新一代城市轨道交通信号系统研究

刘 剑

(中国铁道科学研究院集团有限公司，100081，北京//副研究员)

目前，我国CBTC系统已经逐步从国产化阶段迈入自主化阶段，首个基于自主化CBTC系统的互联互通示范项目已在重庆实施，基于GoA4(自动化等级4)的全自动无人驾驶系统在北京燕房线顺利开通。我国城市轨道交通信号系统的整体技术水平已经处于世界领先地位。构建新一代城市轨道交通信号系统，引领行业技术发展，已成为当前的一个重要课题。

1 传统CBTC系统

1. 1 系统架构

基于互联互通的CBTC系统由ATS(列车自动监控)、CBTC轨旁(含区域控制器(ZC))、CBTC车载、联锁、数据通信系统(DCS)等组成[2]，其物理接口示意图和逻辑接口示意图如图1所示。

图1 CBTC系统接口示意图

在CBTC系统中，联锁、ZC、ATP(列车自动保护)、LEU(地面电子单元)/应答器安全完整性等级应为SIL4级，ATS系统、ATO(列车自动运行)系统宜为SIL2级，DCS等系统为SIL0级，其功能分配表如表1所示。

表1 CBTC系统各子系统及部件的功能及安全完整性等级

1. 2 存在的问题

1) 功能相互依赖，耦合度高。以线路区段占用状态为例，联锁系统根据计轴区段占用状态和ZC系统提供的逻辑区段占用状态综合判定线路区段占用状态[3]，而ZC系统的逻辑区段占用状态是根据联锁系统提供的计轴区段占用状态和车载系统提供的列车位置报告综合判定而来。在上述过程中，联锁系统分别直接、间接使用了计轴区段占用状态，两个功能间相互依赖、高度耦合。

2) 响应时间慢，信息显示不同步。在CBTC系统中，计轴区段由联锁系统直接发送给车站ATS，逻辑区段由ZC系统经联锁系统发送给车站ATS，位置报告由VOBC系统直接发送给中心ATS，上述三种位置信息传递链路的不同导致了在ATS界面上列车位置信息显示的不同步。

3) 系统间接口多、接口内容重复度高。以联锁和ZC为例，各自均需与ATS、微机监测、VOBC以及相邻系统接口，接口众多；两个系统内部均存在计轴区段、道岔位置等轨旁设备状态信息以及进路等站场信息，都分别向ATS、微机监测提供，接口内容重复度高。

4) 设备数量多，导致故障点增多，维护工作量大。现有CBTC系统因结构复杂、设备多、接口多导致故障点多、维护量大；采用继电方式与现场设备接口，室内占地面积大、施工配线多，继电器需要定期检修，维护复杂。

2 新一代城市轨道交通信号系统

现有CBTC系统存在上述问题的根本原因在于系统整体结构过于复杂，为此通过优化系统结构来构建新一代城市轨道交通信号系统。

2. 1 基于车-车通信的CBTC系统

基于车-车通信技术的CBTC系统引入了“以列车为核心”的设计理念，将传统CBTC系统中的联锁和ZC的功能“移植”至车载设备，从而达到减少轨旁设备、优化系统结构的目的[4-6]。基于车-车通信技术的CBTC系统由ATS、OC(目标控制器)、VOBC(车载设备)、DCS等组成，其系统结构示意图如图2所示。

基于车-车通信技术的CBTC系统与现有CBTC系统在功能分配方面的主要区别在于：①以目标控制器代替联锁系统控制现场设备，应为SIL4级；②车载ATP系统新增现场设备控制、列车追踪、移动授权分配等功能，互传列车位置、速度等安全信息功能，应仍为SIL4级；③ATS系统通过OC控制现场设备并获取状态信息，向VOBC下达运行计划调整、临时限速等命令，接收VOBC返回的列车位置、移动授权等信息并显示，无新增安全功能，应仍为SIL2级。综上所述，基于车-车通信技术的CBTC系统虽然系统结构大幅简化，但安全性指标经重新分配后，其整体安全性不会降低。

2. 2 基于联锁列控一体化的CBTC系统

在CBTC系统中，联锁系统是核心、基础，ZC系统的主要作用是将联锁系统提供的轨旁设备状态和进路信息、ATS系统的临时限速信息等经过汇集、处理，最终“翻译”给车载系统。结合联锁系统的“不可替代性”，考虑将联锁系统与ZC系统合并，

图2 基于车-车通信技术的CBTC系统结构示意图

构建基于联锁列控一体化的CBTC系统。根据融合程度的不同，又有3种实现方式：

1) 方案一：联锁系统和ZC系统放置在一个机柜内，仍采用独立硬件、独立软件，通过以太网等高速通信方式接口。两个系统本质上还是独立系统，通过高速通信提高了效率，缓解了延时，但未从根本上克服现有CBTC系统的全部问题。

2) 方案二：联锁系统和ZC系统采用同一硬件，但软件相互独立，在系统内部通过共享内存等共享机制实现信息互传[7]。为减少继电器的使用，该系统应采用全电子化的硬件平台。由于软件间仍相互独立，所以仍然无法克服部分功能高度耦合的问题。

3) 方案三：联锁系统和ZC系统采用同一硬件，软件模块高度融合[8]。为减少继电器的使用，该系统应采用全电子化的硬件平台。通过硬件的统一以及全电子平台的使用，整个CBTC系统的结构得以简化，系统间接口大大减少，维护工作量将有效降低；通过软件的高度融合，传统CBTC系统存在的功能依赖性强、显示不一致等问题也将大大得以改善。

厂商可根据情况采用方案二或方案三。基于联锁列控一体化的CBTC系统由ATS、加强版区域控制器(新ZC)、车载设备、DCS等组成，其系统结构示意图如图3所示。

基于联锁列控一体化的CBTC系统与现有CBTC系统在功能分配方面的主要区别在于：新ZC系统“继承”了原联锁系统和ZC系统的所有功能和接口，应仍为SIL4级；除原与联锁系统和ZC系统的2个接口改为1个接口外，VOBC系统和ATS系统在功能和接口上未改变，应仍分别为SIL4级和SIL2级。综上所述，基于联锁列控一体化的CBTC系统仅是将原联锁系统和ZC系统的功能重新分配给新ZC系统，其整体安全性不会降低。

2. 3 方案比较

从系统结构看，与传统CBTC系统相比，两种架构的CBTC系统的设备数量和内部接口均大幅减少；由于不存在进路的概念，所以基于车-车通信技术的CBTC系统无需设置信号机、有源应答器，甚至计轴系统，其结构更为简单。据阿尔斯通公司测算，其研发的Urbalis Fluence系统可以减少20%的轨旁设备[9]。

从系统性能看，基于联锁列控一体化的CBTC系统实现联锁和ZC系统的“完全融合”，在计算线路区段占用状态等方面不再有“系统性延时”，功能不再相互依赖，效率大幅提高。基于车-车通信技术的CBTC系统由于可以“实时”直接获得前车位置，所以正线列车追踪间隔大幅缩短，可以达到60 s[10]。

从系统成本看，基于车-车通信技术的CBTC系统由于设备数量和系统接口均少于基于联锁列控一体化的CBTC系统，所以其硬件成本更低；由于其无需对信号机、进路、有源应答器等进行调试，所以其安装调试成本更低。

从系统维护看，基于车-车通信技术的CBTC系统由于减少的设备更多，所以维护量更少。对于OC设备，如果放置于轨旁，虽然可以减少室内与轨旁设备间的电缆，但是可能会造成维护的不便。

图3 基于联锁列控一体化的CBTC系统结构示意图

从后备模式看，基于联锁列控一体化的CBTC系统像现有CBTC系统一样，可以提供联锁级、点式级的后备模式，便于未装备车载设备或车载设备故障的列车在线路内混合运营，大大提高了线路故障情况下的系统安全性。而基于车-车通信技术的CBTC系统没有后备模式，一旦有列车发生故障，调度员必须人工介入，对正常运营影响较大。

从兼容性看，基于联锁列控一体化的CBTC系统与现有CBTC系统可以完全兼容；而由于没有像联锁或ZC一样“逻辑性”的轨旁设备，基于车-车通信技术的CBTC系统与现有CBTC系统无法兼容。由于延伸线路与既有线路之间的约束限制条件少，基于车-车通信技术的CBTC系统更有利于线路扩展延伸，而不会影响既有线路的安全数据准备工作。

综上所述，基于车-车通信技术的CBTC系统在系统结构、性能、成本、维护等方面更具优势，基于联锁列控一体化的CBTC系统在后备模式、与传统CBTC系统的兼容性方面更好。鉴于拥有后备模式已经成为我国城市轨道交通的“基本”要求，因此基于联锁列控一体化的CBTC系统更适合成为我国新一代城市轨道交通信号系统。

3 结语

在实现系统结构优化的同时，新一代城市轨道交通信号系统应以无人值守下的全自动运行为目标，在互联互通的基础上逐步实现“互通互换”；利用大数据、云计算、新一代人工智能等先进技术实现列车的智能调度、智能控制及智能运维。在更远的未来，结合铁路信号技术的发展，可实现城市轨道交通信号系统与铁路信号系统的“互联互通”。