車車通信在軌道交通信號改造中的應(yīng)用研究

陳爾超

摘要 針對城市軌道交通信號改造需求和既有線信號改造存在的問題，結(jié)合車車通信技術(shù)來研究新一代的軌道交通信號改造方案。文章提出基于車車通信的信號改造系統(tǒng)架構(gòu)，分析信息交互和改造實施過程，以及從無線通信要求、車載改造空間和新舊系統(tǒng)倒切方面來探討車車通信改造的關(guān)鍵技術(shù)問題?；谲囓囃ㄐ诺男盘柛脑旆桨缚砂l(fā)揮車車通信技術(shù)優(yōu)勢，并解決軌道交通信號改造中的難點問題，為軌道交通信號改造提供新的方向。

關(guān)鍵詞 車車通信;信號系統(tǒng);城市軌道交通;信號改造

中圖分類號 U284 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0017-03

0 概述

我國早期建成的線路已逐步進入大修期限并開始進行大修改造，如北京地鐵1、2、8號線，上海地鐵1、2、5號線，天津地鐵1號線，深圳地鐵1號線，大連地鐵3號線等已經(jīng)完成或正在進行改造。在既有線改造作業(yè)中，信號系統(tǒng)改造乃重中之重，關(guān)系到行車安全。信號系統(tǒng)改造的目的在于解決設(shè)備的老化、制式的陳舊、運力的不足，以及設(shè)備達到自身設(shè)備壽命等問題。

城市軌道交通早期的信號系統(tǒng)多為基于軌道電路的固定閉塞/準移動閉塞制式（TBTC），通過軌道電路傳遞速度命令信息，追蹤列車與前行列車的行車間隔依據(jù)閉塞分區(qū)的劃分。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，基于通信的列車運行控制（CBTC）系統(tǒng)逐漸成為主流信號制式。CBTC系統(tǒng)屬于移動閉塞制式，采用無線通信技術(shù)實現(xiàn)列車與地面的雙向通信，追蹤列車與前行列車的行車間隔依據(jù)制動距離與動態(tài)安全防護距離而定。

基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)（TACS）是信號領(lǐng)域的新一代列控技術(shù)，也是我國軌道交通關(guān)鍵核心領(lǐng)域的一次重大突破，該技術(shù)已列入中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要。車車通信系統(tǒng)以列車為主體，以列車之間數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)，以車載控制平臺為功能核心，實現(xiàn)由列控中心集中控制到列車分布式控制、從列車自動運行向列車自主運行的技術(shù)轉(zhuǎn)變，目前已在青島6號線一期工程中進行了示范應(yīng)用[1-2]。

1 既有線信號改造現(xiàn)狀分析

信號設(shè)備壽命一般15～20年，長期運營設(shè)備老化，可靠性降低，故障率提升;早期建設(shè)的信號系統(tǒng)存在制式陳舊、備品備件短缺、不能適應(yīng)運營能力要求的問題。

1.1 當前改造方案

1.1.1 維持既有系統(tǒng)制式

上海地鐵1號線由于其既有系統(tǒng)故障率低，維護工作量可觀，在大修改造時沿用了既有系統(tǒng)制式，僅對部分硬件和軟件進行了更新。但TBTC系統(tǒng)為早期的信號系統(tǒng)制式，技術(shù)水平相對落后，供貨廠家相對單一，已經(jīng)難以適應(yīng)小間隔的運營能力要求。為此，除特別考慮，不建議維持TBTC系統(tǒng)[3]。

1.1.2 CBTC系統(tǒng)替代TBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)為當今軌道交通信號系統(tǒng)的主流系統(tǒng)，目前已在我國地鐵線路中廣泛應(yīng)用。由于其無線通信方式與既有軌道電路互不干擾，也成為信號改造的首選，北京2號線、北京八通線、天津1號線采用的均是此改造方案。改造后的CBTC系統(tǒng)基本可滿足運營需求，且考慮設(shè)備設(shè)施的運營和維護成本，在新舊系統(tǒng)倒切之后拆除既有的系統(tǒng)設(shè)備。

1.1.3 新舊系統(tǒng)并存

上海地鐵2號線由于分為四個階段開通運營，每個區(qū)段的系統(tǒng)設(shè)備壽命不一，為了解決只更新“到期”的舊系統(tǒng)，但保留“未到期”的新系統(tǒng)，其采用了新舊并存的方案。對于“到期”的線路采用CBTC系統(tǒng)，對于“未到期”的仍維持既有的TBTC系統(tǒng)，同時車載設(shè)備采用兼容CBTC與TBTC的車載系統(tǒng)。

1.2 當前改造存在問題

由于信號設(shè)備數(shù)量較多，導(dǎo)致改造階段既有信號機房面積不足，不得不新設(shè)信號設(shè)備室。軌道交通用房是非常稀缺的，這將進一步增大房屋的緊缺，給日常運營帶來了諸多不便。

TBTC或CBTC的系統(tǒng)間接口較多，以CBTC為例，聯(lián)鎖和區(qū)域控制器（ZC）需與列車自動監(jiān)控（ATS）、車載控制器（VOBC）、微機監(jiān)測以及鄰站系統(tǒng)接口，兩個系統(tǒng)也均需采集道岔位置、計軸區(qū)段等設(shè)備狀態(tài)及進路信息。系統(tǒng)間接口多，隨之帶來調(diào)試工作量也較多。對于既有線改造，須在不中斷運營的前提下完成，這樣安裝及調(diào)試工作只能在夜間天窗時間完成，老化的設(shè)備也亟須盡快更新，工期非常緊張。

2 基于車車通信的信號系統(tǒng)改造方案

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

相比于CBTC系統(tǒng)，TACS有以下技術(shù)優(yōu)勢：

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡潔

TACS系統(tǒng)優(yōu)化了車-地-車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用車載控制器集成聯(lián)鎖和ZC的功能，取消了軌旁的聯(lián)鎖和ZC，減小了各子系統(tǒng)間接口量，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備數(shù)量精簡后，也隨之減少了設(shè)備維護工作量以及設(shè)備用房使用面積。

2.1.2 系統(tǒng)性能更優(yōu)

TACS將移動授權(quán)和線路資源管理從軌旁移至車載，通過列車間的通信，車載數(shù)據(jù)流直達被控列車，實現(xiàn)列車自主控制和自主調(diào)整。追蹤列車直接與前行列車通信，直接獲取所需的位置、速度等信息，提高了系統(tǒng)的實時性，有利于提高數(shù)據(jù)處理速度，減小列車行車間隔。

2.1.3 設(shè)備故障影響更低

傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)通過聯(lián)鎖與ZC子系統(tǒng)來集中控制，其設(shè)備故障將影響整個系統(tǒng)，以至于不得不降級運行，運營能力難以保證。TACS系統(tǒng)以列車為控制核心，軌旁設(shè)備較少，類似于分散式控制，采用線路資源占用的理念。若車載設(shè)備故障，可讓列車停到存車線快速退出運營，退出運營后其他列車不受影響。

2.1.4 節(jié)省安裝調(diào)試時間

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，軌旁需要安裝的設(shè)備數(shù)量更少，各子系統(tǒng)間接口數(shù)量更少，進而可降低系統(tǒng)設(shè)備的安裝和調(diào)試工作量。另一方面融合設(shè)計后的車載設(shè)備可直接進行工廠調(diào)試，或者在試車線完成調(diào)試，不用長時間地占用正線車站或區(qū)間資源來調(diào)試，大大節(jié)能調(diào)試時間，尤其對于時間緊張的改造工程效果顯著。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

TACS系統(tǒng)主要由ATS、目標控制器（OC）、VOBC以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）等組成，為了實現(xiàn)過渡階段的運營和調(diào)試，新舊系統(tǒng)之間的設(shè)備倒切裝置，改造系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

TACS系統(tǒng)的核心設(shè)備集中于車載VOBC，車載VOBC包括為實現(xiàn)聯(lián)鎖和ZC功能的處理單元。VOBC通過DCS無線網(wǎng)絡(luò)直接和鄰車、ATS進行通信，根據(jù)位置、速度等信息進行聯(lián)鎖邏輯運算、計算移動授權(quán)?？紤]到VOBC的重要性，其硬件和軟件應(yīng)具備冗余架構(gòu)，滿足故障導(dǎo)向安全原則。

車站設(shè)備取消了聯(lián)鎖設(shè)備、ZC設(shè)備，主要設(shè)置目標控制器OC和DCS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。OC設(shè)備負責與軌旁實體設(shè)備接口，根據(jù)VOBC下達的控制命令來操縱道岔、站臺門等軌旁設(shè)備;同時OC設(shè)備采集軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息，并向VOBC和ATS實時反饋。DCS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，為車-車、車地通信提供通道。

控制中心ATS負責監(jiān)督目標控制器與車載設(shè)備的狀態(tài)，自動檢測上線列車在交匯點的運營沖突，具備運營沖突管理功能。當列車故障或TACS系統(tǒng)難以匹配運營效率時，ATS系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的運營情況，通過預(yù)先設(shè)定的調(diào)整策略進行運行計劃調(diào)整，并將調(diào)整后計劃發(fā)送給VOBC和目標控制器。

在不間斷運營的前提下進行改造，需兼顧新老系統(tǒng)，為此采用倒接裝置來實現(xiàn)新系統(tǒng)與老系統(tǒng)的切換。倒接裝置連通了新老系統(tǒng)，白天運營時間倒接開關(guān)處于既有系統(tǒng)位置，接通既有信號設(shè)備，依靠既有系統(tǒng)維持正常的運營;夜間天窗時間，倒切開關(guān)調(diào)至TACS系統(tǒng)位置，接通新設(shè)備進行調(diào)試[5]。

2.3 信息交互

以追蹤列車為分析對象，車車通信的信息交互如圖2所示：

前行列車通過速度傳感器、靜態(tài)應(yīng)答器等定位裝置采集列車位置和軌旁占用信息，并通過DCS無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給追蹤列車。追蹤列車通過DCS無線網(wǎng)絡(luò)接收前行列車的數(shù)據(jù)信息、目標控制器的軌旁設(shè)備信息，并基于控制中心ATS發(fā)送的時刻表信息，進行聯(lián)鎖邏輯運算，然后將軌旁設(shè)備列車命令發(fā)送給目標控制器，控制和鎖定線路資源。同時，進行移動授權(quán)和列車運行速度曲線的計算，并據(jù)此控制列車自主運行和安全防護。

2.4 實施過程

2.4.1 第一階段：車載設(shè)備改造

先行開展新系統(tǒng)車載設(shè)備的安裝，安裝完成后進行車載功能測試，車載改造和調(diào)試不占用線路資源、不受地面改造工程的影響，可在車輛廠或試車線獨立完成。

2.4.2 第二階段：軌旁設(shè)備安裝及調(diào)試

分別安裝TACS系統(tǒng)的中心、車站及軌旁設(shè)備;設(shè)備安裝完畢后，在夜間天窗時間，通過倒切裝置切換至TACS系統(tǒng)，進行新系統(tǒng)的調(diào)試。

2.4.3 第三階段：全系統(tǒng)倒切

在完成新系統(tǒng)調(diào)試工作后，在非運營時段組織開展場景演練，采集和記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并分析測試結(jié)果。進行多次演練并取得系統(tǒng)安全授權(quán)之后，一次性將系統(tǒng)倒切到TACS系統(tǒng)投入運營。

2.4.4 第四階段：既有設(shè)備拆除

TACS系統(tǒng)投入運營后，利用非運營時間逐步拆除既有系統(tǒng)設(shè)備、倒切裝置及相關(guān)箱盒、線纜。

3 工程應(yīng)用關(guān)鍵點分析

3.1 無線通信要求

信號系統(tǒng)直接關(guān)系到運營的安全和效率，列車運行控制業(yè)務(wù)屬于高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)類型，基于車車通信的系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。為了保證通信需求，至少采用應(yīng)用于1.8G專用頻段的LTE-M系統(tǒng)。工業(yè)與信息化部于2015年發(fā)布了《關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無〔2015〕65號），指出1 785～1 805 MHz頻段可用于城市軌道交通行業(yè)，其目的也是為了消除信號系統(tǒng)無線通信運用過程中影響正常行車的隱患，保證列車安全、高效運行。目前LTE-M已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道交通信號系統(tǒng)中，并且取得了較好的成效。

但是LTE-M系統(tǒng)的頻段資源非常緊缺，帶寬最大20 MHz，考慮到其他行業(yè)的分配，大部分地鐵只能申請到10 M。而基于車車通信的TACS系統(tǒng)將進一步提高帶寬需求，以及進一步推動通信行業(yè)核心技術(shù)的突破。2020年，我國提出加快建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，在此背景下5G技術(shù)與城市軌道交通行業(yè)將迎來重大歷史發(fā)展契機，5G網(wǎng)絡(luò)與TACS系統(tǒng)的結(jié)合，可隨5G技術(shù)的發(fā)展進一步研究。

3.2 車載改造空間

車載設(shè)備作為TACS系統(tǒng)中最核心的設(shè)備，車載改造工作是改造工程的重點也是難點。如若有新購車輛，可在新購車輛上直接安裝新車載設(shè)備，為此也建議TACS改造項目采用新購車方案，如利用延伸線工程的購車作為過渡方案。如若沒有新購車，可考慮兼容式車載或雙套車載設(shè)備方案，但考慮到TACS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CBTC、TBTC差異較大，兼容式車載較難實現(xiàn)，下面針對雙套車載設(shè)備方案進行分析。

在改造過渡時期，若采用雙套車載方案，逐一對車載設(shè)備進行改造，并通過倒切箱連接新舊車載設(shè)備。白天運營時間接通既有車載設(shè)備，維持日常運營;夜間調(diào)試期間切換至新設(shè)車載設(shè)備，進行所需的調(diào)試工作。待TACS開通運營后，拆除既有車載設(shè)備。具體包括車載主機柜、車載顯示器、測速設(shè)備、天線等，為避免二次就位，可先將既有設(shè)備移至其他空間，新設(shè)備安裝就位。

3.3 新舊系統(tǒng)倒切

為了兼顧新系統(tǒng)的調(diào)試、老系統(tǒng)的運營以及場景演練與割接，采用倒接裝置來實現(xiàn)新系統(tǒng)與老系統(tǒng)的切換。

倒接流程如下：

（1）安裝倒接裝置，新敷設(shè)控制電纜至被控對象。

（2）逐個斷開既有設(shè)備與被控對象的電纜連接，既有系統(tǒng)通過倒切裝置實現(xiàn)與被控對象連接;運營時間利用既有系統(tǒng)運行，天窗時間切換至新系統(tǒng)。

（3）新舊系統(tǒng)割接后，連接新系統(tǒng)與被控對象，拆除倒接裝置。

4 結(jié)語

車車通信作為一種新型的列車控制技術(shù)，符合軌道交通靈活、高效和精簡的發(fā)展需求，有望成為下一代軌道交通信號系統(tǒng)。基于車車通信的信號改造可發(fā)揮車車通信的技術(shù)優(yōu)勢，并解決當前軌道交通信號改造所面臨的問題?？紤]到新技術(shù)的應(yīng)用需要工程實踐的檢驗，未來可根據(jù)車車通信更多的應(yīng)用情況做進一步的探討。

參考文獻

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