列车运行控制系统的现状与发展

陈 晨

（西门子交通技术 （北京） 有限公司上海分公司，上海 200000）

1 列车运行控制系统的现状

自20世纪60年代起，国外开始了对CBTC （Communication Based Train Control） 的理论研究。我国的城市轨道交通起步较晚，但经过了探索和试验阶段，一二线城市已经快速地迈入了轨道交通的网络建设阶段。1965年中国第一条地铁在北京开工建设，1969年建成通车，1981年正式对外运营。目前，全国共有34个城市已经开通了轨道交通，运营里程达到近5 000 km。截至2017年12月31日，新增4个运营城市，33条运营线，新增运营线路长度达868.9 km新增线路再创历史新高，比2016年新增线路534.8 km增加334.1 km，增幅达62.5%。其中，上海是目前中国城市轨道交通通车里程最长的城市，地铁里程总计长度为636.37 km[2]。

因此，我国的信号供应商已经从引进国外技术，到吸收消化核心技术，走向了自主研发国产化信号系统的道路。国内各大城市的地铁业主也从一味地接受，到如今提出需求，紧跟甚至带领着技术发展的方向。在供应商与业主双方的共同作用下，CBTC从传统的IEEE 1474标准架构，开拓出了新的城市轨道交通列车运行控制系统技术发展方向。下面将详述其中的两个主要发展方向：全自动无人驾驶系统和互联互通方向的车-车通信系统。

2 基于无线通信的列车运行控制系统

在传统CBTC的IEEE1474标准架构中，有三大子系统：车载控制器VOBC （Vehicle On Board Controller）、区域处理器ZC （Zone Controller） 和自动列车监控子系统ATS（Automatic Train Supervision）。VOBC是位于列车司机室内的控制设备，主要对列车进行测速、定位和控制，接受来自ZC的信息，根据ZC提供的移动授权来计算安全防护曲线，并与列车目前的速度进行比较，监督列车运行状态，并及时发出制动命令。ZC接收数据存储单元、列车监控子系统、计算机联锁等的各种数据信息，集中获取系统中各个设备的运行状态。对区域管辖区内的列车进行移动授权和临时限速，监控道岔、信号机、应答器等轨旁设备。ATS对列车运行状态进行监控，提供报警显示、进路排列、运行图调整和数据查询等功能，可为调度人员提供监控和旁路系统功能的操作。以上各个子系统的协同工作，共同完成了CBTC的功能。此外，CBTC系统中通常还包括：数据通信系统DCS （Data Communication System）、计算机联锁CI（Computer Interlocking）、维护诊断子系统MMS （Maintenance Management System）。

3 全自动无人驾驶的列车运行控制系统

全自动无人驾驶系统UTO （Unattended Train Operation）减少了正线运营以及车辆场段中列车司机的角色，实现了由控制中心调度人员集中化的远程操作、运营控制和调度管理的模式。因此，在继哥本哈根、新加坡、迪拜等城市开通无人驾驶信号系统后，北京、上海、广州等国内一线城市也开始投入全自动无人驾驶CBTC系统。

全自动无人驾驶架构与典型CBTC架构，在各子系统的核心功能上，没有较大区别。相比现有CBTC系统，UTO在运营工作流程上有了较大的变化。取消列车司机的角色，但新增了多职能队员的岗位，负责所有运营车站和列车的巡视，并负责列车故障处置、人工驾驶、设施设备一级维修等业务。日常的运营工作流程为：列车停在车辆段或停车场，系统根据出入库派班计划，分批次自动唤醒列车；当列车唤醒成功后进入列车综合自检，自检通过的列车按计划班次等待发车指令；同时，车站工作人员对车站内所有设备进行运营前测试并开启；列车由出入场段线，根据时刻表进入正线运行；列车在无人驾驶模式下自动在区间运行，并且完成进站、停车、发车；根据时刻表，列车在折返站台自动进行控制端转换并匹配运行计划；列车完成时刻表计划，到达终点站后清客并下线；列车按回库派班计划规定的股道自动运行至停车库指定股道，上传数据后自动休眠。

此外，全自动无人驾驶架构与现有CBTC系统相比在功能、按钮、设备和接口上有较多的升级。主要的新增功能包括自动唤醒功能、自动休眠功能、自动存车功能、自动进入或退出运营功能、自动鸣笛功能、场段内自动运行功能、自动洗车功能、站台停车窗口校准对位功能、站台清客功能、列车状态监督功能、工况管理、蠕动功能、应急报警功能、远程控制功能等。主要的新增按钮包括洗车按钮、紧急关闭按钮、自动折返按钮、站台操作车门按钮、站台请客确认按钮、人员防护开关、全自动运行列车禁止出发按钮等。信号系统内部主要的新增设备包括冗余的测速脉冲电机和雷达等。信号系统与外部系统之间，主要的新增接口包括ATS远程控制命令接口、脱轨检测接口、火灾联动接口、列车控制管理系统接口等。

4 互联互通的车-车通信列车运行控制系统

阿尔斯通在法国里尔1号线进行了车-车通信CBTC系统的试验，与传统的IEEE 1474典型架构相比，这种架构简化了联锁子系统和区域子系统，ATO/ATP的主要功能将从轨旁移至车载。ATS将进路计划发送至VOBC，VOBC将直接控制道岔的转动、进路的开放和移动授权的计算等功能。因此前后列车之间的通信也更为直接，无需由轨旁子系统计算后再发送给车载，交互性能将大大提高。这与国内地铁运营公司越来越多提及的互联互通系统需求是相通的，可见简化轨旁设备有可能成为CBTC发展的新方向。

车车通信的架构中包括监控子系统ATS、通信子系统DCS、目标控制器OC （Object Controller） 和车载子系统VOBC。中心设备ATS和无线通信网络DCS与CBTC典型架构中的功能并无过多差异，只是ATS将直接通过DCS与车载子系统进行通信，并将进路信息发送给VOBC。目标控制器或称对象控制子系统，布置在轨旁或设备集中站，可以将其看作为简化后的区域子系统。OC接收VOBC和ATS的命令，执行对轨旁设备的操作，并反馈对象的状态。

车载子系统是车车通信架构中的核心子系统，集成了主要的ATP/ATO功能。除了原有的列车定位、速度控制、车地通信、列车完整性检查和人机交互等功能外，新增了进路控制、车车通信和行车许可功能。进路控制功能实现了列车通过车地通信，直接接受ATS的进路命令，计算进路计划所需的道岔和信号机，通过OC查询区段占用情况，并判断是否办理该进路。车车通信功能实现了VOBC根据ATS中的列车信息，筛选出进路范围内的列车，并确定作为目标追踪的前车，并与之建立通信。行车许可功能根据进路命令、前车位置信息、临时限速和OC反馈的轨旁设备状态，生成行车许可。

因此从CBTC典型架构向车车通信架构作延伸和兼容时，需要将原本计算机联锁和区域控制器的进路控制、车车通信和行车许可等功能模块迁移到VOBC中，而ZC则需简化为仅支持对轨旁资源的执行和分配，以防抢占导致的死锁发生。

5 结语

无论是从技术的实现，还是运营的实际需求来说，全自动无人驾驶将会是目前更容易实现的一步，既可以为既有线CBTC做升级，也可以为新线规划全自动无人驾驶制式。而车车通信，则是互联互通或者简化轨旁设备的最好解决办法，一旦车车通信技术发展起来，将会是对传统CBTC较大的革新。