路資源的管理。線路資源對列車運行而言就是一段列車運行空間。通過資源的時空分配實現(xiàn)對列車運行間隔的防護即“閉塞”技術(shù)。不同的閉塞技術(shù)下，列車對線路資源的使用效率不同，體現(xiàn)在線路列車的最小追蹤間隔時間、最小折返間隔時間等性能指標(biāo)中。

典型的CBTC系統(tǒng)在傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖上疊加列控系統(tǒng)，列車移動授權(quán)的計算依賴于聯(lián)鎖進路，列車的間隔防護需要結(jié)合聯(lián)鎖進路和移動授權(quán)兩部分功能實現(xiàn)，包括前后列車間隔、列車與未按指定方向鎖閉的道岔間隔以及兩車側(cè)面沖撞防護等。折返過程中，前后車的間隔以聯(lián)鎖進路和相關(guān)聯(lián)的區(qū)段為單位，與非道岔區(qū)段前后車按列車精確位置進行追蹤差異巨大，因此折返間隔成為提高線路資源利用率的瓶頸。為解決該瓶頸問題，TACS結(jié)合通信技術(shù)，通過獲取實時更新的CBTC列車精確位置，將聯(lián)鎖與區(qū)域控制器的功能融合，構(gòu)建地面一體化ATP控制器，將聯(lián)鎖的二值布爾邏輯數(shù)據(jù)化，對道岔區(qū)段線路資源進行精細(xì)管理，實現(xiàn)了一種以列車為中心的岔區(qū)移動閉塞。TACS資源細(xì)化技術(shù)在道岔區(qū)段折返間隔防護上的應(yīng)用如圖1所示。

基于聯(lián)鎖的防護需要遵循進路的防護原則。在圖1所示折返站內(nèi)，后車發(fā)車進路(起始信號機X2323)至少需要等到前車的折出進路解鎖，且前車尾部出清計軸區(qū)段GC2311-2313，才能開始辦理，需額外等待一個道岔的動作時間，完成進路辦理后授權(quán)發(fā)車。

可以看出，在聯(lián)鎖二值布爾邏輯中，線路資源按區(qū)段為單位進行劃分。道岔區(qū)段的占用、出清代表了列車的位置，聯(lián)鎖的道岔占用鎖閉和解鎖與道岔區(qū)段的狀態(tài)直接關(guān)聯(lián)，這是一種非常簡化的資源管理手段，便于邏輯實現(xiàn)。但道岔區(qū)段線路資源使用效率不高，列車折返間隔時間較長。

通過研究道岔的機械結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)岔區(qū)防護的聯(lián)鎖要求，在前后兩列CBTC列車位置已知且車載ATP確保列車不超過危險點運行的條件下，基于TACS資源細(xì)化技術(shù)對道岔區(qū)域進行數(shù)字化。其具體的做法是將道岔區(qū)段細(xì)化為尖軌防護區(qū)和侵限防護區(qū)，在地面一體化ATP控制器的數(shù)據(jù)庫中進行定義，如圖1中圈出部分。這樣，當(dāng)折出中的前車車尾出清尖軌防護區(qū)時，后車折入的資源申請就能夠進入道岔2313，命令2313移動到側(cè)向，而當(dāng)前車車尾出清侵限防護區(qū)后，后車的授權(quán)延伸進入折返軌，后車起動發(fā)車。這一過程與基于傳統(tǒng)聯(lián)鎖的CBTC相比，節(jié)省了道岔的動作時間和前車走行出清岔區(qū)GC2311-2313的時間。在上海軌道交通5號線實際線路的應(yīng)用中，TACS道岔區(qū)段資源細(xì)化技術(shù)使得折返運營間隔從113 s顯著減少到86 s。此外，整個過程中，地面ATP系統(tǒng)對兩列車的運行模式實時監(jiān)督，一旦任意一列車發(fā)生降級運行的情況，系統(tǒng)的防護原則自動回歸到與傳統(tǒng)聯(lián)鎖一致的邏輯，確保各種場景下的安全運行。

圖1 基于TACS資源細(xì)化的高性能折返Fig.1 High performance turnback based on resource refinement of TACS

TACS資源細(xì)化技術(shù)的另一個優(yōu)點是列車運行的靈活性大大增加。由于列車的換方向運行脫離了聯(lián)鎖進路限制，從而實現(xiàn)了列車在軌道的任意點進行折返運行。以區(qū)間火災(zāi)為例，列車因為前方火災(zāi)需要退回到后方車站，目前傳統(tǒng)聯(lián)鎖疊加ATO模式的CBTC由于受聯(lián)鎖進路的限制，無法實現(xiàn)任意點(火災(zāi)可以發(fā)生在任意點)改變列車運行方向。而基于資源細(xì)化的TACS則很容易實現(xiàn)列車在任意點停車后，給出反向授權(quán)，使得列車可以以全自動運行模式回到后方站臺，避免由于一個災(zāi)害引發(fā)的次生災(zāi)害。

2.3 精簡架構(gòu)

車車通信的城市軌道交通信號系統(tǒng)架構(gòu)最早由阿爾斯通在法國里爾膠輪輕軌改造項目中提出[7]。該方案的目標(biāo)是實現(xiàn)一種簡化的CBTC列控系統(tǒng)，從而減少地面設(shè)備的數(shù)量和安裝工程量。相較于典型的CBTC，簡化的CBTC列控系統(tǒng)最大的改動是取消地面聯(lián)鎖和區(qū)域控制器，兩列車的車載控制器之間進行通信，聯(lián)鎖和區(qū)域控制器功能重新分配到車載控制器和地面目標(biāo)控制器。典型的CBTC及車車通信的CBTC概念架構(gòu)如圖2所示。

實際上，信號系統(tǒng)需要對一條線路甚至是一個城市線路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有列車進行協(xié)同控制。在分析車車通信的CBTC架構(gòu)時，車車通信的CBTC概念架構(gòu)需要展開，展開后的完整系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示中間部分“完整架構(gòu)”。

針對車車通信系統(tǒng)完整架構(gòu)，就以下關(guān)鍵問題及其解決方案進行分析。

a) 典型CBTC架構(gòu)

1) 通信故障時如何管理非通信列車：通信發(fā)生故障時，系統(tǒng)應(yīng)該能對非通信車進行跟蹤并為這些列車分配線路資源，支持非通信車的持續(xù)運行。一類方案是由其中一列車載控制器健康的列車對這類非通信車進行管理。要實現(xiàn)這類方案，前提是這列健康主控列車需要一開始就實時對所有其它列車進行跟蹤，以便一旦發(fā)生某列車通信故障的情況，立即接手故障前已獲得資源，并按非通信車的原則進行資源的切換。因此，主控列車車載需要與所有列車保持通信，通信量巨大；主控列車車載控制器不能發(fā)生故障，一旦發(fā)生故障就需要其它列車的車載控制器來接手主控的功能，備份車載控制器的選擇將非常困難。另一類方案則是把非通信車的管理功能由地面ATP來承擔(dān)。

2) 如何建立車間通信：一種最直接的建立車車間通信的方式是啟動后嘗試與所有列車進行握手通信，或至少根據(jù)與當(dāng)前所在區(qū)域OC(目標(biāo)控制器)報告的所有注冊列車建立通信。另外一種方式是基于列車位置追蹤，根據(jù)本列車的當(dāng)前位置來搜索前方資源干擾位置的列車。第一種方案的通信量會隨著列車數(shù)量的增加而大量增加，建立保持的車間鏈接數(shù)量為2i(i為列車數(shù))個。后一種方案可以考慮由車載控制器來負(fù)責(zé)搜索和更新，或由地面設(shè)備來實現(xiàn)。如果由車載來進行搜索，則車載控制器還需要知道一個區(qū)域內(nèi)所有列車的信息，在沒有地面設(shè)備對列車追蹤的情況下，車載控制器依然需要與所有列車建立通信以了解各個列車的任務(wù)和當(dāng)前位置，其本質(zhì)與第一種方案沒有區(qū)別。而最為合理的方式依然是地面設(shè)備對所有列車進行追蹤，并為新進入控制區(qū)域范圍內(nèi)的列車提供前方待通信列車的信息。

注：VOBC——車載控制器；RMC——資源管理控制器;n——車站數(shù)。

3) 資源在非通信列車與通信列車之間如何交接：已經(jīng)分配給一列健康列車的資源在該列車丟失通信后，應(yīng)能保留已有的分配并轉(zhuǎn)交給負(fù)責(zé)非通信列車跟蹤控制的子系統(tǒng)，這一非通信車跟蹤控制功能如果由另一列健康車來實現(xiàn)，則這列控制列車需要對所有的列車資源進行跟蹤記錄，一旦該列控制列車出現(xiàn)問題，則會造成非通信列車管理的混亂，難以快速恢復(fù)。因此合理的解決方式與問題2類似，基于地面設(shè)備實現(xiàn)對所有列車的跟蹤，這一資源交接問題則非常易于處理，可以實現(xiàn)無縫切換。

4) 基于全局智能調(diào)整的多車協(xié)同調(diào)度如何實現(xiàn)：線路規(guī)模的增加，尤其運行列車數(shù)量增加后，為實現(xiàn)全局調(diào)度的優(yōu)化，提升系統(tǒng)效能，需對多列車根據(jù)擾動情況進行實時調(diào)度調(diào)整，因此系統(tǒng)應(yīng)對全局信息進行分析，包括對所有運行車輛的動態(tài)、早晚點、客流甚至突發(fā)事件進行信息提取和優(yōu)化計算。將ATS時刻表任務(wù)交給各列列車的方式無法實現(xiàn)這些更加智能化的功能。

綜上所述，資源細(xì)化技術(shù)能進一步提升線路資源使用效率，但現(xiàn)有的V2V架構(gòu)并沒有帶來資源使用效率的顯著變化，甚至還在一些場景下出現(xiàn)劣化的情況。為此，考慮對現(xiàn)有的V2V架構(gòu)進行優(yōu)化，提出了一種更加可行的車車通信CBTC系統(tǒng)建議架構(gòu)如圖3中所示。此建議架構(gòu)從既有的CBTC系統(tǒng)演化而來，將聯(lián)鎖與區(qū)域控制器的功能進行融合，構(gòu)成地面ATP資源管理控制器，降低了復(fù)雜度，系統(tǒng)應(yīng)付故障場景具備更高的彈性，易于實現(xiàn)故障下的持續(xù)運行。

3 新一代TACS信號系統(tǒng)架構(gòu)

對圖3中所示建議架構(gòu)完整展開，即新一代TACS信號系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用在中心、地面以及車載三層部署方式。地面系統(tǒng)與典型的CBTC系統(tǒng)不同，車站上僅分布部署目標(biāo)控制器，通過目標(biāo)控制器的全電子化，減少或無需點式后備，取消獨立聯(lián)鎖設(shè)備。該系統(tǒng)能夠節(jié)省約20%的地面設(shè)備硬件全生命周期投入。資源管理器靈活部署到中心或指定車站，按線路運行等級適配維護人員。在不增加地面設(shè)備的前提下，車載設(shè)備增加了基于多傳感器融合和人工智能技術(shù)的主動障礙物探測系統(tǒng)，在系統(tǒng)故障的情況下為列車提供一種降級模式下的輔助安全防護功能。列車根據(jù)地面系統(tǒng)提供的所有列車的追蹤信息，建立與前后相關(guān)列車的車間通信，實現(xiàn)大運量線路短間隔運行時系統(tǒng)ATO速度協(xié)同調(diào)整功能及虛擬聯(lián)掛功能，結(jié)合智能ATS的綠色CBTC功能達(dá)到整體的能耗優(yōu)化控制。

注：OCC——運營控制中心；DDOC——電子聯(lián)鎖執(zhí)行單元；BOCC——備用OCC；ACE——計軸；MPU——主處理器；HDPPU——外設(shè)接口單元；TOD——司機操作主屏;LTE——長期演進；5G——第5代移動通訊技術(shù)；j——ATP控區(qū)的數(shù)量。圖4 新一代TACS信號系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of new generation signaling system TACS

4 結(jié)語

本文通過對TACS的自主控制、以車為中心的資源管理、架構(gòu)精簡等關(guān)鍵技術(shù)特征進行分析得出結(jié)論：TACS的自主控制技術(shù)增強系統(tǒng)的感知能力和決策能力，資源細(xì)化管理技術(shù)是提升TACS性能的核心，而車與車之間直接通信在系統(tǒng)中的作用需要重新思考。借助V2V技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多車間協(xié)同控制、虛擬聯(lián)掛等功能，進而帶來系統(tǒng)性能的提升，但如果提升的重點是用于功能分配重組，則需要平衡由此增加的系統(tǒng)復(fù)雜度，并避免故障情況下系統(tǒng)可用性的損失?；诖?，本文提出了新一代TACS信號系統(tǒng)架構(gòu)。由于涉及到的技術(shù)內(nèi)容較多，受篇幅限制，本文未就新系統(tǒng)的關(guān)鍵信息傳輸路徑和時序，資源申請、分配和移動授權(quán)計算三層控制邏輯等方面進行詳細(xì)展開。這些內(nèi)容可另行探討。