城市轨道交通下一代CBTC系统发展展望

夏庭锴 崔 科

（卡斯柯信号有限公司,200071，上海∥第一作者，高级工程师）

经过10多年的发展，CBTC（基于通信的列车控制）系统已经成为城市轨道交通信号系统的标配。当前国内运营的CBTC系统大多属于第二代CBTC。经过多年的实际运营考验，这代CBTC系统在获得巨大成功的同时也暴露出很多由于技术条件限制、惯性思维等原因造成的设计缺陷，这自然引发了对这代CBTC系统的反思和对下一代CBTC系统发展方向的思考。本文根据对第二代CBTC系统及下一代CBTC研究现状的分析，总结下一代CBTC发展的可能方向，并探讨这些发展方向面临的技术风险以及产品化所需的时间。

1 既有CBTC系统的特点

第二代CBTC系统基本采用的是区域控制器（ZC）+计算机联锁（CI）+车载控制器（VOBC）架构，其主要特点是：

（1）所有在线车辆将其位置和状态信息发送给ZC，ZC汇总这些信息后再发送移动授权给列车；

（2）线路资源（如轨道区段和道岔）的管理和分配由CI完成，并通知ZC；

（3）列车位置关系的计算则由ZC完成并告知CI，ZC根据CI提供的线路资源分配使用的状态和列车提供的位置报文为列车计算移动授权。

这种CBTC设计方案有ZC和CI两个区域控制的核心，会带来如下问题：

（1）CBTC控制逻辑都必须经过VOBC、ZC和CI三个子系统的协调处理，为了改善ZC/CI双核心架构带来的系统效率的降低，引入了更多的请求/确认机制来尽量避免基于容忍度设计的方案。这种设计在一定程度上改善系统性能的同时也使得整个系统更加脆弱，请求/确认机制的任何环节的中断都可能带来整个流程的死锁。

（2）兼顾后备模式的要求使得所有与安全相关的系统设计均必须考虑CBTC和后备混跑以及两种模式随时切换的场景，同时带来轨旁设备较多而降低整体系统可靠性的问题。而在实际运营中，如果因ZC故障而必须降级到后备模式，时间成本可能会超过重启ZC，且需遵循更多的安全限制。

2 下一代CBTC系统研究现状

针对当前CBTC系统存在的问题，已有部分信号厂商开始投入到下一代CBTC的研究中。但总的来说，下一代CBTC的研究在当前CBTC系统仍广泛应用且无明显缺陷的背景下并没有明确的方向。本文通过分析目前已有的下一代CBTC系统设计方案，试图找出下一代CBTC系统发展的背后逻辑。

2.1 阿尔斯通-以列车为中心的CBTC

在目前已知的下一代CBTC系统设计方案中，阿尔斯通的新型CBTC是唯一真正付诸工程实践的方案。根据文献［1-2］的介绍和阿尔斯通网站资料，可总结出该系统的核心思想如下：

（1）整个系统以“资源管理”为核心，以车载为主导；

（2）所有轨道要素（道岔、轨道区段等）被抽象为“轨道资源”，由对象控制器（OC）管理；

（3）车载根据运行计划和资源组的系统配置（类似进路信息）获得需要征用的资源列表，然后向相应的OC发起资源使用申请，OC负责计算被申请资源的状态并决定是否可将该资源分配给车辆；

（4）车载根据从OC获取的资源分配情况获知其前车信息，直接向前车请求位置信息用于计算自身移动授权；

（5）对降级车辆依靠一种新型的基于RFID（射频识别）的次级检测设备进行管理，列车车身安装RFID（携带相应的列车ID信息），轨旁安装读卡器，列车经过读卡器时，读卡器将读到的列车ID信息传送到一个中央控制器，该中央控制器根据配置数据提供的读卡器位置信息和读卡器提供的列车ID信息“伪造”一个列车位置报告，从而实现用同一个框架管理通信列车和非通信列车。

上述设计方案需要解决的一个关键问题是正常运营的列车如何确定其前方列车。在该方案中，列车在获得资源分配后，可以从轨旁的OC获得描述该资源分配状态的“注册表”（该资源是否可分配以及当前占用该资源的列车信息），从而确定其前方列车的身份信息；然后通过与前方列车建立通信获得计算移动授权需要的其他信息。其基本算法流程如图1所示。

图1 阿尔斯通新型CBTC的基于车车通信的前车追踪逻辑

从其设计原理分析，相对于既有CBTC系统，阿尔斯通的新系统的优势在于：运营效率略有提高；由于简化了轨旁系统架构，其安装、维护和扩展成本大大降低。

2.2 日立-基于令牌环的CBTC系统

日立的“低成本”CBTC设计方案［3-4］也是一个比较有代表性的方案，其核心思想是构造一个局部令牌环，实现一定范围内的所有设备交换信息的目的，并通过一定的注册和注销机制实现加入和退出 该通信环路。如图2所示。

图2 列车运行时的令牌环

日立的这个新一代CBTC系统特别强调了其成本低、结构简单的特点，但同时指出，这种系统架构存在一个先天的缺陷，即信息交换的效率受限于环内设备的数量，所以该低成本的CBTC系统在性能（追踪间隔）上与第二代CBTC相比未必有优势。也就是说，该系统并没有把提高列车追踪效率作为创新点，只要求不比既有CBTC系统差。这个思路的可借鉴之处在于，在某些具体的应用中，降低全生命周期成本、提高系统的可操作性和可靠性以及降低系统扩展和改造成本的需求，可能比提高追踪效率的需求更为迫切。

该CBTC系统的设计思路给CBTC的研发带来的最重要启示是，面向不同的应用背景（运载量、追踪间隔的不同需求），可以考虑采用不同的CBTC系统架构。

2.3 泰雷兹-资源分配和释放

除上述两个相对完整的信号系统解决方案，其他信号厂商也提出了一些CBTC系统的设计方法。这些方法基本围绕“资源分配”的概念来设计CBTC系统，其中以泰雷兹的方案最具代表性［5］。该方案的思想实际上已得到了应用，其核心思路为：

（1）车辆为完成运行任务需占用若干进路资源。

（2）所有资源需遵循用前申请、用后释放的原则。

（3）车辆在执行任务前需确认所需进路资源已分配给它。

（4）资源请求接力：

·资源请求设备向资源控制器发起请求；

·资源控制器检查被请求资源列表中的资源是否是其管理以及是否可用；

·资源控制器分配完其辖区内资源后向其他资源控制器转发剩余资源的分配请求；

·资源分配结束时，最后一个负责分配的资源控制器向资源分配发送设备和/或资源请求设备发送“分配完成”信息。

（5）资源竞争发生时的处理原则：

·总体遵循先到先得原则，在某些具体的应用场景中，需防止死锁发生；

·在某些具体实现中，如果在分配过程中遇到申请列表中的某个资源已分配给其他设备，则前面已经分配的资源也会退回“未分配”状态；

·优先级控制和紧急请求设置。

上述基于资源管理的设计方法与信号系统的具体架构无关，无论是集中式还是分布式的信号系统架构均可采用该设计方法所蕴含的逻辑。实际上，所有信号系统的核心采用的均是基于资源管理的方法，只是在CBTC下，控制器可以得到更多更精确的信息，从而提高运行效率。

2.4 CBTC与欧洲列车控制系统（ETCS）统一架构的研究

欧盟也在推动下一代CBTC系统设计在标准方面的相关探索。其第7科技框架计划支持的NGTC项目（Next Generation of Train Control Systems）就着眼于分析欧洲列车控制系统（European Train Control System，简为ETCS）和CBTC系统功能需求的异同，以尽可能将这两个系统融合进一个统一的框架下，提炼统一的包括硬件平台和系统设计的需求。

NGTC的主要研究内容包括：

（1）开发标准化的列车保护系统的内核，以推进系统设计和硬件的标准化；

（2）解决不同供应商间的互联互换问题，以及干线、市郊及地铁的联通问题；

（3）研究基于GNSS卫星（伽俐略卫星定位系统）的虚拟信标定位技术并应用于列控系统；

（4）研究移动闭塞原理在铁路和地铁中的应用；

（5）研究通信技术，选择最适合应用于下一代列控系统的高效、低成本的通信方案。

其项目组织如图3所示。

从NGTC给出的工作内容可以看出，对地铁信号系统的开发而言，最关键的两点为：

（1）减少对轨旁设备的依赖，不需次级检测设备，这在很大程度上依赖于传感器技术的发展；

（2）系统的标准化，子系统级的互联互通。

图3NGTC项目组织

3 下一代CBTC设计展望

根据对当前具有代表性的下一代CBTC系统的分析，不难看出，去中心化和弱化轨旁设备是CBTC信号系统发展的主流方向。所以，下一代CBTC系统设计按其实现的不确定性从大到小排列，有如下三种可能方案：

首先，目前的CBTC系统设计方案之所以无法离开轨旁设备，最根本的原因是列车无法依靠自身配置的传感器安全地感知周围的线路状态（如道岔）和障碍物信息（如其他列车）。其主要存在如下难点：

（1）没有可以进行量化安全评估的列车周围环境检测方法。从功能实现的角度，检测周围环境的方法有很多，尤其近10年来无人驾驶汽车技术的发展在这方面已经积累了相当多的理论和技术基础，但这些方法的安全等级很难进行量化评估。

（2）隧道环境可能影响到主动障碍物检测的前视距离。目前无人驾驶汽车上广泛应用的基于视觉和基于激光雷达/毫米波雷达的障碍物检测算法都会因为大曲率的隧道环境而失效，唯一可行的解决方案还是通过车地协调实现。

如果上述问题被完全解决，则整个CBTC系统对轨旁设备的依赖将降到最低，只需保留车载与道岔控制器的通信，从而成为一个真正分布式的CBTC系统。

其次，如果由于列车仍然无法实现全自主导航，CBTC系统中仍然必须配备轨旁控制器，则为了降低网络通信故障的影响范围，开发或找到一种能提供更多信息的次级检测设备就成为CBTC系统设计中的一个重要任务。如果新的次级检测设备可以检测列车ID信息，则整个CBTC系统对车地通信的依赖可大为降低。

最后，在既有传感器配置的前提下，列控联锁一体化是一个可行的发展方向。其既可大幅降低当前CBTC系统中资源管理算法的复杂度，又可以提升资源管理效率。另一个思路是类似日立所提出的信号系统方案，是低运营密度线路的一个可选方案。

综上所述，下一代CBTC系统设计可能有如下发展方向：

（1）基于OC的集中式方案：在传感器技术没有根本性变革的前提下，可将ZC和CI功能融合为轨旁OC的功能，采用OC+VOBC的系统架构。该系统架构可保证CBTC系统的运营效率在既有基础上得到一定提升，同时在一定程度上减少了轨旁设备，并简化了轨旁设备之间的接口。这个方案可兼容下述基于车车通信的半集中式方案。

（2）基于车车通信的与ETCS标准融合的方案：OC+VOBC的系统架构，可不采用次级检测设备或使用类RFID设备作为次级检测设备。这个框架里，OC只负责维护线路资源的占用情况（如线路资源上的列车列表），移动授权的计算由车载通过车车间通信实现，轨旁设备之间无接口。

（3）车载全自主导航方案：完全摆脱轨旁设备的限制，实现列车的全自主导航。该方案依赖于传感器的革命性变革，从产品化的角度而言，只能作为远景规划。

需要注意的是，无论是基于OC的列控联锁一体化方案，还是通过车车通信机制实现移动授权计算方案，本身并不会对整个系统的运营效率有革命性的提升，这些方案更多的价值还在于降低系统复杂度，从而降低设计、维护、升级的难度和成本，提高整体可靠性。

上述系统设计方案的关系和演化路径如表1所示。

表1 下一代CBTC系统设计方案比较

4 结语

通过以上分析不难看出，下一代CBTC系统的发展可能经历列控和联锁一体化、基于车车通信的去中心化CBTC系统以及车载全自主CBTC系统三个发展阶段，每个发展阶段还可能出现不同制式的CBTC系统同时在线运营的情况。采用哪种方案将主要取决于最终用户对可靠性和运营效率更敏感，还是对运营维护和建设成本更敏感。

就CBTC系统设计研究而言，需注意发展方向的研究不能只以技术为导向，应更多地从既有运营场景和长期运营数据中分析提炼CBTC系统发展的需求；设计方案要勇于改进和抛弃过时的传统技术和思维方式。这样，才能让下一代CBTC系统设计走上健康的发展道路。

参考文献

［ 1 ］ FOURNIER Denis，LAFAY Antoine.Management Method for Vehicle Driving on a Rail Network;Controller with Central and System:FR3009533［P］.2013-08-09.

［ 2 ］ FOURNIER Denis，MICHAUT Philippe.Installation and vehicle traffic management process on a railway network：EP2589524［P］.2013-05-08.

［3］ KEIICHI Katsuta，KENJI Imamoto，HIROYUKI Tani.Ring Topology Railway Signaling with Information Sharing among Onboard and Switch Controllers［J/OL］.IEEJ Journal of Industry Applications，2017，6（2）：130-139.https：∥www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjia/6/2/6_130/_pdf/-char/en.DOI：10.154/ieejjia.6.130

［ 4 ］ KEIICHI Katsuta，YOICHI Sugita，DAI Watanabe，et al.Signaling System：US0195236［P］.2006-08-31.

［5］ AARON Amorim.Method and Apparatus of Resource Allocation or Resource Release:US9003039［P］.2015-04-07.