基于车车通信的新型CBTC 系统研究与分析

王双英

（合肥职业技术学院，安徽 合肥 230000）

信号作为轨道交通系统保证运行安全、提高运行效率的重要基础装备，一直在安全与效率之间寻求平衡。目前，城市轨道交通基于通信的列车控制系统(CBTC)从以前的电话闭塞、半自动闭塞到现在的准移动闭塞，列车在区间内的行车间隔逐步缩短，最短时间间隔达到2 分钟以内。在保证安全的基础上，运行效率大大提高了。随着我国国民经济的快速发展，轨道交通系统的高效、舒适、智能成为热门课题，信号系统以及信号设备的高智能化、高性价比也是各轨道交通所追求的。怎么能在保证安全运行的情况下，节约成本、高效运行是未来的信号系统的方向。

城市轨道交通目前常用的信号系统为基于无线通信的CBTC 系统，区间采用移动闭塞，联锁实现轨旁设备信息的分配等。闭塞主要实现列车在区间内的运行安全和效率，目前使用的移动闭塞，相比之前系统采用的闭塞方式，现在信号系统的追踪间隔是最短的，从这个角度来看，基于CBTC 系统是比之前的信号系统要高效。轨旁的设备信息是以进路方式由联锁来控制，所以在岔区、折返区段等，效率低，影响这个系统的性能。城市轨道交通的发展其实是城市轨道交通信号系统的发展，对信号系统的运能、灵活性、可靠性、经济性以及兼容性等都提出了更高的要求。各个指标之间又是相互联系和相互制约的，对未来信号系统的发展是一个待解决的难题。各轨道机构以及专家在原有系统的基础上提出了基于车-车通信的新型CBTC 系统，轨旁设备中的计算机联锁设备和区域控制设备取消，采用对象控制器来控制轨旁设备，比如道岔控制等，列车不再需要轨旁设备来采集地面信息（道岔、信号机、区段等），直接通过轨旁的无线通信设备直接与周围列车进行通信，不再主要依据车载信号来进行行车，实现了列车与列车之间相互通信。新系统取消了联锁设备，也就减少了联锁关系的相互制约，各个线路之间能更好地兼容，运行效率也会大幅度提升。

数字电子技术、无线通信以及自动化技术快速发展，基于车-地通信的CBTC 系统很大可能会被基于车-车通信的CBTC 系统取代，成为未来轨道交通常用的信号系统。2014 年，文献［2］以列车实时通信系统为模型对CBTC 的系统组成、功能以及各个系统之间的实时通信进行了分析与研究。2016 年，文献［3］在列车与列车之间实时通信为基础，对系统的整个控制逻辑进行了详述。在我国相关的轨道机构也对列车与列车之间的相互通信进行了独立的研究。如青岛地铁在6 号线也进行了无人驾驶系统的验证等。

就目前的城市轨道交通信号系统来说，系统使用的是IEEEl474 标准，信号设备无论是采购国外的信号供应商还是国内的信号设备供应商，均是采用的IEEEl474标准。在基于车-地通信的CBTC 系统中大部分采用了移动闭塞或者准移动闭塞，但还是存在系统的缺陷：（1）车载设备、轨旁设备、联锁设备等各个子系统之间接口多，不同厂家的信号系统都是不一样的，系统复杂性高；（2）计算机联锁、区域控制器、轨旁车载设备等轨旁设备多，设备的人工维修成本大；（3）列车是和地面之间通过轨旁无线AP 实时通信，通过地面信息确定列车的精确位置，如果前方列车出现故障，不能及时地应对，追踪列车之间的信息交互需要通过区域控制器来实现。增加了不安全因素，影响了行车效率。（4）轨旁的联锁设备以进路为条件，增加了很多限制，灵活性大大降低。新型的CBTC 系统的优势在于：①取消了联锁设备和区域控制器；②列车的控制不需要经过轨旁设备信息来提供，直接与车载控制器VOBC 进行信息交互，进路信息直接发给列车；③道岔等轨旁设备的控制不再由联锁控制，而是车载设备直接控制，车载设备计算完成之后控制列车的走与停。总而言之，新型的CBTC 系统取消了轨旁设备，列车与列车之间通过无线进行信息交互，设备的减少降低了运营成本和维修成本，取消了联锁设备，对系统的升级改造少了很多的限制，系统的兼容性更好，减少了升级改造成本。新型CBTC 系统是未来城市轨道交通信号系统的发展趋势。

一般而言，基于车地通信的CBTC 系统主要由ATS（列车自动监视)设备、轨旁ZC(区域控制器)、车载VOBC、联锁设备和轨旁信号设备（室外转辙机、信号机、信标等）组成。该系统主要以进路来触发列车，ATS 根据运营需求向联锁设备发布进路请求，联锁设备根据进路表通过接口电路控制室外轨旁设备（如道岔、信号机等），把采集的轨旁设备状态发送给ZC，ATS 把列车的状态信息也同时发给ZC，ZC 通过综合计算把MA（移动授权）通过无线给VOBC。

新型CBTC 系统由OC 来控制轨旁信号设备，根据运行图，ATS 把进路需求直接发给车载设备，追踪列车之间直接无线通信，追踪列车均能收到双方的精确位置，计算自身的移动授权距离；如果线路上有道岔区段，列车申请相应的OC 对道岔位置进行控制，减少了传统的CBTC 系统由联锁设备来控制轨旁信号设备，再反馈给车载，减少了系统的反应时间。新型CBTC 系统取消了联锁和轨旁设备，有一个问题就是轨旁设备的功能怎么实现，在新系统中，由车载控制器来实现旧系统的轨旁功能，减少了信息传输延迟时间，降低了系统的复杂性，增强了系统的灵活性。

新系统中，道岔的转换由相应的OC 来进行控制，不再由联锁设备控制，减少了信息交互的时间，在新系统能够保证安全的前提下，减少了联锁设备的安全把控，也就减少了系统的复杂性和设备的维修成本。新型CBTC 系统不再拥有联锁设备，其现在的车载控制器就要具有联锁的功能，包括联锁设备里面的进路表、逻辑关系等内容。在没有硬件联锁设备的情况下，要依然有联锁设备的功能，保证列车安全高效地运行。

基于车-地的CBTC 系统的通信模式是列车和地面设备之间的信息传递，车载设备把位置信息通过无线传给ZC，ATS 把进路信息传给ZC，ZC 综合计算出移动授权信息，再通过无线传给车载设备，控制列车的走与停。新型CBTC 系统采用车车通信方式，相邻列车之间相互通信，能实时知道双方位置信息，相应的OC 计算出移动授权，控制列车的走与停。两种系统的通信模式可以看出，新系统减少了信息的来回交互，在传送的信息量上也大大减少了。

道岔位置的正确转换对列车安全运行起着至关重要的作用。新型CBTC 系统的通信模式可分为广义与狭义两种。在广义来说，线路的列车之间相互直接通信。ATS 发布进路信息给车载设备和OC（对象控制器），相邻列车的车载设备之间进行信息交互并计算各自的MA，OC 根据列车位置和ATS 给的进路信息对轨旁设备进行控制。这种方式实现了列车之间的相互通信，但是对轨旁设备的控制还是OC 来控制，就实际增加了OC 的复杂性和接口问题。

狭义上来说，列车之间的相互通信是一种更扁平化的管理模式，这种模式是轨旁设备不是由OC 直接来控制，通过车载设备来中转，在线路由道岔的地方，会提前由相应的OC 来申请控制权，然后根据ATS 给的进路信息对道岔位置进行转换并锁闭，列车驶过道岔后，相应的OC 会释放掉控制权，在注册表中显示为未分配状态。这种通信模式更能体现“以列车为中心”的思想。

没有联锁设备来把控安全，很容易出现道岔转换不到位、道岔死锁等情景，这些情况就要提前预设好，OC要根据相应的情况，来对道岔进行控制。道岔的控制要有优先级，实行“先进先出”原则，如相应的OC 控制器先建立通信列车，OC 在注册表中获取道岔控制权后，列车先通过道岔。在这种情况下，需要考虑的一个问题就是OC 什么时候是最合适的时候建立通信。如果建立通信的时间过早或者过晚，不仅会影响列车运行的效率，还会造成列车脱轨等不安全因素。

道岔的控制对任何通信系统来说都是一个安全问题。如图1 所示，根据线路运营需求，ATS 下发进路命令，列车VOBC2 需要经过道岔WD3（WD 主要是指室外设备）。在此之前，就需要对列车VOBC2 进行排列进路，道岔WD3 要处于定位且锁闭。具体的流程如图1。

图1 列车控制并预留道岔示意

（1）列车的车载设备（VOBC2）与道岔控制单元3号（WD3）道岔建立通信；（2）列车的车载设备发送命令给3 号道岔 ，使其转换到定位；（3）3 号道岔接到命令后，通过接口电路转换到定位锁闭并预留；（4）3号道岔反馈道岔定位信息给列车的车载设备，并与列车的车载设备保持通信。

列车驶过3 号道岔的控制范围时，列车的车载设备将道岔WD3 的释放命令发送给3 号道岔，3 号道岔的位置状态转换为非预留，其他列车可以使用3 号道岔。列车申请控制道岔的时机过早或者过晚，可能会出现脱轨或者影响行车效率的问题。列车何时申请控制道岔是研究的一个重要问题。

在新型CBTC 系统中，线路上的列车的车载设备与相邻的列车能够保持实时通信。在运营线上的列车均可通过无线通信与其他列车信息交互，共享ATS 的数据信息。每辆列车可通过车载设备计算移动授权并与ATS 的反馈信息进行比对。所有列车实现实时可靠的通信，对通信的时延、可靠性等要求非常高，通信规模非常大，复杂性高。怎么实现数据之间的实时共享，可以通过“云平台”的方式实现，解决了数据存储的问题。

通过云平台来实现线路上所有列车相互通信，每列车的信息是可以共享的。如果在运营过程中，有列车出现脱轨，或者意外情况发生时，线路上的其他列车可以根据情况及时调整。这种新型的车车通信方式，很大程度上减少了目前比较常见的大事故的发生，大大降低了所有列车晚点的情况发生。同时，该系统在最大程度上保证了列车安全运行的基础上，提高了列车运行的效率。在这个系统的逻辑关系中，车载设备计算移动授权完成了之前系统的联锁设备的功能，所以车载设备的硬件和软件要求相对应地就比较复杂，要有合适的硬件设备来完成其功能；新型系统中，运行线路上的所有列车能够实时可靠地进行信息交互，这对无线系统设备的可靠性和安全性提出了更高的需求。

对基于车车通信的新型CBTC 系统研究，来改善目前车地通信的CBTC 系统的一些不足，主要实现目标：

（1）基于车车通信的CBTC 系统取消了联锁设备，少了很多系统限制，系统的复杂性小，大大增强了轨道交通运营的灵活性，提高了信号系统的兼容性，减少了旧线的升级改造成本；（2）通过“云”平台来实现全线列车的实时可靠通信，线上所有列车之间能共享线路信息，实现全线列车相互通信，使列车更快地进行信息交互，提高系统的高效安全性；（3）列车的车载设备具有联锁设备的功能，列车的自主性更强，更能体现以列车为中心的特点。