新一代城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)研究

劉 劍

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，100081，北京//副研究員)

目前，我國(guó)CBTC系統(tǒng)已經(jīng)逐步從國(guó)產(chǎn)化階段邁入自主化階段，首個(gè)基于自主化CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通示范項(xiàng)目已在重慶實(shí)施，基于GoA4(自動(dòng)化等級(jí)4)的全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)在北京燕房線順利開通。我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的整體技術(shù)水平已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。構(gòu)建新一代城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展，已成為當(dāng)前的一個(gè)重要課題。

1 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)

1. 1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于互聯(lián)互通的CBTC系統(tǒng)由ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、CBTC軌旁(含區(qū)域控制器(ZC))、CBTC車載、聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)等組成[2]，其物理接口示意圖和邏輯接口示意圖如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)接口示意圖

在CBTC系統(tǒng)中，聯(lián)鎖、ZC、ATP(列車自動(dòng)保護(hù))、LEU(地面電子單元)/應(yīng)答器安全完整性等級(jí)應(yīng)為SIL4級(jí)，ATS系統(tǒng)、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)宜為SIL2級(jí)，DCS等系統(tǒng)為SIL0級(jí)，其功能分配表如表1所示。

表1 CBTC系統(tǒng)各子系統(tǒng)及部件的功能及安全完整性等級(jí)

1. 2 存在的問題

1) 功能相互依賴，耦合度高。以線路區(qū)段占用狀態(tài)為例，聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)計(jì)軸區(qū)段占用狀態(tài)和ZC系統(tǒng)提供的邏輯區(qū)段占用狀態(tài)綜合判定線路區(qū)段占用狀態(tài)[3]，而ZC系統(tǒng)的邏輯區(qū)段占用狀態(tài)是根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)提供的計(jì)軸區(qū)段占用狀態(tài)和車載系統(tǒng)提供的列車位置報(bào)告綜合判定而來。在上述過程中，聯(lián)鎖系統(tǒng)分別直接、間接使用了計(jì)軸區(qū)段占用狀態(tài)，兩個(gè)功能間相互依賴、高度耦合。

2) 響應(yīng)時(shí)間慢，信息顯示不同步。在CBTC系統(tǒng)中，計(jì)軸區(qū)段由聯(lián)鎖系統(tǒng)直接發(fā)送給車站ATS，邏輯區(qū)段由ZC系統(tǒng)經(jīng)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送給車站ATS，位置報(bào)告由VOBC系統(tǒng)直接發(fā)送給中心ATS，上述三種位置信息傳遞鏈路的不同導(dǎo)致了在ATS界面上列車位置信息顯示的不同步。

3) 系統(tǒng)間接口多、接口內(nèi)容重復(fù)度高。以聯(lián)鎖和ZC為例，各自均需與ATS、微機(jī)監(jiān)測(cè)、VOBC以及相鄰系統(tǒng)接口，接口眾多；兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部均存在計(jì)軸區(qū)段、道岔位置等軌旁設(shè)備狀態(tài)信息以及進(jìn)路等站場(chǎng)信息，都分別向ATS、微機(jī)監(jiān)測(cè)提供，接口內(nèi)容重復(fù)度高。

4) 設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致故障點(diǎn)增多，維護(hù)工作量大?，F(xiàn)有CBTC系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多、接口多導(dǎo)致故障點(diǎn)多、維護(hù)量大；采用繼電方式與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口，室內(nèi)占地面積大、施工配線多，繼電器需要定期檢修，維護(hù)復(fù)雜。

2 新一代城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)

現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)存在上述問題的根本原因在于系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，為此通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建新一代城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)。

2. 1 基于車-車通信的CBTC系統(tǒng)

基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)引入了“以列車為核心”的設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中的聯(lián)鎖和ZC的功能“移植”至車載設(shè)備，從而達(dá)到減少軌旁設(shè)備、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的[4-6]。基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)由ATS、OC(目標(biāo)控制器)、VOBC(車載設(shè)備)、DCS等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)與現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)在功能分配方面的主要區(qū)別在于：①以目標(biāo)控制器代替聯(lián)鎖系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，應(yīng)為SIL4級(jí)；②車載ATP系統(tǒng)新增現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制、列車追蹤、移動(dòng)授權(quán)分配等功能，互傳列車位置、速度等安全信息功能，應(yīng)仍為SIL4級(jí)；③ATS系統(tǒng)通過OC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并獲取狀態(tài)信息，向VOBC下達(dá)運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整、臨時(shí)限速等命令，接收VOBC返回的列車位置、移動(dòng)授權(quán)等信息并顯示，無新增安全功能，應(yīng)仍為SIL2級(jí)。綜上所述，基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，但安全性指標(biāo)經(jīng)重新分配后，其整體安全性不會(huì)降低。

2. 2 基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)

在CBTC系統(tǒng)中，聯(lián)鎖系統(tǒng)是核心、基礎(chǔ)，ZC系統(tǒng)的主要作用是將聯(lián)鎖系統(tǒng)提供的軌旁設(shè)備狀態(tài)和進(jìn)路信息、ATS系統(tǒng)的臨時(shí)限速信息等經(jīng)過匯集、處理，最終“翻譯”給車載系統(tǒng)。結(jié)合聯(lián)鎖系統(tǒng)的“不可替代性”，考慮將聯(lián)鎖系統(tǒng)與ZC系統(tǒng)合并，

圖2 基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

構(gòu)建基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)。根據(jù)融合程度的不同，又有3種實(shí)現(xiàn)方式：

1) 方案一：聯(lián)鎖系統(tǒng)和ZC系統(tǒng)放置在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，仍采用獨(dú)立硬件、獨(dú)立軟件，通過以太網(wǎng)等高速通信方式接口。兩個(gè)系統(tǒng)本質(zhì)上還是獨(dú)立系統(tǒng)，通過高速通信提高了效率，緩解了延時(shí)，但未從根本上克服現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)的全部問題。

2) 方案二：聯(lián)鎖系統(tǒng)和ZC系統(tǒng)采用同一硬件，但軟件相互獨(dú)立，在系統(tǒng)內(nèi)部通過共享內(nèi)存等共享機(jī)制實(shí)現(xiàn)信息互傳[7]。為減少繼電器的使用，該系統(tǒng)應(yīng)采用全電子化的硬件平臺(tái)。由于軟件間仍相互獨(dú)立，所以仍然無法克服部分功能高度耦合的問題。

3) 方案三：聯(lián)鎖系統(tǒng)和ZC系統(tǒng)采用同一硬件，軟件模塊高度融合[8]。為減少繼電器的使用，該系統(tǒng)應(yīng)采用全電子化的硬件平臺(tái)。通過硬件的統(tǒng)一以及全電子平臺(tái)的使用，整個(gè)CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，系統(tǒng)間接口大大減少，維護(hù)工作量將有效降低；通過軟件的高度融合，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)存在的功能依賴性強(qiáng)、顯示不一致等問題也將大大得以改善。

廠商可根據(jù)情況采用方案二或方案三。基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)由ATS、加強(qiáng)版區(qū)域控制器(新ZC)、車載設(shè)備、DCS等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)與現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)在功能分配方面的主要區(qū)別在于：新ZC系統(tǒng)“繼承”了原聯(lián)鎖系統(tǒng)和ZC系統(tǒng)的所有功能和接口，應(yīng)仍為SIL4級(jí)；除原與聯(lián)鎖系統(tǒng)和ZC系統(tǒng)的2個(gè)接口改為1個(gè)接口外，VOBC系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)在功能和接口上未改變，應(yīng)仍分別為SIL4級(jí)和SIL2級(jí)。綜上所述，基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)僅是將原聯(lián)鎖系統(tǒng)和ZC系統(tǒng)的功能重新分配給新ZC系統(tǒng)，其整體安全性不會(huì)降低。

2. 3 方案比較

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，兩種架構(gòu)的CBTC系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量和內(nèi)部接口均大幅減少；由于不存在進(jìn)路的概念，所以基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)無需設(shè)置信號(hào)機(jī)、有源應(yīng)答器，甚至計(jì)軸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。據(jù)阿爾斯通公司測(cè)算，其研發(fā)的Urbalis Fluence系統(tǒng)可以減少20%的軌旁設(shè)備[9]。

從系統(tǒng)性能看，基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖和ZC系統(tǒng)的“完全融合”，在計(jì)算線路區(qū)段占用狀態(tài)等方面不再有“系統(tǒng)性延時(shí)”，功能不再相互依賴，效率大幅提高?；谲?車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)由于可以“實(shí)時(shí)”直接獲得前車位置，所以正線列車追蹤間隔大幅縮短，可以達(dá)到60 s[10]。

從系統(tǒng)成本看，基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)由于設(shè)備數(shù)量和系統(tǒng)接口均少于基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)，所以其硬件成本更低；由于其無需對(duì)信號(hào)機(jī)、進(jìn)路、有源應(yīng)答器等進(jìn)行調(diào)試，所以其安裝調(diào)試成本更低。

從系統(tǒng)維護(hù)看，基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)由于減少的設(shè)備更多，所以維護(hù)量更少。對(duì)于OC設(shè)備，如果放置于軌旁，雖然可以減少室內(nèi)與軌旁設(shè)備間的電纜，但是可能會(huì)造成維護(hù)的不便。

圖3 基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從后備模式看，基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)像現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)一樣，可以提供聯(lián)鎖級(jí)、點(diǎn)式級(jí)的后備模式，便于未裝備車載設(shè)備或車載設(shè)備故障的列車在線路內(nèi)混合運(yùn)營(yíng)，大大提高了線路故障情況下的系統(tǒng)安全性。而基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)沒有后備模式，一旦有列車發(fā)生故障，調(diào)度員必須人工介入，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)影響較大。

從兼容性看，基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)與現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)可以完全兼容；而由于沒有像聯(lián)鎖或ZC一樣“邏輯性”的軌旁設(shè)備，基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)與現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)無法兼容。由于延伸線路與既有線路之間的約束限制條件少，基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)更有利于線路擴(kuò)展延伸，而不會(huì)影響既有線路的安全數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。

綜上所述，基于車-車通信技術(shù)的CBTC系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能、成本、維護(hù)等方面更具優(yōu)勢(shì)，基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)在后備模式、與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的兼容性方面更好。鑒于擁有后備模式已經(jīng)成為我國(guó)城市軌道交通的“基本”要求，因此基于聯(lián)鎖列控一體化的CBTC系統(tǒng)更適合成為我國(guó)新一代城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)。

3 結(jié)語

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)，新一代城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)以無人值守下的全自動(dòng)運(yùn)行為目標(biāo)，在互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)“互通互換”；利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、新一代人工智能等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車的智能調(diào)度、智能控制及智能運(yùn)維。在更遠(yuǎn)的未來，結(jié)合鐵路信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)與鐵路信號(hào)系統(tǒng)的“互聯(lián)互通”。