车车通信在轨道交通信号改造中的应用研究

陈尔超

摘要 针对城市轨道交通信号改造需求和既有线信号改造存在的问题，结合车车通信技术来研究新一代的轨道交通信号改造方案。文章提出基于车车通信的信号改造系统架构，分析信息交互和改造实施过程，以及从无线通信要求、车载改造空间和新旧系统倒切方面来探讨车车通信改造的关键技术问题。基于车车通信的信号改造方案可发挥车车通信技术优势，并解决轨道交通信号改造中的难点问题，为轨道交通信号改造提供新的方向。

关键词 车车通信;信号系统;城市轨道交通;信号改造

中图分类号 U284 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0017-03

0 概述

我国早期建成的线路已逐步进入大修期限并开始进行大修改造，如北京地铁1、2、8号线，上海地铁1、2、5号线，天津地铁1号线，深圳地铁1号线，大连地铁3号线等已经完成或正在进行改造。在既有线改造作业中，信号系统改造乃重中之重，关系到行车安全。信号系统改造的目的在于解决设备的老化、制式的陈旧、运力的不足，以及设备达到自身设备寿命等问题。

城市轨道交通早期的信号系统多为基于轨道电路的固定闭塞/准移动闭塞制式（TBTC），通过轨道电路传递速度命令信息，追踪列车与前行列车的行车间隔依据闭塞分区的划分。随着通信技术的发展，基于通信的列车运行控制（CBTC）系统逐渐成为主流信号制式。CBTC系统属于移动闭塞制式，采用无线通信技术实现列车与地面的双向通信，追踪列车与前行列车的行车间隔依据制动距离与动态安全防护距离而定。

基于车车通信的列车自主运行系统（TACS）是信号领域的新一代列控技术，也是我国轨道交通关键核心领域的一次重大突破，该技术已列入中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要。车车通信系统以列车为主体，以列车之间数据通信为基础，以车载控制平台为功能核心，实现由列控中心集中控制到列车分布式控制、从列车自动运行向列车自主运行的技术转变，目前已在青岛6号线一期工程中进行了示范应用[1-2]。

1 既有线信号改造现状分析

信号设备寿命一般15～20年，长期运营设备老化，可靠性降低，故障率提升;早期建设的信号系统存在制式陈旧、备品备件短缺、不能适应运营能力要求的问题。

1.1 当前改造方案

1.1.1 维持既有系统制式

上海地铁1号线由于其既有系统故障率低，维护工作量可观，在大修改造时沿用了既有系统制式，仅对部分硬件和软件进行了更新。但TBTC系统为早期的信号系统制式，技术水平相对落后，供货厂家相对单一，已经难以适应小间隔的运营能力要求。为此，除特别考虑，不建议维持TBTC系统[3]。

1.1.2 CBTC系统替代TBTC系统

CBTC系统为当今轨道交通信号系统的主流系统，目前已在我国地铁线路中广泛应用。由于其无线通信方式与既有轨道电路互不干扰，也成为信号改造的首选，北京2号线、北京八通线、天津1号线采用的均是此改造方案。改造后的CBTC系统基本可满足运营需求，且考虑设备设施的运营和维护成本，在新旧系统倒切之后拆除既有的系统设备。

1.1.3 新旧系统并存

上海地铁2号线由于分为四个阶段开通运营，每个区段的系统设备寿命不一，为了解决只更新“到期”的旧系统，但保留“未到期”的新系统，其采用了新旧并存的方案。对于“到期”的线路采用CBTC系统，对于“未到期”的仍维持既有的TBTC系统，同时车载设备采用兼容CBTC与TBTC的车载系统。

1.2 当前改造存在问题

由于信号设备数量较多，导致改造阶段既有信号机房面积不足，不得不新设信号设备室。轨道交通用房是非常稀缺的，这将进一步增大房屋的紧缺，给日常运营带来了诸多不便。

TBTC或CBTC的系统间接口较多，以CBTC为例，联锁和区域控制器（ZC）需与列车自动监控（ATS）、车载控制器（VOBC）、微机监测以及邻站系统接口，两个系统也均需采集道岔位置、计轴区段等设备状态及进路信息。系统间接口多，随之带来调试工作量也较多。对于既有线改造，须在不中断运营的前提下完成，这样安装及调试工作只能在夜间天窗时间完成，老化的设备也亟须尽快更新，工期非常紧张。

2 基于车车通信的信号系统改造方案

2.1 技术优势

相比于CBTC系统，TACS有以下技术优势：

2.1.1 系统结构更简洁

TACS系统优化了车-地-车的系统结构，采用车载控制器集成聯锁和ZC的功能，取消了轨旁的联锁和ZC，减小了各子系统间接口量，降低了系统复杂度[4]。系统结构、设备数量精简后，也随之减少了设备维护工作量以及设备用房使用面积。

2.1.2 系统性能更优

TACS将移动授权和线路资源管理从轨旁移至车载，通过列车间的通信，车载数据流直达被控列车，实现列车自主控制和自主调整。追踪列车直接与前行列车通信，直接获取所需的位置、速度等信息，提高了系统的实时性，有利于提高数据处理速度，减小列车行车间隔。

2.1.3 设备故障影响更低

传统的CBTC系统通过联锁与ZC子系统来集中控制，其设备故障将影响整个系统，以至于不得不降级运行，运营能力难以保证。TACS系统以列车为控制核心，轨旁设备较少，类似于分散式控制，采用线路资源占用的理念。若车载设备故障，可让列车停到存车线快速退出运营，退出运营后其他列车不受影响。

2.1.4 节省安装调试时间

由于系统结构的优化，轨旁需要安装的设备数量更少，各子系统间接口数量更少，进而可降低系统设备的安装和调试工作量。另一方面融合设计后的车载设备可直接进行工厂调试，或者在试车线完成调试，不用长时间地占用正线车站或区间资源来调试，大大节能调试时间，尤其对于时间紧张的改造工程效果显著。

2.2 系统架构

TACS系统主要由ATS、目标控制器（OC）、VOBC以及数据通信系统（DCS）等组成，为了实现过渡阶段的运营和调试，新旧系统之间的设备倒切装置，改造系统架构如图1所示。

TACS系统的核心设备集中于车载VOBC，车载VOBC包括为实现联锁和ZC功能的处理单元。VOBC通过DCS无线网络直接和邻车、ATS进行通信，根据位置、速度等信息进行联锁逻辑运算、计算移动授权。考虑到VOBC的重要性，其硬件和软件应具备冗余架构，满足故障导向安全原则。

车站设备取消了联锁设备、ZC设备，主要设置目标控制器OC和DCS网络设备。OC设备负责与轨旁实体设备接口，根据VOBC下达的控制命令来操纵道岔、站台门等轨旁设备;同时OC设备采集轨旁设备的状态信息，并向VOBC和ATS实时反馈。DCS系统提供数据通信网络，为车-车、车地通信提供通道。

控制中心ATS负责监督目标控制器与车载设备的状态，自动检测上线列车在交汇点的运营冲突，具备运营冲突管理功能。当列车故障或TACS系统难以匹配运营效率时，ATS系统根据相应的运营情况，通过预先设定的调整策略进行运行计划调整，并将调整后计划发送给VOBC和目标控制器。

在不间断运营的前提下进行改造，需兼顾新老系统，为此采用倒接装置来实现新系统与老系统的切换。倒接装置连通了新老系统，白天运营时间倒接开关处于既有系统位置，接通既有信号设备，依靠既有系统维持正常的运营;夜间天窗时间，倒切开关调至TACS系统位置，接通新设备进行调试[5]。

2.3 信息交互

以追踪列车为分析对象，车车通信的信息交互如图2所示：

前行列车通过速度传感器、静态应答器等定位装置采集列车位置和轨旁占用信息，并通过DCS无线网络传递给追踪列车。追踪列车通过DCS无线网络接收前行列车的数据信息、目标控制器的轨旁设备信息，并基于控制中心ATS发送的时刻表信息，进行联锁逻辑运算，然后将轨旁设备列车命令发送给目标控制器，控制和锁定线路资源。同时，进行移动授权和列车运行速度曲线的计算，并据此控制列车自主运行和安全防护。

2.4 实施过程

2.4.1 第一阶段：车载设备改造

先行开展新系统车载设备的安装，安装完成后进行车载功能测试，车载改造和调试不占用线路资源、不受地面改造工程的影响，可在车辆厂或试车线独立完成。

2.4.2 第二阶段：轨旁设备安装及调试

分别安装TACS系统的中心、车站及轨旁设备;设备安装完毕后，在夜间天窗时间，通过倒切装置切换至TACS系统，进行新系统的调试。

2.4.3 第三阶段：全系统倒切

在完成新系统调试工作后，在非运营时段组织开展场景演练，采集和记录相关数据，并分析測试结果。进行多次演练并取得系统安全授权之后，一次性将系统倒切到TACS系统投入运营。

2.4.4 第四阶段：既有设备拆除

TACS系统投入运营后，利用非运营时间逐步拆除既有系统设备、倒切装置及相关箱盒、线缆。

3 工程应用关键点分析

3.1 无线通信要求

信号系统直接关系到运营的安全和效率，列车运行控制业务属于高优先级的业务类型，基于车车通信的系统对通信网络提出了更高的要求。为了保证通信需求，至少采用应用于1.8G专用频段的LTE-M系统。工业与信息化部于2015年发布了《关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无〔2015〕65号），指出1 785～1 805 MHz频段可用于城市轨道交通行业，其目的也是为了消除信号系统无线通信运用过程中影响正常行车的隐患，保证列车安全、高效运行。目前LTE-M已经广泛应用于轨道交通信号系统中，并且取得了较好的成效。

但是LTE-M系统的频段资源非常紧缺，带宽最大20 MHz，考虑到其他行业的分配，大部分地铁只能申请到10 M。而基于车车通信的TACS系统将进一步提高带宽需求，以及进一步推动通信行业核心技术的突破。2020年，我国提出加快建设5G网络，在此背景下5G技术与城市轨道交通行业将迎来重大历史发展契机，5G网络与TACS系统的结合，可随5G技术的发展进一步研究。

3.2 车载改造空间

车载设备作为TACS系统中最核心的设备，车载改造工作是改造工程的重点也是难点。如若有新购车辆，可在新购车辆上直接安装新车载设备，为此也建议TACS改造项目采用新购车方案，如利用延伸线工程的购车作为过渡方案。如若没有新购车，可考虑兼容式车载或双套车载设备方案，但考虑到TACS系统结构与CBTC、TBTC差异较大，兼容式车载较难实现，下面针对双套车载设备方案进行分析。

在改造过渡时期，若采用双套车载方案，逐一对车载设备进行改造，并通过倒切箱连接新旧车载设备。白天运营时间接通既有车载设备，维持日常运营;夜间调试期间切换至新设车载设备，进行所需的调试工作。待TACS开通运营后，拆除既有车载设备。具体包括车载主机柜、车载显示器、测速设备、天线等，为避免二次就位，可先将既有设备移至其他空间，新设备安装就位。

3.3 新旧系统倒切

为了兼顾新系统的调试、老系统的运营以及场景演练与割接，采用倒接装置来实现新系统与老系统的切换。

倒接流程如下：

（1）安装倒接装置，新敷设控制电缆至被控对象。

（2）逐个断开既有设备与被控对象的电缆连接，既有系统通过倒切装置实现与被控对象连接;运营时间利用既有系统运行，天窗时间切换至新系统。

（3）新旧系统割接后，连接新系统与被控对象，拆除倒接装置。

4 结语

车车通信作为一种新型的列车控制技术，符合轨道交通灵活、高效和精简的发展需求，有望成为下一代轨道交通信号系统。基于车车通信的信号改造可发挥车车通信的技术优势，并解决当前轨道交通信号改造所面临的问题。考虑到新技术的应用需要工程实践的检验，未来可根据车车通信更多的应用情况做进一步的探讨。

参考文献

[1]刘剑. 新一代城市轨道交通信号系统研究[J]. 城市轨道交通研究， 2019（7）：71-74.

[2]中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[R]. 中国城市轨道交通协会， 2020.

[3]徐金祥. 城市轨道交通信号系统迎接新时代发展的一些思考[J].城市轨道交通研究， 2018（5）：34-36.

[4]罗情平， 吴昊， 陈丽君. 基于车一车通信的列车自主运行系统研究[J]. 城市轨道交通研究， 2018（12）：46-49.

[5]刘德伟. 城市轨道交通信号系统倒接方案研究[J]. 铁道通信信号， 2017（5）：82-84.