列車運行控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

　　摘要：隨著新一批大城市和特大城市的出現(xiàn)，我國的城鎮(zhèn)化進程又向前邁進了一大步。隨之而來的是擁堵的公共交通和日益增加的出行成本。城市軌道交通是緩解大城市交通問題的有效方法，為提高運輸效率，傳統(tǒng)的人工駕駛方式已難以滿足需求，基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的首選。近年來，現(xiàn)有城市軌道交通信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，正在發(fā)展出兩個新的技術(shù)方向，即無人駕駛和互聯(lián)互通。

　　關(guān)鍵詞：城市軌道交通,信號系統(tǒng),列車運行控制系統(tǒng),無人駕駛,互聯(lián)互通

　　1列車運行控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　自20世紀60年代起，國外開始了對CBTC(CommunicationBasedTrainControl)的理論研究。我國的城市軌道交通起步較晚，但經(jīng)過了探索和試驗階段，一二線城市已經(jīng)快速地邁入了軌道交通的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段。1965年中國第一條地鐵在北京開工建設(shè)，1969年建成通車，1981年正式對外運營。

　　目前，全國共有34個城市已經(jīng)開通了軌道交通，運營里程達到近5000km。截至2017年12月31日，新增4個運營城市，33條運營線，新增運營線路長度達868.9km新增線路再創(chuàng)歷史新高，比2016年新增線路534.8km增加334.1km，增幅達62.5%。其中，上海是目前中國城市軌道交通通車里程最長的城市，地鐵里程總計長度為636.37km[2]。

　　因此，我國的信號供應(yīng)商已經(jīng)從引進國外技術(shù)，到吸收消化核心技術(shù)，走向了自主研發(fā)國產(chǎn)化信號系統(tǒng)的道路。國內(nèi)各大城市的地鐵業(yè)主也從一味地接受，到如今提出需求，緊跟甚至帶領(lǐng)著技術(shù)發(fā)展的方向。在供應(yīng)商與業(yè)主雙方的共同作用下，CBTC從傳統(tǒng)的IEEE1474標準架構(gòu)，開拓出了新的城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向。下面將詳述其中的兩個主要發(fā)展方向：全自動無人駕駛系統(tǒng)和互聯(lián)互通方向的車-車通信系統(tǒng)。

　　2基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)

　　在傳統(tǒng)CBTC的IEEE1474標準架構(gòu)中，有三大子系統(tǒng)：車載控制器VOBC(VehicleOnBoardController)、區(qū)域處理器ZC(ZoneController)和自動列車監(jiān)控子系統(tǒng)ATS(AutomaticTrainSupervision)。

　　VOBC是位于列車司機室內(nèi)的控制設(shè)備，主要對列車進行測速、定位和控制，接受來自ZC的信息，根據(jù)ZC提供的移動授權(quán)來計算安全防護曲線，并與列車目前的速度進行比較，監(jiān)督列車運行狀態(tài)，并及時發(fā)出制動命令。ZC接收數(shù)據(jù)存儲單元、列車監(jiān)控子系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖等的各種數(shù)據(jù)信息，集中獲取系統(tǒng)中各個設(shè)備的運行狀態(tài)。

　　對區(qū)域管轄區(qū)內(nèi)的列車進行移動授權(quán)和臨時限速，監(jiān)控道岔、信號機、應(yīng)答器等軌旁設(shè)備。ATS對列車運行狀態(tài)進行監(jiān)控，提供報警顯示、進路排列、運行圖調(diào)整和數(shù)據(jù)查詢等功能，可為調(diào)度人員提供監(jiān)控和旁路系統(tǒng)功能的操作。以上各個子系統(tǒng)的協(xié)同工作，共同完成了CBTC的功能。此外，CBTC系統(tǒng)中通常還包括：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)DCS(DataCommunicationSystem)、計算機聯(lián)鎖CI(ComputerInterlocking)、維護診斷子系統(tǒng)MMS(MaintenanceManagementSystem)。

　　3全自動無人駕駛的列車運行控制系統(tǒng)

　　全自動無人駕駛系統(tǒng)UTO(UnattendedTrainOperation)減少了正線運營以及車輛場段中列車司機的角色，實現(xiàn)了由控制中心調(diào)度人員集中化的遠程操作、運營控制和調(diào)度管理的模式。因此，在繼哥本哈根、新加坡、迪拜等城市開通無人駕駛信號系統(tǒng)后，北京、上海、廣州等國內(nèi)一線城市也開始投入全自動無人駕駛CBTC系統(tǒng)。

　　全自動無人駕駛架構(gòu)與典型CBTC架構(gòu)，在各子系統(tǒng)的核心功能上，沒有較大區(qū)別。相比現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)，UTO在運營工作流程上有了較大的變化。取消列車司機的角色，但新增了多職能隊員的崗位，負責(zé)所有運營車站和列車的巡視，并負責(zé)列車故障處置、人工駕駛、設(shè)施設(shè)備一級維修等業(yè)務(wù)。

　　日常的運營工作流程為：列車停在車輛段或停車場，系統(tǒng)根據(jù)出入庫派班計劃，分批次自動喚醒列車;當列車喚醒成功后進入列車綜合自檢，自檢通過的列車按計劃班次等待發(fā)車指令;同時，車站工作人員對車站內(nèi)所有設(shè)備進行運營前測試并開啟;列車由出入場段線，根據(jù)時刻表進入正線運行;列車在無人駕駛模式下自動在區(qū)間運行，并且完成進站、停車、發(fā)車;根據(jù)時刻表，列車在折返站臺自動進行控制端轉(zhuǎn)換并匹配運行計劃;列車完成時刻表計劃，到達終點站后清客并下線;列車按回庫派班計劃規(guī)定的股道自動運行至停車庫指定股道，上傳數(shù)據(jù)后自動休眠。

　　此外，全自動無人駕駛架構(gòu)與現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)相比在功能、按鈕、設(shè)備和接口上有較多的升級。主要的新增功能包括自動喚醒功能、自動休眠功能、自動存車功能、自動進入或退出運營功能、自動鳴笛功能、場段內(nèi)自動運行功能、自動洗車功能、站臺停車窗口校準對位功能、站臺清客功能、列車狀態(tài)監(jiān)督功能、工況管理、蠕動功能、應(yīng)急報警功能、遠程控制功能等。主要的新增按鈕包括洗車按鈕、緊急關(guān)閉按鈕、自動折返按鈕、站臺操作車門按鈕、站臺請客確認按鈕、人員防護開關(guān)、全自動運行列車禁止出發(fā)按鈕等。

　　信號系統(tǒng)內(nèi)部主要的新增設(shè)備包括冗余的測速脈沖電機和雷達等。信號系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間，主要的新增接口包括ATS遠程控制命令接口、脫軌檢測接口、火災(zāi)聯(lián)動接口、列車控制管理系統(tǒng)接口等。

　　4互聯(lián)互通的車-車通信列車運行控制系統(tǒng)

　　阿爾斯通在法國里爾1號線進行了車-車通信CBTC系統(tǒng)的試驗，與傳統(tǒng)的IEEE1474典型架構(gòu)相比，這種架構(gòu)簡化了聯(lián)鎖子系統(tǒng)和區(qū)域子系統(tǒng)，ATO/ATP的主要功能將從軌旁移至車載。ATS將進路計劃發(fā)送至VOBC，VOBC將直接控制道岔的轉(zhuǎn)動、進路的開放和移動授權(quán)的計算等功能。

　　因此前后列車之間的通信也更為直接，無需由軌旁子系統(tǒng)計算后再發(fā)送給車載，交互性能將大大提高。這與國內(nèi)地鐵運營公司越來越多提及的互聯(lián)互通系統(tǒng)需求是相通的，可見簡化軌旁設(shè)備有可能成為CBTC發(fā)展的新方向。車車通信的架構(gòu)中包括監(jiān)控子系統(tǒng)ATS、通信子系統(tǒng)DCS、目標控制器OC(ObjectController)和車載子系統(tǒng)VOBC。中心設(shè)備ATS和無線通信網(wǎng)絡(luò)DCS與CBTC典型架構(gòu)中的功能并無過多差異，只是ATS將直接通過DCS與車載子系統(tǒng)進行通信，并將進路信息發(fā)送給VOBC。

　　目標控制器或稱對象控制子系統(tǒng)，布置在軌旁或設(shè)備集中站，可以將其看作為簡化后的區(qū)域子系統(tǒng)。OC接收VOBC和ATS的命令，執(zhí)行對軌旁設(shè)備的操作，并反饋對象的狀態(tài)。車載子系統(tǒng)是車車通信架構(gòu)中的核心子系統(tǒng)，集成了主要的ATP/ATO功能。除了原有的列車定位、速度控制、車地通信、列車完整性檢查和人機交互等功能外，新增了進路控制、車車通信和行車許可功能。

　　進路控制功能實現(xiàn)了列車通過車地通信，直接接受ATS的進路命令，計算進路計劃所需的道岔和信號機，通過OC查詢區(qū)段占用情況，并判斷是否辦理該進路。車車通信功能實現(xiàn)了VOBC根據(jù)ATS中的列車信息，篩選出進路范圍內(nèi)的列車，并確定作為目標追蹤的前車，并與之建立通信。行車許可功能根據(jù)進路命令、前車位置信息、臨時限速和OC反饋的軌旁設(shè)備狀態(tài)，生成行車許可。因此從CBTC典型架構(gòu)向車車通信架構(gòu)作延伸和兼容時，需要將原本計算機聯(lián)鎖和區(qū)域控制器的進路控制、車車通信和行車許可等功能模塊遷移到VOBC中，而ZC則需簡化為僅支持對軌旁資源的執(zhí)行和分配，以防搶占導(dǎo)致的死鎖發(fā)生。

　　5結(jié)語

　　無論是從技術(shù)的實現(xiàn)，還是運營的實際需求來說，全自動無人駕駛將會是目前更容易實現(xiàn)的一步，既可以為既有線CBTC做升級，也可以為新線規(guī)劃全自動無人駕駛制式。而車車通信，則是互聯(lián)互通或者簡化軌旁設(shè)備的最好解決辦法，一旦車車通信技術(shù)發(fā)展起來，將會是對傳統(tǒng)CBTC較大的革新。

　　參考文獻

　　[1]孫章，蒲琪.城市軌道交通概論[M].北京：人民交通出版社，2010.

　　[2]2017年中國內(nèi)地城軌交通線路概況[J].城市軌道交通，2018(1)：16-21.

　　[3]陳榮武.CBTC系統(tǒng)列車運行仿真與優(yōu)化策略[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

　　[4]王淑偉.城市軌道交通CBTC仿真系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

　　[5]劉暢.基于移動閉塞原理的列控車載仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

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