地鐵車車通信列車控制系統(tǒng)的構(gòu)建及雷電防護保障

摘 要：目前我國國內(nèi)地鐵使用的信號系統(tǒng)大多數(shù)都是需要借助地面設(shè)備的CBTC系統(tǒng)，國內(nèi)外開始研發(fā)新一代車車通信的列車控制系統(tǒng)。列車控制系統(tǒng)的設(shè)備所需要的電能輸送和信號傳輸會受外部因素影響，雷電就是其中之一。列車以及線路旁的的地面電子設(shè)備受雷電等外部侵害的風險極大，由于雷電干擾而造成的災害是巨大的，車車通信列車控制系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用后，在減少傳統(tǒng)地面設(shè)備的同時也要降低雷擊風險。車車通信列車控制系統(tǒng)硬件設(shè)施的雷電防護必須達到現(xiàn)有國家防雷規(guī)范的要求，才能最大限度保障人員和財產(chǎn)的安全。

關(guān)鍵詞：CBTC；地面設(shè)備；車車通信；雷電防護

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，居民的出行方式在不知不覺中發(fā)生了改變。日益擴大的城市板塊，以及不斷增加的城市人口，城市交通形勢嚴峻。而地鐵這種安全、準時、快速、運量大、不影響地面交通的公交設(shè)施，越來越得到政府的重視，是解決城市居民出行難，實現(xiàn)低碳出行的最佳方案。

決定列車運行效率的其中一個重要因素就是列控系統(tǒng)，一個優(yōu)秀的系統(tǒng)不僅可以提高運行效率，還能降低能耗、提高乘客舒適度等。傳統(tǒng)CBTC列控系統(tǒng)基于車地之間無線通信的方式，實現(xiàn)列車與地面設(shè)備之間數(shù)據(jù)大量、雙向、高速的實時通信。但是該系統(tǒng)會因為各子系統(tǒng)之間存在大量的信息實時交互導致系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延時、通信設(shè)備相對繁瑣等缺點?，F(xiàn)在通過探究和設(shè)計下一代基于車車通信列車控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)減少軌旁通信設(shè)備、降低施工和后期維修成本、縮短行車間隔時間等優(yōu)點。車車通信技術(shù)的加入可以使列車具備高度的自控能力，還能減少地面設(shè)備對列車的控制；然而不管列車自動化程度多高，安全最為關(guān)鍵。因此本文對車車通信列控系統(tǒng)進行設(shè)計，設(shè)計中會包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、功能，引入智能技術(shù)，合理降低成本的同時，必須做好雷電防護的措施，做好各方面的安全風險防控，列車才能安全運行，利國利民。

針對存在的問題，可以有以下對策：

（1）列車與列車之間直接交互信息，減少與列車通信的地面設(shè)備，這樣還可以間接解決造價高問題。

（2）通過減少軌旁設(shè)備，間接降低雷擊的風險。

（3）車車通信列車控制系統(tǒng)雖然減少地鐵外部環(huán)境（雷電）的干擾，但雷電感應(yīng)防護和等電位聯(lián)接等必須按現(xiàn)行防雷規(guī)范做好，確保列車安全運行。

一、車車通信系統(tǒng)總體構(gòu)建

（一）系統(tǒng)構(gòu)建思路

上一代的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為車輛－地面設(shè)備－車輛的控制模式，即列車需要先采集速度感器的速度信息加上應(yīng)答器的精確定位信息通過車載ATP計算得出自身定位信息然后經(jīng)由車載通信設(shè)備發(fā)送給地面設(shè)備，然后經(jīng)過地面設(shè)備一系列的運算為車輛生成移動授權(quán)再發(fā)回給車輛的復雜過程。

ZC是控制列車行車的一個重要地面ATP設(shè)備，因為在控制的過程當中車載設(shè)備都需要與ZC進行發(fā)送和回傳的通信，這將會増加信息交互時間，系統(tǒng)就會產(chǎn)生延時，系統(tǒng)為了減少這些延時對列車運行造成的影響，系統(tǒng)需要進行額外的運算處理，這將會使得信號系統(tǒng)更加繁雜。車車通信系統(tǒng)在設(shè)計時就考慮到了這些問題，所以對傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)進行精簡，即將區(qū)域控制器、聯(lián)鎖、軌旁信號設(shè)備等進行簡化，將他們的部分功能整合到車上，通過相鄰列車之間進行自主相互通信、互相識別、對地面設(shè)備資源占用并控制等方法來實現(xiàn)傳統(tǒng)區(qū)域控制器和聯(lián)鎖的功能。車車通信系統(tǒng)是在原有傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)對于列車運行控制的理論上新設(shè)想的一種以列車主動通信、自主控制為重點的列控系統(tǒng)。車載設(shè)備可以通過收集前方線路設(shè)備占用狀況及當前列車的運行情況自主計算移動授權(quán)，確保正線上的所有列車都可以自主控制并安全運行。在列車保證前后距離達到安全距離的基礎(chǔ)上，可以在追蹤前車時以很小的間隔進行追蹤，能使列車以一個很高的速度運行，提高列車在線上的運行效率。而且直接由車載設(shè)備與對象控制器通信，對沿線的設(shè)備進行占用和控制的方式實現(xiàn)對道岔的控制以及沿線資源的分配，不再需要聯(lián)鎖設(shè)備的介入，簡化了控制的過程。

（二）系統(tǒng)的構(gòu)成

基于車車通信的移動閉塞系統(tǒng)包括車載子系統(tǒng)（VOBC）、對象控制器（OC）、ITS子系統(tǒng)、TMC子系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)以及軌旁設(shè)備等，去掉了既有的聯(lián)鎖子系統(tǒng)和區(qū)域控制器[3]。

車載子系統(tǒng)（VOBC）：通過車載ATP/ATO保證列車運行安全、輔助列車運行等功能，通過接收智能列車監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)送的運行計劃，對行車路徑進行自主規(guī)劃并對前方路徑上對應(yīng)的道岔進行控制和鎖閉，實現(xiàn)了傳統(tǒng)CBTC車載設(shè)備、區(qū)域控制器和聯(lián)鎖的功能，而且可以通過通信獲取相鄰列車的位置信息和軌旁設(shè)備信息然后結(jié)合自主定位經(jīng)過運算為列車計算移動閉塞。

對象控制器：OC一般布置在室內(nèi)或室外軌旁，是采集對象運行狀態(tài)并控制的設(shè)備，OC可以通過接收車載設(shè)備和智能列車監(jiān)控子系統(tǒng)的指令，然后反饋對象設(shè)備的狀態(tài)信息。對象控制器還具備資源的占用和分配功能，監(jiān)視緊停按鈕和屏蔽門的狀態(tài)，對屏蔽門進行開和關(guān)的控制。

ITS系統(tǒng)：這個子系統(tǒng)可以將它認為是監(jiān)控平臺，主要把線上車輛運行狀態(tài)和軌旁信號設(shè)備的信息發(fā)送給中心調(diào)度人員，實現(xiàn)緊急情況報警和監(jiān)督、管理列車運營等。調(diào)度人員根據(jù)ITS系統(tǒng)反饋的線上車輛運行的實時狀態(tài)信息以及軌旁設(shè)備狀態(tài)信息實現(xiàn)列車運行計劃的編寫和下達、調(diào)整列車運營計劃、統(tǒng)計列車運行數(shù)量。

TMC系統(tǒng)：在車車通信系統(tǒng)中的作用與傳統(tǒng)CBTC中DSU的功能類似，用于存儲電子地圖數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)以及其它一些配置數(shù)據(jù)和設(shè)備的地址表，還可以協(xié)助區(qū)間臨時限速的下達和撤銷。

DCS系統(tǒng)：與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)一樣是包含骨干有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，其功能是為了給地面各子系統(tǒng)之間的有線傳輸以及地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的無線傳輸提供傳輸通道。

軌旁設(shè)備：包括計軸器、信號燈、地面信標、道岔轉(zhuǎn)輒機、LEU、屏蔽門以及各種無線傳播方式的天線等，主要實現(xiàn)軌道的占用檢測，降級運行的信號指示，輔助列車定位，發(fā)送和接收信息等功能。

（三）系統(tǒng)與防雷防護的關(guān)系

當列車控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的CBTC改為車車通信系統(tǒng)后，減少了大量包含ZC、CL在內(nèi)軌旁設(shè)備，減少了系統(tǒng)與外部的影響，從而對降低列車外部設(shè)備雷擊造成影響的風險。但是，列車運行中只要與外界有接觸，就有雷擊的風險，繼續(xù)做好雷電防護措施仍然是抵御雷電侵害最好的方法。

二、CBTC系統(tǒng)與車車通信的對比分析

傳統(tǒng)車地通信系統(tǒng)是通過空間間隔運行原理來實現(xiàn)列車間隔控制。前后相鄰列車追蹤的安全距離需要先通過考慮追蹤列車的運行時速、測速測距的誤差、滿載和雨雪天氣等情況下對車輛制動能力影響，然后再經(jīng)過計算得出的結(jié)果。車車通信系統(tǒng)在上一代車地通信系統(tǒng)上對設(shè)備進行了精簡，把原有的區(qū)域控制器的功能放到車載設(shè)備，通過與相鄰列車之間的主動通信獲取前車的精確定位后與地面設(shè)備通信獲得前方線路的設(shè)備狀態(tài)，車載設(shè)備向地面設(shè)備申請線路占用，獲得資源占用后自主計算生成移動授權(quán)指導列車運行自主計算移動授權(quán)實現(xiàn)列車主動控制，車載設(shè)備將擁有大部分地面控制設(shè)備的功能，真正做到以“列車為中心”的運行方式。在確保前后追蹤列車之間滿足最小安全距離的情況下運行，提高行車效率。

通過以上對比分析，可以更容易看出車車通信與上一代系統(tǒng)的區(qū)別，車車通信系統(tǒng)將原來舊系統(tǒng)的一部分地面設(shè)備的功能通過車載來實現(xiàn)，由車載設(shè)備自主辦理進路，自主獲取前車位置信息，自主計算移動授權(quán)信息等，地面設(shè)備只負責監(jiān)控列車運行、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)列車數(shù)據(jù)等基本功能[4]。降低建設(shè)維護成本，而且相鄰列車之間直接通信的方式提高了系統(tǒng)的實時性和系統(tǒng)的整體性。在車車通信系統(tǒng)中，線上的每列車都可以實現(xiàn)自主控制，在通信車之間通過相互通信實現(xiàn)安全、高效、有序的運行。

三、車車通信系統(tǒng)雷電防護措施的保障

軌道交通安全防護包括防災（防火災、風災、水淹、冰雪、地震、雷擊和停車事故等災害）和其他防護措施。國家和各地方均設(shè)有氣象、防洪和地震監(jiān)測部門，發(fā)布的災情預備較為可靠，在控制中心設(shè)置與氣象、防洪和地震監(jiān)測部門的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，直接接收有關(guān)預報信息。雷電是一種天氣現(xiàn)象，雷電災害時有發(fā)生，軌道交通也不例外，地鐵是軌道交通之一。所以在構(gòu)建地鐵車車列車控制系統(tǒng)時，還必須有系統(tǒng)的雷電防護措施，才能減少列車運行時受到雷電的侵害，確保地鐵列車運行安全。軌道交通的車站、車廂和軌道附屬設(shè)備的防雷設(shè)施方案必須由有相應(yīng)設(shè)計資質(zhì)的單位設(shè)計，由有相應(yīng)施工資質(zhì)的單位負責施工，最后由有相應(yīng)防雷設(shè)施檢測驗收資質(zhì)（甲級）的單位驗收，檢測驗收報告結(jié)論符合審防雷設(shè)施方案和防雷規(guī)范要求，才能投入使用。

（一）直擊雷電的防護

依據(jù)現(xiàn)行《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057—2010要求，列車車站屬于二類建（構(gòu)）物，車站必須按防雷規(guī)范設(shè)計安裝防直擊雷裝置，列車在運行中必須在防直擊雷保護范圍內(nèi)或列車自身具有防直擊雷的能力，才能最大限度抵御直擊雷電的侵害。

（二）雷擊電磁脈沖的防護

車站和列車的電源線路和信號網(wǎng)絡(luò)線路均由外部引入；當外部受到雷擊后，雷電產(chǎn)生的高電壓和大電流會通過外部線路引入到車站及列車，會危害到車站和列車的設(shè)備和人員安全。主要的防護措施是按規(guī)范在線路輸入前端設(shè)計安裝電涌保護器（SPD），根據(jù)防護的要求，選用匹配的電涌保護器的型號和參數(shù)（通流量、漏電量、啟動電壓、電壓保護水平、響應(yīng)時間、防爆阻燃特性、插入損耗等），可設(shè)計多級電涌保護器，直至滿足安全要求（如圖3、圖4）。

（三）感應(yīng)雷電的防護

車站和列車內(nèi)部有很多電子設(shè)備和金屬構(gòu)件，極易受到雷電的干擾。當車站或列車周邊響雷時，會產(chǎn)生很大的磁感應(yīng)變化，電子設(shè)備和金屬物（含軌道）就會受感應(yīng)雷電的干擾，因此要做好感應(yīng)雷電的防護措施。主要的措施是按規(guī)范做好金屬構(gòu)件等電位聯(lián)接并接地或局部金屬網(wǎng)屏蔽（如信號光纖線路有金屬屏蔽網(wǎng)的，要求屏蔽網(wǎng)兩端接地）。列車本身就是個金屬廂，做好雷電防護后，車廂就好像個法拉第籠，人和設(shè)備在車廂里相對安全。

四、總結(jié)與展望

（一）總結(jié)

車車通信列控系統(tǒng)已經(jīng)成為了下一代列控系統(tǒng)的主要研究方向，因為通信技術(shù)和微機技術(shù)在近幾年得到了快速的發(fā)展，更加先進的技術(shù)得以在軌道交通上應(yīng)用。先進智能的列控系統(tǒng)可以提高列車行車效率，解決市區(qū)道路擁堵問題，緩解交通壓力，同時提高系統(tǒng)抗御雷電的能力。本文的主要完成的工作有以下兩個方面。

（1）設(shè)計了基于車車通信的列控系統(tǒng)的大體思路，并介紹系統(tǒng)組成。

（2）車車通信列控系統(tǒng)構(gòu)建運行時，雖然可以減少部分雷電對列車運行的危害，但是雷電防護措施不能松懈，還需要繼續(xù)的創(chuàng)新和完善。

（二）研究展望

由于本人水平有限，對于一些關(guān)鍵技術(shù)了解只能通過閱讀參考文獻，還有很多需要改進和完善的地方。整個系統(tǒng)的設(shè)計均是在理論的情況下，對于復雜的場景、后備模式、以及列車之間通信的丟包率等問題并沒有進行研究。目前，基于車車通信的列車運行控制的研究尚在系統(tǒng)架構(gòu)層面，部分技術(shù)仍處于試驗階段。

基于通信的列控系統(tǒng)是具有發(fā)展?jié)摿Φ牧锌叵到y(tǒng)，而且是可持續(xù)發(fā)展的，隨著新的需求的產(chǎn)生與微機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、AI人工智能等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，未來地鐵將會使用集自動化、標準化、智能化于一身的列控系統(tǒng)；結(jié)合軌道交通安全防護的要求，在雷電防護措施不斷得到完善和加強，特別是控制機房。

參考文獻：

[1] 《建筑物設(shè)計規(guī)范》，GB 50057—2010

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[3]方思儀. 基于資源自主調(diào)配的聯(lián)鎖子系統(tǒng)在車車通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 北京：北京交通大學，2017：9

[4] 李聰. 基于狀態(tài)機的車車通信環(huán)境下列車通信協(xié)作研究[D]. 北京：北京交通大學，2017：3