基于车-车通信的全自动运行信号系统研究

陈 浩，雷成健

（湖南中车时代通信信号有限公司，湖南长沙 410199）

1 概述

近年来，随着国民经济的飞速发展与城市化进程的不断加快，城市轨道交通在城市公共交通中的地位日益显著，城市轨道交通得到迅速发展，特别是信号系统的技术水平已经取得了相当大的进步。基于通信的列车控制（communication-based train control，CBTC）系统采用引进、消化吸收、创新的技术路线，根据国内城市轨道交通建设与运营的特点，借鉴国外CBTC的经验，实现CBTC技术国产化，并在此基础上进行技术创新，基于互联互通的CBTC系统、自动化等级4（GoA4）的全自动运行系统已顺利开通。我国城市轨道交通信号系统技术水平已经处于世界领先地位。为促进行业技术的发展，对新一代城市轨道交通控制系统的研究已成为一个重要课题。

2 基于通信的列车控制系统

2.1 系统架构

目前，在我国城市轨道交通领域中应用最广泛的列车控制系统是CBTC系统。在传统CBTC系统中，采用连续车-地-车双向数据通信技术、不依赖轨旁列车占用检测设备的列车主动定位技术，通过地面控制设备与车载控制设备协同配合，为列车提供连续的自动控制服务。系统配备联锁系统（CBI）设备、区域控制器系统（ZC）设备、调度管理系统（ATS）设备、数据管理系统（DMS），列车上装载车载控制（VOBC）设备，同时在线路轨旁配置列车位置次级列车检测设备、信号机、多种应答器等。在CBTC系统中，通过各设备的相互配合，控制中心对线路上的列车进行集中管理；通过车对地无线通信，车载VOBC设备与地面ZC设备持续交互信息，ZC控制列车的追踪间隔，VOBC根据ZC计算的移动授权计算列车运行控制曲线，对列车运行进行安全防护；在2个相邻的ZC的边界处，VOBC设备持续与分界处两侧的ZC进行通信，完成区域控制切换。典型的CBTC信号系统架构图如图1所示，图1中DCS为信号数据通信系统，CI为计算机联锁，LEU为轨旁电子单元，ATO为列车自动运行系统，ATP为列车自动防护系统。

图1 CBTC信号系统架构示意图

2.2 存在的问题分析

传统CBTC系统采用连续车-地双向数据通信技术，具有发车间隔短、运行效率高等优势，但因其采用“车-地-车”的控制信息交互架构体系，存在如下问题。

（1）系统功能耦合度高，互相依赖，导致系统缺乏灵活性，采用车-地-车的体系结构，行车高度依靠地面的ZC，系统的通过、折返能力受制于ZC。

（2）系统结构复杂、子系统繁多、系统间接口众多，各接口中传输的数据重复度较高，在加大信息传输时延的同时，造成通信资源的浪费，增加了系统的通信压力。

（3）轨旁设备数量众多，在增加系统建设成本的同时，也增加了故障点，增加了系统运营维护的成本和工作量。

由于传统CBTC系统存在的上述问题，在系统的可靠性、运营效率及互联互通方面无法满足智慧城轨发展的要求，尤其在不影响既有线路正常运营的前提下进行线路设备的改造更新，对传统CBTC系统来说，面临巨大的困难与挑战。

3 基于车-车通信的全自动运行信号系统

传统CBTC系统升级到全自动运行（FAO）信号系统后，虽然对CBTC功能进行了升级，增加了全自动运行的相关功能，提高了系统的自动化水平，但升级为FAO系统后未能从根本上改变CBTC系统复杂的结构。因此，有必要通过优化系统结构，构建城市轨道交通新一代列车控制信号系统。

在基于车-车通信的新一代全自动运行信号系统中，对CBTC系统架构进行优化，系统以车载控制为中心，大幅减少地面设备，对系统功能进行重新分配，把原系统中地面设备的功能集成到车载控制系统中，地面仅设置轨旁资源管理控制器（OC）进行资源管理。

3.1 系统架构

基于车-车通信的新一代全自动运行信号系统的系统结构如图2所示，系统主要由ATS、OC、车载VOBC设备组成，系统取消了传统CBTC信号系统的地面CBI和ZC设备，把原CBTC系统中CBI与ZC的功能集成到车载VOBC控制器中，地面仅设置OC设备对线路资源进行管理，大大简化了系统架构，减少了轨旁设备，优化了各子系统间接口，提高了系统的实时性，同时列车基于ATS下发的运行计划以及车-车间直接通信交互信息，实现列车自主路径、列车自主防护和列车自主运行调整的功能。

图2 基于车-车通信的全自动运行信号系统架构示意图

3.2 系统原理

基于车-车通信的全自动运行信号系统，将传统CBTC系统的“车-地-车”架构优化为“车-车”架构，VOBC集成了原地面CBI和ZC的功能以及ATS的部分功能，将列车的移动授权计算、进路控制等原地面控制系统的功能集成到车载VOBC，确保列车根据运行计划及线路资源分配状态和采集的表示状态信息自主规划办理进路，正确实现进路、道岔、信号机的联锁关系，同时利用列车与相邻列车间的直接通信交互信息计算列车自身的移动授权，在此基础上取消传统CBTC系统的CBI和ZC设备，简化轨旁设备布置，减少系统建设、维护成本。

基于车-车通信的全自动运行信号系统的工作原理如下。

（1）VOBC接收到ATS下发的时刻表或人工调整命令，自主进路模块自动触发运行路径。

（2）OC负责区域内的列车管理与轨旁资源管理，向车载VOBC发送轨旁设备状态信息，通过车-地无线通信接收来自车载VOBC的命令，根据指令控制轨旁设备。

（3）车载VOBC根据行车路径内对资源的需求，向所需资源的持有列车主动建立通信，向其发送对该资源的释放申请，同时当前列车也接收其他列车发送的资源释放申请；车载VOBC使用完该资源，确认完可以释放时，将该资源释放移交给请求申请列车。车载VOBC在获得该资源后即占有该资源，可以根据时机向OC发送对该资源的控制命令，同时接收OC发送的轨旁资源的状态表示信息。基于以上信息，车载VOBC可自主计算列车移动授权和控车速度曲线，对列车的安全运行进行防护。

（4）基于LTE-M的无线通信系统为车-车与车-地之间提供可靠的通信，该系统采用多级冗余与多重保障的设计理念，提升系统的可用性与可靠性，在地面与车载设备及前后车之间交互数据时使用安全通信协议，进一步提升基于车-车通信的全自动运行信号系统的安全性与可靠性。

3.3 系统关键技术

基于车-车通信的全自动运行信号系统关键技术主要有列车自主进路、资源管理、自主防护、列车自主调整等。

3.3.1 列车自主进路

车载VOBC接收ATS下发的运行时刻表（包含时间信息的运行路径）自动规划列车运行路径，ATS也可以通过下发人工命令对车载VOBC自主规划的运行路径进行干预与调整，人工命令包括人工调整运行计划，人工分配车次号，人工设置目的地码、扣车、跳停等，人工命令发送给车载VOBC，车载VOBC通过列车自主进路模块处理，调整列车的运行路径。

3.3.2 自主资源管理

在基于车-车通信的全自动运行信号系统中，将线路资源的颗粒度进一步细化管理，线路资源指列车运行所依赖的线路元素，主要包括区段、道岔等。系统根据列车的目的地及线路资源的状态，实时为列车规划路径，对路径内的线路资源进行安全占用与释放。

基于车-车通信的全自动运行信号系统自主管理线路资源，车载VOBC接收ATS发送的运行计划或调度命令；车载VOBC根据列车在行车路径内对资源的需求，向OC登记并查询资源登记结果，向所需资源的持有列车尝试建立通信链接，并向其申请该资源，该资源持有列车车载VOBC接收到其他列车发送的对该资源的释放请求时，在确认使用完该资源可以释放时，将该资源释放移交给请求列车，同时将资源的分配状态发送给OC，由OC更新登记该资源的分配状态。若持有列车仍需使用该资源时，不可释放该资源。

当线路资源存在共享及冲突关系时，申请列车与持有列车车载VOBC设备之间需持续交互相关联的资源信息。

3.3.3 自主防护

列车自主防护指列车在相应的驾驶模式下，根据自身状态和外部输入信息，自动规划行车路径，计算移动授权和运行速度控制曲线，为列车安全运行提供多种防护及监督功能，包括列车超速安全防护、列车进站与出站安全防护、作业封锁开关安全防护、站台门实时监督、站台紧急停车按钮监督及列车完整性状态实时监督等。

在传统CBTC系统中，系统通过进路对列车提供安全防护，只有当进路对列车开放时，列车的移动授权才能延伸到进路内方；在基于车-车通信的全自动运行信号系统中，将线路资源的颗粒度进一步细化管理，因此，进路的概念演变为线路上的路径资源，车载VOBC负责列车的安全防护。车载VOBC根据列车的目的地自动匹配运行路径，与OC实时通信，获取运行路径内资源的登记情况；根据资源的登记情况，车载VOBC主动与所需资源的持有列车通信，请求获取资源，同时获取和识别前车的位置、速度、运行方向及移动授权等信息，自主计算移动授权和安全列车控制速度曲线。

车载VOBC在对行车路径进行安全防护时，依据路径内的资源元素属性和规则进行行车防护，例如路径内的道岔需要操纵并锁闭到定位时，车载VOBC向OC发送操纵道岔至定位并锁闭的命令。进行路径防护时，车载VOBC采用由近及远、连续式防护的防护措施，根据行车路径，对路径内资源对象由近及远进行组合式判断；同时根据列车的实时位置动态释放资源，提高对线路资源的利用率。

3.3.4 列车自主调整

基于车-车通信的全自动运行信号系统中，车载VOBC系统集成了原CBTC系统ATS系统的列车自动调整功能。在没有控制中心ATS人工调整命令时，如果列车实际运行时间与计划运行时间发生偏差，车载 VOBC根据接收到的运行时刻表自动调整后续列车运行时间。车载VOBC通过调整列车的停站时间或修改下一区间的运行等级达到列车自主调整的目的。车载 VOBC也能响应中心ATS调度员的人工调整命令，包括修改停站时间、修改区间运行等级等命令。当偏差过大时（偏差时间可配置），车载VOBC向中心ATS发送报警信息，请求调度员人工干预，调度员可重新调整运行计划。

3.3.5 降级列车管理

基于车-车通信的全自动运行信号系统以列车为中心，车载VOBC依据自身的状态和外部输入信息，自动规划行车路径，计算移动授权和运行控车速度曲线，因此，对通信设备、车载设备、测速定位设备的要求很高，应尽量提高这些设备的可靠性，降低降级发生的概率；在设计时，考虑故障快速恢复技术及流程，降级时尽快恢复，降低对运营的影响，并提供降级运行方式。

降级运行方式分为有信号机与无信号机2种方式：无信号机的降级模式不配置次级列车检测设备，当列车发生故障降级时，系统自动设置封锁区，列车转入人工驾驶模式，由司机和调度确认并获取发车授权后，可人工驾驶列车运行，正常通信列车接近封锁区域时，也需转换为人工驾驶模式；有信号机的降级模式需配备次级列车检测设备检测列车位置，当列车发生故障降级时，系统自动点亮故障列车前方的信号机，司机根据信号机的信号指示，人工驾驶列车运行。

3.4 系统特点

与传统CBTC系统相比，基于车-车通信的全自动运行信号系统对系统架构进行了优化，在车载VOBC上集成了列车自主进路，列车自主防护、列车自主调整、自主计算移动授权等功能，简化了地面设备，列车与列车直接交互信息，基于资源管理的理念，形成以列车为中心的自主运行控制系统。

3.4.1 架构合理

基于车-车通信的全自动运行信号系统将传统CBTC的集中控制优化为以列车为中心的分布式控制，优化了传统CBTC系统的“车-地-车”通信控制架构，取消了传统CBTC系统的地面CBI设备和ZC设备，车载VOBC集成原地面CBI、ZC及ATS的部分功能，轨旁仅保留与现场设备接口的轨旁OC设备，减少了内部接口的复杂度，缩短了信息传输的路径，提高了控制指令的执行效率。

3.4.2 自主运行

在基于车-车通信的全自动运行信号系统中，车载VOBC根据ATS提前下发的运行计划，自动匹配并触发进路；与相邻列车及OC通信，获取计算移动授权所需信息，自主计算移动授权，并根据移动授权生成控车速度曲线，对列车的安全运行进行防护；当列车实际运行与运行计划出现偏差时，车载VOBC通过调整停站时间与区间运行等级等参数对列车的自主运行进行调整，实现主动进路、自主运行与防护，降低对地面与中心设备的依赖。

3.4.3 故障快速恢复

传统CBTC系统中，ZC对控制区域内的列车进行集中管理，收集所有列车的位置信息及控制区域内的进路状态，为每一列车计算移动授权。当ZC发生故障时，整个控制区域内的CBTC列车都会受到影响；基于车-车通信的全自动运行信号系统，采用分布区控制，以列车为中心自主对所需要线路资源进行申请占用，使用完后及时释放占用资源，当列车故障时，影响面积小，且能快速恢复，对运营影响小。

3.4.4 安全可靠

基于车-车通信的全自动运行信号系统优化了传统CBTC的系统架构，取消了地面的ZC与CBI设备，在地面仅保留轨旁OC设备，降低了系统设备和接口的复杂度，进一步提高了系统可靠性。

系统把ZC与CBI的功能集成到列车车载VOBC中，减少对中心ATS依赖，车载VOBC可以自主计算移动授权，控制列车在安全防护速度曲线下运行，当列车车载VOBC故障时，相邻正常列车可以基于故障列车设置的隔离防护区实时调整计算移动授权和控车速度曲线。实现正常列车与故障列车的混跑，大大降低整个系统发生区域性降级的可能性，提高了系统可用性。

3.4.5 智能高效

基于车-车通信的全自动运行信号系统优化了传统CBTC的系统架构，减少了地面设备，优化了子系统间的接口，列车与前车直接通信，可获取前车的实时运行状态数据，通过减少信息在系统内部的传输路径与时间，提高系统的实时性，进一步缩短控制指令的执行时间，提升系统控制精度，达到缩短列车追踪间隔、提高乘客乘坐舒适度的目标。

系统将行车路径虚拟为资源，列车自主占用与释放资源，能够更加灵活地适应线路反向、对向及折返运行等场景，提高列车运行组织灵活性与效率。

3.4.6 降低成本

与传统CBTC系统相比，基于车-车通信的全自动运行信号系统简化了系统架构，减少了地面控制系统及轨旁信号设备，优化了各子系统间接口，降低系统的耦合性，从而显著降低系统项目的建设、运营、维护成本，使系统项目工程施工、调试更容易实施，施工周期也大大缩短。预计系统项目建设、运营、维护成本可降低20%～30%，系统项目工程施工、调试周期可缩短 20%～30%。

3.4.7 有利于旧线改造

基于车-车通信的全自动运行信号系统，地面仅保留了轨旁OC设备等少量设备，在已建线路进行升级改造时，对既有线路的正常运营影响小，便于新系统的调试与旧系统的恢复，系统改造安全风险小。

4 总结

基于车-车通信的全自动运行信号系统对传统CBTC信号系统架构进行了优化，减少了地面设备，优化了子系统间接口，缩短了状态数据与控制指令命令的传输路径，提高了系统的性能与效率；对系统功能进行了重新分配，以列车为中心，支持列车自主进路、自主防护与自主调整，智能化程度更高。这种新型列车运行控制系统可提高运行效率，降低全生命周期成本，将成为新一代城市轨道交通列车控制信号系统发展的主流方向。