趙 亮

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 300251， 天津∥高級(jí)工程師)

1 既有列車控制系統(tǒng)線路信息情況

列車控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“列控系統(tǒng)”)主要包括兩種制式標(biāo)準(zhǔn)，分別為國(guó)家鐵路(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵”)線路采用的CTCS(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng))制式標(biāo)準(zhǔn)和城市軌道交通線路采用的CBTC(基于通信的列車控制)制式標(biāo)準(zhǔn)。這兩種制式標(biāo)準(zhǔn)在部分設(shè)計(jì)理念上有所不同。

CTCS通過(guò)應(yīng)答器和RBC(無(wú)線承載控制器)傳輸列車運(yùn)行前方局部線路的數(shù)據(jù)。其中：應(yīng)答器存儲(chǔ)局部(一般鏈接列車運(yùn)行前方的2組應(yīng)答器)的線路數(shù)據(jù);RBC通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸列車運(yùn)行前方2個(gè)車站范圍內(nèi)的線路數(shù)據(jù)。每列車對(duì)線路數(shù)據(jù)即用即刪，不存儲(chǔ)固定線路數(shù)據(jù)。CTCS獲取線路數(shù)據(jù)的方式提高了列車網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的靈活性和可用性，減輕了VOBC(車載控制器)的存儲(chǔ)壓力，提高了VOBC的運(yùn)算速度。

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的《城市軌道交通基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)互聯(lián)互通系列團(tuán)體規(guī)范》規(guī)定，采用CBTC制式的城市軌道交通線路，其線路信息以車載電子地圖(以下簡(jiǎn)稱“電子地圖”)方式被拷貝或無(wú)線傳輸至VOBC，并通過(guò)與地面應(yīng)答器或DSU(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元)校核電子地圖的版本號(hào)，保證CBTC系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)共用相同的電子地圖。CBTC的電子地圖有全局觀念，即線網(wǎng)內(nèi)列車的VOBC和每個(gè)DSU均掌握以軌道區(qū)段為單位的所有線路信息。對(duì)于封閉和穩(wěn)定的線路/線網(wǎng)而言，CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的線路數(shù)據(jù)傳輸壓力較小，即完成一次性傳輸后，若線路不發(fā)生變化則不需實(shí)時(shí)更新。但是，線路的局部變動(dòng)會(huì)影響整個(gè)電子地圖的修改，此時(shí)需要更新所有列車和DSU的電子地圖版本。

采用CBTC的城市軌道交通線路，其電子地圖的傳輸數(shù)據(jù)量約為1～2 Mbit，數(shù)據(jù)主要包括4個(gè)方面：①線路數(shù)據(jù)；②軌道區(qū)段數(shù)據(jù)；③軌旁設(shè)備數(shù)據(jù),包括應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)、車檔、ZC(區(qū)域控制器)、ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、DSU、MSS(維護(hù)支持系統(tǒng))等；④安全通信協(xié)議數(shù)據(jù)。基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的應(yīng)答器報(bào)文的傳輸數(shù)據(jù)量共計(jì)830 bit，其數(shù)據(jù)量主要包括幀標(biāo)志位(約50 bit)、用戶信息包(約772 bit)和結(jié)束信息(約8 bit)。通過(guò)對(duì)比可知，傳輸數(shù)據(jù)量的差別決定了CBTC系統(tǒng)電子地圖的數(shù)據(jù)傳輸很難與應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸相匹配。

2 電子地圖傳輸方案研究

為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，使得各線間能互聯(lián)互通，本文設(shè)計(jì)了4個(gè)電子地圖傳輸方案，從電子地圖傳輸?shù)姆秶瓦\(yùn)營(yíng)交路的角度，對(duì)全線網(wǎng)的電子地圖進(jìn)行“切片”和“訂制”處理，并對(duì)各方案進(jìn)行分析、對(duì)比。

2.1 基于無(wú)線傳輸?shù)木€網(wǎng)電子地圖方案

在基于無(wú)線傳輸?shù)木€網(wǎng)電子地圖方案(方案一)中，VOBC儲(chǔ)存最新的完整版線網(wǎng)電子地圖，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及時(shí)予以更新。方案一的架構(gòu)如圖1所示，需設(shè)置線網(wǎng)的COCC(網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)中心)，在COCC配置專用的電子地圖服務(wù)器(即線網(wǎng)級(jí)的DSU)，用以存儲(chǔ)全線網(wǎng)各線的電子地圖信息，并匯總、編制全線網(wǎng)的電子地圖。此外，在各城市軌道交通線路的OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)內(nèi)分別設(shè)置服務(wù)于本線的電子地圖服務(wù)器(即線路級(jí)的DSU)。線網(wǎng)中的線路或設(shè)備若發(fā)生變化，均會(huì)導(dǎo)致電子地圖中軌道區(qū)段數(shù)據(jù)和軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，此時(shí)需更新COCC電子地圖服務(wù)器的版本，并通過(guò)線網(wǎng)電子地圖服務(wù)器將電子地圖信息下發(fā)至各線的電子地圖服務(wù)器。在運(yùn)營(yíng)結(jié)束后，各線的電子地圖服務(wù)器還需向該線所有列車廣播發(fā)送新版的電子地圖信息。

圖1 基于無(wú)線傳輸?shù)木€網(wǎng)電子地圖方案架構(gòu)示意圖

為防止OCC更新的電子地圖與現(xiàn)場(chǎng)的電子地圖不一致，在出段信號(hào)機(jī)處設(shè)有用于電子地圖版本校核的JH(無(wú)源應(yīng)答器)。JH用以存儲(chǔ)最新的電子地圖版本和CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))碼，并在每次電子地圖版本升級(jí)時(shí)采用人工方式進(jìn)行應(yīng)答器的數(shù)據(jù)更新。當(dāng)車載設(shè)備讀取到JH后，VOBC將比對(duì)應(yīng)答器的版本號(hào)和CRC碼。線網(wǎng)電子地圖版本校核機(jī)制如圖2所示，當(dāng)比對(duì)結(jié)果不一致時(shí)，列車將緊急制動(dòng)，將報(bào)警信息發(fā)送至所屬線路OCC甚至COCC。列車在完整、準(zhǔn)確接收電子地圖前無(wú)法出段，以避免對(duì)運(yùn)營(yíng)造成影響。

注：CK——出庫(kù)信號(hào)機(jī)；CD——出段信號(hào)機(jī)。

2.2 基于固定范圍的線網(wǎng)電子地圖傳輸方案

上述方案一可實(shí)現(xiàn)全線網(wǎng)的電子地圖統(tǒng)一更新和提供下載服務(wù)，并采取校核機(jī)制來(lái)確保版本的一致性。COCC電子地圖服務(wù)器對(duì)全線網(wǎng)車載設(shè)備的列車網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，并預(yù)留了未來(lái)可能增加的列車網(wǎng)絡(luò)地址，以達(dá)到線網(wǎng)列車數(shù)增加后盡量減少全線網(wǎng)電子地圖修改次數(shù)和修改量的目的。但由于城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)很大，線網(wǎng)中任何一處線路發(fā)生局部變化，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)線網(wǎng)電子地圖的更新。而且，由于VOBC內(nèi)存有多條線路的電子地圖，占用了較多的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，勢(shì)必導(dǎo)致VOBC的運(yùn)算速度減慢。

為此，對(duì)方案一進(jìn)行完善后，得到基于固定范圍的線網(wǎng)電子地圖傳輸方案(方案二)。方案二以車站/區(qū)間數(shù)量或線路區(qū)間長(zhǎng)度(如10個(gè)車站/區(qū)間范圍或10 km范圍)作為“切片”單位，對(duì)電子地圖進(jìn)行分割處理。每列車在運(yùn)行前，其VOBC會(huì)提前更新下載運(yùn)行線路前方“切片”范圍內(nèi)的電子地圖。方案二下，VOBC可合理利用存儲(chǔ)空間，減輕了VOBC的計(jì)算壓力。該方案適用于較大規(guī)模的城市軌道交通線網(wǎng)。

2.3 基于行車交路的線網(wǎng)電子地圖傳輸方案

基于行車交路的線網(wǎng)電子地圖傳輸方案(方案三)由COCC配置列車行車交路范圍內(nèi)的電子地圖，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至VOBC。VOBC根據(jù)配置的行車交路范圍內(nèi)的電子地圖執(zhí)行列車控制任務(wù)。該方案以單個(gè)車站及其對(duì)應(yīng)的區(qū)間為最小單位，將最小單位信息匯總至COCC電子地圖服務(wù)器后，COCC電子地圖服務(wù)器對(duì)線網(wǎng)電子地圖進(jìn)行配置，各線同步更新從COCC下載的線網(wǎng)電子地圖數(shù)據(jù)。ZC或DSU根據(jù)當(dāng)前列車位置，以目的地站為目標(biāo)計(jì)算該列車本次行程的進(jìn)路范圍，并下載本次運(yùn)行進(jìn)路范圍內(nèi)的電子地圖。VOBC通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從始發(fā)站所在線路的ZC或DSU下載本次行車任務(wù)范圍內(nèi)的電子地圖。在正常工況下，VOBC按目的地碼結(jié)合電子地圖控制列車運(yùn)行。若出現(xiàn)超出電子地圖范圍的特殊情況，VOBC將命令列車緊急制動(dòng)，司機(jī)按調(diào)度命令以RM(限制人工模式)將列車駛?cè)胱罱恼鄯稻€內(nèi)。此時(shí)，需在VOBC接收到新的電子地圖和目的地碼，并通過(guò)距離列車最近的2個(gè)應(yīng)答器獲得新的列車定位及運(yùn)行方向后，將列車運(yùn)行模式升級(jí)至AM(自動(dòng)駕駛模式)、CM(自動(dòng)防護(hù)模式)，列車方可重新投入正線運(yùn)營(yíng)。

圖3為基于行車交路的線網(wǎng)電子地圖方案示例。VOBC在獲得目的地碼和1G、1DG、2G、3G、…、nG、(n+1)G等各軌道區(qū)段的電子地圖后，列車按照既定的行車交路，從1號(hào)線1#站出發(fā)，運(yùn)行通過(guò)1號(hào)線相關(guān)車站后，到達(dá)目的地站(2號(hào)線2#站)。隨后，列車將再次申請(qǐng)新的列車識(shí)別碼、目的地碼和下一個(gè)運(yùn)行交路范圍內(nèi)的電子地圖。

注：1G、1DG、2G—nG、(n+1)G均為軌道區(qū)段編號(hào)。

方案三采用了“訂制”電子地圖的設(shè)計(jì)理念，僅為列車VOBC傳輸本次運(yùn)行交路范圍內(nèi)的電子地圖。對(duì)于平均站間距不大于1.5 km、存車折返線間距不大于15 km的普通地鐵線路，電子地圖種類可以固化(如將運(yùn)行交路固化為第一個(gè)具有存車折返線的車站至第二個(gè)具有存車折返線的車站的線間區(qū)段)，進(jìn)而降低電子地圖的復(fù)雜程度。

2.4 基于行車交路的單線電子地圖傳輸方案

基于行車交路的單線電子地圖傳輸方案(方案四)可按1條線路內(nèi)列車運(yùn)行進(jìn)路進(jìn)一步分割傳輸電子地圖。與方案三相比，方案四不需要設(shè)置COCC電子地圖服務(wù)器，只需設(shè)置各線OCC電子地圖服務(wù)器。線路OCC電子地圖服務(wù)器負(fù)責(zé)根據(jù)列車運(yùn)行圖/時(shí)刻表編制列車在本線運(yùn)行進(jìn)路范圍內(nèi)的電子地圖。VOBC存儲(chǔ)所在線路列車進(jìn)路范圍內(nèi)的電子地圖，在跨線交接區(qū)段從跨線后所在線路的電子地圖服務(wù)器中下載運(yùn)行前方線路列車進(jìn)路的電子地圖。列車成功跨線運(yùn)行后，列車可以AM、CM等正常駕駛模式行車，此時(shí)VOBC將刪除跨線前的電子地圖，僅保存當(dāng)前所在線路的電子地圖。若VOBC在跨線交接區(qū)段未能成功下載電子地圖，則列車只能以RM、EUM(非限制人工駕駛模式)運(yùn)行，此時(shí)司機(jī)應(yīng)與調(diào)度配合，駕駛列車至最近的車站實(shí)施清客，再駕駛列車駛?cè)胱罱拇孳嚲€退出運(yùn)營(yíng)。

圖4為基于行車交路的單線電子地圖傳輸方案示例。列車在1號(hào)線運(yùn)行時(shí)，VOBC存儲(chǔ)了1號(hào)線列車進(jìn)路范圍內(nèi)的電子地圖；列車運(yùn)行至1號(hào)線與2號(hào)線的交接區(qū)段時(shí)，VOBC將從2號(hào)線OCC電子地圖服務(wù)器下載2號(hào)線列車進(jìn)路范圍內(nèi)的電子地圖；列車進(jìn)入2號(hào)線后，VOBC將刪除1號(hào)線的電子地圖，僅保留2號(hào)線的電子地圖。

注：A為1號(hào)線、2號(hào)線的分界點(diǎn)。

3 電子地圖傳輸方案比選

上述4個(gè)電子地圖傳輸方案均需對(duì)原CBTC系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)流和硬件配置進(jìn)行修改，但其在電子地圖傳輸頻次、傳輸數(shù)據(jù)量、VOBC存儲(chǔ)要求、適用線網(wǎng)規(guī)模、系統(tǒng)復(fù)雜度和系統(tǒng)可靠性等方面有所區(qū)別，具體的方案對(duì)比如表1所示。

表1 4種電子地圖傳輸方案在系統(tǒng)性能上的對(duì)比

通過(guò)以上對(duì)比可知，應(yīng)基于無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展程度、城市軌道交通的線網(wǎng)規(guī)模和系統(tǒng)可靠性等選擇電子地圖傳輸方案：

1) 若線網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)互通線路數(shù)量較少(僅有1～2條線路)，且VOBC存儲(chǔ)的電子地圖不影響系統(tǒng)響應(yīng)速度時(shí)，方案一具有明顯優(yōu)勢(shì)。雖然方案一需要傳輸整個(gè)線網(wǎng)內(nèi)各線完整結(jié)構(gòu)的電子地圖，但此工作可在運(yùn)營(yíng)結(jié)束后再進(jìn)行下載和更新，對(duì)線路/線網(wǎng)的正常運(yùn)營(yíng)影響不大。

2) 方案二可支持互聯(lián)互通線路數(shù)量較多(3條及以上線路)的城市軌道交通線網(wǎng)。與普通地鐵線路的電子地圖數(shù)據(jù)量相比，方案二在電子地圖傳輸數(shù)據(jù)量上有所減少。對(duì)于采用CBTC信號(hào)制式的城際鐵路和市域(郊)鐵路，因線路的站間距較大，方案二按照線路長(zhǎng)度來(lái)劃分電子地圖，其傳輸方式更為靈活。

3) 方案三可以降低傳輸頻次，降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)壓力，避免出現(xiàn)因無(wú)線網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題導(dǎo)致列車在區(qū)間或在無(wú)停車折返線車站降級(jí)運(yùn)行等問(wèn)題，提高信號(hào)系統(tǒng)的整體可用性。方案三適用于平均站間距不大于1.5 km且設(shè)置的兩個(gè)相鄰存車折返線間距不大于15 km的普通地鐵線網(wǎng)。

4) 方案四可支持互聯(lián)互通線路數(shù)量較多(3條及以上線路)的城市軌道交通線網(wǎng)。因交路折返站一般設(shè)置不少于2條折返線，故在電子地圖傳輸失敗時(shí)，方案四下故障列車可采用人工駕駛方式運(yùn)行至折返線，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的影響較小。此外，方案四只傳輸本線范圍內(nèi)固定的幾條列車運(yùn)行交路或轉(zhuǎn)線作業(yè)進(jìn)路的完整電子地圖，其傳輸數(shù)據(jù)量小于1條完整線路電子地圖的傳輸數(shù)據(jù)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，本文得到結(jié)論如下：對(duì)于有1～2條互聯(lián)互通線路的線網(wǎng)，方案一更具優(yōu)勢(shì)；對(duì)于有3條及以上互聯(lián)互通線路的線網(wǎng)，方案二和方案四均具有優(yōu)勢(shì)，方案四可對(duì)故障列車進(jìn)行更好的處理。

方案二、方案三、方案四均涉及到對(duì)電子地圖進(jìn)行“切片”和“訂制”，與目前常用的電子地圖方案有所不同，故需要進(jìn)一步研究及開(kāi)發(fā)與這3種方案相匹配的軟件，同時(shí)需要進(jìn)一步仿真評(píng)估采用這3種方案對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響。