新一代CBTC系统方案研究与关键技术探索

代继龙李晓刚李兆龄韩 臻

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；

2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

新一代CBTC系统方案研究与关键技术探索

代继龙1，2李晓刚1，2李兆龄1，2韩 臻1，2

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；

2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

在传统CBTC系统的基础上，提出基于车-车通信技术和相对速度追踪技术的新一代CBTC系统概念，并研究其系统构架及关键技术。

新一代；车-车通信；相对速度；链路

1 概念的提出

传统CBTC系统以地面设备为列车运行的控制核心，列车运行控制采用从“列车-地面-列车”的方式，即前车将自身定位信息发送给地面，地面根据前车的位置报告，并结合其他安全条件，为后车计算移动授权并将移动授权发送给后车。列车需要与地面进行“去、回”通信交互，因此增加了信息周转时间，系统也需为这些延时增加相应的处理机制。

传统CBTC系统采用基于列车相对位置追踪的移动闭塞原理。追踪原理是在计算移动授权时假定前行列车位置固定，后续运行列车以前车尾部为列车运行终点，并留有适当余量，进而保证列车运行安全。由于实际运用中，前行列车的位置通常并非固定（停站、故障等情况除外），因此，基于列车相对位置追踪的列车运行控制方式并没有最大限度的发挥线路运能。

随着轨道交通线路的大力发展，轨道交通线路的运营能力需求在不断提高，信号系统设备的使用频率及设备维护量也随之增加。在保证行车安全的前提下，减少轨旁设备的数量，最大限度的缩短列车运行间隔是未来CBTC系统发展的方向。

目前，欧洲NGTC组织机构已在研究下一代列车控制系统技术方案，国内则处于对既有CBTC系统技术进行改进的研究摸索阶段。因此，迫切需要在既有CBTC系统技术的基础上，扩展思路、优化系统构架、改进关键技术、研究新型CBTC系统技术，形成基于车-车通信技术和相对速度列车追踪技术的新一代CBTC系统技术方案。

2 系统方案

新一代CBTC系统是从传统CBTC系统演变出适合未来信号系统发展方向的信号系统方案。与传统CBTC系统相比，引入“以列车为核心”和“车-车通信”两个概念。“以列车为核心”是指列车的移动授权计算由列车自己完成，不再经由传统的轨旁ZC计算后转发至列车。“车-车通信”改变了传统地面计算列车移动授权的方式，前车可根据后车请求，实时向后车发送本车位置及速度信息，以便后车确定移动授权。

“以列车为核心”的本质是将传统CBTC系统的轨旁核心控制功能移植至列车上，进而减少轨旁设备数量，优化系统构架。可以通过简化轨旁设备、重新进行设备功能分配的方式实现，主要有以下两种方案：

方案一：向车载移植ZC及CI功能；

方案二：向车载移植ZC功能。

2.1 向车载移植ZC及CI功能的新一代CBTC系统方案

在此方式下，传统CBTC系统中ZC及CI将被取消，其功能全部移植至车载ATP，车载ATP利用车-地无线通信并通过轨旁设置的目标控制设备OC监控基础信号设备，如图1所示。

图1 新一代CBTC系统结构演进示意图-移植ZC及CI功能

从系统结构变化来看，移植ZC和CI功能至车载ATP设备对传统CBTC系统来说是一次重大改变，列车运行控制及轨旁设备的监控将全部由车载设备完成。系统车-地无线通信系统需要具备非常高的可靠性及可用性。地面不具有联锁逻辑运算功能，若车-地无线通信故障，信号系统将不能保障列车降级后的行车安全。结合轨道交通运营组织方式及目前车-地无线通信系统的稳定性来看，移植CI暂不适用于国内轨道交通信号系统。

2.2 向车载移植ZC功能的新一代CBTC系统方案

在此方式下，传统CBTC系统中用于列车移动授权计算的设备ZC将被取消，其功能将分解到车载ATP和轨旁控制系统LCS中，如图2所示。

从系统结构变化来看，传统CBTC系统下ZC设备的大部分功能将被分解到车载ATP。地面设置LCS主机，LCS主机分为CI和TMU（列车管理单元）两个模块，CI模块完成传统CBTC系统计算机联锁相关功能，TMU模块用于完成传统CBTC系统中ZC设备的部分功能（如列车位置管理、轨道区段管理、临时限速管理等），同时，为减小信息传输周转时间，增加列车与列车相互通信，TMU模块还需具备车-车通信链路管理功能。

图2 新一代CBTC系统结构演进示意图-移植ZC功能

与传统CBTC系统相比，新一代CBTC系统最大的区别是增加列车与列车间的通信、由列车车载设备计算自己的移动授权。传统CBTC与新一代CBTC列车移动授权计算路由对比如图3、4所示（以列车2移动授权确定为例）：

图3 传统CBTC列车移动授权计算路由示意图

图4 新一代CBTC列车移动授权计算路由示意图

由此可见，新一代CBTC系统计算移动授权的核心设备为每列车的车载设备——车载ATP。车载ATP接受地面LCS发送的进路状态信息及轨旁设备状态信息作为移动授权计算的一个外部输入条件；通过与列车1的相互通信，列车2得到列车1的位置、速度及运行方向信息，作为移动授权计算的另一个外部输入条件。列车2车载ATP设备结合地面LCS-CI发送的进路信息和列车1发送的速度及位置信息为本车计算移动授权。而在车-车通信中断后，列车2还可通过地面LCS-TMU发送的前车位置信息进行移动授权计算。

以列车为核心计算移动授权及车-车直接通信的列车控制技术的引入，减少列控信息在多个系统间的传输环节，有效减少通信传输时延，提高系统控制精度，缩短列车追踪间隔，提高线路运营效率，且精简了地面设备，降低系统维护成本。

3 关键技术

新一代CBTC系统作为传统CBTC系统的一次技术革新，其采用的部分技术已突破CBTC原有的技术原理。这些关键技术也将成为列车运行控制系统技术发展的方向。

新一代CBTC系统和传统CBTC系统相比增加了以下关键技术：

1）车-车通信技术；

2）相对速度的追踪技术；

3）列车链路管理技术。

3.1 车-车通信技术

新一代CBTC系统与传统CBTC系统移动授权计算相比，更加简捷，最重要的是两个列车作为移动终端，实现端到端直接通信。目前随着通信技术的不断发展，端到端直接通信已经可以实现。例如Device-to-Device（D2D）通信是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术。D信息交互可不经过网络中转而直接传输。D2D通信技术与传统的无线通信网络架构有明显区别，如图5所示。

在D2D通信模式下，通信数据直接在两列车之间传输，避免了数据经过网络中转传输而产生的信息延时；其次，传统无线通信网络对通信基础设施的要求较高，核心网设施或接入网设备的损坏都可能导致通信系统的瘫痪。D2D通信的引入使得列车终端在无线通信基础设施损坏或者在无线网络的覆盖盲区时仍可实现端到端通信。

图5 D2D端到端通信结构示意图

纵然D2D技术的发展仍处于起步阶段，尚未得到广泛应用，其技术还需进一步研究及完善。然而技术先进性及可行性势必促使其成为未来无线通信技术的发展方向。

3.2 相对速度的追踪技术

移动闭塞是一种没有预先设定的闭塞分区、可以实现列车按最小安全间隔运行的闭塞方式。两列车追踪的最小间隔距离由列车在线路上的实际位置和运行状态确定，因此移动闭塞列车追踪方式有两种：相对位置方式和相对速度方式。

1）相对位置模式

此模式下，系统以前车报告的列车位置尾端为危险点为后车计算移动授权。此种主要考虑其列车位置的处理方式，称之为相对位置方式。其追踪原理如图6所示。

图6 相对位置追踪示意图

2）相对速度方式

在此模式下，系统以前车报告的列车位置外加前车当前速度信息为依据，为后车计算移动授权点，称之为相对速度方式。选取的危险点为假定前车以当前速度触发紧急制动停车后列车尾端。其追踪原理如图7所示。

图7 相对速度追踪示意图

综上所述，相对位置的追踪方式是后车假定前车当前速度为0、列车位置固定的追踪方式，而实际运用中除停站和一些特殊场景外，列车均在移动状态，速度并不为0，很明显此种方式并未发挥线路的最大运能。而相对速度方式考虑了前车的实际速度，可为后车提供更长的移动授权，进而缩短了列车追踪间距，将成为未来列车追踪技术的发展方向。

3.3 列车链路管理技术

新一代CBTC系统基于车-车通信技术，线路上运行的列车间通信连接顺序并非固定，需要根据行车策略的改变而改变列车间的通信连接顺序。LCS的TMU模块负责本区域内所有列车之间的通信链路管理。TMU结合列车前方路径信息及运行图为区域内所有列车计算通信连接顺序，形成车-车通信链路发送给区域内所有列车。每列车根据通信链路向目标车发起/断开通信连接请求。同时，每列车将车-车通信连接状态反馈给TMU。

TMU以路径为基础确定车-车通信链路，当列车进路已建立或在建立过程时，TMU确定列车可申请与径路上的注册列车建立通信链接请求；当本车进路未建立时，TMU根据前方道岔的位置并向列车运行方向延伸（按一定范围），寻找径路上的注册列车，确定列车连接顺序。

当已连接的两列车运行方向相反或者后车路径改变时，TMU确定立即断开两列车之前的连接。在折返换端时，TMU还需结合运行图确定车-车通信链路。

4 结束语

新一代CBTC系统方案基于车-车通信技术及列车相对速度追踪技术，列车移动授权计算以列车为核心，是在传统CBTC基础上逐渐演变而来的技术方案，其系统构架及技术特点符合未来轨道交通信号系统的发展方向。

[1] Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee of the IEEE Vehicular Technology Society. IEEE Std 1474.1-2004 IEEE Standard for Communications-Based Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements[S].2004.

[2]焦岩，高月红，杨鸿文，等.D2D技术研究现状及发展前景[J].技术与业务创新，2014（6）：83-87.

On the basis of traditional CBTC system, the paper puts forward a concept of the new generation of CBTC system based on train-train communication technology and relative speed tracking technology, and gives the research on the architecture and the key techniques of the new system.

new generation; train-train communication; relative speed; link

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.012

2016-07-08）

中国铁路通信信号股份有限公司科技研发项目（2300-K1150040-1）