基于车-车通信的列车自主运行系统研究

2018-07-24罗情平陈丽君

城市轨道交通研究 2018年7期

罗情平吴昊陈丽君

(1. 青岛地铁集团有限公司， 266045，青岛； 2. 上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上海//第一作者，高级工程师)

1 城市轨道交通信号系统发展现状

近年来，随着我国城市轨道交通的蓬勃发展，城市轨道交通车辆及信号系统技术水平已获得了持续进步，但总体上仍处于追踪国外先进技术的阶段，尚未达到全面超越国外技术的水平。目前普遍采用的CBTC(基于通信的列车控制)系统虽具有发车间隔小、运行效率高等优势，但因其列车进路和安全防护等关键功能均是基于“车-地-车”的结构体系，且CBTC系统存在子系统种类与轨旁设备繁多，子系统之间耦合度过高且相互之间功能交叉、功能冗余及交互复杂，子系统之间交互通信的信息周转及系统处理周期长等特点；同时CBTC系统对列车的移动授权在地面进行集中管理，单个设备发生故障则影响到整个区域。上述问题造成CBTC系统复杂度过高，对系统的可靠性和建设、运营及维护都带来了较多的挑战和困难，无法满足未来对地铁运营效率提升、互联互通及大规模设备更换等需求。

2015年2月，工信部明确将1.8 G、1 785～1 805 MHz频段作为城市轨道交通等行业专用频段，在此基础上，结合第四代无线通信技术(TD-LTE)，形成了城市轨道交通无线通信技术平台。同时，我国城市轨道交通协会组织制定了《城市轨道交通车地综合通信系统(LTE-M)规范》，并在全国主要城市地铁建设中作为信号系统车-地无线通信技术进行推广。

基于上述现状，优化传统CBTC系统的“车-地-车”结构体系，将列车控制主体转移到车载控制平台，充分利用LTE-M这一安全高速的信息传输平台，通过实现“车-车”之间的通信，支持列车安全、高密度和自动化运行，有效降低全生命周期成本，这样的新型信号系统必将成为未来的技术发展方向。

2 列车自主运行系统及其原理

列车自主运行系统(TACS)克服了传统的CBTC系统的缺点。其主要设计思想是：以基于LTE-M的“车-车”通信为基础，以将传统的车地两层列车控制系统与车载网络控制系统、牵引系统和制动系统等高度融合为手段，从列车运营管理的角度出发，围绕列车安全与高效运行这一核心，采用一体化设计思想，通过优化系统结构和功能分配，实现支持列车主动进路和自主防护，以达到提高系统的安全性、可靠性和运行效率，以及降低建设和运营维护成本的目的。同时,TACS还支持FAM(快速辅助存贮器)的全自动运行及自动化车辆段设计。

TACS业务是城市轨道交通安全运营的关键业务，其对可靠性要求极高。其中，车-车之间的通信,以及车载与地面之间的通信通道均由基于LTE-M的车地无线通信网络提供。LTE-M系统在采用受保护的专用1.8 GHz频段基础上，通过多级冗余的可靠性设计，在系统架构、网络链路和设备供电等方面采取了多种保障措施以提升系统的可靠性和可用性，并且车-车以及车-地之间的应用通信协议采用成熟并广泛应用的RSSP-II(铁路信号安全协议II)，从而确保车-车通信的可靠性和安全性。与此同时，LTE-M和专设的安全网关均可以提供TACS业务的鉴权、加密和完整性保护，确保车-车通信业务数据传输的可靠性及安全性。

TACS核心架构如图1所示。图1中，每列列车上的车载信号设备独立进行车辆位置和速度等状态的采集与计算，并根据收到的相邻列车位置状态信息和轨旁设备的状态信息，获取动作并锁定轨道资源，控制车辆速度，以确保行车安全与效率。

注：ATS代表列车自动监控，CI代表计算机联锁,ZC代表区域控制器,OC代表目标控制器，OBC代表车载控制器，DMI代表车载人机接口

TACS的组成如下：

(1) ATS将时刻表或实时人工进路命令下发给列车。

(2) OC负责登记列车信息和更新资源登记，并执行列车动作命令。

(3) 列车OBC根据进路需求向OC登记并查询资源登记结果；向前车申请资源，并接受其他车辆申请释放资源；列车在OC更新登记实体资源，并对现场设备进行驱采；在获得的独占轨道资源内，计算列车制动曲线，防护列车运行。

(4) 车-地无线通信网络负责提供可靠的车-车与车-地通信通道。

3 TACS较传统CBTC系统的优势

与传统CBTC系统相比，TACS对系统架构进行了优化。列车可以根据提前收到的运行计划进行自主触发进路，主要的ATP(列车自动保护)和联锁功能均可在列车上实现，基于资源管理的车载理念自主计算移动授权并在移动授权范围内自主行车，同时信号系统车载设备与车辆设备进行高度融合，形成以智能列车为中心的分布式控制系统。

3.1 系统结构更优

TACS取消了传统CBTC系统的轨旁CBI(联锁)和ZC设备，优化了传统CBTC系统的“车-地-车”结构，车载OBC集成原轨旁的CBI与ZC的功能，轨旁仅保留与现场设备接口的OC，减少了控制环节与接口复杂度，并通过“车-车”通信方式实现行车资源的交互。传统CBTC系统和TACS架构图[1]比较如图2所示。

另外，TACS对车辆和信号车载设备进行了充分的融合。车辆网络采用实时以太网技术，TCMS(列车监控管理系统)为信号车载各设备间的信息传输提供透明传输通道；信号车载设备和车辆之间将互相提供更为丰富的状态及控制信息，不但减少了硬线接口，而且通过交互的数据使信号系统和牵引、制动系统更为紧密结合，使列车控制过程更为精确。此外，TACS是在基于实时以太网的基础上，对车辆和信号系统的HMI(人机接口界面)硬件设备进行融合，综合显示来自信号和车辆的行车信息，并整合重复信息，以简单、直观和全面为原则，对行车信息显示进行一体化设计。

a) 传统CBTC系统

b) TACS

3.2 基于列车主动进路和自主防护的自主运行

TACS中，ATS将运行计划提前下发至列车，由车载控制系统自主调整列车运行及自动触发进路，并根据列车计算的自身移动授权自主防护列车运行，从而实现列车主动进路、自主防护及自主运行，减少对ATS子系统可靠性的依赖。

3.3 故障影响面小，运营恢复速度快

传统CBTC系统通过ZC收集每列列车的位置信息及联锁的进路状态，并集中地统一处理控区范围内的每列列车的移动授权，这种管理方式称为集中式管理；TACS由列车自主对所需资源进行占用，且资源是否能够释放完全由列车自主判断，资源的交互直接发生在列车之间，这种原理方式称为分布式控制。

针对集中式管理，若ZC发生故障，整个控区的CBTC系统的行车都要受到影响，故需要快速解决ZC故障以恢复小间隔运营；TACS的分布式控制则具有故障影响面小、能够快速恢复的优势。

3.4 基于“资源”的安全防护原理

相对于传统CBTC系统基于进路和移动授权防护的安全原理，TACS将行车路径虚拟为一段资源。其行车间隔的安全防护依赖于列车自主性的“独占”资源和移交机制，可以简化进路的设计和接口数据，并能更好地支持反向行驶、列车对开及往返行驶等行车方式。TACS提高了列车运营组织的灵活性，尤其是在应急情况下，丰富了行车路线的选择，有利于提高行车指挥水平。

3.5 提升行车间隔，更优的系统性能

TACS通过优化系统结构，摒弃了传统CBTC系统的ZC及联锁双核心架构，将线路资源管理及移动授权功能由轨旁系统移至车载系统；设备的减少及子系统/设备间接口的优化，减少了设备间的数据交互及系统控制数据交互次数，同时车载控制数据流直达控制对象，提高了系统的实时性，有助于减小列车追踪间隔及提高系统性能；车辆段采用支持FAM(全自动运行模式)的运行方式，提高了出库和入库效率以及车辆段的防护水平和作业水平。

TACS中后车可通过直接与前车通信，获取前车更多信息，如速度、加速度、位置等，从而生成平稳的追踪速度曲线，提高乘客乘坐舒适度。同时，TACS的优化降低了系统的设备和接口的复杂度，进一步提高了系统可靠性。

3.6 更高的列车智能化水平，更灵活的运营组织方式

TACS的“车-车”通信方案实现了“车-车”及“车-地”的实时安全通信，有利于列车通过环境感知等新技术进一步提高其智能化水平。列车作为城市轨道交通列车运行控制系统的控制主体，使得同一区域多列车之间的协商运行成为可能，有利于丰富行车组织方式，降低运营组织的复杂度，以及提高运营组织的灵活性。

3.7 更利于工厂化调试，节约现场测试时间

TACS的主要功能集中在列车上，且TACS的信号车载与车辆深度融合，新车生产时即可方便地实现信号主要功能的工厂化调试，尤其是信号系统与牵引、制动系统的联调完全可以在厂内试验台和工厂试车线完成。车载功能调试结束后，列车仅需验证线路地图就能进入正线来完成与ATS、OC简单的联合调试。与传统CBTC系统相比，TACS能够缩短工程线路现场的地面调试时间约30%。

3.8 降低了建设及运营维护成本

与传统CBTC系统相比，TACS精简了车站/轨旁设备，优化了各子系统间接口，降低了系统复杂度，预计可减少15%的设备费用、30%的设备用房面积及40%的维护工作量，同时用于设计、施工、调试及用电等费用均将有所降低。

3.9 线路改造升级简单

TACS在地面设备部分仅保留了基础信号及OC等少量设备，有利于对已建线路进行升级改造。同时，对于分期开通的延伸线路，系统的调试和割接工作得到简化，只需要对车载进行测试和升级，对已运行线路的影响大大降低。

4 列车自主运行系统的实践

针对青岛地铁，TACS着重在集成系统技术/产品平台、系统测试与验证平台、技术规范体系、工程示范应用和运营维护体系等5个方面进行了创新和应用。其核心目标是掌握基于车载控制平台的列车自主运行系统核心技术，形成TACS技术平台及完成成套系统产品，在此基础上形成兼具系统功能、性能和接口的行业技术标准及运营维护管理体系，为列车自主运行系统的示范推广提供条件。

为达成核心目标，TACS的实践通过建立仿真测试中心、建成5 km真实的试验线(以下简为“试验线”)，并结合青岛地铁6号线示范工程实施等多个步骤有序进行。

TACS仿真测试中心为TACS在系统调试阶段提供半实物的仿真测试环境，采用部分真实的车辆和信号设备与仿真的车辆和信号设备相结合的方式。在试验线及青岛地铁6号线示范工程建设期间，信号系统和车辆可在TACS仿真测试中心提供的车辆和信号系统融合的实验室联合测试环境中进行测试；同时对TACS所涉及的特殊场景及各子系统(车辆、信号、LTE)的接口进行验证，并对测试数据进行收集和分析。TACS仿真测试中心兼具演示和培训等功能。