基于車車通信的城市軌道交通CBTC數(shù)字化仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王海濤，江升

（國家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 266108）

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)堪稱軌道交通車輛的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，主要由信號系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，用于指揮列車運(yùn)行，保障行駛安全。城市軌道交通信號系統(tǒng)涉及行車安全，是集控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)前，整個城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)正朝著智能化、數(shù)字化、集成化方向發(fā)展。通過實(shí)現(xiàn)頂層的系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，構(gòu)建靈活、實(shí)時、高效、智能的數(shù)字化交通管理和自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車車之間的互聯(lián)互通，增加車輛和線路的匹配度，從而提高運(yùn)行效率，降低運(yùn)營成本。

1 國內(nèi)外車車通信技術(shù)研究背景

在列車運(yùn)行控制技術(shù)研究領(lǐng)域，歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會于2013年啟動了歐洲下一代列車控制系統(tǒng)NGTC項目，此項目是基于ETCS-3級別，為了解決下一代列控系統(tǒng)互聯(lián)互通兼容問題。2015年歐盟全面啟動“構(gòu)建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動計劃(Shift2Rail)”，通過運(yùn)用新技術(shù)創(chuàng)新，把提升歐洲鐵路服務(wù)質(zhì)量以及降低全壽命周期成本作為工作重點(diǎn)，而以自動駕駛和虛擬連接為代表的先進(jìn)列控技術(shù)列為其重要的創(chuàng)新研究計劃。

2013年，法國的阿爾斯通公司，在UITP會議上正式提出以列車為中心的車車通信的信號系統(tǒng)概念，最早在里爾1號線進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。德國鐵路提出以智能化運(yùn)營為核心的德鐵4.0發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。日本鐵道綜合技術(shù)研究所開展以智能化多模式交通為核心的“CyberRail”戰(zhàn)略規(guī)劃。英國的泰晤士聯(lián)線項目已投入運(yùn)行，信號系統(tǒng)采用ETCS-2+ATO。近期韓國鐵道研究所研發(fā)的基于車車通信的新一代列控系統(tǒng)（ATCS）也已上線應(yīng)用。

目前，基于車車通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)還主要應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域中。城市軌道交通大多采用CTCS-2級別列控系統(tǒng)+ATO自動駕駛系統(tǒng)?；谲囓囃ㄐ诺募夹g(shù)在我國已逐步開展應(yīng)用。2020北京國際城市軌道交通展覽會上，中車株洲所首次發(fā)布其自主全自動運(yùn)行系統(tǒng)信號系統(tǒng)（FAO），此舉標(biāo)志著中國中車正式躋身城軌“全自動”時代。2020年11月，卡斯柯重磅發(fā)布了其自主研發(fā)的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS），這是業(yè)內(nèi)首個商用TACS系統(tǒng)。

2 CBTC系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

我國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)根據(jù)功能要求和設(shè)備配置劃分為5個應(yīng)用等級，分別是CTCS-0～4級。目前最先進(jìn)的CTCS-4是完全基于無線通信的列控系統(tǒng)。閉塞方式為移動閉塞或虛擬閉塞，并利用無線通信媒體替代軌道電路，實(shí)現(xiàn)車地之間的雙向連續(xù)通信和高精度列車安全定位，基本達(dá)到了歐洲ETCS-3級別。

CTCS-4列控系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域稱為基于通信的列車自動控制系統(tǒng)CBTC（Communication Based Train Control System），它是一種網(wǎng)絡(luò)化、智能化的列車控制系統(tǒng)，具有安全準(zhǔn)時、高可靠、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)中。CBTC系統(tǒng)由列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）、列車自動防護(hù)子系統(tǒng)（ATP）、列車自動運(yùn)行子系統(tǒng)（ATO）、計算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)（CBI）和數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）組成。

該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是無線通信，它利用先進(jìn)的列車定位技術(shù)以及無線通信技術(shù)改變了傳統(tǒng)的信息傳輸方式。從單向傳輸變?yōu)殡p向傳輸，信息傳輸流量大、速度快、效率高。能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與控制中心的雙向通信，大幅度提高了列車區(qū)間通過能力。城市軌道交通列控系統(tǒng)大多采用CBTC+ATO和多種智能系統(tǒng)集成融合的架構(gòu)，是一種技術(shù)先進(jìn)、自動化程度較高、安全可靠的新一代列控系統(tǒng)，自動化等級可以達(dá)到無人監(jiān)督駕駛（GoA4）級別。

3 虛擬連接技術(shù)探究

虛擬連接列車VCTS（Virtually Coupled Train Sets），也稱為虛擬連掛或虛擬耦合。它是在某一固定的軌道區(qū)段，兩列車輛之間在沒有任何的物理連接的條件下，能夠動態(tài)地調(diào)整自身的編組結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)無線重聯(lián)編組。VCTS能最大限度地提高列車運(yùn)行的安全性和靈活性，為城市軌道交通和鐵路運(yùn)營商提供更高水平的服務(wù)。這將是軌道交通領(lǐng)域?qū)\(yùn)行安全、控制方式、通信網(wǎng)絡(luò)概念的重大改變。

歐洲環(huán)境署EEA，2015年提出了虛擬連接的概念。目標(biāo)是通過相對的制動距離將列車解耦，并以隊列的形式同步運(yùn)行，在一個閉塞區(qū)間內(nèi)可以當(dāng)作一輛單獨(dú)的列車，并在出行高峰期盡可能多的提高運(yùn)行密度，增加線路和車站的通行能力。韓國鐵道研究所在2021年9月發(fā)布了基于車車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（ATCS）。它實(shí)現(xiàn)了車車之間信息的動態(tài)實(shí)時交互和協(xié)作，可以說給列車裝上了第三只眼睛，讓列車靈活實(shí)現(xiàn)自主動態(tài)的路徑選擇。ATCS和汽車物聯(lián)網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)V2X（vehicle to everything）一樣，基于對周圍場景的決策和控制，是一種實(shí)時的智能交通管理和自動化系統(tǒng)。

圖1 車車通信仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面

我國對虛擬連接的研究起源于國內(nèi)的大秦鐵路，也是國內(nèi)首條煤運(yùn)通道干線重載鐵路。隨著大秦鐵路的開通運(yùn)行，長編組貨車在高低起伏坡段的行進(jìn)過程中，啟動時緩解時間過長，對鉤緩沖擊影響很大。目前采用的技術(shù)無法提前精準(zhǔn)感知線路特性，易造成牽引制動頻繁切換，降低了車輛的可用性及舒適性。21世紀(jì)初，國內(nèi)鐵路相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)針對此項問題進(jìn)行了深入調(diào)研和研究，提出了虛擬連接的構(gòu)想。

4 車車通信系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)字化仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本車車通信城市軌道交通CBTC數(shù)字化仿真系統(tǒng)是基于.NET Framework 4.8平臺，采用C# Windows窗體應(yīng)用程序（WinForm）開發(fā)技術(shù)。它支持插件化應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的快速安全開發(fā)。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2019，后臺利用ODBC數(shù)據(jù)庫互聯(lián)接口實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時讀取和存儲。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖1。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前后列車的速度、位置和相對移動授權(quán)信息的實(shí)時傳輸，并根據(jù)交互信息自主更新移動授權(quán)，計算目標(biāo)距離速度曲線，實(shí)時調(diào)整前后車的運(yùn)行速度，建立了動態(tài)的列車追蹤新模式。此系統(tǒng)從需求建模到數(shù)字化仿真，使數(shù)字模型和物理模型得到初步的虛擬驗(yàn)證。它減少了控制中心和軌旁通信設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸帶來的時間損失，優(yōu)化了以列車自主防護(hù)和自主調(diào)整為特征的協(xié)同控制策略，對車車通信技術(shù)的研究具有參考借鑒意義。

4.2 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究

本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化仿真系統(tǒng)主要采用Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)。Socket又稱為套接字，它是一組API接口，處于OSI七層模型中的應(yīng)用層與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族通信中間的軟件抽象層。Socket分為流套接字、數(shù)據(jù)報套接字、原始套接字三種類型。本文對面向連接字節(jié)流的高可靠TCP通信以及面向無連接數(shù)據(jù)包的大容量UDP通信兩種方式都進(jìn)行了設(shè)計。

下一步會根據(jù)不同的通信協(xié)議方式進(jìn)一步探究，從而實(shí)現(xiàn)一個服務(wù)端，對多個客戶端之間的通信以及高效能多并發(fā)。還要對分布式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)通信進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)安全高速數(shù)據(jù)傳輸和多路徑節(jié)點(diǎn)分布式通信，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)調(diào)工作和交互信息。建立一個分布性、高可靠性、高可擴(kuò)充性及高靈活度的系統(tǒng)架構(gòu)，為下一步通信技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

5 車車通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

車車通信技術(shù)的應(yīng)用是新一代城軌列控和信號系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)的“車-地-車”架構(gòu)，以列車為主體和控制中心，實(shí)現(xiàn)智能自主化控制。采用安全高效的通信技術(shù)，縮短了數(shù)據(jù)傳輸鏈路徑，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性和安全性。雖然車車通信技術(shù)取得了一定的成就，但在今后的發(fā)展中，將會面臨以下問題。

列控信號系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著行車安全和運(yùn)營安全的重任，當(dāng)列車以相對制動距離行駛時，對數(shù)據(jù)的傳輸速度和帶寬會有更高的要求。尤其是在道岔和高速正線的位置，廣播信息延時和網(wǎng)絡(luò)信息安全的出現(xiàn)，會存在列車碰撞和脫軌的潛在安全風(fēng)險。其次，車車通信技術(shù)的出現(xiàn)，將意味著列車的指揮調(diào)度和聯(lián)鎖區(qū)段內(nèi)的路線許可將不再以列控中心授權(quán)為主，而是通過前后列車的雙向信息傳輸和對周圍環(huán)境的智能感知而動態(tài)調(diào)整，這是一種全新的列控系統(tǒng)架構(gòu)。

6 結(jié)語

截至2021年8月，我國共有48個城市開通運(yùn)營城市軌道交通線路247條，運(yùn)營里程7970公里，實(shí)際開行列車264萬列次。VCTS和TACS系統(tǒng)是目前主流城軌信號系統(tǒng)CBTC的升級版，使列車從信號控制向列車自主運(yùn)行轉(zhuǎn)變。開啟了城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的新紀(jì)元，實(shí)現(xiàn)了軌道交通信號系統(tǒng)新的飛躍。未來的城市軌道交通列控與信號系統(tǒng)一定會突破傳統(tǒng)列控系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，利用新一代通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車的智慧運(yùn)行，從而提升我國城市軌道交通系統(tǒng)的集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平，進(jìn)一步推動和引領(lǐng)全球軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。