城市轨道交通信号系统新技术发展应用前景

雷锡绒

（西安铁路职业技术学院 副教授 陕西 西安 710014）

近年来，在我国各大城市轨道交通向网络化、智能化、信息化方向迈进的同时，全自动驾驶技术、车-车通信技术、互联互通技术、信息化技术也发展迅速，这些新技术具有自动化水平高、集成度高、软硬件资源共享等优势，是智慧城市轨道交通信号系统技术发展的方向。

1 全自动驾驶FAO

1.1 全自动驾驶日常运营场景描述城市轨道交通列车全自动驾驶系统具有列车运行性能更佳、安全可靠性更高、运能增大、运输成本降低等优势，是轨道交通技术发展的方向。全自动驾驶的列车出库投入运营前，上电从休眠状态自动唤醒、进行综合自检、自动启动行驶到转换轨、进入正线升级至CBTC系统、按照时刻表载客运营、完成站间行驶、到站精准停车、自动开关车门、自动发车离站、自动折返、完成运营后入库自动对位停车、上传当天运行数据、自动断电休眠［1］。全自动驾驶日常运营流程如图1所示：

图1 全自动驾驶日常运营流程

1.2 全自动驾驶自动化级别全自动驾驶FAO 包括DTO 和UTO。DTO 为无司机但有人值守的自动驾驶模式，正常情况系统控制列车自动运行，异常情况人工随时介入干预。UTO 为完全无人的自动驾驶模式，正常情况系统控制列车自动运行；大多异常情况下，信号、车辆、综合监控等多系统间可实现信息综合、联动控制功能，安全和效率均达到最佳。

1.3 全自动驾驶的关键技术点及应用

1.3.1 联动功能 行车综合自动化系统TIAS 高度集成列车自动监控ATS 系统、变电所综合自动化系统、环境与设备监控系统、广播系统、闭路电视系统、乘客信息系统、互联门禁系统、时钟系统、站台门等系统，实现整个地铁运营系统的综合信息显示、集中控制、程序联动。

场景举例：段场早间列车上电和自动唤醒联动流程如图2所示：

图2 列车上电和自动唤醒联动流程

1.3.2 自动化功能 信号CBTC 系统架构上增加设备，新增自动化功能。全自动驾驶CBTC 系统与传统CBTC系统相比，车载主要增加唤醒休眠模块，地面主要增加智能化车辆段ATP/ATO 设备［2］，新增如下功能：

1）正线运行。站台自动对位调整、全自动发车、远程自动清客、无人自动折返和工作者防护。

2）车辆段实现自动化。自动唤醒与休眠、自动出入车辆段、自动调车、自动洗车、自动库门防护、有人区与无人区隔离。

3）应急处理。蠕动、站台门与车门对位隔离、紧急手柄与火灾等系统联动、车辆监测信息处置及上报、远程操控、乘客疏散及应急逃生、站台关车门与清客确认。

1.3.3 实现全系统硬件冗余 全自动驾驶车载系统和地面系统均按冗余方式配置。车载系统包括列车数据管理系统TDMS、速度传感器、天线等。地面系统包括轨旁ATP、轨旁联锁、轨旁ATS、继电器（用于道岔驱动采集、计轴接口、洗车机、车库门等。

1.3.4 系统软件升级并提高运行的稳定性 全自动驾驶CBTC系统和传统CBTC系统相比，更多的是功能性需求增加，这就需要信号系统与诸多外部系统进行接口，实现集中监视、综合联动。如此庞大、复杂的控制系统，需从软件架构层面重新设计。一般采用既有系统软件逐步升级的方式（模块化和层次化的软件设计使得系统可方便地进行升级和外部扩展），最终的软件系统要保障整个系统运行的稳定性。

2 基于车-车通信的新型CBTC系统

目前我国城市轨道交通信号系统都采用的是车-地通信的CBTC 系统，随着技术的进一步发展，基于车-车通信的新型CBTC 系统将会取代现有的CBTC 系统，因为基于车-车通信的新型CBTC 系统具有车载设备集成度高、轨旁设备减少、系统接口数量减少、系统复杂度降低等特点，可以在保证安全的前提下，为运营提供更加灵活和多样化的运输组织方案，因此，该系统是城市轨道交通信号系统技术发展的方向。

2.1 基于车-车通信的新型CBTC系统架构基于车-车通信的新型CBTC 系统，与现有车-地通信的CBTC 系统相比，简化了轨旁设备。轨旁取消了区域控制器子系统ZC和计算机联锁子系统CI，新设对象控制器控制轨旁信号机、道岔、站台门等设备，车载系统集成原轨旁ZC和CI的功能。

2.2 基于车-车通信的新型CBTC系统工作简介

在车-车通信方式中，列车车载控制器VOBC一方面与ATS进行通信，接收ATS发送的进路信息，通过轨旁对象控制器控制道岔的转换和进路的开通，另一方面与前行列车进行无线通信，请求前车的位置信息，根据收到的前车位置信息，快速计算自身的移动授权和相关制动曲线（无需由地面轨旁系统计算移动授权后再通过网络发送给车载控制器），完成与轨旁相关的安全功能。

2.3 基于车-车通信的新型CBTC系统的优势

1）车-车通信系统的车载设备集成了车-地通信系统的列车控制功能、轨旁ZC和CI的功能，增强了各系统间的耦合度，大大简化了系统数据交互的复杂度，减少了信号系统网络负荷，提高了系统的信息处理速度，使得系统整体性能更好。

2）车-车通信系统轨旁取消了ZC 子系统和CI子系统，节省了设备室空间和减少了系统接口数量，系统复杂度降低，维护成本随之降低。

3）车-车通信系统减少了车与地之间交互的数据通信量和交互时间，减少了车载控制器的反应时间，可进一步缩短运行时间间隔，与传统的CBTC相比，可以达到60 s的间隔时间［3］。

4）车-车通信系统提升了车与车信息的交互性。后车向前车请求位置信息后，能快速计算移动授权并迅速更新运行速度曲线和制动曲线，并及时对自身的运行状态做出调整，确保了安全。

3 城市轨道交通CBTC系统互联互通

城市轨道交通CBTC系统互联互通是指装备不同CBTC厂商提供车载设备的列车可以在不同厂商提供轨旁设备的线路上运营。互联互通的总体目标是支持轨道交通网络运营的联通联运，实现轨道交通线网建设、运营和管理的资源共享。

目前我国城市轨道交通CBTC系统主要依赖于进口，各供货商CBTC系统因接口标准不统一，无法实现互联互通。随着城市轨道交通建设规模的扩大，我国对轨道交通提出了“节约成本、避免重复投资、实现网络化建设、运营、管理”的新要求。随着中城协互联互通标准规范制定工作的稳步推进，CBTC系统的互联互通势必成为今后发展的方向。

3.1 CBTC 系统互联互通的技术条件各互联互通的线路采用的信号系统应采用统一的标准和规范，主要包括：

1）采用一致的系统功能定义；

2）采用一致的系统架构和功能分配；

3）采用一致的互联互通接口规范（接口协议从物理层、协议层和应用层必须保持统一）；

4）采用一致的轨旁设计原则和设备安装原则（应答器、信号机、计轴等安装位置应统一或兼容；DCS轨旁漏缆、天线安装位置应统一或兼容）；

5）采用一致的人机界面和操作方式，为调度员和司机的共享提供条件。

3.2 城轨CBTC系统互联互通的接口规范见图3所示［4］

图3 城市轨道交通CBTC系统互联互通接口规范

3.3 城轨CBTC 系统互联互通的其他条件城市轨道交通互联互通是一项复杂的系统性工程，除涉及信号系统自身的系统总体架构、通信协议、通信接口、工程设计标准外，还涉及线路、限界、车辆、牵引供电、运营管理体制等外部条件。

4 城市轨道交通信息化建设

4.1 加快轨道交通信息化建设的紧迫性我国城市轨道交通信息化系统由信号系统、综合监控系统、自动售检票系统、综合安防系统、通信系统、乘客资讯系统等6个子系统组成。其中信号系统是轨道交通信息化系统中需求最大的子系统。但是，到目前为止，这些子系统在信息化建设方面还存在总体架构陈旧、信息孤岛严重、基础设施分散、网络资源浪费、安全管控偏弱、运维体系失衡、标准规范缺失、建管统筹乏力等弊端。为了顺应城市轨道交通快速发展的形势，贯彻“互联网+”发展战略,必须将信息技术与城市轨道交通业务深度融合,以信息化带动轨道交通智能化，以轨道交通智能化促进信息化，为轨道交通的可持续、快速发展，提供强有力的信息技术支撑。

4.2 城市轨道交通信息化建设总体架构由“六个层面、两大体系”构成［5］。

4.2.1 六个层面 六个层面分别为感知层、网络层、数据层、平台层、应用层和展示层。

1）感知层:利用多种感应器件，采用射频技术、蓝牙技术进行物体识别和信息采集。

2）网络层：构建信息之间的有线、无线连接，实现各系统之间的快速通信。

3）数据层：是系统的数据中心，集中各类项目数据库，支持各类业务应用系统的运行。

4）平台层：建立各系统信息融合贯通的大数据、云计算平台，安全、高效地完成各系统信息化数据量的储存和处理，实现信息资源共享。

5）应用层：构建生产指挥、乘客服务、企业管理三个中心，完成乘客服务、运输组织、安全管控、企业管理和建设管理五大业务。

6）展示层:构建城市轨道交通门户网站，包括供内部访问的内网业务门户和供外部访问的外部门户网站。

4.2.2 两大体系 两大体系为技术标准规范体系和网络信息安全体系，贯穿于城市轨道交通信息化的建设、运营、管理、维护、服务等各阶段。

1）技术标准规范体系：是信息平台建设的保障，是为信息化建设制定的软硬件接口协议、数据格式标准、系统建设和运营组织管理的规范等。

2）网络信息安全体系：是从设施安全、平台安全、数据安全、通信安全、应用安全、运行安全、管理安全等层面上进行综合的分析和管理。

5 结束语

到目前为止，全自动驾驶技术和互联互通技术已经在我国城市轨道交通示范工程中得到应用，车-车通信技术和信息化技术中的大数据、云计算还在探索研究之中。可以预见，这些新技术是城市轨道交通信号系统未来发展的方向，不久的将来，随着这些技术的成熟并推广应用，必将为智慧城市轨道交通带来全新的变革。