基于车车通信的城市轨道交通CBTC数字化仿真系统的研究与实现

王海涛，江升

（国家高速列车青岛技术创新中心，山东 青岛 266108）

列车运行控制系统堪称轨道交通车辆的“大脑”和“神经中枢”，主要由信号系统和通信系统组成，用于指挥列车运行，保障行驶安全。城市轨道交通信号系统涉及行车安全，是集控制技术、计算机技术和通信技术为一体的复杂系统。当前，整个城市轨道交通运行控制系统正朝着智能化、数字化、集成化方向发展。通过实现顶层的系统级标准体系建设，构建灵活、实时、高效、智能的数字化交通管理和自动化系统，实现车车之间的互联互通，增加车辆和线路的匹配度，从而提高运行效率，降低运营成本。

1 国内外车车通信技术研究背景

在列车运行控制技术研究领域，欧洲铁路行业协会于2013年启动了欧洲下一代列车控制系统NGTC项目，此项目是基于ETCS-3级别，为了解决下一代列控系统互联互通兼容问题。2015年欧盟全面启动“构建未来铁路系统联合行动计划(Shift2Rail)”，通过运用新技术创新，把提升欧洲铁路服务质量以及降低全寿命周期成本作为工作重点，而以自动驾驶和虚拟连接为代表的先进列控技术列为其重要的创新研究计划。

2013年，法国的阿尔斯通公司，在UITP会议上正式提出以列车为中心的车车通信的信号系统概念，最早在里尔1号线进行了相关试验。德国铁路提出以智能化运营为核心的德铁4.0发展战略规划。日本铁道综合技术研究所开展以智能化多模式交通为核心的“CyberRail”战略规划。英国的泰晤士联线项目已投入运行，信号系统采用ETCS-2+ATO。近期韩国铁道研究所研发的基于车车通信的新一代列控系统（ATCS）也已上线应用。

目前，基于车车通信的列车运行控制系统还主要应用于城市轨道交通领域中。城市轨道交通大多采用CTCS-2级别列控系统+ATO自动驾驶系统。基于车车通信的技术在我国已逐步开展应用。2020北京国际城市轨道交通展览会上，中车株洲所首次发布其自主全自动运行系统信号系统（FAO），此举标志着中国中车正式跻身城轨“全自动”时代。2020年11月，卡斯柯重磅发布了其自主研发的列车自主运行系统（TACS），这是业内首个商用TACS系统。

2 CBTC系统组成与结构

我国列车运行控制系统根据功能要求和设备配置划分为5个应用等级，分别是CTCS-0～4级。目前最先进的CTCS-4是完全基于无线通信的列控系统。闭塞方式为移动闭塞或虚拟闭塞，并利用无线通信媒体替代轨道电路，实现车地之间的双向连续通信和高精度列车安全定位，基本达到了欧洲ETCS-3级别。

CTCS-4列控系统在城市轨道交通领域称为基于通信的列车自动控制系统CBTC（Communication Based Train Control System），它是一种网络化、智能化的列车控制系统，具有安全准时、高可靠、高稳定性的优势，现广泛应用于城市轨道交通系统中。CBTC系统由列车自动监控子系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、列车自动运行子系统（ATO）、计算机联锁子系统（CBI）和数据通信子系统（DCS）组成。

该系统最大的特点是无线通信，它利用先进的列车定位技术以及无线通信技术改变了传统的信息传输方式。从单向传输变为双向传输，信息传输流量大、速度快、效率高。能够实现车辆与控制中心的双向通信，大幅度提高了列车区间通过能力。城市轨道交通列控系统大多采用CBTC+ATO和多种智能系统集成融合的架构，是一种技术先进、自动化程度较高、安全可靠的新一代列控系统，自动化等级可以达到无人监督驾驶（GoA4）级别。

3 虚拟连接技术探究

虚拟连接列车VCTS（Virtually Coupled Train Sets），也称为虚拟连挂或虚拟耦合。它是在某一固定的轨道区段，两列车辆之间在没有任何的物理连接的条件下，能够动态地调整自身的编组结构并实现无线重联编组。VCTS能最大限度地提高列车运行的安全性和灵活性，为城市轨道交通和铁路运营商提供更高水平的服务。这将是轨道交通领域对运行安全、控制方式、通信网络概念的重大改变。

欧洲环境署EEA，2015年提出了虚拟连接的概念。目标是通过相对的制动距离将列车解耦，并以队列的形式同步运行，在一个闭塞区间内可以当作一辆单独的列车，并在出行高峰期尽可能多的提高运行密度，增加线路和车站的通行能力。韩国铁道研究所在2021年9月发布了基于车车通信的列车自主运行系统（ATCS）。它实现了车车之间信息的动态实时交互和协作，可以说给列车装上了第三只眼睛，让列车灵活实现自主动态的路径选择。ATCS和汽车物联网车联网技术V2X（vehicle to everything）一样，基于对周围场景的决策和控制，是一种实时的智能交通管理和自动化系统。

图1 车车通信仿真系统运行界面

我国对虚拟连接的研究起源于国内的大秦铁路，也是国内首条煤运通道干线重载铁路。随着大秦铁路的开通运行，长编组货车在高低起伏坡段的行进过程中，启动时缓解时间过长，对钩缓冲击影响很大。目前采用的技术无法提前精准感知线路特性，易造成牵引制动频繁切换，降低了车辆的可用性及舒适性。21世纪初，国内铁路相关的科研机构针对此项问题进行了深入调研和研究，提出了虚拟连接的构想。

4 车车通信系统的设计实现

4.1 数字化仿真系统实现

本车车通信城市轨道交通CBTC数字化仿真系统是基于.NET Framework 4.8平台，采用C# Windows窗体应用程序（WinForm）开发技术。它支持插件化应用，能够实现程序的快速安全开发。数据库采用Microsoft SQL Server 2019，后台利用ODBC数据库互联接口实现列车运行数据的实时读取和存储。系统运行界面如图1。

系统实现了前后列车的速度、位置和相对移动授权信息的实时传输，并根据交互信息自主更新移动授权，计算目标距离速度曲线，实时调整前后车的运行速度，建立了动态的列车追踪新模式。此系统从需求建模到数字化仿真，使数字模型和物理模型得到初步的虚拟验证。它减少了控制中心和轨旁通信设备数据传输带来的时间损失，优化了以列车自主防护和自主调整为特征的协同控制策略，对车车通信技术的研究具有参考借鉴意义。

4.2 网络通信技术研究

本文实现的数字化仿真系统主要采用Socket网络编程技术。Socket又称为套接字，它是一组API接口，处于OSI七层模型中的应用层与TCP/IP网络协议族通信中间的软件抽象层。Socket分为流套接字、数据报套接字、原始套接字三种类型。本文对面向连接字节流的高可靠TCP通信以及面向无连接数据包的大容量UDP通信两种方式都进行了设计。

下一步会根据不同的通信协议方式进一步探究，从而实现一个服务端，对多个客户端之间的通信以及高效能多并发。还要对分布式计算机网络和工业以太网通信进行深入研究，实现安全高速数据传输和多路径节点分布式通信，使网络中的节点相互协调工作和交互信息。建立一个分布性、高可靠性、高可扩充性及高灵活度的系统架构，为下一步通信技术研究奠定基础。

5 车车通信技术面临的挑战

车车通信技术的应用是新一代城轨列控和信号系统架构的创新，打破了传统的“车-地-车”架构，以列车为主体和控制中心，实现智能自主化控制。采用安全高效的通信技术，缩短了数据传输链路径，提高了系统的实时性和安全性。虽然车车通信技术取得了一定的成就，但在今后的发展中，将会面临以下问题。

列控信号系统担负着行车安全和运营安全的重任，当列车以相对制动距离行驶时，对数据的传输速度和带宽会有更高的要求。尤其是在道岔和高速正线的位置，广播信息延时和网络信息安全的出现，会存在列车碰撞和脱轨的潜在安全风险。其次，车车通信技术的出现，将意味着列车的指挥调度和联锁区段内的路线许可将不再以列控中心授权为主，而是通过前后列车的双向信息传输和对周围环境的智能感知而动态调整，这是一种全新的列控系统架构。

6 结语

截至2021年8月，我国共有48个城市开通运营城市轨道交通线路247条，运营里程7970公里，实际开行列车264万列次。VCTS和TACS系统是目前主流城轨信号系统CBTC的升级版，使列车从信号控制向列车自主运行转变。开启了城市轨道交通列车运行控制系统的新纪元，实现了轨道交通信号系统新的飞跃。未来的城市轨道交通列控与信号系统一定会突破传统列控系统的技术瓶颈，利用新一代通信技术和互联网应用技术，实现列车的智慧运行，从而提升我国城市轨道交通系统的集成化、智能化和网络化水平，进一步推动和引领全球轨道交通产业技术的发展。