基于車-車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)研究

羅情平 吳 昊 陳麗君

(1. 青島地鐵集團(tuán)有限公司， 266045， 青島； 2. 上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上海//第一作者，高級(jí)工程師)

1 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著我國(guó)城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，城市軌道交通車輛及信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)水平已獲得了持續(xù)進(jìn)步，但總體上仍處于追蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的階段，尚未達(dá)到全面超越國(guó)外技術(shù)的水平。目前普遍采用的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)雖具有發(fā)車間隔小、運(yùn)行效率高等優(yōu)勢(shì)，但因其列車進(jìn)路和安全防護(hù)等關(guān)鍵功能均是基于“車-地-車”的結(jié)構(gòu)體系，且CBTC系統(tǒng)存在子系統(tǒng)種類與軌旁設(shè)備繁多，子系統(tǒng)之間耦合度過高且相互之間功能交叉、功能冗余及交互復(fù)雜，子系統(tǒng)之間交互通信的信息周轉(zhuǎn)及系統(tǒng)處理周期長(zhǎng)等特點(diǎn)；同時(shí)CBTC系統(tǒng)對(duì)列車的移動(dòng)授權(quán)在地面進(jìn)行集中管理，單個(gè)設(shè)備發(fā)生故障則影響到整個(gè)區(qū)域。上述問題造成CBTC系統(tǒng)復(fù)雜度過高，對(duì)系統(tǒng)的可靠性和建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)都帶來了較多的挑戰(zhàn)和困難，無法滿足未來對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)效率提升、互聯(lián)互通及大規(guī)模設(shè)備更換等需求。

2015年2月，工信部明確將1.8 G、1 785～1 805 MHz頻段作為城市軌道交通等行業(yè)專用頻段，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合第四代無線通信技術(shù)(TD-LTE)，形成了城市軌道交通無線通信技術(shù)平臺(tái)。同時(shí)，我國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)組織制定了《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)規(guī)范》，并在全國(guó)主要城市地鐵建設(shè)中作為信號(hào)系統(tǒng)車-地?zé)o線通信技術(shù)進(jìn)行推廣。

基于上述現(xiàn)狀，優(yōu)化傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車-地-車”結(jié)構(gòu)體系，將列車控制主體轉(zhuǎn)移到車載控制平臺(tái)，充分利用LTE-M這一安全高速的信息傳輸平臺(tái)，通過實(shí)現(xiàn)“車-車”之間的通信，支持列車安全、高密度和自動(dòng)化運(yùn)行，有效降低全生命周期成本，這樣的新型信號(hào)系統(tǒng)必將成為未來的技術(shù)發(fā)展方向。

2 列車自主運(yùn)行系統(tǒng)及其原理

列車自主運(yùn)行系統(tǒng)(TACS)克服了傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)的缺點(diǎn)。其主要設(shè)計(jì)思想是：以基于LTE-M的“車-車”通信為基礎(chǔ)，以將傳統(tǒng)的車地兩層列車控制系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等高度融合為手段，從列車運(yùn)營(yíng)管理的角度出發(fā)，圍繞列車安全與高效運(yùn)行這一核心，采用一體化設(shè)計(jì)思想，通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分配，實(shí)現(xiàn)支持列車主動(dòng)進(jìn)路和自主防護(hù)，以達(dá)到提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和運(yùn)行效率，以及降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的目的。同時(shí),TACS還支持FAM(快速輔助存貯器)的全自動(dòng)運(yùn)行及自動(dòng)化車輛段設(shè)計(jì)。

TACS業(yè)務(wù)是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，其對(duì)可靠性要求極高。其中，車-車之間的通信,以及車載與地面之間的通信通道均由基于LTE-M的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)提供。LTE-M系統(tǒng)在采用受保護(hù)的專用1.8 GHz頻段基礎(chǔ)上，通過多級(jí)冗余的可靠性設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)鏈路和設(shè)備供電等方面采取了多種保障措施以提升系統(tǒng)的可靠性和可用性，并且車-車以及車-地之間的應(yīng)用通信協(xié)議采用成熟并廣泛應(yīng)用的RSSP-II(鐵路信號(hào)安全協(xié)議II)，從而確保車-車通信的可靠性和安全性。與此同時(shí)，LTE-M和專設(shè)的安全網(wǎng)關(guān)均可以提供TACS業(yè)務(wù)的鑒權(quán)、加密和完整性保護(hù)，確保車-車通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约鞍踩浴?/p>

TACS核心架構(gòu)如圖1所示。圖1中，每列列車上的車載信號(hào)設(shè)備獨(dú)立進(jìn)行車輛位置和速度等狀態(tài)的采集與計(jì)算，并根據(jù)收到的相鄰列車位置狀態(tài)信息和軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息，獲取動(dòng)作并鎖定軌道資源，控制車輛速度，以確保行車安全與效率。

注：ATS代表列車自動(dòng)監(jiān)控，CI代表計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖,ZC代表區(qū)域控制器,OC代表目標(biāo)控制器，OBC代表車載控制器，DMI代表車載人機(jī)接口

TACS的組成如下：

(1) ATS將時(shí)刻表或?qū)崟r(shí)人工進(jìn)路命令下發(fā)給列車。

(2) OC負(fù)責(zé)登記列車信息和更新資源登記，并執(zhí)行列車動(dòng)作命令。

(3) 列車OBC根據(jù)進(jìn)路需求向OC登記并查詢資源登記結(jié)果；向前車申請(qǐng)資源，并接受其他車輛申請(qǐng)釋放資源；列車在OC更新登記實(shí)體資源，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)采；在獲得的獨(dú)占軌道資源內(nèi)，計(jì)算列車制動(dòng)曲線，防護(hù)列車運(yùn)行。

(4) 車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)提供可靠的車-車與車-地通信通道。

3 TACS較傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。列車可以根據(jù)提前收到的運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行自主觸發(fā)進(jìn)路，主要的ATP(列車自動(dòng)保護(hù))和聯(lián)鎖功能均可在列車上實(shí)現(xiàn)，基于資源管理的車載理念自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并在移動(dòng)授權(quán)范圍內(nèi)自主行車，同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)車載設(shè)備與車輛設(shè)備進(jìn)行高度融合，形成以智能列車為中心的分布式控制系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更優(yōu)

TACS取消了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的軌旁CBI(聯(lián)鎖)和ZC設(shè)備，優(yōu)化了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車-地-車”結(jié)構(gòu)，車載OBC集成原軌旁的CBI與ZC的功能，軌旁僅保留與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口的OC，減少了控制環(huán)節(jié)與接口復(fù)雜度，并通過“車-車”通信方式實(shí)現(xiàn)行車資源的交互。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)和TACS架構(gòu)圖[1]比較如圖2所示。

另外，TACS對(duì)車輛和信號(hào)車載設(shè)備進(jìn)行了充分的融合。車輛網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，TCMS(列車監(jiān)控管理系統(tǒng))為信號(hào)車載各設(shè)備間的信息傳輸提供透明傳輸通道；信號(hào)車載設(shè)備和車輛之間將互相提供更為豐富的狀態(tài)及控制信息，不但減少了硬線接口，而且通過交互的數(shù)據(jù)使信號(hào)系統(tǒng)和牽引、制動(dòng)系統(tǒng)更為緊密結(jié)合，使列車控制過程更為精確。此外，TACS是在基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)車輛和信號(hào)系統(tǒng)的HMI(人機(jī)接口界面)硬件設(shè)備進(jìn)行融合，綜合顯示來自信號(hào)和車輛的行車信息，并整合重復(fù)信息，以簡(jiǎn)單、直觀和全面為原則，對(duì)行車信息顯示進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

a) 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)

b) TACS

3.2 基于列車主動(dòng)進(jìn)路和自主防護(hù)的自主運(yùn)行

TACS中，ATS將運(yùn)行計(jì)劃提前下發(fā)至列車，由車載控制系統(tǒng)自主調(diào)整列車運(yùn)行及自動(dòng)觸發(fā)進(jìn)路，并根據(jù)列車計(jì)算的自身移動(dòng)授權(quán)自主防護(hù)列車運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)列車主動(dòng)進(jìn)路、自主防護(hù)及自主運(yùn)行，減少對(duì)ATS子系統(tǒng)可靠性的依賴。

3.3 故障影響面小，運(yùn)營(yíng)恢復(fù)速度快

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)通過ZC收集每列列車的位置信息及聯(lián)鎖的進(jìn)路狀態(tài)，并集中地統(tǒng)一處理控區(qū)范圍內(nèi)的每列列車的移動(dòng)授權(quán)，這種管理方式稱為集中式管理；TACS由列車自主對(duì)所需資源進(jìn)行占用，且資源是否能夠釋放完全由列車自主判斷，資源的交互直接發(fā)生在列車之間，這種原理方式稱為分布式控制。

針對(duì)集中式管理，若ZC發(fā)生故障，整個(gè)控區(qū)的CBTC系統(tǒng)的行車都要受到影響，故需要快速解決ZC故障以恢復(fù)小間隔運(yùn)營(yíng)；TACS的分布式控制則具有故障影響面小、能夠快速恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)。

3.4 基于“資源”的安全防護(hù)原理

相對(duì)于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)基于進(jìn)路和移動(dòng)授權(quán)防護(hù)的安全原理，TACS將行車路徑虛擬為一段資源。其行車間隔的安全防護(hù)依賴于列車自主性的“獨(dú)占”資源和移交機(jī)制，可以簡(jiǎn)化進(jìn)路的設(shè)計(jì)和接口數(shù)據(jù)，并能更好地支持反向行駛、列車對(duì)開及往返行駛等行車方式。TACS提高了列車運(yùn)營(yíng)組織的靈活性，尤其是在應(yīng)急情況下，豐富了行車路線的選擇，有利于提高行車指揮水平。

3.5 提升行車間隔，更優(yōu)的系統(tǒng)性能

TACS通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的ZC及聯(lián)鎖雙核心架構(gòu)，將線路資源管理及移動(dòng)授權(quán)功能由軌旁系統(tǒng)移至車載系統(tǒng)；設(shè)備的減少及子系統(tǒng)/設(shè)備間接口的優(yōu)化，減少了設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互及系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)交互次數(shù)，同時(shí)車載控制數(shù)據(jù)流直達(dá)控制對(duì)象，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，有助于減小列車追蹤間隔及提高系統(tǒng)性能；車輛段采用支持FAM(全自動(dòng)運(yùn)行模式)的運(yùn)行方式，提高了出庫和入庫效率以及車輛段的防護(hù)水平和作業(yè)水平。

TACS中后車可通過直接與前車通信，獲取前車更多信息，如速度、加速度、位置等，從而生成平穩(wěn)的追蹤速度曲線，提高乘客乘坐舒適度。同時(shí)，TACS的優(yōu)化降低了系統(tǒng)的設(shè)備和接口的復(fù)雜度，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。

3.6 更高的列車智能化水平，更靈活的運(yùn)營(yíng)組織方式

TACS的“車-車”通信方案實(shí)現(xiàn)了“車-車”及“車-地”的實(shí)時(shí)安全通信，有利于列車通過環(huán)境感知等新技術(shù)進(jìn)一步提高其智能化水平。列車作為城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的控制主體，使得同一區(qū)域多列車之間的協(xié)商運(yùn)行成為可能，有利于豐富行車組織方式，降低運(yùn)營(yíng)組織的復(fù)雜度，以及提高運(yùn)營(yíng)組織的靈活性。

3.7 更利于工廠化調(diào)試，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間

TACS的主要功能集中在列車上，且TACS的信號(hào)車載與車輛深度融合，新車生產(chǎn)時(shí)即可方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)主要功能的工廠化調(diào)試，尤其是信號(hào)系統(tǒng)與牽引、制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)完全可以在廠內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)和工廠試車線完成。車載功能調(diào)試結(jié)束后，列車僅需驗(yàn)證線路地圖就能進(jìn)入正線來完成與ATS、OC簡(jiǎn)單的聯(lián)合調(diào)試。與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS能夠縮短工程線路現(xiàn)場(chǎng)的地面調(diào)試時(shí)間約30%。

3.8 降低了建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS精簡(jiǎn)了車站/軌旁設(shè)備，優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，預(yù)計(jì)可減少15%的設(shè)備費(fèi)用、30%的設(shè)備用房面積及40%的維護(hù)工作量，同時(shí)用于設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試及用電等費(fèi)用均將有所降低。

3.9 線路改造升級(jí)簡(jiǎn)單

TACS在地面設(shè)備部分僅保留了基礎(chǔ)信號(hào)及OC等少量設(shè)備，有利于對(duì)已建線路進(jìn)行升級(jí)改造。同時(shí)，對(duì)于分期開通的延伸線路，系統(tǒng)的調(diào)試和割接工作得到簡(jiǎn)化，只需要對(duì)車載進(jìn)行測(cè)試和升級(jí)，對(duì)已運(yùn)行線路的影響大大降低。

4 列車自主運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)踐

針對(duì)青島地鐵，TACS著重在集成系統(tǒng)技術(shù)/產(chǎn)品平臺(tái)、系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證平臺(tái)、技術(shù)規(guī)范體系、工程示范應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)維護(hù)體系等5個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新和應(yīng)用。其核心目標(biāo)是掌握基于車載控制平臺(tái)的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)核心技術(shù)，形成TACS技術(shù)平臺(tái)及完成成套系統(tǒng)產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上形成兼具系統(tǒng)功能、性能和接口的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理體系，為列車自主運(yùn)行系統(tǒng)的示范推廣提供條件。

為達(dá)成核心目標(biāo)，TACS的實(shí)踐通過建立仿真測(cè)試中心、建成5 km真實(shí)的試驗(yàn)線(以下簡(jiǎn)為“試驗(yàn)線”)，并結(jié)合青島地鐵6號(hào)線示范工程實(shí)施等多個(gè)步驟有序進(jìn)行。

TACS仿真測(cè)試中心為TACS在系統(tǒng)調(diào)試階段提供半實(shí)物的仿真測(cè)試環(huán)境，采用部分真實(shí)的車輛和信號(hào)設(shè)備與仿真的車輛和信號(hào)設(shè)備相結(jié)合的方式。在試驗(yàn)線及青島地鐵6號(hào)線示范工程建設(shè)期間，信號(hào)系統(tǒng)和車輛可在TACS仿真測(cè)試中心提供的車輛和信號(hào)系統(tǒng)融合的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試；同時(shí)對(duì)TACS所涉及的特殊場(chǎng)景及各子系統(tǒng)(車輛、信號(hào)、LTE)的接口進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析。TACS仿真測(cè)試中心兼具演示和培訓(xùn)等功能。

5 結(jié)語

TACS作為一種新型的列車控制系統(tǒng)，具有較高的可靠性和運(yùn)行效率及更低的全生命周期成本，將成為下一代信號(hào)系統(tǒng)的主流方向。