梁 波，唐利华

（1. 湖南中车时代通信信号有限公司，湖南长沙 410100；2. 长沙市轨道交通运营有限公司，湖南长沙 410100）

1 概述

城市轨道交通既有信号系统升级改造是一项复杂工程，将面临诸多挑战。首先，改造后系统的性能要与新线相当，受限于既有线的基础设施，很多问题需要创造性地在有限的条件下加以解决。其次，既要保证旧系统的正常运营，又要兼顾新系统的顺利开通，边运营、边改造， 在新旧系统之间反复倒切的条件下，要在确保安全的同时保证调试效率，这对系统设计与开发、现场实施方案及施工组织等都提出了更高的要求。

基于通信的列车运行控制（CBTC）系统由于发车间隔小、运营效率较高等优势，被广泛应用于国内外城市轨道交通领域。典型的传统CBTC系统架构如图1所示。

传统CBTC系统由列车自动监督系统（ATS）、区域控制器（ZC）、计算机联锁（CI）、车载控制器（VOBC）及应答器等轨旁设备组成，系统功能耦合度高，设备数量众多、接口复杂。在使用传统CBTC系统对既有信号系统进行升级改造时，存在如下问题。

（1）系统功能耦合度高，增加了系统调试的难度。列车运行对ATS和ZC依赖程度高，一旦ATS设备和ZC设备发生故障，列车无法自动运行。

（2）地面控制设备与轨旁设备数量众多，既提高了建设和维护成本，又增加了故障点。

（3）系统接口多且结构复杂，导致项目施工周期长、调试过程繁杂、故障影响范围大。

采用传统CBTC系统对既有信号系统进行升级改造，改造的难度与工作量非常大。

2 基于车 - 车通信的信号系统

基于车-车通信的新一代信号系统采用轨旁线路资源分散、细化管理的理念，对传统CBTC系统架构进行优化，采用LTE-M（LTE Metro）的车-车通信架构，以列车为中心，对系统功能进行重新分配。

2.1 系统架构

基于车-车通信的信号系统架构如图2所示，架构与传统CBTC相同，由控制中心、地面、车载与轨旁4 个部分组成，包括ATS、目标控制器（OC）、VOBC及轨旁应答器与道岔等设备，MA为移动授权。其中地面部分去掉了CI与ZC设备，增加了对线路资源进行管理的OC设备，其他部分与传统CBTC系统相同。

2.2 系统原理

基于车-车通信的信号系统以列车为中心，具备自主路径、自主防护和自主调整功能。系统对传统CBTC的功能进行了重新分配，把移动授权、进路控制、运行调整等原轨旁系统功能集成至VOBC。列车基于ATS的运行计划、OC的资源状态、通过车-车通信获取的前车状态等信息，实现列车的自主路径、自主防护与自主调整等功能。

2.2.1 自主路径

列车自主计算安全路径。VOBC系统提前接收ATS下发的计划运行路径信息，主动从OC获取计划运行路径范围内的线路资源，列车基于线路资源的获取状态自主计算安全运行路径，通常情况下，当列车获得某个资源，为列车计算的安全运行路径终点就可以越过该资源点防护区，延伸至下一未获取到的线路资源点防护区边界，再回撤一定的安全防护距离，从而周期计算出列车的安全运行路径范围。

2.2.2 自主防护

列车基于自主计算的安全路径，识别该安全路径范围内的所有障碍物（包括前车），锁定需要通信的相邻目标列车，并主动与目标列车实时通信交互信息，以获取目标列车的位置、速度及方向等信息。列车基于安全路径、从OC 接收到的轨旁设备状态信息、列车位置信息以及通过车-车间直接通信方式获取到的相邻列车信息，自主计算移动授权和控车防护速度曲线，以确保列车间的安全间隔防护。

2.2.3 自主调整

若列车在实际运行过程中出现晚点或因列车故障导致与计划运行时刻表出现偏差时，目标列车可实时接收ATS自动下发的更新运行计划，也可以接收中心调度员人工下发的调整站停时间、区间运行等级等指令；列车根据更新计划或调整指令，自主调整列车运行路径，自主申请或释放线路资源，以控制列车输出牵引、惰行、制动指令的内容和时机，从而实现列车自主调整。

2.3 系统特点

基于车-车通信的信号系统简化了传统CBTC系统的架构，以列车为中心，减少轨旁设备数量，有效减少信息的通信传输时延，提高控制精度，缩短列车追踪间隔，大幅提升运营效率，在节约建设成本和运营维护成本的同时也使列车更安全、智能、高效、经济，是城市轨道交通列车控制系统的发展方向。系统的主要特点如下。

2.3.1 系统架构优化，控制更优、更安全

系统对传统CBTC系统的功能进行重新分配，把CI与ZC的功能集成到VOBC，地面仅设置与现场设备接口的OC，同时VOBC设备与车辆网络、牵引、制动系统的深度融合，大幅降低了系统间接口的复杂度和交互信息量，优化通信链路，有效减少系统间列控信息的通信传输时延，提高了系统控制精度，使列车在安全、可靠、智能方面有了明显提升。

2.3.2 故障影响减少，系统可用性更高

基于车-车通信的信号系统采用分布控制的策略，以列车为中心，仅需无线网络与OC设备无故障，列车即可正常运行。当单列车故障时，不影响其他列车的正常运行，将单车故障对运营的影响降到最低且能快速恢复，具有更高的可用性。

2.3.3 突破进路限制，运营组织更灵活

基于车-车通信的信号系统突破进路的限制，将线路上的道岔、站台、折返轨等可以正常停车的区域、保护区段都视为线路资源点，以每一个资源点为最小的管理单元，对线路资源进行更精细化管理，为运营提供更加灵活和多样化的运输组织方案。列车根据运行计划对线路上的资源点进行有序的申请与释放，尽量减少线路资源被列车占用的时间，从而大幅提升了线路资源的利用效率，达到缩短列车运行间隔，提高列车旅行速度的效果。

2.3.4 道岔细分管理，提升列车追踪折返效率

基于车-车通信的信号系统对线路资源进行分散管理，将所有的道岔设置为单动道岔，列车获取到某道岔资源后，列车判断通过该道岔防护区后可立即释放该道岔资源，在列车进行追踪折返作业时，可大幅缩短折返间隔时间，提升列车的折返效率。

2.3.5 简化地面设备，便于既有线改造

地面子系统仅保留了OC、ATS设备，轨旁线路仅设置转辙机、无源应答器设备，MA、进路控制、运行调整等核心功能都集成至VOBC，轨旁设备简单，大幅降低系统间接口的复杂度及工程调试难度，大幅减少工程现场调试工作量，这些特征非常有利于既有线路信号系统升级改造，同时也有利于新旧系统倒切时的快速恢复，系统切换的安全风险大幅减少。

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3 基于车 - 车通信的既有系统改造方案

3.1 可行性分析

既有信号系统升级改造，需要在不影响运营、不对土建做改动的情况下，通过对信号系统进行升级，达到提升运能的目的。因此，既有信号系统升级改造主要关注运能、改造周期、新老系统倒切、运营影响及技术先进性等焦点。

基于车-车通信的信号系统满足既有线改造的要求，主要体现如下。

（1）系统较传统CBTC系统整体性能提升30%以上，可以有效地提升运能，满足未来客流增长的要求。

（2）既有线改造的难点是所有作业均需要在夜间停运后进行，设备安装调试时间短，基于车-车通信的信号系统具有轨旁设备少，占用机房面积小等优势，在同等条件下，可缩短1/3的改造工期。

（3）既有线改造一般没有条件进行土建改造，库线一般不能满足全自动运行的要求，基于车-车通信的信号系统安全防护距离更短，对配线要求低，可利用既有配线完成全自动运行模式精确停车，在不升级配线的情况下支持有人或无人值守的全自动运行。

（4）既有线改造如果使用传统CBTC方案，需要复用道岔、信号机、次级检测设备、继电组合等发生更多的关联性（共用或倒切）。基于车-车通信的信号系统由于架构精简，减少了联锁设备、次级检测设备，不与旧系统发生关联，仅仅需要对轨旁道岔和信号机等在分线盘进行切换控制。

（5）既有线改造风险与改造设备的数量、关联度直接相关。风险高低与接口数量、改造工期、调试项数量这几个因素成正比例关系，如接口数量越多，风险越大，其他因素雷同。基于车-车通信的信号系统改造时，只对道岔和少量信号机进行倒切控制，同时采用了全电子执行单元，彻底消除了大量继电器接口改造所带来的风险，全电子执行单元直接通过分线盘与室外道岔、信号机及站台门接口。

（6）按项目改造工期4～5年，改造完成后运营15年计算，从项目开始改造到其生命周期结束，近20年的时间内，改造升级的信号系统要具备一定的先进性。基于车-车通信的信号系统是目前最先进的系统制式，在改造完成后的15年运营期间可以最大程度保持其先进性。

3.2 既有信号系统改造方案

3.2.1 控制中心改造方案

由于既有的信号系统中心设备设备老化，可靠性降低，且不支持移动闭塞，需要在控制中心安装1套新的ATS控制中心设备，主要由应用服务器、通信服务器、协议网关服务器、模拟培训系统、数据库服务器、运行图管理系统、站场监控系统构成。其中，通信服务器负责与乘客信息系统（PIS）、广播系统（PA）、综合监控系统（ISCS）、时钟、无线等非信号系统进行接口，使用既有系统的通信协议与非信号系统通信接口，确保正常交互。既有系统与新系统独立运行，同一时间仅一个系统上电工作，改造系统调试验收后，拆除旧系统设备。

3.2.2 车载设备改造方案

改造工程一般跨度较长，为使列车在改造期间还可以继续正常运营，采用在列车上叠加配置新车载系统的方案，2套系统相互独立，通过倒切装置，确保同一时间只有1套车载系统在运行。

车载设备主要包括ATP、ATO、休眠唤醒单元、应答器传输单元（BTM）及车载数据通信单元。在紧邻司机室车厢内隔出一定空间，安装基于车-车通信的信号系统新机柜；增设临时支架固定速度传感器、雷达传感器、应答器天线、车载天线等外围设备；增加倒切开关对信号与车辆电气接口进行控制，在运营与调试时，倒切至相应的系统工作。

车载设备改造是一个复杂的工程，为避免停运列车过多，可充分利用列车定修、大架修或改造计划对列车进行分批改造，降低对运营的影响。

3.2.3 车站设备改造方案

车站设备改造主要包括OC设备、车站ATS设备及电源等改造。在车站设备室设置OC，对道岔与信号机进行控制，在分线盘上设置倒切装置，对OC与既有系统进行切换，确保同一时间只有1个系统对道岔与信号机进行控制。OC使用电子执行单元替代了传统的继电器，减少设备房屋空间需求，易于扩展，维护简便，冗余配置降低故障率，减少配线数量，施工简单。

由于既有线的ATS设备老化，可靠性降低，且不支持移动闭塞，需要在车站布置1套全新的ATS设备。新的车站ATS设备与既有ATS设备相互独立，调试期间关闭既有ATS车站设备电源，正常运营时，关闭新系统ATS设备电源，2套系统互不影响，改造系统调试验收后，拆除既有的ATS车站设备。

其他设备如电源屏、不间断电源（UPS）、电池柜、信号机、转辙机等既有设备，如果可用，尽量利旧，以降低工程成本。

3.2.4 数据通信系统改造

原有的旧的数据通信系统无法满足移动闭塞的要求，需要建立全新的数据传输系统，为基于车-车通信的信号系统中的ATP、ATO、ATS、OC、维修监测等各子系统提供稳定、可靠、安全的数据传输通道。

数据传输系统（DCS）有线骨干网采用由工业以太网交换机组成的冗余环网进行传输，基于IEEE802.3以太网协议，骨干网可以考虑利旧。DCS系统车-地无线通信方案采用基于3GPP TD-LTE标准的 LTE-M技术进行数据传输，LTE-M采用专用1.8 GHz（1 785～1 805 MHz）无线频段，具有较好的抗干扰能力；具备优先级保障机制，保障最高优先级用户业务的接入和可靠传输；具备自动频率校正能力，可确保200 km/h高速移动场景下的无线链路质量。

3.3 系统调试

新系统的静态调试对线路环境没有要求，可在运营时段进行。单车功能测试、多车追踪测试、系统性能测试及综合联调等工作，由于需要在特定的线路环境中开展，只能在夜间非运营时间进行。在调试期间，每天结束调试时，务必确保恢复既有系统的运行环境，不影响既有系统的正常运行。当新系统通过上述各项测试，具备载客试运营条件后，进行倒切，由新系统向运营提供安全防护，并逐步拆除旧系统与倒切装置。

4 总结

基于车-车通信的信号系统优化了系统架构，控制更安全，突破进路限制，运营组织更灵活，对资源进行细化管理，线路利用率更高，对道岔进行细分管理，提升列车的追踪折返效率，精简了地面设备，降低了改造的难度，缩短了改造工期，相对于传统CBTC系统，基于车-车通信的新型信号系统更适用于既有线改造，为既有信号系统的改造提供了一个更优的选择。