基于车地和车车通信列车运行自动控制系统分析研究

崔轶昕，刘 琴，赵 程，景 亮

（宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波 315010）

传统基于通信的列车控制系统（CBTC）采用车地通信实现车载设备与轨旁设备之间的信息交互，其自主决策和智能化水平较低，加之轨行区信号设备较多，建设和运营维护成本较高。为降低信号系统的建设和运营成本，提高信号系统的智能化水平，对传统CBTC进行优化升级形成基于车车通信的列车控制系统，实现信号系统转型升级。本文对传统基于车地和车车通信列车运行系统技术进行分析研究，以探索列车运行控制系统的发展趋势。

1 基于车地通信列车运行自动控制系统概述

1.1 车地通信列车运行自动控制系统组成

车地通信CBTC系统划分为5层结构，即中央级控制存储系统层、地面车站设备层、轨旁设备层、车载设备层、列车系统层，系统架构如图1所示。

图1 车地通信列车运行自动控制系统架构组成图

中央级控制存储系统层由列车自动监控系统（ATS）中心、数据存储单元（DSU）和数据通信系统（DCS）组成。ATS中心是一套集现代化数据通信、计算机、网络和信号技术为一体的、分布式的实时监督、控制系统。ATS子系统通过与列车自动控制（ATC）系统中其他子系统的协调配合，共同完成对地铁运营列车和信号设备的管理和控制，其核心设备位于信号系统的中央层，用于实现对高密度、大流量的地铁运输活动进行自动化管理和调度，是一个综合的行车指挥调度控制系统。DSU是整个CBTC系统的存储单元，存储与列车运行相关的所有设备信息和运行状态信息，实现对整个ATC所有数据库管理。DCS是一个宽带通信系统，为CBTC各子系统的数据通信提供快速、可靠、安全的数据交换通道，其通道类型包括有线和无线2部分。

地面设备层主要由信号系统中的地面设备组成，主要设备为区域控制器（ZC）、联锁系统、计轴。ZC 即区域本地计算机，与联锁区一一对应，通过DCS保持与控制区域内所有列车进行通信并完成安全信息交互。ZC根据列车的位置信息跟踪列车并对区域内列车发布移动授权、实施联锁。联锁系统通过继电器架连接轨旁部分设备，实现上下信息联锁控制。计轴是用以检测和记录列车通过计轴点的车轴数，通过2个计轴点之间或轨道区段内的空闲情况，可判断列车通过计轴点的位置，自动校正列车行驶里程等。

轨旁设备层包括接入点（AP）天线、无源应答器、转辙机、信号机、站台门（PSD）、有缘应答器、信号设备的监测和维护系统（MSS）、收发车计时器（DTI）等，共同记录并上传和下达列车行驶信息、设备状态、控制命令，控制车站设备、列车行驶位置信息等。

车载设备层包括无线通信装置、列车自动防护系统（ATP）、列车自动驾驶系统（ATO）、车载列车信息显示系统（DMI）、无线应答器、速度传感器等。该层可实现驾驶员通过车站DMI系统实时观察列车行驶状态、车门状态，并详细定位列车位置以保障列车的自动驾驶和安全防护。

列车系统层包括紧急制动装置、车门控制、牵引/常用制动控制等。该层可实现列车的行驶和刹车控制、车门的开关控制、牵引制动控制等功能。

1.2 车地通信列车运行自动控制系统特点

ATP功能在列车超过规定的运行速度时可实现列车的自动制动，即车载设备接收到地面限速信息与实际行驶速度进行比较并判定列车实际速度超过限定速度后，由制动装置控制列车制动系统进行制动。ATP通过轨道电路或者无线全球定位系统（GPS）检测列车实际运行位置，自动确定列车最大安全运行速度，并连续不间断地进行实时速度监督，实现超速防护，同时自动监测列车运行间隔，以保证遵守规定的行车间隔，防止列车超速和越过禁止信号机等功能。

ATO的基本功能包括自动控制列车车站发车、区间运行、跳停、站内精确停车、自动折返、扣车等。列车自动驾驶系统根据ATP系统提供的控制信息（前方信号机状态、前方道岔状态、当前线路允许运行的最高速度等信息）实时计算列车达到目标速度值所需要的牵引力和制动力的大小，并通过列车接口电路，完成对列车的加速与减速作业。

在ATO中，列车司机仅起监督作用，而为 ATO提供辅助工作的则是ATP。ATP功能的完备是ATO工作的基础保障，ATO接受来自ATP的（ATP速度指令、列车实际速度和列车走行距离以及从ATS子系统接受到列车运行等级等）信息。依据ATP所提供信息，ATO通过牵引/制动线控制列车，使其维持在一个参考速度上运行，并在车站站台准确停车。ATO由车载设备和车地通信系统构成，车载设备包括ATO的CPU板，车地通信板，信息采集电路板，牵引/制动驱动板；车地通信系统包括轨旁车地通信换线、车地通信控制机柜等，其中车载ATO设备是列车驾驶系统中核心设备，它由硬件和软件2部分组成。

ATS 是通过计算机来组织和控制行车的一套完整的行车指挥系统。ATS将现场的行车信息及时传输到行车指挥中心，指挥中心将行车信息综合后，实时无误的向现场下达行车指令，以保证行车的准确、快速、安全、可靠。ATS在ATP和ATO的支持下，根据运行时刻表对全线列车进行自动监控，可自动或由人工监督和控制正线（车辆段、停车场、试车线除外）列车进路，并向行车调度员和外部系统提供信息。ATS功能由位于控制中心内的设备实现，所实现功能包括：自动进行列车运行图管理、及时调整运行计划、监控列车进路、自动显示列车运行和设备状态、完成电气集中联锁和自动闭塞的要求。

2 基于车车通信列车运行自动控制系统概述

2.1 车车通信列车运行自动控制系统组成

基于车车通信的列车自主运行系统（TACS）将CBTC中轨旁的联锁功能、ATP功能、ATS功能集成至车载控制平台，通过“车-车”通信方式实现列车主动进路和自主防护功能。其原理为ATS将运营计划下发至列车，由车载控制自动触发进路，列车控制的主要功能由列车实现，只依赖地面对象控制器（OC）的设备驱采及资源登记，TACS运行原理图如图2所示。

图2 基于TACS列车自动运行原理图

2.2 车车通信列车运行自动控制系统特点

TACS采用扁平化架构，由原有的CBTC 3级结构变为2级结构，系统的总控制节点减少。各子系统之间的数据流交互和接口简单清晰，便于系统部署和扩展，有利于降低运营维护成本。基于车车通信客观上精简车地之间交互的信息量以及交互时间，同时采用行车资源统筹方式管理进路，可提升道岔使用效率，提供更小的运行时间间隔。列车自主运行时，仅需无线网络以及OC设备无故障即可，依赖节点少，可用性更高。进路以列车为起点，建立任意方向安全进路，为运营提供更加灵活和多样化的运输组织方案。

TACS的系统特点包含以下几个方面。

（1）简化轨旁设备。简化轨旁的ATP、计算机联锁 （CI）、ATS设备，功能集成至车载信号设备；取消点式降级模式。联锁降级模式方案应结合运量等运营需求确定，信号机、计轴等轨旁基础设备结合运营需求优化配置，轨旁设备图如图3所示。

（2）列车自主化及分布式控制。基于车与车之间直接的数据通信，实现以列车为主体和控制核心的列车自主运行。通过车载分布式自主控制，减少系统对于中心ATS以及区域集中控制设备的依赖。

（3）车车通信。通过LTE-M技术，实现车与车之间的无线数据通信，以车载时刻表为依据，结合当前行车意图，由近及远进行行车资源交互，实现行车间隔防护，车车信号联锁图如图4所示。

图4 车车信号联锁图

（4）系统融合。将人机界面、车辆通信网络、牵引制动系统进行融合。车辆各子系统采用融合设计，可削减冗余功能、整合冗余硬件，优化车载网络布局，降低系统复杂度，提高系统实时性和列车控制性能、提高自动化程度，使整个系统更加高效节能。

（5）智能化驾驶控制。牵引制动系统融合，可缩短控制周期，提高系统性能，传统CBTC系统中ATO难以实时获取牵引/制动能力，列车区间运行及进站停车过程容易出现过牵引/欠牵引、过制动/欠制动以及定点停车精度低的问题。基于车车通信的TACS，使得牵引和制动系统有机会参与ATO控制，因而能够通过利用牵引/制动能力以及指令反馈信息，缩短ATO闭环控制的周期，提高ATO控制精度。后车实时掌握前车速度和位置，可更合理的跟踪自己的模式曲线，减少工况切换和追踪延误、降低运行能耗。

3 基于车地和车车通信列车运行自动控制系统对比分析

3.1 系统通信技术对比分析

3.1.1 车地通信技术

DCS由轨旁数据通信网络、车载双向通信网络和车载数据通信网络构成。轨旁数据通信网络由轨旁骨干网、接入交换机和轨旁设备3部分组成。依据IEEE802.3以太网标准，轨旁设备通过以太网电缆接入到接入交换机中，接入交换机通过多模光纤接入到骨干网，其中轨旁设备与接入交换机组成接入网。轨旁数据通信网通过轨旁无线AP与列车进行双向通信。骨干网为具有冗余的高速单模光纤以太网，由100 Mbps或1 Gbps的 2层网络交换机构成，拓扑结构采用双向自愈环形结构。

骨干网络必须具备传输延迟小、传输带宽大、便于管理、具有抗毁／自恢复能力、能适应工业控制环境的特性。为使地面骨干网络具有抗毁／自恢复能力，应在连接交换机的链路上进行冗余连接，形成冗余的自恢复环形结构。当某条链路发生故障时，其备份链路自动由备用状态转换到主用状态，从而保证通信的继续进行。除交换机之间的线路连接外，其他设备与交换机之间的线路连接都应采用冗余连接方式，以提高整个DCS 子系统的可靠性。交换机之间的连接需使用光纤连接，其他设备与交换机的连接可根据需要使用双绞线或者光纤。

车地无线通信系统主要由2部分组成，分别为轨旁AP与空间无线通道。轨旁AP通过接入交换机接入到轨旁接入网中，轨旁接入网连接在骨干网上，而AP的另一端通过天线组的辐射，以空间自由波为介质，与列车车载通信单元进行通信。由于车地无线网络传输的是列车位置、速度、方向及运行命令等重要信息，因此对传输的实时性、丢包率等都有严格要求。

轨旁AP应包括1个或2个完全冗余的无线单元协同工作，即轨旁无线覆盖是完全的双层覆盖。轨旁AP应跟据本地拓扑条件与1组或2组含2～4个天线的天线组连接，每个AP通过光纤以太网传输层分别连接到相应的接入交换机中。每个接入交换机直接与其所属的骨干交换机连接，从而接入到骨干网。

AP的覆盖区应没有缝隙甚至冗余，且数量不能太多，因此，根据IEEE802.11g标准的物理层参数，结合ISM 2.4 GHz频段的信号传播模型，进行AP间距的设计。当车地间距是300 m，传输速率是18 Mbps时，不同传输速率的列车接收信号电平低于灵敏度的概率都大于99%。因此AP布置间距应设计为300 m，此距离也同样符合对包丢失率的控制标准 ，信息交互数据流示意如图5所示。

图5 车地通信信息交互数据流图

3.1.2 车车通信技术

TACS以“列车”为控制目标、以列车“自主”运行为终极目的，采用简化系统控制架构、缩短控制环节、车载多系统融合等手段，实现基于车车通信及资源管理的移动闭塞列车控制系统，车车通信是TACS的核心内容之一。列车智能化运用基于全方位态势感知、故障诊断、运行控制等技术，实现城市轨道交通移动装备的自感知、自诊断、自决策、自学习、自适应、自修复、自动驾驶的功能，TACS列车自动运行系统图如图6所示。

图6 基于TACS列车自动运行系统图

TACS以车载控制器为核心的扁平化架构（车车通信）主要体现在以 车载控制器为安全防护、自动运行的核心，弱化中心限制，更利于系统部署和扩展。TACS基于资源管理的进路防护算法主要表现为以高精度行车资源管理为基础的进路防护算法，提供灵活的安全防护能力，可在任意位置为列车建立任意方向安全进路。TACS车载自主进路体现为车载控制器实时从ATS中同步本车的时刻表信息，在中心ATS故障时，列车可继续按照时刻表运行。TACS完善的降级设计为轨旁控制器提供完整的降级进路防护功能，系统支持CBTC列车和降级列车混和运行。具体的控制流程如下。

（1）列车从中央ATS获取预先编排好的时刻表运行图或实时人工进路（时刻表可在每日列车上线运行时预先下载保存），并根据线路信息自动计算行进和停站计划。

（2）OC实时登记列车信息和道岔进路等资源占用情况，并向列车反馈执行列车动作命令。

（3）列车在正线行驶时，车载控制器（OBC）直接向邻车报告和获取位置、获得邻车区段资源占用和释放信息、向邻车申请资源占用，同时向OC汇报登记位置并查询道岔区段等实体资源的占用情况。根据自主计算的进路通过车载控制单元（CCU）、制动控制单元（BCU）、牵引控制单元（TCU）计算牵引制动曲线进行控制。

（4）OC对实体资源状态进行监控和控制，同时接受来自控制中心（OCC）的临时操作命令，如限速、扣车跳停、临时交路、人工进路排布等。

3.2 系统工作原理对比分析

3.2.1 车地通信列车运行自动控制系统工作原理

传统车地通信列车运行自动控制系统基于轨旁信号设备控制列车进路、实时计算移动授权；通过车载信号设备实现列车定位、实施控制列车运行。系统实时动态自动调整轨旁间隔，所有车辆的信号控制采用控制中心集中式控制，统一调度运行，工作原理如图7所示。

图7 车地通信列车运行自动控制系统工作原理

3.2.2 车车通信列车运行自动控制系统工作原理

车车通信列车运行自动控制系统是所有运行列车采取列车主动进路，列车自主防护，列车自主调整，分布式控制，实现列车全自动运行智慧化，减少控制中心人为调度强度，实现列车之间信号互相感知，自动实现运行状态全方位精准感知、运行趋势智能化分析预判、信息指令一体化主动推送、运行规则拟人化，线路上所有运行列车互相间保持信息畅通，每列列车不断修正自己的运行信息，实现自动进化等相关功能，工作原理如图8所示。

图8 车车通信列车运行自动控制系统工作原理

3.3 系统功能实现及接口对比分析

3.3.1 车地和车车通信列车运行自动控制系统功能实现

传统基于车地通信列车运行自动控制系统功能主要包括列车识别与追踪、列车进路、列车运行图/时刻表编辑和管理、列车运行自动调整、能量优化、中心人机界面、车站人机界面、报告、报警与存档、列车安全分隔/移动授权、临时限速、列车定位、超速防护、列车自动驾驶、进路控制、道岔和信号机控制、辅助列车检查、地面设备间通信、车地无线通信等。基于车车通信列车运行自动控制系统功能主要有列车注册、时钟同步、筛选、移动授权、路径信息、屏蔽门系统（PSD）/紧急停车按钮（ESB）/道岔状态、临时限速、区域防护、库门防护、轨旁人员作业防护开关（SPKS）、CBTC模式进路办理、降级模式进路办理、CBTC模式停稳信息、停车保证、计轴故障检测、列车完整性检测、障碍物检测、唤醒、休眠、列车间隔调整等。功能实现及其所涉及系统对比分析如表1。

3.3.2 车地和车车通信列车运行自动控制系统接口

传统车地通信列车运行自动控制系统内部接口包括ATS与车站联锁系统（CBI）、CBI与ZC、ZC与VOBC、VOBC与CBI、CBI与相邻CBI，以及ZC与相邻ZC之间接口等，接口关系复杂。车车通信列车运行自动控制系统内部接口包括ATS与OC、ATS与OBC、OC与OBC，以及OBC与相邻OBC之间接口等，接口系统简单，维护方便，系统的智能化水平高，具体如图9所示。

图9 系统接口对比分析

3.4 系统性能指标和能力对比分析及总结

TACS列控系统将传统CBTC信号系统的OBC-ZC/CBI的集中式控制架构改为OBC-OBC、OBC-OC的分散式控制架构，基于车地通信列车运行自动控制系统和基于车车通信列车运行自动控制系统可靠性、可用性、安全性指标，以及系统能力对比分析如表2所示。

表 1 系统功能实现及其所涉及系统对比分析

表2 系统性能指标和能力对比分析

车地通信技术相对比车车通信技术具有技术复杂、传输节点多、故障率相对较高、工作原理复杂、轨旁和车站机房设备多、接口较多、车体自动化、智能化水平较低，在建设期间具有轨旁设备安装多、夜间施工多、工期长、设备安装空间紧张、风险大、设备用房面积大、调试时间长等特点，后续运营维护量大、复杂的地面设备、信号与车辆的单独维护；基于车车通信列车运行自动控制系统，在建设期间具有安装设备少、夜间施工少、工期短、设备安装空间小、风险小、设备室面积减少15%～20%、调试时间缩短30%等特点，后续运营维护量小、复杂的地面设备、维护工作量减少。

基于车车通信列车运行自动控制系统从技术对比、工作原理、系统组成、系统特点、系统维护、性能对比都明显优于基于车地通信列车运行自动控制系统，虽然两者均为列车自动运行安全系统，但TACS系统可靠性、可用性、安全性均提高，TACS系统能力提升15%～30%。

4 结束语

随着5G通信网络在国内地铁系统的全面建设和覆盖，基于车车通信列车运行自动控制系统的系统组成、系统特点、系统维护、性能对比都明显优于基于车地通信列车运行自动控制系统，可以更好的提高行车智慧化水平，实现全自动运行更安全、更智能，赋予列车海量数据实时协同、智能分析、精准定位等功能，降低系统建设和运营成本，助力信号系统转型升级，使地铁运营朝着智慧化方向发展。