崔軼昕,劉 琴,趙 程,景 亮
(寧波市軌道交通集團有限公司,浙江寧波 315010)
傳統(tǒng)基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)采用車地通信實現(xiàn)車載設(shè)備與軌旁設(shè)備之間的信息交互,其自主決策和智能化水平較低,加之軌行區(qū)信號設(shè)備較多,建設(shè)和運營維護成本較高。為降低信號系統(tǒng)的建設(shè)和運營成本,提高信號系統(tǒng)的智能化水平,對傳統(tǒng)CBTC進(jìn)行優(yōu)化升級形成基于車車通信的列車控制系統(tǒng),實現(xiàn)信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級。本文對傳統(tǒng)基于車地和車車通信列車運行系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行分析研究,以探索列車運行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
車地通信CBTC系統(tǒng)劃分為5層結(jié)構(gòu),即中央級控制存儲系統(tǒng)層、地面車站設(shè)備層、軌旁設(shè)備層、車載設(shè)備層、列車系統(tǒng)層,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 車地通信列車運行自動控制系統(tǒng)架構(gòu)組成圖
中央級控制存儲系統(tǒng)層由列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)中心、數(shù)據(jù)存儲單元(DSU)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)組成。ATS中心是一套集現(xiàn)代化數(shù)據(jù)通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)和信號技術(shù)為一體的、分布式的實時監(jiān)督、控制系統(tǒng)。ATS子系統(tǒng)通過與列車自動控制(ATC)系統(tǒng)中其他子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合,共同完成對地鐵運營列車和信號設(shè)備的管理和控制,其核心設(shè)備位于信號系統(tǒng)的中央層,用于實現(xiàn)對高密度、大流量的地鐵運輸活動進(jìn)行自動化管理和調(diào)度,是一個綜合的行車指揮調(diào)度控制系統(tǒng)。DSU是整個CBTC系統(tǒng)的存儲單元,存儲與列車運行相關(guān)的所有設(shè)備信息和運行狀態(tài)信息,實現(xiàn)對整個ATC所有數(shù)據(jù)庫管理。DCS是一個寬帶通信系統(tǒng),為CBTC各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信提供快速、可靠、安全的數(shù)據(jù)交換通道,其通道類型包括有線和無線2部分。
地面設(shè)備層主要由信號系統(tǒng)中的地面設(shè)備組成,主要設(shè)備為區(qū)域控制器(ZC)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、計軸。ZC 即區(qū)域本地計算機,與聯(lián)鎖區(qū)一一對應(yīng),通過DCS保持與控制區(qū)域內(nèi)所有列車進(jìn)行通信并完成安全信息交互。ZC根據(jù)列車的位置信息跟蹤列車并對區(qū)域內(nèi)列車發(fā)布移動授權(quán)、實施聯(lián)鎖。聯(lián)鎖系統(tǒng)通過繼電器架連接軌旁部分設(shè)備,實現(xiàn)上下信息聯(lián)鎖控制。計軸是用以檢測和記錄列車通過計軸點的車軸數(shù),通過2個計軸點之間或軌道區(qū)段內(nèi)的空閑情況,可判斷列車通過計軸點的位置,自動校正列車行駛里程等。
軌旁設(shè)備層包括接入點(AP)天線、無源應(yīng)答器、轉(zhuǎn)轍機、信號機、站臺門(PSD)、有緣應(yīng)答器、信號設(shè)備的監(jiān)測和維護系統(tǒng)(MSS)、收發(fā)車計時器(DTI)等,共同記錄并上傳和下達(dá)列車行駛信息、設(shè)備狀態(tài)、控制命令,控制車站設(shè)備、列車行駛位置信息等。
車載設(shè)備層包括無線通信裝置、列車自動防護系統(tǒng)(ATP)、列車自動駕駛系統(tǒng)(ATO)、車載列車信息顯示系統(tǒng)(DMI)、無線應(yīng)答器、速度傳感器等。該層可實現(xiàn)駕駛員通過車站DMI系統(tǒng)實時觀察列車行駛狀態(tài)、車門狀態(tài),并詳細(xì)定位列車位置以保障列車的自動駕駛和安全防護。
列車系統(tǒng)層包括緊急制動裝置、車門控制、牽引/常用制動控制等。該層可實現(xiàn)列車的行駛和剎車控制、車門的開關(guān)控制、牽引制動控制等功能。
ATP功能在列車超過規(guī)定的運行速度時可實現(xiàn)列車的自動制動,即車載設(shè)備接收到地面限速信息與實際行駛速度進(jìn)行比較并判定列車實際速度超過限定速度后,由制動裝置控制列車制動系統(tǒng)進(jìn)行制動。ATP通過軌道電路或者無線全球定位系統(tǒng)(GPS)檢測列車實際運行位置,自動確定列車最大安全運行速度,并連續(xù)不間斷地進(jìn)行實時速度監(jiān)督,實現(xiàn)超速防護,同時自動監(jiān)測列車運行間隔,以保證遵守規(guī)定的行車間隔,防止列車超速和越過禁止信號機等功能。
ATO的基本功能包括自動控制列車車站發(fā)車、區(qū)間運行、跳停、站內(nèi)精確停車、自動折返、扣車等。列車自動駕駛系統(tǒng)根據(jù)ATP系統(tǒng)提供的控制信息(前方信號機狀態(tài)、前方道岔狀態(tài)、當(dāng)前線路允許運行的最高速度等信息)實時計算列車達(dá)到目標(biāo)速度值所需要的牽引力和制動力的大小,并通過列車接口電路,完成對列車的加速與減速作業(yè)。
在ATO中,列車司機僅起監(jiān)督作用,而為 ATO提供輔助工作的則是ATP。ATP功能的完備是ATO工作的基礎(chǔ)保障,ATO接受來自ATP的(ATP速度指令、列車實際速度和列車走行距離以及從ATS子系統(tǒng)接受到列車運行等級等)信息。依據(jù)ATP所提供信息,ATO通過牽引/制動線控制列車,使其維持在一個參考速度上運行,并在車站站臺準(zhǔn)確停車。ATO由車載設(shè)備和車地通信系統(tǒng)構(gòu)成,車載設(shè)備包括ATO的CPU板,車地通信板,信息采集電路板,牽引/制動驅(qū)動板;車地通信系統(tǒng)包括軌旁車地通信換線、車地通信控制機柜等,其中車載ATO設(shè)備是列車駕駛系統(tǒng)中核心設(shè)備,它由硬件和軟件2部分組成。
ATS 是通過計算機來組織和控制行車的一套完整的行車指揮系統(tǒng)。ATS將現(xiàn)場的行車信息及時傳輸?shù)叫熊囍笓]中心,指揮中心將行車信息綜合后,實時無誤的向現(xiàn)場下達(dá)行車指令,以保證行車的準(zhǔn)確、快速、安全、可靠。ATS在ATP和ATO的支持下,根據(jù)運行時刻表對全線列車進(jìn)行自動監(jiān)控,可自動或由人工監(jiān)督和控制正線(車輛段、停車場、試車線除外)列車進(jìn)路,并向行車調(diào)度員和外部系統(tǒng)提供信息。ATS功能由位于控制中心內(nèi)的設(shè)備實現(xiàn),所實現(xiàn)功能包括:自動進(jìn)行列車運行圖管理、及時調(diào)整運行計劃、監(jiān)控列車進(jìn)路、自動顯示列車運行和設(shè)備狀態(tài)、完成電氣集中聯(lián)鎖和自動閉塞的要求。
基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)(TACS)將CBTC中軌旁的聯(lián)鎖功能、ATP功能、ATS功能集成至車載控制平臺,通過“車-車”通信方式實現(xiàn)列車主動進(jìn)路和自主防護功能。其原理為ATS將運營計劃下發(fā)至列車,由車載控制自動觸發(fā)進(jìn)路,列車控制的主要功能由列車實現(xiàn),只依賴地面對象控制器(OC)的設(shè)備驅(qū)采及資源登記,TACS運行原理圖如圖2所示。
圖2 基于TACS列車自動運行原理圖
TACS采用扁平化架構(gòu),由原有的CBTC 3級結(jié)構(gòu)變?yōu)?級結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的總控制節(jié)點減少。各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流交互和接口簡單清晰,便于系統(tǒng)部署和擴展,有利于降低運營維護成本?;谲囓囃ㄐ趴陀^上精簡車地之間交互的信息量以及交互時間,同時采用行車資源統(tǒng)籌方式管理進(jìn)路,可提升道岔使用效率,提供更小的運行時間間隔。列車自主運行時,僅需無線網(wǎng)絡(luò)以及OC設(shè)備無故障即可,依賴節(jié)點少,可用性更高。進(jìn)路以列車為起點,建立任意方向安全進(jìn)路,為運營提供更加靈活和多樣化的運輸組織方案。
TACS的系統(tǒng)特點包含以下幾個方面。
(1)簡化軌旁設(shè)備。簡化軌旁的ATP、計算機聯(lián)鎖 (CI)、ATS設(shè)備,功能集成至車載信號設(shè)備;取消點式降級模式。聯(lián)鎖降級模式方案應(yīng)結(jié)合運量等運營需求確定,信號機、計軸等軌旁基礎(chǔ)設(shè)備結(jié)合運營需求優(yōu)化配置,軌旁設(shè)備圖如圖3所示。
(2)列車自主化及分布式控制?;谲嚺c車之間直接的數(shù)據(jù)通信,實現(xiàn)以列車為主體和控制核心的列車自主運行。通過車載分布式自主控制,減少系統(tǒng)對于中心ATS以及區(qū)域集中控制設(shè)備的依賴。
(3)車車通信。通過LTE-M技術(shù),實現(xiàn)車與車之間的無線數(shù)據(jù)通信,以車載時刻表為依據(jù),結(jié)合當(dāng)前行車意圖,由近及遠(yuǎn)進(jìn)行行車資源交互,實現(xiàn)行車間隔防護,車車信號聯(lián)鎖圖如圖4所示。
圖4 車車信號聯(lián)鎖圖
(4)系統(tǒng)融合。將人機界面、車輛通信網(wǎng)絡(luò)、牽引制動系統(tǒng)進(jìn)行融合。車輛各子系統(tǒng)采用融合設(shè)計,可削減冗余功能、整合冗余硬件,優(yōu)化車載網(wǎng)絡(luò)布局,降低系統(tǒng)復(fù)雜度,提高系統(tǒng)實時性和列車控制性能、提高自動化程度,使整個系統(tǒng)更加高效節(jié)能。
(5)智能化駕駛控制。牽引制動系統(tǒng)融合,可縮短控制周期,提高系統(tǒng)性能,傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中ATO難以實時獲取牽引/制動能力,列車區(qū)間運行及進(jìn)站停車過程容易出現(xiàn)過牽引/欠牽引、過制動/欠制動以及定點停車精度低的問題?;谲囓囃ㄐ诺腡ACS,使得牽引和制動系統(tǒng)有機會參與ATO控制,因而能夠通過利用牽引/制動能力以及指令反饋信息,縮短ATO閉環(huán)控制的周期,提高ATO控制精度。后車實時掌握前車速度和位置,可更合理的跟蹤自己的模式曲線,減少工況切換和追蹤延誤、降低運行能耗。
3.1.1 車地通信技術(shù)
DCS由軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、車載雙向通信網(wǎng)絡(luò)和車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)由軌旁骨干網(wǎng)、接入交換機和軌旁設(shè)備3部分組成。依據(jù)IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),軌旁設(shè)備通過以太網(wǎng)電纜接入到接入交換機中,接入交換機通過多模光纖接入到骨干網(wǎng),其中軌旁設(shè)備與接入交換機組成接入網(wǎng)。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)通過軌旁無線AP與列車進(jìn)行雙向通信。骨干網(wǎng)為具有冗余的高速單模光纖以太網(wǎng),由100 Mbps或1 Gbps的 2層網(wǎng)絡(luò)交換機構(gòu)成,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙向自愈環(huán)形結(jié)構(gòu)。
骨干網(wǎng)絡(luò)必須具備傳輸延遲小、傳輸帶寬大、便于管理、具有抗毀/自恢復(fù)能力、能適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境的特性。為使地面骨干網(wǎng)絡(luò)具有抗毀/自恢復(fù)能力,應(yīng)在連接交換機的鏈路上進(jìn)行冗余連接,形成冗余的自恢復(fù)環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)某條鏈路發(fā)生故障時,其備份鏈路自動由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)換到主用狀態(tài),從而保證通信的繼續(xù)進(jìn)行。除交換機之間的線路連接外,其他設(shè)備與交換機之間的線路連接都應(yīng)采用冗余連接方式,以提高整個DCS 子系統(tǒng)的可靠性。交換機之間的連接需使用光纖連接,其他設(shè)備與交換機的連接可根據(jù)需要使用雙絞線或者光纖。
車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要由2部分組成,分別為軌旁AP與空間無線通道。軌旁AP通過接入交換機接入到軌旁接入網(wǎng)中,軌旁接入網(wǎng)連接在骨干網(wǎng)上,而AP的另一端通過天線組的輻射,以空間自由波為介質(zhì),與列車車載通信單元進(jìn)行通信。由于車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖橇熊囄恢谩⑺俣取⒎较蚣斑\行命令等重要信息,因此對傳輸?shù)膶崟r性、丟包率等都有嚴(yán)格要求。
軌旁AP應(yīng)包括1個或2個完全冗余的無線單元協(xié)同工作,即軌旁無線覆蓋是完全的雙層覆蓋。軌旁AP應(yīng)跟據(jù)本地拓?fù)錀l件與1組或2組含2~4個天線的天線組連接,每個AP通過光纖以太網(wǎng)傳輸層分別連接到相應(yīng)的接入交換機中。每個接入交換機直接與其所屬的骨干交換機連接,從而接入到骨干網(wǎng)。
AP的覆蓋區(qū)應(yīng)沒有縫隙甚至冗余,且數(shù)量不能太多,因此,根據(jù)IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的物理層參數(shù),結(jié)合ISM 2.4 GHz頻段的信號傳播模型,進(jìn)行AP間距的設(shè)計。當(dāng)車地間距是300 m,傳輸速率是18 Mbps時,不同傳輸速率的列車接收信號電平低于靈敏度的概率都大于99%。因此AP布置間距應(yīng)設(shè)計為300 m,此距離也同樣符合對包丟失率的控制標(biāo)準(zhǔn) ,信息交互數(shù)據(jù)流示意如圖5所示。
圖5 車地通信信息交互數(shù)據(jù)流圖
3.1.2 車車通信技術(shù)
TACS以“列車”為控制目標(biāo)、以列車“自主”運行為終極目的,采用簡化系統(tǒng)控制架構(gòu)、縮短控制環(huán)節(jié)、車載多系統(tǒng)融合等手段,實現(xiàn)基于車車通信及資源管理的移動閉塞列車控制系統(tǒng),車車通信是TACS的核心內(nèi)容之一。列車智能化運用基于全方位態(tài)勢感知、故障診斷、運行控制等技術(shù),實現(xiàn)城市軌道交通移動裝備的自感知、自診斷、自決策、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自修復(fù)、自動駕駛的功能,TACS列車自動運行系統(tǒng)圖如圖6所示。
圖6 基于TACS列車自動運行系統(tǒng)圖
TACS以車載控制器為核心的扁平化架構(gòu)(車車通信)主要體現(xiàn)在以 車載控制器為安全防護、自動運行的核心,弱化中心限制,更利于系統(tǒng)部署和擴展。TACS基于資源管理的進(jìn)路防護算法主要表現(xiàn)為以高精度行車資源管理為基礎(chǔ)的進(jìn)路防護算法,提供靈活的安全防護能力,可在任意位置為列車建立任意方向安全進(jìn)路。TACS車載自主進(jìn)路體現(xiàn)為車載控制器實時從ATS中同步本車的時刻表信息,在中心ATS故障時,列車可繼續(xù)按照時刻表運行。TACS完善的降級設(shè)計為軌旁控制器提供完整的降級進(jìn)路防護功能,系統(tǒng)支持CBTC列車和降級列車混和運行。具體的控制流程如下。
(1)列車從中央ATS獲取預(yù)先編排好的時刻表運行圖或?qū)崟r人工進(jìn)路(時刻表可在每日列車上線運行時預(yù)先下載保存),并根據(jù)線路信息自動計算行進(jìn)和停站計劃。
(2)OC實時登記列車信息和道岔進(jìn)路等資源占用情況,并向列車反饋執(zhí)行列車動作命令。
(3)列車在正線行駛時,車載控制器(OBC)直接向鄰車報告和獲取位置、獲得鄰車區(qū)段資源占用和釋放信息、向鄰車申請資源占用,同時向OC匯報登記位置并查詢道岔區(qū)段等實體資源的占用情況。根據(jù)自主計算的進(jìn)路通過車載控制單元(CCU)、制動控制單元(BCU)、牽引控制單元(TCU)計算牽引制動曲線進(jìn)行控制。
(4)OC對實體資源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制,同時接受來自控制中心(OCC)的臨時操作命令,如限速、扣車跳停、臨時交路、人工進(jìn)路排布等。
3.2.1 車地通信列車運行自動控制系統(tǒng)工作原理
傳統(tǒng)車地通信列車運行自動控制系統(tǒng)基于軌旁信號設(shè)備控制列車進(jìn)路、實時計算移動授權(quán);通過車載信號設(shè)備實現(xiàn)列車定位、實施控制列車運行。系統(tǒng)實時動態(tài)自動調(diào)整軌旁間隔,所有車輛的信號控制采用控制中心集中式控制,統(tǒng)一調(diào)度運行,工作原理如圖7所示。
圖7 車地通信列車運行自動控制系統(tǒng)工作原理
3.2.2 車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)工作原理
車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)是所有運行列車采取列車主動進(jìn)路,列車自主防護,列車自主調(diào)整,分布式控制,實現(xiàn)列車全自動運行智慧化,減少控制中心人為調(diào)度強度,實現(xiàn)列車之間信號互相感知,自動實現(xiàn)運行狀態(tài)全方位精準(zhǔn)感知、運行趨勢智能化分析預(yù)判、信息指令一體化主動推送、運行規(guī)則擬人化,線路上所有運行列車互相間保持信息暢通,每列列車不斷修正自己的運行信息,實現(xiàn)自動進(jìn)化等相關(guān)功能,工作原理如圖8所示。
圖8 車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)工作原理
3.3.1 車地和車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)
傳統(tǒng)基于車地通信列車運行自動控制系統(tǒng)功能主要包括列車識別與追蹤、列車進(jìn)路、列車運行圖/時刻表編輯和管理、列車運行自動調(diào)整、能量優(yōu)化、中心人機界面、車站人機界面、報告、報警與存檔、列車安全分隔/移動授權(quán)、臨時限速、列車定位、超速防護、列車自動駕駛、進(jìn)路控制、道岔和信號機控制、輔助列車檢查、地面設(shè)備間通信、車地?zé)o線通信等。基于車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)功能主要有列車注冊、時鐘同步、篩選、移動授權(quán)、路徑信息、屏蔽門系統(tǒng)(PSD)/緊急停車按鈕(ESB)/道岔狀態(tài)、臨時限速、區(qū)域防護、庫門防護、軌旁人員作業(yè)防護開關(guān)(SPKS)、CBTC模式進(jìn)路辦理、降級模式進(jìn)路辦理、CBTC模式停穩(wěn)信息、停車保證、計軸故障檢測、列車完整性檢測、障礙物檢測、喚醒、休眠、列車間隔調(diào)整等。功能實現(xiàn)及其所涉及系統(tǒng)對比分析如表1。
3.3.2 車地和車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)接口
傳統(tǒng)車地通信列車運行自動控制系統(tǒng)內(nèi)部接口包括ATS與車站聯(lián)鎖系統(tǒng)(CBI)、CBI與ZC、ZC與VOBC、VOBC與CBI、CBI與相鄰CBI,以及ZC與相鄰ZC之間接口等,接口關(guān)系復(fù)雜。車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)內(nèi)部接口包括ATS與OC、ATS與OBC、OC與OBC,以及OBC與相鄰OBC之間接口等,接口系統(tǒng)簡單,維護方便,系統(tǒng)的智能化水平高,具體如圖9所示。
圖9 系統(tǒng)接口對比分析
TACS列控系統(tǒng)將傳統(tǒng)CBTC信號系統(tǒng)的OBC-ZC/CBI的集中式控制架構(gòu)改為OBC-OBC、OBC-OC的分散式控制架構(gòu),基于車地通信列車運行自動控制系統(tǒng)和基于車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)可靠性、可用性、安全性指標(biāo),以及系統(tǒng)能力對比分析如表2所示。
表 1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)及其所涉及系統(tǒng)對比分析
表2 系統(tǒng)性能指標(biāo)和能力對比分析
車地通信技術(shù)相對比車車通信技術(shù)具有技術(shù)復(fù)雜、傳輸節(jié)點多、故障率相對較高、工作原理復(fù)雜、軌旁和車站機房設(shè)備多、接口較多、車體自動化、智能化水平較低,在建設(shè)期間具有軌旁設(shè)備安裝多、夜間施工多、工期長、設(shè)備安裝空間緊張、風(fēng)險大、設(shè)備用房面積大、調(diào)試時間長等特點,后續(xù)運營維護量大、復(fù)雜的地面設(shè)備、信號與車輛的單獨維護;基于車車通信列車運行自動控制系統(tǒng),在建設(shè)期間具有安裝設(shè)備少、夜間施工少、工期短、設(shè)備安裝空間小、風(fēng)險小、設(shè)備室面積減少15%~20%、調(diào)試時間縮短30%等特點,后續(xù)運營維護量小、復(fù)雜的地面設(shè)備、維護工作量減少。
基于車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)從技術(shù)對比、工作原理、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)特點、系統(tǒng)維護、性能對比都明顯優(yōu)于基于車地通信列車運行自動控制系統(tǒng),雖然兩者均為列車自動運行安全系統(tǒng),但TACS系統(tǒng)可靠性、可用性、安全性均提高,TACS系統(tǒng)能力提升15%~30%。
隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)地鐵系統(tǒng)的全面建設(shè)和覆蓋,基于車車通信列車運行自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)特點、系統(tǒng)維護、性能對比都明顯優(yōu)于基于車地通信列車運行自動控制系統(tǒng),可以更好的提高行車智慧化水平,實現(xiàn)全自動運行更安全、更智能,賦予列車海量數(shù)據(jù)實時協(xié)同、智能分析、精準(zhǔn)定位等功能,降低系統(tǒng)建設(shè)和運營成本,助力信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級,使地鐵運營朝著智慧化方向發(fā)展。