城市軌道交通車-車通信系統(tǒng)融合設(shè)計

孔 軍， 宋 丹

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266000）

1 研究背景

目前，城市軌道交通運行控制系統(tǒng)主要采用基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC），CBTC系統(tǒng)集先進(jìn)的控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為一體，具有系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化等特點[1-5]。但是在CBTC系統(tǒng)下，線路資源由聯(lián)鎖子系統(tǒng)以進(jìn)路的方式進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，很大程度上影響了線路的運行能力。隨著國家關(guān)于加快建設(shè)交通強(qiáng)國規(guī)劃的推進(jìn)[6-7]，在城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，都市圈和城市群不斷發(fā)展的背景下，對城市軌道交通的運能提出了更高要求[8-10]，因此，由聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行線路資源統(tǒng)一分配的運行控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題逐漸凸顯出來。在此背景下，基于車-車通信[11-15]的列車自主運行系統(tǒng)（Train Autonomous Circumambulate System，TACS）應(yīng)運而生。TACS系統(tǒng)以列車為核心，將軌旁資源進(jìn)行精細(xì)化管理，精簡了系統(tǒng)架構(gòu)和各系統(tǒng)之間的通信鏈路，使得列車有自己的“大腦”，實現(xiàn)車與車之間的協(xié)同控制，同時將車載設(shè)備和軌旁設(shè)備進(jìn)行解耦，原有的聯(lián)鎖和區(qū)域控制器功能由車載控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）實現(xiàn)，增設(shè)目標(biāo)控制器（Object Controller，OC）進(jìn)行線路資源占用情況的登記和解鎖，進(jìn)一步實現(xiàn)了信號系統(tǒng)的兼容性和易部署性。該系統(tǒng)保持以列車為核心，基于車-車通信實現(xiàn)列車主動進(jìn)路與自主防護(hù)功能；在系統(tǒng)降級情況下，由OC實現(xiàn)非通信列車追蹤、行車資源回收以及進(jìn)路安全防護(hù)等系統(tǒng)降級功能。TACS地面設(shè)備與車載設(shè)備融合功能分配如圖1所示。

圖1 TACS地面設(shè)備與車載設(shè)備融合功能分配示意圖

盡管城市軌道交通車輛、信號核心控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全面的自主設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)，但無論是CBTC系統(tǒng)還是TACS系統(tǒng)，在車輛控制方面都存在以下問題，制約列車智能化技術(shù)的發(fā)展。

（1）系統(tǒng)復(fù)雜。信號、牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獨立設(shè)置，各系統(tǒng)間壁壘明顯，信息無法充分共享；車輛傳感器、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等重復(fù)設(shè)置，成本高、可靠性低；車輛大量采用繼電器、接觸器，電路復(fù)雜、故障率高。

（2）智能化程度低。各系統(tǒng)之間的控制匹配度不高，導(dǎo)致制動距離長、沖欠標(biāo)問題突出、閘瓦磨耗大等問題，影響運營安全，增加運營成本；列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）控車的輸入信息單元控制鏈路長，導(dǎo)致車輛控制不精準(zhǔn)，能源消耗大，智能化程度低。

（3）系統(tǒng)維護(hù)困難。復(fù)雜的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)工作量大，系統(tǒng)智能運維需要采集大量的數(shù)據(jù)，既有網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)處理方式不足以支撐智能運維等新技術(shù)需求。

本文以青島地鐵6號線工程為例，通過對該線TACS系統(tǒng)展開研究，以期為類似工程提供參考。

2 TACS 融合方案設(shè)計

根據(jù)TACS自主運行和智能化的總體要求，TACS融合設(shè)計的目標(biāo)是以列車為控制核心，集成信號、牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)、防撞系統(tǒng)，從全系統(tǒng)層面開展一體化融合設(shè)計和功能再分配，實現(xiàn)列車級別的“控制大腦”，全面提升列車運行、維護(hù)和智能化水平。本文將從基于實時以太網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)管理、車載硬線融合、車載顯示屏融合、速度信息融合、ATO與制動系統(tǒng)融合等方面介紹TACS融合設(shè)計方案。

2.1 基于實時以太網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)管理

TACS系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化設(shè)計，采用實時多重冗余的百兆以太網(wǎng)，在通信速率提升2個數(shù)量級的同時滿足安全性要求，符合IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)[16]，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)通信信息的充分共享，以實時以太網(wǎng)為核心，融合了信號系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)、制動系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)、車輛維護(hù)網(wǎng)，將列車的主要智能設(shè)備統(tǒng)一納入網(wǎng)絡(luò)管理，減少車輛通信設(shè)備和跨車線纜。同時，由于各系統(tǒng)間可實現(xiàn)信息的充分共享，可有效縮短系統(tǒng)間通信鏈路。一體化網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)如圖2所示。

圖2 一體化網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)圖

通過列車控制和管理系統(tǒng)（Train Control Manage System，TCMS）進(jìn)行信息傳輸?shù)膬?yōu)先級管理，保證關(guān)鍵安全信息處于高優(yōu)先級，提高系統(tǒng)的實時性，通信周期縮短70%。TCMS為交互信息提供透明傳輸通道，接口安全由安全通信協(xié)議保證。

2.2 車載硬線融合

本文所提的TACS系統(tǒng)融合方案中大幅減少了信號系統(tǒng)輸入/輸出（Input / Output，I / O）接口數(shù)量，在保證安全的前提下，取消信號系統(tǒng)非安全繼電接口，TCMS統(tǒng)一驅(qū)動采集并通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)信息共享。同時減少了16類I/O硬線的使用數(shù)量，由TCMS集中檢測車輛狀態(tài)，使得整個系統(tǒng)易于維護(hù)。表1為信號系統(tǒng)非安全繼電器接口形式對比，通過車輛以太網(wǎng)來代替安全繼電器、電流環(huán)、多功能車輛總線（MVB），功能實現(xiàn)方式統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)精簡。表2為信號系統(tǒng)I/O信號融合前后對比，通過數(shù)字量輸入（DI）和數(shù)字量輸出（DO）來代替鑰匙激活狀態(tài)、牽引制動手柄位置、門控狀態(tài)、駕駛模式等信息，將多種信號融合成一種數(shù)字量信號，使得通信更加簡單高效。

表1 信號系統(tǒng)非安全繼電器接口形式對比表

表2 信號系統(tǒng)I/O信號融合前后對比表

2.3 車載顯示屏融合

本文所提的TACS系統(tǒng)融合方案中將司機(jī)顯示界面進(jìn)行了一體化設(shè)計，將信號顯示屏（DMI）與網(wǎng)絡(luò)顯示屏（HMI）合二為一，由1個17.3英寸的顯示屏統(tǒng)一呈現(xiàn)車輛狀態(tài)和列車運行信息，如圖3所示。信號與TCMS數(shù)據(jù)信息并網(wǎng)傳輸，簡單、直觀、信息全面、易操作。

圖3 TCMS和信號系統(tǒng)融合屏幕

屏幕左側(cè)包括行車模式、信號運行模式、列車速度、站點信息、車門指令及其他信號相關(guān)信息。屏幕右側(cè)包括車門、牽引、輔助、制動、網(wǎng)壓、故障及其他車輛相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2.4 速度信息融合

傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)與制動系統(tǒng)分別使用各自的速度傳感器和齒輪盤，本文所提的TACS融合系統(tǒng)，信號系統(tǒng)與制動系統(tǒng)共用速度傳感器與齒輪盤，整車節(jié)省4個速度傳感器及對應(yīng)齒輪盤。另外，制動系統(tǒng)向信號系統(tǒng)發(fā)送各輪軸速度，信息充分共享，優(yōu)化信號系統(tǒng)速度。

信號系統(tǒng)向制動系統(tǒng)發(fā)送輪徑校正應(yīng)答器信息，制動系統(tǒng)據(jù)此實現(xiàn)自動輪徑修正。信號系統(tǒng)與制動系統(tǒng)速度信息融合前后對比如圖4所示。

圖4 速度信息融合前后對比圖

2.5 ATO 與制動系統(tǒng)融合

ATO與制動系統(tǒng)融合前架構(gòu)如圖5所示，傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)中，ATO利用采集的速度、位置信息進(jìn)行列車運行的閉環(huán)控制，通過TCMS等設(shè)備控制牽引制動系統(tǒng)，通信鏈路長，產(chǎn)生較大的通信延時，導(dǎo)致ATO控車?yán)щy。

圖5 ATO與制動系統(tǒng)融合前架構(gòu)圖

本文提出的TACS系統(tǒng)融合方案中，ATO與制動系統(tǒng)融合后架構(gòu)如圖6所示，ATO板卡集成至制動系統(tǒng)機(jī)箱中，兩者通過背板直接通信，縮短控制鏈路，減少中間環(huán)節(jié)，制動延時減少了150 ms，有效提升控制實時性。

圖6 ATO與制動系統(tǒng)融合后架構(gòu)圖

另外，車輛向ATO提供必要的列車狀態(tài)信息，包括牽引、制動能力/狀態(tài)等，形成控制指令與狀態(tài)采集的內(nèi)部閉環(huán)，停車精度、車輛沖動抑制水平、節(jié)能運行等ATO性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。

3 實驗室一體化集成調(diào)試

中車青島四方車輛研究所有限公司在國內(nèi)首次聯(lián)合搭建了TACS系統(tǒng)一體化集成調(diào)試環(huán)境，作為多系統(tǒng)一體化設(shè)計和工程化調(diào)試平臺，可以實現(xiàn)包括牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)、信號、供電、動力學(xué)在內(nèi)的車-網(wǎng)-路一體化仿真驗證。

在該平臺中，車輛各系統(tǒng)和信號系統(tǒng)均采用真實軟硬件，在實驗室即可完成車輛-信號的接口測試和功能測試，此外，牽引制動實時仿真器能夠最大程度仿真特定車輛的實際運行特性參數(shù)，可調(diào)試優(yōu)化ATO自動控車性能，還可以利用弓網(wǎng)仿真等開展列車節(jié)能技術(shù)的研究。TACS系統(tǒng)一體化集成調(diào)試環(huán)境架構(gòu)如圖7所示。

圖7 一體化集成調(diào)試環(huán)境架構(gòu)圖

通過一體化集成調(diào)試環(huán)境可以對整個車-網(wǎng)-路系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，進(jìn)行系統(tǒng)融合后的TACS系統(tǒng)，軌旁設(shè)備減少10%，車載設(shè)備減少10%，仿真環(huán)境安裝部署簡易，設(shè)備機(jī)柜占地面積減少15%，軌旁功能簡化，軌旁設(shè)備調(diào)試工作量小，整體安裝調(diào)試工作量可減少30%。車輛系統(tǒng)與信號系統(tǒng)深度融合，可在實驗室完成調(diào)試工作，列車現(xiàn)場調(diào)試工作量以及維護(hù)工作量可減少30%。

4 結(jié)論與展望

TACS系統(tǒng)作為更加高效的下一代城市軌道交通運行控制系統(tǒng)，其優(yōu)點在于簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，使得系統(tǒng)更加輕量化，提升了運行能力。但是從整車角度來看，各系統(tǒng)之間的壁壘仍然存在，本文將TACS系統(tǒng)進(jìn)行融合設(shè)計，提出基于實時以太網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)管理，將車載硬線、車載顯示屏、速度信息、ATO與BCU進(jìn)行融合設(shè)計?；谲壍澜煌ㄑb備全自主化技術(shù)，以列車自主控制為核心，以提升整車可靠性與運營效率、降低成本為目標(biāo)，聚集全行業(yè)力量深入開展整車一體化融合，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合智能化技術(shù)實現(xiàn)車輛控制領(lǐng)域的融合創(chuàng)新。