列車運行控制系統的現狀與發展

　　摘要：隨著新一批大城市和特大城市的出現，我國的城鎮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成為城市軌道交通信號系統的首選。近年來，現有城市軌道交通信號系統的基礎上，正在發展出兩個新的技術方向，即無人駕駛和互聯互通。

　　關鍵詞：城市軌道交通,信號系統,列車運行控制系統,無人駕駛,互聯互通

　　1列車運行控制系統的現狀

　　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，但經過了探索和試驗階段，一二線城市已經快速地邁入了軌道交通的網絡建設階段。1965年中國第一條地鐵在北京開工建設，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，我國的信號供應商已經從引進國外技術，到吸收消化核心技術，走向了自主研發國產化信號系統的道路。國內各大城市的地鐵業主也從一味地接受，到如今提出需求，緊跟甚至帶領著技術發展的方向。在供應商與業主雙方的共同作用下，CBTC從傳統的IEEE1474標準架構，開拓出了新的城市軌道交通列車運行控制系統技術發展方向。下面將詳述其中的兩個主要發展方向：全自動無人駕駛系統和互聯互通方向的車-車通信系統。

　　2基于無線通信的列車運行控制系統

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

　　VOBC是位于列車司機室內的控制設備，主要對列車進行測速、定位和控制，接受來自ZC的信息，根據ZC提供的移動授權來計算安全防護曲線，并與列車目前的速度進行比較，監督列車運行狀態，并及時發出制動命令。ZC接收數據存儲單元、列車監控子系統、計算機聯鎖等的各種數據信息，集中獲取系統中各個設備的運行狀態。

　　對區域管轄區內的列車進行移動授權和臨時限速，監控道岔、信號機、應答器等軌旁設備。ATS對列車運行狀態進行監控，提供報警顯示、進路排列、運行圖調整和數據查詢等功能，可為調度人員提供監控和旁路系統功能的操作。以上各個子系統的協同工作，共同完成了CBTC的功能。此外，CBTC系統中通常還包括：數據通信系統DCS(DataCommunicationSystem)、計算機聯鎖CI(ComputerInterlocking)、維護診斷子系統MMS(MaintenanceManagementSystem)。

　　3全自動無人駕駛的列車運行控制系統

　　全自動無人駕駛系統UTO(UnattendedTrainOperation)減少了正線運營以及車輛場段中列車司機的角色，實現了由控制中心調度人員集中化的遠程操作、運營控制和調度管理的模式。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后，北京、上海、廣州等國內一線城市也開始投入全自動無人駕駛CBTC系統。

　　全自動無人駕駛架構與典型CBTC架構，在各子系統的核心功能上，沒有較大區別。相比現有CBTC系統，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，負責所有運營車站和列車的巡視，并負責列車故障處置、人工駕駛、設施設備一級維修等業務。

　　日常的運營工作流程為：列車停在車輛段或停車場，系統根據出入庫派班計劃，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車指令;同時，車站工作人員對車站內所有設備進行運營前測試并開啟;列車由出入場段線，根據時刻表進入正線運行;列車在無人駕駛模式下自動在區間運行，并且完成進站、停車、發車;根據時刻表，列車在折返站臺自動進行控制端轉換并匹配運行計劃;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定的股道自動運行至停車庫指定股道，上傳數據后自動休眠。

　　此外，全自動無人駕駛架構與現有CBTC系統相比在功能、按鈕、設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、列車狀態監督功能、工況管理、蠕動功能、應急報警功能、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、全自動運行列車禁止出發按鈕等。

　　信號系統內部主要的新增設備包括冗余的測速脈沖電機和雷達等。信號系統與外部系統之間，主要的新增接口包括ATS遠程控制命令接口、脫軌檢測接口、火災聯動接口、列車控制管理系統接口等。

　　4互聯互通的車-車通信列車運行控制系統

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

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

　　目標控制器或稱對象控制子系統，布置在軌旁或設備集中站，可以將其看作為簡化后的區域子系統。OC接收VOBC和ATS的命令，執行對軌旁設備的操作，并反饋對象的狀態。車載子系統是車車通信架構中的核心子系統，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查詢區段占用情況，并判斷是否辦理該進路。車車通信功能實現了VOBC根據ATS中的列車信息，篩選出進路范圍內的列車，并確定作為目標追蹤的前車，并與之建立通信。行車許可功能根據進路命令、前車位置信息、臨時限速和OC反饋的軌旁設備狀態，生成行車許可。因此從CBTC典型架構向車車通信架構作延伸和兼容時，需要將原本計算機聯鎖和區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行和分配，以防搶占導致的死鎖發生。

　　5結語

　　無論是從技術的實現，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的一步，既可以為既有線CBTC做升級，也可以為新線規劃全自動無人駕駛制式。而車車通信，則是互聯互通或者簡化軌旁設備的最好解決辦法，一旦車車通信技術發展起來，將會是對傳統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系統列車運行仿真與優化策略[D].成都：西南交通大學，2011.

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

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

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