梁 波，唐利華

（1. 湖南中車時代通信信號有限公司，湖南長沙 410100；2. 長沙市軌道交通運營有限公司，湖南長沙 410100）

1 概述

城市軌道交通既有信號系統(tǒng)升級改造是一項復(fù)雜工程，將面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，改造后系統(tǒng)的性能要與新線相當(dāng)，受限于既有線的基礎(chǔ)設(shè)施，很多問題需要創(chuàng)造性地在有限的條件下加以解決。其次，既要保證舊系統(tǒng)的正常運營，又要兼顧新系統(tǒng)的順利開通，邊運營、邊改造， 在新舊系統(tǒng)之間反復(fù)倒切的條件下，要在確保安全的同時保證調(diào)試效率，這對系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、現(xiàn)場實施方案及施工組織等都提出了更高的要求。

基于通信的列車運行控制（CBTC）系統(tǒng)由于發(fā)車間隔小、運營效率較高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外城市軌道交通領(lǐng)域。典型的傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)由列車自動監(jiān)督系統(tǒng)（ATS）、區(qū)域控制器（ZC）、計算機聯(lián)鎖（CI）、車載控制器（VOBC）及應(yīng)答器等軌旁設(shè)備組成，系統(tǒng)功能耦合度高，設(shè)備數(shù)量眾多、接口復(fù)雜。在使用傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)對既有信號系統(tǒng)進行升級改造時，存在如下問題。

（1）系統(tǒng)功能耦合度高，增加了系統(tǒng)調(diào)試的難度。列車運行對ATS和ZC依賴程度高，一旦ATS設(shè)備和ZC設(shè)備發(fā)生故障，列車無法自動運行。

（2）地面控制設(shè)備與軌旁設(shè)備數(shù)量眾多，既提高了建設(shè)和維護成本，又增加了故障點。

（3）系統(tǒng)接口多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致項目施工周期長、調(diào)試過程繁雜、故障影響范圍大。

采用傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)對既有信號系統(tǒng)進行升級改造，改造的難度與工作量非常大。

2 基于車 - 車通信的信號系統(tǒng)

基于車-車通信的新一代信號系統(tǒng)采用軌旁線路資源分散、細化管理的理念，對傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)架構(gòu)進行優(yōu)化，采用LTE-M（LTE Metro）的車-車通信架構(gòu)，以列車為中心，對系統(tǒng)功能進行重新分配。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于車-車通信的信號系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，架構(gòu)與傳統(tǒng)CBTC相同，由控制中心、地面、車載與軌旁4 個部分組成，包括ATS、目標(biāo)控制器（OC）、VOBC及軌旁應(yīng)答器與道岔等設(shè)備，MA為移動授權(quán)。其中地面部分去掉了CI與ZC設(shè)備，增加了對線路資源進行管理的OC設(shè)備，其他部分與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相同。

2.2 系統(tǒng)原理

基于車-車通信的信號系統(tǒng)以列車為中心，具備自主路徑、自主防護和自主調(diào)整功能。系統(tǒng)對傳統(tǒng)CBTC的功能進行了重新分配，把移動授權(quán)、進路控制、運行調(diào)整等原軌旁系統(tǒng)功能集成至VOBC。列車基于ATS的運行計劃、OC的資源狀態(tài)、通過車-車通信獲取的前車狀態(tài)等信息，實現(xiàn)列車的自主路徑、自主防護與自主調(diào)整等功能。

2.2.1 自主路徑

列車自主計算安全路徑。VOBC系統(tǒng)提前接收ATS下發(fā)的計劃運行路徑信息，主動從OC獲取計劃運行路徑范圍內(nèi)的線路資源，列車基于線路資源的獲取狀態(tài)自主計算安全運行路徑，通常情況下，當(dāng)列車獲得某個資源，為列車計算的安全運行路徑終點就可以越過該資源點防護區(qū)，延伸至下一未獲取到的線路資源點防護區(qū)邊界，再回撤一定的安全防護距離，從而周期計算出列車的安全運行路徑范圍。

2.2.2 自主防護

列車基于自主計算的安全路徑，識別該安全路徑范圍內(nèi)的所有障礙物（包括前車），鎖定需要通信的相鄰目標(biāo)列車，并主動與目標(biāo)列車實時通信交互信息，以獲取目標(biāo)列車的位置、速度及方向等信息。列車基于安全路徑、從OC 接收到的軌旁設(shè)備狀態(tài)信息、列車位置信息以及通過車-車間直接通信方式獲取到的相鄰列車信息，自主計算移動授權(quán)和控車防護速度曲線，以確保列車間的安全間隔防護。

2.2.3 自主調(diào)整

若列車在實際運行過程中出現(xiàn)晚點或因列車故障導(dǎo)致與計劃運行時刻表出現(xiàn)偏差時，目標(biāo)列車可實時接收ATS自動下發(fā)的更新運行計劃，也可以接收中心調(diào)度員人工下發(fā)的調(diào)整站停時間、區(qū)間運行等級等指令；列車根據(jù)更新計劃或調(diào)整指令，自主調(diào)整列車運行路徑，自主申請或釋放線路資源，以控制列車輸出牽引、惰行、制動指令的內(nèi)容和時機，從而實現(xiàn)列車自主調(diào)整。

2.3 系統(tǒng)特點

基于車-車通信的信號系統(tǒng)簡化了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的架構(gòu)，以列車為中心，減少軌旁設(shè)備數(shù)量，有效減少信息的通信傳輸時延，提高控制精度，縮短列車追蹤間隔，大幅提升運營效率，在節(jié)約建設(shè)成本和運營維護成本的同時也使列車更安全、智能、高效、經(jīng)濟，是城市軌道交通列車控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。系統(tǒng)的主要特點如下。

2.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化，控制更優(yōu)、更安全

系統(tǒng)對傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的功能進行重新分配，把CI與ZC的功能集成到VOBC，地面僅設(shè)置與現(xiàn)場設(shè)備接口的OC，同時VOBC設(shè)備與車輛網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動系統(tǒng)的深度融合，大幅降低了系統(tǒng)間接口的復(fù)雜度和交互信息量，優(yōu)化通信鏈路，有效減少系統(tǒng)間列控信息的通信傳輸時延，提高了系統(tǒng)控制精度，使列車在安全、可靠、智能方面有了明顯提升。

2.3.2 故障影響減少，系統(tǒng)可用性更高

基于車-車通信的信號系統(tǒng)采用分布控制的策略，以列車為中心，僅需無線網(wǎng)絡(luò)與OC設(shè)備無故障，列車即可正常運行。當(dāng)單列車故障時，不影響其他列車的正常運行，將單車故障對運營的影響降到最低且能快速恢復(fù)，具有更高的可用性。

2.3.3 突破進路限制，運營組織更靈活

基于車-車通信的信號系統(tǒng)突破進路的限制，將線路上的道岔、站臺、折返軌等可以正常停車的區(qū)域、保護區(qū)段都視為線路資源點，以每一個資源點為最小的管理單元，對線路資源進行更精細化管理，為運營提供更加靈活和多樣化的運輸組織方案。列車根據(jù)運行計劃對線路上的資源點進行有序的申請與釋放，盡量減少線路資源被列車占用的時間，從而大幅提升了線路資源的利用效率，達到縮短列車運行間隔，提高列車旅行速度的效果。

2.3.4 道岔細分管理，提升列車追蹤折返效率

基于車-車通信的信號系統(tǒng)對線路資源進行分散管理，將所有的道岔設(shè)置為單動道岔，列車獲取到某道岔資源后，列車判斷通過該道岔防護區(qū)后可立即釋放該道岔資源，在列車進行追蹤折返作業(yè)時，可大幅縮短折返間隔時間，提升列車的折返效率。

2.3.5 簡化地面設(shè)備，便于既有線改造

地面子系統(tǒng)僅保留了OC、ATS設(shè)備，軌旁線路僅設(shè)置轉(zhuǎn)轍機、無源應(yīng)答器設(shè)備，MA、進路控制、運行調(diào)整等核心功能都集成至VOBC，軌旁設(shè)備簡單，大幅降低系統(tǒng)間接口的復(fù)雜度及工程調(diào)試難度，大幅減少工程現(xiàn)場調(diào)試工作量，這些特征非常有利于既有線路信號系統(tǒng)升級改造，同時也有利于新舊系統(tǒng)倒切時的快速恢復(fù)，系統(tǒng)切換的安全風(fēng)險大幅減少。

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3 基于車 - 車通信的既有系統(tǒng)改造方案

3.1 可行性分析

既有信號系統(tǒng)升級改造，需要在不影響運營、不對土建做改動的情況下，通過對信號系統(tǒng)進行升級，達到提升運能的目的。因此，既有信號系統(tǒng)升級改造主要關(guān)注運能、改造周期、新老系統(tǒng)倒切、運營影響及技術(shù)先進性等焦點。

基于車-車通信的信號系統(tǒng)滿足既有線改造的要求，主要體現(xiàn)如下。

（1）系統(tǒng)較傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)整體性能提升30%以上，可以有效地提升運能，滿足未來客流增長的要求。

（2）既有線改造的難點是所有作業(yè)均需要在夜間停運后進行，設(shè)備安裝調(diào)試時間短，基于車-車通信的信號系統(tǒng)具有軌旁設(shè)備少，占用機房面積小等優(yōu)勢，在同等條件下，可縮短1/3的改造工期。

（3）既有線改造一般沒有條件進行土建改造，庫線一般不能滿足全自動運行的要求，基于車-車通信的信號系統(tǒng)安全防護距離更短，對配線要求低，可利用既有配線完成全自動運行模式精確停車，在不升級配線的情況下支持有人或無人值守的全自動運行。

（4）既有線改造如果使用傳統(tǒng)CBTC方案，需要復(fù)用道岔、信號機、次級檢測設(shè)備、繼電組合等發(fā)生更多的關(guān)聯(lián)性（共用或倒切）。基于車-車通信的信號系統(tǒng)由于架構(gòu)精簡，減少了聯(lián)鎖設(shè)備、次級檢測設(shè)備，不與舊系統(tǒng)發(fā)生關(guān)聯(lián)，僅僅需要對軌旁道岔和信號機等在分線盤進行切換控制。

（5）既有線改造風(fēng)險與改造設(shè)備的數(shù)量、關(guān)聯(lián)度直接相關(guān)。風(fēng)險高低與接口數(shù)量、改造工期、調(diào)試項數(shù)量這幾個因素成正比例關(guān)系，如接口數(shù)量越多，風(fēng)險越大，其他因素雷同?；谲?車通信的信號系統(tǒng)改造時，只對道岔和少量信號機進行倒切控制，同時采用了全電子執(zhí)行單元，徹底消除了大量繼電器接口改造所帶來的風(fēng)險，全電子執(zhí)行單元直接通過分線盤與室外道岔、信號機及站臺門接口。

（6）按項目改造工期4～5年，改造完成后運營15年計算，從項目開始改造到其生命周期結(jié)束，近20年的時間內(nèi)，改造升級的信號系統(tǒng)要具備一定的先進性。基于車-車通信的信號系統(tǒng)是目前最先進的系統(tǒng)制式，在改造完成后的15年運營期間可以最大程度保持其先進性。

3.2 既有信號系統(tǒng)改造方案

3.2.1 控制中心改造方案

由于既有的信號系統(tǒng)中心設(shè)備設(shè)備老化，可靠性降低，且不支持移動閉塞，需要在控制中心安裝1套新的ATS控制中心設(shè)備，主要由應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、協(xié)議網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、模擬培訓(xùn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、運行圖管理系統(tǒng)、站場監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。其中，通信服務(wù)器負(fù)責(zé)與乘客信息系統(tǒng)（PIS）、廣播系統(tǒng)（PA）、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、時鐘、無線等非信號系統(tǒng)進行接口，使用既有系統(tǒng)的通信協(xié)議與非信號系統(tǒng)通信接口，確保正常交互。既有系統(tǒng)與新系統(tǒng)獨立運行，同一時間僅一個系統(tǒng)上電工作，改造系統(tǒng)調(diào)試驗收后，拆除舊系統(tǒng)設(shè)備。

3.2.2 車載設(shè)備改造方案

改造工程一般跨度較長，為使列車在改造期間還可以繼續(xù)正常運營，采用在列車上疊加配置新車載系統(tǒng)的方案，2套系統(tǒng)相互獨立，通過倒切裝置，確保同一時間只有1套車載系統(tǒng)在運行。

車載設(shè)備主要包括ATP、ATO、休眠喚醒單元、應(yīng)答器傳輸單元（BTM）及車載數(shù)據(jù)通信單元。在緊鄰司機室車廂內(nèi)隔出一定空間，安裝基于車-車通信的信號系統(tǒng)新機柜；增設(shè)臨時支架固定速度傳感器、雷達傳感器、應(yīng)答器天線、車載天線等外圍設(shè)備；增加倒切開關(guān)對信號與車輛電氣接口進行控制，在運營與調(diào)試時，倒切至相應(yīng)的系統(tǒng)工作。

車載設(shè)備改造是一個復(fù)雜的工程，為避免停運列車過多，可充分利用列車定修、大架修或改造計劃對列車進行分批改造，降低對運營的影響。

3.2.3 車站設(shè)備改造方案

車站設(shè)備改造主要包括OC設(shè)備、車站ATS設(shè)備及電源等改造。在車站設(shè)備室設(shè)置OC，對道岔與信號機進行控制，在分線盤上設(shè)置倒切裝置，對OC與既有系統(tǒng)進行切換，確保同一時間只有1個系統(tǒng)對道岔與信號機進行控制。OC使用電子執(zhí)行單元替代了傳統(tǒng)的繼電器，減少設(shè)備房屋空間需求，易于擴展，維護簡便，冗余配置降低故障率，減少配線數(shù)量，施工簡單。

由于既有線的ATS設(shè)備老化，可靠性降低，且不支持移動閉塞，需要在車站布置1套全新的ATS設(shè)備。新的車站ATS設(shè)備與既有ATS設(shè)備相互獨立，調(diào)試期間關(guān)閉既有ATS車站設(shè)備電源，正常運營時，關(guān)閉新系統(tǒng)ATS設(shè)備電源，2套系統(tǒng)互不影響，改造系統(tǒng)調(diào)試驗收后，拆除既有的ATS車站設(shè)備。

其他設(shè)備如電源屏、不間斷電源（UPS）、電池柜、信號機、轉(zhuǎn)轍機等既有設(shè)備，如果可用，盡量利舊，以降低工程成本。

3.2.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)改造

原有的舊的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)無法滿足移動閉塞的要求，需要建立全新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為基于車-車通信的信號系統(tǒng)中的ATP、ATO、ATS、OC、維修監(jiān)測等各子系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸通道。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DCS）有線骨干網(wǎng)采用由工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成的冗余環(huán)網(wǎng)進行傳輸，基于IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，骨干網(wǎng)可以考慮利舊。DCS系統(tǒng)車-地?zé)o線通信方案采用基于3GPP TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)的 LTE-M技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，LTE-M采用專用1.8 GHz（1 785～1 805 MHz）無線頻段，具有較好的抗干擾能力；具備優(yōu)先級保障機制，保障最高優(yōu)先級用戶業(yè)務(wù)的接入和可靠傳輸；具備自動頻率校正能力，可確保200 km/h高速移動場景下的無線鏈路質(zhì)量。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試

新系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試對線路環(huán)境沒有要求，可在運營時段進行。單車功能測試、多車追蹤測試、系統(tǒng)性能測試及綜合聯(lián)調(diào)等工作，由于需要在特定的線路環(huán)境中開展，只能在夜間非運營時間進行。在調(diào)試期間，每天結(jié)束調(diào)試時，務(wù)必確?；謴?fù)既有系統(tǒng)的運行環(huán)境，不影響既有系統(tǒng)的正常運行。當(dāng)新系統(tǒng)通過上述各項測試，具備載客試運營條件后，進行倒切，由新系統(tǒng)向運營提供安全防護，并逐步拆除舊系統(tǒng)與倒切裝置。

4 總結(jié)

基于車-車通信的信號系統(tǒng)優(yōu)化了系統(tǒng)架構(gòu)，控制更安全，突破進路限制，運營組織更靈活，對資源進行細化管理，線路利用率更高，對道岔進行細分管理，提升列車的追蹤折返效率，精簡了地面設(shè)備，降低了改造的難度，縮短了改造工期，相對于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，基于車-車通信的新型信號系統(tǒng)更適用于既有線改造，為既有信號系統(tǒng)的改造提供了一個更優(yōu)的選擇。