基于车车通信的列车运行控制系统典型特征研究

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基于车车通信的列车运行控制系统典型特征研究

研究背景

随着我国城市轨道交通技术的快速发展和推动，信号系统不断进行代际迭代和创新。从最初的第1代固定闭塞和第2代准移动闭塞为起点，陆续实现了第3代CBTC系统、3.5代互联互通CBTC系统、第4代全自动运行系统（FAO）以及第4.5代互联互通FAO系统的研发和落地应用，逐渐由“跟跑”追赶到“并跑”，且逐渐有了“领跑”的趋势。

我国城轨信号系统快速发展，采用CBTC信号系统的线路规模也在逐年扩大。既有线路逐渐开始到达15年左右的大修或者改造年限，一大批改造需求应运而生。面对大量的改造需求，如果使用基于CBTC的列控系统进行改造，将存在以下问题：

(1)改造工程实施期间要尽量保证正常运营，只能在夜间调试点进行系统调试。但除去例行维护、故障维修及其他专业调试点后，留给信号系统的调试点往往极其有限，同时还需协调地面和车辆在同一天进行调试，导致在不影响正常运营的前提下，整体调试时间也极其有限；

(2)既有线路在建设阶段往往没有考虑未来改造期间的施工需求，导致机房空间有限、机房内供电能力不足以支撑另一套信号系统，所以改造期间同时布置两套设备难度较大、可能带来大量额外成本；

(3)既有线路轨旁设备众多、线缆铺设极其复杂，尤其准移动闭塞制式线路不仅设备和线缆众多，而且由于轨道电路系统和应答器系统、环线系统等同时存在，导致轨旁电磁兼容环境恶劣，对增设CBTC系统所必需的的轨旁设备将产生极大的不利影响。

综上所述，使用基于CBTC的列控系统进行既有线改造，改造成本和工程实施难度将远远高于新线建设。因此，需要一种架构更为精简的列车控制系统，通过降低对地面设备的依赖，来解决目前轨道交通面临的改造困境，即基于车车通信技术的城轨列车运行控制系统（VBTC）。

系统架构

VBTC系统包括智能列车监控系统(ITS)、无线管理集散控制系统(DCS)、对象控制器(OC)、车载控制器(IVOC)、列车鹰眼系统以及轨旁设备等系统组成。按照逻辑功能及布置地点的不同分为四层：中心层、车站层、轨旁层以及车载层，具体系统架构图见图2。

图2 车车通信列控系统架构

中心层：全线只配置一个智能列车监控系统ITS。ITS负责下发运营计划给车载，同时接收各个列车的状态信息，另外在列车请求救援时可调度附近列车实施虚拟连挂救援。

车站层：在每个车站配置一套对象控制器OC，负责接收车载和ITS的轨旁对象资源控制命令（包括道岔、PSD、站台紧急停车按钮），实现轨旁对象状态的采集和控制。对象控制器通过无线通信或DCS骨干网与列车、ITS实时双向通信，向列车和ITS提供采集到的轨旁对象状态。对象控制器接收并响应列车、ITS的命令，对管辖轨旁对象进行权限分配，并根据命令和权限的分配情况对道岔、屏蔽门等设备进行操控。

轨旁层：轨旁不设置有源应答器，区间不设置计轴和信号机。

车载层：车载设备为车车通信的核心设备，车载控制器通过雷达、速度传感器等设备实现列车测速，采用地面应答器以及速度积分等，实现列车自主定位；通过头尾贯通线实现完整性自检测；利用无线通信传输实时地进行列车与列车、列车与地面之间的双向通信。通过与前车的实时通信获得前车的位置以及驾驶模式等信息，通过车地通信接收轨旁道岔、屏蔽门、紧急停车按钮等状态信息，计算列车的自身移动授权/允许运行速度和制动干预曲线，输出牵引和制动控制列车运行，实现移动闭塞运行控制，保证列车安全运行。后备情况下，列车采用列车鹰眼系统主动感知SIL4继续运行，有效的避免了既有系统故障后，系统能力发生断崖式下降。

系统特征

VBTC列控系统突破了目前所有轨道交通列控系统均依赖于车站和轨旁设备实现列车运行控制的固有模式，完全依靠车载实现列车控制，符合列控系统的发展趋势和方向，具有三大典型特征：

（一）设备进一步精简

VBTC列控系统以车载控制器为核心，最大程度缩减地面设备，方便线路设备布置。地面设备中去除了ZC、联锁、LEU及可变应答器，减少了区间计轴和信号机，仅通过对象控制器实现列车与轨旁设备的信息交互。简化了轨旁设备并且缩短了数据交互周期和复杂度。列车不再通过ZC获取运行信息，车载控制器可自主规划安全运行路径和计算MA，实现列车快捷的运行控制。通过精简车站及轨旁设备，减少了投资和维护成本。施工、调试、用电、设备用房等成本均相应降低，系统主要设备建设、维护和调试集中在车载，可在车辆段日间工作，减少了夜间安装调试工作，解决现有CBTC系统改造成本高，维护成本大的问题。车车通信系统以车载控制器为核心，全生命周期成本降低22%以上。

（二）能力进一步提升

VBTC列控系统突破传统的区域控制器集中式的列车运行控制理论，建立全新的以列车自主控制为核心的系统控制模型。突破传统CBTC系统结构为列车-地面-列车的列车运行控制方式，列车和列车之间直接通信，通过车-车通信获取前车实时状态（位置、速度、加速度等），结合对前车行驶轨迹的预测，计算两车不发生位移重合的安全防护速度，使其能够根据跟随车的制动率匹配其减速度，从而实现基于相对速度制动追踪模型的安全防护（撞软墙）。这样就可以在保证列车前后方安全距离的基础上，两个相邻的列车就能以允许最大的速度和较小的间隔运行。车车通信列控系统正线追踪间隔相较CBTC系统缩短11%，达到80s,折返间隔降低29%，达到85s,大大提升了运营效率。

图3 车车通信列控系统“撞软墙”相对速度追踪原理

（三）后备系统进一步完善

既有车车通信系统方案在信号系统故障后需要司机人工驾驶，无独立后备系统。VBTC列控系统新增完善的后备系统， 后备级别下通过高可靠激光雷达+毫米波雷达+机器视觉+惯性测量单元（IMU）+AI人工智能深度学习算法对周围环境进行高可靠感知，可以在视距范围内对轨行区的车辆、行人、小障碍物、信号机状态进行有效识别和防护，完成列车到目标物体间距离的计算，判断碰撞风险并监控制动距离，计算相应的列车控制指令，向车辆牵引、制动子系统输出相应的控制指令。保证在通信、地面系统等完全故障情况下，仍能够维持基本运行能力，实现SIL4级列车安全防护及运行控制，提高降级模式下列车运行效率。车车通信列控系统在主用系统故障情况下，后备恢复时间平均缩短40%以上，解决了信号系统故障情况下，中心调度员无法快速掌握现场列车运行情况；以及司机人工驾驶的安全和效率无法保证的问题。

图4 车车通信列控系统与传统CBTC系统后备处理过程比较

未来展望

基于车车通信的列控系统能够在建设、维护、改造等轨道交通全生命周期降低成本，满足运能进一步提升的要求，通过完善的后备系统满足信号系统故障情况下韧性恢复的要求，是以后轨道技术发展的方向。

在此基础上，第5代车车通信列控系统将作为第6代自主虚拟编组运行系统的基础技术之一，面向轨道交通网络化建设及运营的痛点及需求，结合5G、云计算、物联网、人工智能、大数据等新兴信息技术，涵盖车车通信、网络化智能调度指挥、自主感知运行、虚拟灵活编组、车辆信号一体化平台及轨旁新型基础设施等，将进一步提升运营安全水平及乘客服务质量，降低建设及运营成本，实现路网客流-车流匹配及乘客的无缝出行服务，提升城市公共交通通行效率，满足乘客出行方式的多样化需求。

图5 第6代AVCOS系统逻辑架构

目前，交控科技股份有限公司自主研发的基于车车通信的列车运行控制系统最新成果正在2021北京国际城市轨道交通展览会暨高峰论坛（2021年10月9日-11日，中国国际展览中心）2号馆2301展位展示，欢迎大家莅临参观！

图6 交控科技股份有限公司展台