城市軌道交通信號系統(tǒng)發(fā)展展望

鄧紅元

摘 要：伴隨著自主化城市軌道交通信號系統(tǒng)（以下簡稱“城軌信號系統(tǒng)”）技術(shù)的蓬勃發(fā)展與不斷擴(kuò)張的市場需求，城軌信號系統(tǒng)的發(fā)展到了臨界點。如何在傳承既有技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索下一代信號系統(tǒng)的發(fā)展，是行業(yè)中熱議的焦點。文章從閉塞制式和系統(tǒng)架構(gòu) 2 個角度出發(fā)，通過深入總結(jié)現(xiàn)狀并結(jié)合相關(guān)專業(yè)前沿技術(shù)，探究城軌信號系統(tǒng)下一步的演進(jìn)方向，提出系統(tǒng)智能化發(fā)展建議，以實現(xiàn)城軌信號系統(tǒng)“增效、降本、提智”的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;信號系統(tǒng);閉塞制式;系統(tǒng)架構(gòu);CBTC;展望

中圖分類號：U285.5

1 背景

信號系統(tǒng)是保障行車安全、提升運(yùn)輸效率的關(guān)鍵系統(tǒng)。目前，絕大多數(shù)城市的軌道交通系統(tǒng)均采用基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC），該系統(tǒng)基于“擋墻”原理，根據(jù)前車的瞬間位置防護(hù)后續(xù)列車的安全，并實現(xiàn)列車自動運(yùn)行、進(jìn)路自動選排等自動化功能。

隨著城市軌道交通列車控制系統(tǒng)自主化技術(shù)的不斷成熟應(yīng)用，中國鐵路通信信號股份有限公司等自主化廠家，利用重慶市軌道交通互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)示范應(yīng)用項目，在中國城市軌道交通協(xié)會的指導(dǎo)下發(fā)布了《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)互通系統(tǒng)規(guī)范》系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，逐漸統(tǒng)一了信號系統(tǒng)的需求、架構(gòu)、功能分配及接口，促進(jìn)城市軌道交通線路的建設(shè)從傳統(tǒng)的單線獨立建設(shè)、獨立運(yùn)營，向著網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營過渡。部分新建線路也在CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入了更多自動化、智能化的功能需求，使城軌信號系統(tǒng)向著全自動運(yùn)行（FAO）方向發(fā)展。

縱觀信號系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)，其均以提高安全性、降低建設(shè)和維護(hù)成本、增加運(yùn)輸效率和提升自動化水平為出發(fā)點。目前CBTC系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，下一代信號系統(tǒng)能否在保障安全的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升運(yùn)輸效率、降低建設(shè)和維護(hù)成本，并利用信息化技術(shù)使城軌信號系統(tǒng)更加智能化，實現(xiàn)“增效、降本、提智”的目標(biāo)，值得深入探討。

2 閉塞制式現(xiàn)狀及演進(jìn)

閉塞是保證前行列車和追蹤列車之間保持一定距離運(yùn)行的技術(shù)方法，而閉塞制式確定了安全防護(hù)機(jī)制和行車間隔。信號系統(tǒng)的發(fā)展長期以來都離不開閉塞制式這一主題。

2.1 閉塞制式現(xiàn)狀

目前，CBTC系統(tǒng)采用的移動閉塞制式突破了固定閉塞分區(qū)的限制，通過車-地實時通信，動態(tài)地更新列車運(yùn)行前方的危險點。從固定閉塞到準(zhǔn)移動閉塞，再到移動閉塞，列車之間的追蹤間隔逐漸縮小，如圖1所示。

20世紀(jì)90年代中期以前，我國城市軌道交通主要采用固定閉塞系統(tǒng)，通常按照出口速度控制方式防護(hù)列車運(yùn)行安全，其制動起點為當(dāng)前車輛占用的閉塞分區(qū)終點，制動終點為前方列車占用閉塞分區(qū)后方的第一個區(qū)段入口，形成階梯式分級速度控制曲線。

20世紀(jì)90年代中后期，準(zhǔn)移動閉塞在國內(nèi)的應(yīng)用逐漸興起。準(zhǔn)移動閉塞制式較固定閉塞制式，列車增加了定位功能，車-地之間傳輸?shù)男畔⒏迂S富，因此，其制動起點根據(jù)當(dāng)前列車的實際位置動態(tài)確定，制動終點為前方車輛占用閉塞分區(qū)后方的區(qū)段入口，并留有一定的余量，形成目標(biāo)-距離速度控制曲線，最小行車間隔有了顯著提升。

進(jìn)入21世紀(jì)后，移動閉塞系統(tǒng)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，相較準(zhǔn)移動閉塞，車-地間通信更加豐富，列車定位更加準(zhǔn)確，其制動終點為前方車輛的尾部，并留有一定的余量，進(jìn)一步縮短了最小行車間隔。

2.2 閉塞制式演進(jìn)

移動閉塞是城市軌道交通當(dāng)前最為成熟的閉塞制式，在移動閉塞制式的基礎(chǔ)上，若能夠進(jìn)一步突破速度防護(hù)曲線對列車追蹤間隔的限制，使正常運(yùn)行的前后車之間的距離進(jìn)一步縮短，將對提高線路運(yùn)輸效率、增強(qiáng)運(yùn)輸組織靈活性有著巨大的促進(jìn)作用。通過借鑒以下相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，本文將提供一種閉塞制式演進(jìn)的可能。

在航空航天領(lǐng)域，天舟1號和天宮2號在太空實現(xiàn)高速下的對接，天宮2號的飛行軌道高度為350～400km，最低運(yùn)行速度為28000km/h，對接直徑約為2m。在對接過程中，天舟1號在距離為5000m、400m、120m和30m共4 個停泊點處減速調(diào)整。進(jìn)入30 m間距后，天舟1 號和天宮2號之間的對接由系統(tǒng)自主判斷，實現(xiàn)自動對接。

在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，沃爾沃公司研發(fā)的基于車-車協(xié)同的汽車車隊運(yùn)行模式，通過車端到車端（V2V）通信技術(shù)實現(xiàn)車和車之間的車隊協(xié)同運(yùn)輸，即車輛根據(jù)運(yùn)行需求可以動態(tài)地加入車隊或者離開車隊，配合自動駕駛功能實現(xiàn)智能化的高效運(yùn)行組織。

目前，北京市軌道交通 12 號線擬采用物理接口實現(xiàn)列車之間的在線動態(tài)物理連掛、解編，可將2列4輛編組列車首尾連掛形成8輛編組列車，實現(xiàn)4 輛、8 輛編組列車同時在線混運(yùn)。但物理編組需要列車在低于5 km/h的速度下對接，且存在反復(fù)連掛、解編機(jī)械連接致使部件磨損等問題。

以上3個案例為城市軌道交通閉塞制式的演進(jìn)提供了啟發(fā)：以傳統(tǒng)基于位置的追蹤模式為基礎(chǔ)，實現(xiàn)基于速度的追蹤模式和基于耦合的追蹤模式，如圖2所示。

圖2中，CBTC-BL（Based Location）曲線為基于位置的后車追蹤曲線，CBTC-BV（Based Velocity）曲線為基于速度的后車追蹤曲線，CBTC-BC（Based Coupling）曲線為基于與前車耦合的后車追蹤曲線。

CBTC-BV是在CBTC-BL模式的基礎(chǔ)上，引入前車速度參數(shù)，實現(xiàn)前車與后車基于實時速度的追蹤，以達(dá)到追蹤的極限。CBTC-BC則是引入了車-車協(xié)同的理念，將前車與后車進(jìn)行虛擬編組耦合形成車隊，共同調(diào)度和運(yùn)行，進(jìn)一步達(dá)到縮短運(yùn)行間隔、提高線路整體運(yùn)輸能力的目的，可在早晚高峰時便捷地實現(xiàn)列車組隊以提升運(yùn)能，在平峰時快速分離。在不降低運(yùn)營密度的情況下，以短編組列車運(yùn)行，打破運(yùn)能與行車密度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，達(dá)到“增效”的目的，使乘客在出行方面獲得更多的滿足感。

在CBTC-BC模式下，具有相同運(yùn)行方向的2列列車可以動態(tài)耦合，在遇到分岔點時，可逐步加大間距，按照不同的運(yùn)行目的自主解耦獨立運(yùn)行?；隈詈系淖粉櫮Ｊ酱蚱屏艘苿娱]塞制式目前的追蹤瓶頸，在傳承的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了閉塞制式的進(jìn)一步演進(jìn)。由于系統(tǒng)保留了CBTC-BL曲線，因此在出現(xiàn)車與車之間通信異常、無法投入CBTC-BC時，仍可按照傳統(tǒng)模式實現(xiàn)CBTC模式下的連續(xù)追蹤。

3 系統(tǒng)架構(gòu)現(xiàn)狀及演進(jìn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)線路的系統(tǒng)架構(gòu)主要包括控制中心、車站、軌旁和車載4個部分，本文圍繞控制中心、車站、軌旁3 個架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，如圖3所示。目前3個系統(tǒng)架構(gòu)在一定程度上繼承了國家鐵路的發(fā)展，以計算機(jī)聯(lián)鎖（CI）為基礎(chǔ)，逐步疊加了列車自動監(jiān)控（ATS）與區(qū)域控制器（ZC）等設(shè)備，其中ATS承擔(dān)行車指揮功能，ZC承擔(dān)移動授權(quán)計算及列車管理功能。設(shè)備采用分布式部署方式，相互之間影響較小，設(shè)備維護(hù)相對分散。雖然這種系統(tǒng)架構(gòu)的靈活度較高，但整合度低，不同子系統(tǒng)之間信息頻繁交互，通信延時也大大增加。

同時，CI通過驅(qū)動采集繼電器實現(xiàn)對軌旁設(shè)備的控制。在車站設(shè)備中，裝設(shè)繼電器的組合柜占用了大量的設(shè)備房面積，不利于后期信號系統(tǒng)的升級、改造;在工程建設(shè)階段，繼電電路的實現(xiàn)需要現(xiàn)場施工單位反復(fù)校核，確保配線正確，從而會延長建設(shè)工期;在運(yùn)營維護(hù)中，繼電電路發(fā)生故障后，排查及處置周期較長，給行車安全帶來隱患。

此外，隨著城市軌道交通自動化、智能化程度的不斷提升，信號系統(tǒng)的架構(gòu)不利于專業(yè)之間的信息共享，造成了信號專業(yè)的信息孤島，因此系統(tǒng)架構(gòu)可進(jìn)一步進(jìn)行整合與優(yōu)化。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)

3.2.1 軌旁設(shè)備控制數(shù)字化

目前信號系統(tǒng)采用集中控制的方式，室外設(shè)備通過線纜與室內(nèi)連接，室內(nèi)設(shè)備通常采用繼電電路實現(xiàn)對室外設(shè)備的監(jiān)控，由于線纜的物理局限性，使其在控制范圍上受到限制，因此聯(lián)鎖設(shè)備必須在車站內(nèi)按照區(qū)域進(jìn)行設(shè)置。軌旁設(shè)備控制的數(shù)字化是通過電子執(zhí)行單元替代傳統(tǒng)的繼電執(zhí)行電路，實現(xiàn)聯(lián)鎖控制部分與執(zhí)行部分在設(shè)置上的同址耦合關(guān)系，從而實現(xiàn)靈活部署：

（1）聯(lián)鎖控制部分既可分散設(shè)置，也可在控制中心或指定站集中化設(shè)置;

（2）聯(lián)鎖執(zhí)行部分可根據(jù)需要分散設(shè)置于某幾個車站，也可在室外區(qū)域集中設(shè)置。

以光纖網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬信號電纜，將基礎(chǔ)設(shè)備通過電子執(zhí)行單元在軌旁直接接入通用網(wǎng)絡(luò)，從而對單個設(shè)備或一定區(qū)域內(nèi)的多個設(shè)備進(jìn)行控制，實現(xiàn)軌旁設(shè)備控制的數(shù)字化。

目前在國內(nèi)項目中，采用電子執(zhí)行單元替代傳統(tǒng)繼電執(zhí)行電路的聯(lián)鎖系統(tǒng)主要由西門子、龐巴迪等外商提供核心技術(shù)。以中國通號為代表的自主化供貨商已完成了相關(guān)研究，其成果已在路外應(yīng)用，并正在積極向城軌領(lǐng)域推廣，這將對大幅度降低建設(shè)成本、減少維護(hù)投入、緩解既有線改造難度產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，也將為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)提供技術(shù)支撐。

3.2.2 軌旁一體化控制系統(tǒng)

軌旁一體化控制系統(tǒng)是融合ZC與CI設(shè)備功能的安全控制系統(tǒng)。ZC與CI一體化設(shè)計，可優(yōu)化2個設(shè)備之間的接口性能，減少系統(tǒng)的反應(yīng)時間，具有更高的可用性及豐富靈活的運(yùn)營支持功能，更有利于實現(xiàn)高效的列車控制，如圖4所示。相比未進(jìn)行一體化的系統(tǒng)，實時性將提高50%，設(shè)備整合也將進(jìn)一步減少設(shè)備用房的空間需求。

軌旁一體化控制系統(tǒng)的研究已取得一定成果。2019 年5月21日，中國鐵路總公司科信部會同工電部在北京組織召開了“列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)”技術(shù)方案評審會，與會專家認(rèn)為列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)集成了列控中心和計算機(jī)聯(lián)鎖的全部功能，實現(xiàn)了軌旁設(shè)備的全電子控制，減少了設(shè)備數(shù)量和接口，符合技術(shù)發(fā)展趨勢和電務(wù)專業(yè)的應(yīng)用與維護(hù)需求。

由于軌旁一體化控制系統(tǒng)對硬件進(jìn)行了整合，硬件成本進(jìn)一步降低，維護(hù)設(shè)備的數(shù)量也進(jìn)一步減少，系統(tǒng)處理的實時性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。在進(jìn)一步降低成本的同時，由于系統(tǒng)內(nèi)時延減少，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)在速度250km/h線路上的適應(yīng)性。

3.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活化

通過上述的系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)了全以太網(wǎng)化的控制模式。在硬件和計算能力滿足的前提下，可以將車站設(shè)備進(jìn)一步整合，即將軌旁一體化控制設(shè)備整合到一個車站或者集中設(shè)置在控制中心，同時將ATS系統(tǒng)車站設(shè)備與控制中心設(shè)備整合，從而在滿足常規(guī)部署的同時可滿足集中化部署的需求，如圖5所示。

通過設(shè)備的整合，簡化系統(tǒng)架構(gòu)、充分分配功能、減少中間環(huán)節(jié)和設(shè)備間同步的復(fù)雜度是未來技術(shù)發(fā)展的主要特征，基于車-車通信的CBTC是該發(fā)展思路的一個分支。

3.2.4 系統(tǒng)功能智能化

城軌信號系統(tǒng)發(fā)展到今天，其自動化程度不斷提升，但智能化程度尚待進(jìn)一步探索和提升。目前城市軌道交通各線各專業(yè)的硬件資源均單獨設(shè)置，形成了信息孤島，不便于數(shù)據(jù)的整合與挖掘，那么未來各專業(yè)在面向單一業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)逐步朝著集中化（面向標(biāo)準(zhǔn)化組件）、虛擬化（面向資源）、云計算（支撐決策和提供增值服務(wù)）方向發(fā)展。隨著云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，城市軌道交通業(yè)務(wù)也將朝著平臺通用化、中心虛擬化、車站一體化方向延展。系統(tǒng)功能的智能化建立在信息化發(fā)展的基礎(chǔ)上，充分挖掘“信息”價值，為調(diào)度、維護(hù)、乘客提供“智慧”服務(wù)。例如，信號系統(tǒng)會根據(jù)以往客流數(shù)據(jù)并動態(tài)感知，智能地調(diào)整列車運(yùn)行密度：若線路上某一設(shè)備發(fā)生故障，在調(diào)度員不介入的情況下，信號系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)營和故障情況，結(jié)合應(yīng)急策略生成對應(yīng)的解決方案，智能地引導(dǎo)故障的排除及運(yùn)營秩序的恢復(fù)，并根據(jù)平臺、網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)，在列車發(fā)生緊急制動后迅速判斷出故障原因，無須事后逐項分析等;若在線路某區(qū)域發(fā)生了重大故障，系統(tǒng)可以高效地提供跨線路甚至跨路網(wǎng)的交通疏解方案。

4 結(jié)語

在《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》的指引下，城市軌道交通作為交通系統(tǒng)融合發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要充分發(fā)揮自主化技術(shù)優(yōu)勢，以既有技術(shù)積累為基礎(chǔ)，解放思想;在確保安全的基礎(chǔ)上，將相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)、理念、方案與城軌信號系統(tǒng)相互融合。從其歷史發(fā)展規(guī)律及國外行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀可知，閉塞制式和系統(tǒng)架構(gòu)的演進(jìn)是必然趨勢，智慧城軌也在逐步落地生根，這就需要業(yè)主、廠商共同協(xié)作，在傳承的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，以便實現(xiàn)城軌信號系統(tǒng)“增效、降本、提智”的目標(biāo)。