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隨著我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的快速發(fā)展和推動(dòng)，信號(hào)系統(tǒng)不斷進(jìn)行代際迭代和創(chuàng)新。從最初的第1代固定閉塞和第2代準(zhǔn)移動(dòng)閉塞為起點(diǎn)，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了第3代CBTC系統(tǒng)、3.5代互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)、第4代全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（FAO）以及第4.5代互聯(lián)互通FAO系統(tǒng)的研發(fā)和落地應(yīng)用，逐漸由“跟跑”追趕到“并跑”，且逐漸有了“領(lǐng)跑”的趨勢(shì)。
我國(guó)城軌信號(hào)系統(tǒng)快速發(fā)展，采用CBTC信號(hào)系統(tǒng)的線路規(guī)模也在逐年擴(kuò)大。既有線路逐漸開始到達(dá)15年左右的大修或者改造年限，一大批改造需求應(yīng)運(yùn)而生。面對(duì)大量的改造需求，如果使用基于CBTC的列控系統(tǒng)進(jìn)行改造，將存在以下問題：(1)改造工程實(shí)施期間要盡量保證正常運(yùn)營(yíng)，只能在夜間調(diào)試點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。但除去例行維護(hù)、故障維修及其他專業(yè)調(diào)試點(diǎn)后，留給信號(hào)系統(tǒng)的調(diào)試點(diǎn)往往極其有限，同時(shí)還需協(xié)調(diào)地面和車輛在同一天進(jìn)行調(diào)試，導(dǎo)致在不影響正常運(yùn)營(yíng)的前提下，整體調(diào)試時(shí)間也極其有限；(2)既有線路在建設(shè)階段往往沒有考慮未來改造期間的施工需求，導(dǎo)致機(jī)房空間有限、機(jī)房?jī)?nèi)供電能力不足以支撐另一套信號(hào)系統(tǒng)，所以改造期間同時(shí)布置兩套設(shè)備難度較大、可能帶來大量額外成本；(3)既有線路軌旁設(shè)備眾多、線纜鋪設(shè)極其復(fù)雜，尤其準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式線路不僅設(shè)備和線纜眾多，而且由于軌道電路系統(tǒng)和應(yīng)答器系統(tǒng)、環(huán)線系統(tǒng)等同時(shí)存在，導(dǎo)致軌旁電磁兼容環(huán)境惡劣，對(duì)增設(shè)CBTC系統(tǒng)所必需的的軌旁設(shè)備將產(chǎn)生極大的不利影響。綜上所述，使用基于CBTC的列控系統(tǒng)進(jìn)行既有線改造，改造成本和工程實(shí)施難度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新線建設(shè)。因此，需要一種架構(gòu)更為精簡(jiǎn)的列車控制系統(tǒng)，通過降低對(duì)地面設(shè)備的依賴，來解決目前軌道交通面臨的改造困境，即基于車車通信技術(shù)的城軌列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（VBTC）。
系統(tǒng)架構(gòu)
VBTC系統(tǒng)包括智能列車監(jiān)控系統(tǒng)(ITS)、無線管理集散控制系統(tǒng)(DCS)、對(duì)象控制器(OC)、車載控制器(IVOC)、列車鷹眼系統(tǒng)以及軌旁設(shè)備等系統(tǒng)組成。按照邏輯功能及布置地點(diǎn)的不同分為四層：中心層、車站層、軌旁層以及車載層，具體系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2。
圖2 車車通信列控系統(tǒng)架構(gòu)
中心層：全線只配置一個(gè)智能列車監(jiān)控系統(tǒng)ITS。ITS負(fù)責(zé)下發(fā)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃給車載，同時(shí)接收各個(gè)列車的狀態(tài)信息，另外在列車請(qǐng)求救援時(shí)可調(diào)度附近列車實(shí)施虛擬連掛救援。車站層：在每個(gè)車站配置一套對(duì)象控制器OC，負(fù)責(zé)接收車載和ITS的軌旁對(duì)象資源控制命令（包括道岔、PSD、站臺(tái)緊急停車按鈕），實(shí)現(xiàn)軌旁對(duì)象狀態(tài)的采集和控制。對(duì)象控制器通過無線通信或DCS骨干網(wǎng)與列車、ITS實(shí)時(shí)雙向通信，向列車和ITS提供采集到的軌旁對(duì)象狀態(tài)。對(duì)象控制器接收并響應(yīng)列車、ITS的命令，對(duì)管轄軌旁對(duì)象進(jìn)行權(quán)限分配，并根據(jù)命令和權(quán)限的分配情況對(duì)道岔、屏蔽門等設(shè)備進(jìn)行操控。軌旁層：軌旁不設(shè)置有源應(yīng)答器，區(qū)間不設(shè)置計(jì)軸和信號(hào)機(jī)。車載層：車載設(shè)備為車車通信的核心設(shè)備，車載控制器通過雷達(dá)、速度傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車測(cè)速，采用地面應(yīng)答器以及速度積分等，實(shí)現(xiàn)列車自主定位；通過頭尾貫通線實(shí)現(xiàn)完整性自檢測(cè)；利用無線通信傳輸實(shí)時(shí)地進(jìn)行列車與列車、列車與地面之間的雙向通信。通過與前車的實(shí)時(shí)通信獲得前車的位置以及駕駛模式等信息，通過車地通信接收軌旁道岔、屏蔽門、緊急停車按鈕等狀態(tài)信息，計(jì)算列車的自身移動(dòng)授權(quán)/允許運(yùn)行速度和制動(dòng)干預(yù)曲線，輸出牽引和制動(dòng)控制列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞運(yùn)行控制，保證列車安全運(yùn)行。后備情況下，列車采用列車鷹眼系統(tǒng)主動(dòng)感知SIL4繼續(xù)運(yùn)行，有效的避免了既有系統(tǒng)故障后，系統(tǒng)能力發(fā)生斷崖式下降。系統(tǒng)特征VBTC列控系統(tǒng)突破了目前所有軌道交通列控系統(tǒng)均依賴于車站和軌旁設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制的固有模式，完全依靠車載實(shí)現(xiàn)列車控制，符合列控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和方向，具有三大典型特征：
（一）設(shè)備進(jìn)一步精簡(jiǎn)VBTC列控系統(tǒng)以車載控制器為核心，最大程度縮減地面設(shè)備，方便線路設(shè)備布置。地面設(shè)備中去除了ZC、聯(lián)鎖、LEU及可變應(yīng)答器，減少了區(qū)間計(jì)軸和信號(hào)機(jī)，僅通過對(duì)象控制器實(shí)現(xiàn)列車與軌旁設(shè)備的信息交互。簡(jiǎn)化了軌旁設(shè)備并且縮短了數(shù)據(jù)交互周期和復(fù)雜度。列車不再通過ZC獲取運(yùn)行信息，車載控制器可自主規(guī)劃安全運(yùn)行路徑和計(jì)算MA，實(shí)現(xiàn)列車快捷的運(yùn)行控制。通過精簡(jiǎn)車站及軌旁設(shè)備，減少了投資和維護(hù)成本。施工、調(diào)試、用電、設(shè)備用房等成本均相應(yīng)降低，系統(tǒng)主要設(shè)備建設(shè)、維護(hù)和調(diào)試集中在車載，可在車輛段日間工作，減少了夜間安裝調(diào)試工作，解決現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)改造成本高，維護(hù)成本大的問題。車車通信系統(tǒng)以車載控制器為核心，全生命周期成本降低22%以上。
（二）能力進(jìn)一步提升
VBTC列控系統(tǒng)突破傳統(tǒng)的區(qū)域控制器集中式的列車運(yùn)行控制理論，建立全新的以列車自主控制為核心的系統(tǒng)控制模型。突破傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為列車-地面-列車的列車運(yùn)行控制方式，列車和列車之間直接通信，通過車-車通信獲取前車實(shí)時(shí)狀態(tài)（位置、速度、加速度等），結(jié)合對(duì)前車行駛軌跡的預(yù)測(cè)，計(jì)算兩車不發(fā)生位移重合的安全防護(hù)速度，使其能夠根據(jù)跟隨車的制動(dòng)率匹配其減速度，從而實(shí)現(xiàn)基于相對(duì)速度制動(dòng)追蹤模型的安全防護(hù)（撞軟墻）。這樣就可以在保證列車前后方安全距離的基礎(chǔ)上，兩個(gè)相鄰的列車就能以允許最大的速度和較小的間隔運(yùn)行。車車通信列控系統(tǒng)正線追蹤間隔相較CBTC系統(tǒng)縮短11%，達(dá)到80s,折返間隔降低29%，達(dá)到85s,大大提升了運(yùn)營(yíng)效率。
圖3 車車通信列控系統(tǒng)“撞軟墻”相對(duì)速度追蹤原理
（三）后備系統(tǒng)進(jìn)一步完善
既有車車通信系統(tǒng)方案在信號(hào)系統(tǒng)故障后需要司機(jī)人工駕駛，無獨(dú)立后備系統(tǒng)。VBTC列控系統(tǒng)新增完善的后備系統(tǒng)， 后備級(jí)別下通過高可靠激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)+機(jī)器視覺+慣性測(cè)量單元（IMU）+AI人工智能深度學(xué)習(xí)算法對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行高可靠感知，可以在視距范圍內(nèi)對(duì)軌行區(qū)的車輛、行人、小障礙物、信號(hào)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行有效識(shí)別和防護(hù)，完成列車到目標(biāo)物體間距離的計(jì)算，判斷碰撞風(fēng)險(xiǎn)并監(jiān)控制動(dòng)距離，計(jì)算相應(yīng)的列車控制指令，向車輛牽引、制動(dòng)子系統(tǒng)輸出相應(yīng)的控制指令。保證在通信、地面系統(tǒng)等完全故障情況下，仍能夠維持基本運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)SIL4級(jí)列車安全防護(hù)及運(yùn)行控制，提高降級(jí)模式下列車運(yùn)行效率。車車通信列控系統(tǒng)在主用系統(tǒng)故障情況下，后備恢復(fù)時(shí)間平均縮短40%以上，解決了信號(hào)系統(tǒng)故障情況下，中心調(diào)度員無法快速掌握現(xiàn)場(chǎng)列車運(yùn)行情況；以及司機(jī)人工駕駛的安全和效率無法保證的問題。
圖4 車車通信列控系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)后備處理過程比較
未來展望基于車車通信的列控系統(tǒng)能夠在建設(shè)、維護(hù)、改造等軌道交通全生命周期降低成本，滿足運(yùn)能進(jìn)一步提升的要求，通過完善的后備系統(tǒng)滿足信號(hào)系統(tǒng)故障情況下韌性恢復(fù)的要求，是以后軌道技術(shù)發(fā)展的方向。
在此基礎(chǔ)上，第5代車車通信列控系統(tǒng)將作為第6代自主虛擬編組運(yùn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，面向軌道交通網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的痛點(diǎn)及需求，結(jié)合5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)，涵蓋車車通信、網(wǎng)絡(luò)化智能調(diào)度指揮、自主感知運(yùn)行、虛擬靈活編組、車輛信號(hào)一體化平臺(tái)及軌旁新型基礎(chǔ)設(shè)施等，將進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)安全水平及乘客服務(wù)質(zhì)量，降低建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)客流-車流匹配及乘客的無縫出行服務(wù)，提升城市公共交通通行效率，滿足乘客出行方式的多樣化需求。
