随着我國(guó)城市軌道(dào)交通技術的(de)快速發展和(hé / huò)推動，信号系統不(bù)斷進行代際叠代和(hé / huò)創新。從最初的(de)第1代固定閉塞和(hé / huò)第2代準移動閉塞爲(wéi / wèi)起點，陸續實現了(le／liǎo)第3代CBTC系統、3.5代互聯互通CBTC系統、第4代全自動運行系統（FAO）以(yǐ)及第4.5代互聯互通FAO系統的(de)研發和(hé / huò)落地(dì / de)應用，逐漸由“跟跑”追趕到(dào)“并跑”，且逐漸有了(le／liǎo)“領跑”的(de)趨勢。

我國(guó)城軌信号系統快速發展，采用CBTC信号系統的(de)線路規模也(yě)在(zài)逐年擴大(dà)。既有線路逐漸開始到(dào)達15年左右的(de)大(dà)修或者改造年限，一(yī / yì ／yí)大(dà)批改造需求應運而(ér)生。面對大(dà)量的(de)改造需求，如果使用基于(yú)CBTC的(de)列控系統進行改造，将存在(zài)以(yǐ)下問題：(1)改造工程實施期間要(yào / yāo)盡量保證正常運營，隻能在(zài)夜間調試點進行系統調試。但除去例行維護、故障維修及其他(tā)專業調試點後，留給信号系統的(de)調試點往往極其有限，同時(shí)還需協調地(dì / de)面和(hé / huò)車輛在(zài)同一(yī / yì ／yí)天進行調試，導緻在(zài)不(bù)影響正常運營的(de)前提下，整體調試時(shí)間也(yě)極其有限；(2)既有線路在(zài)建設階段往往沒有考慮未來(lái)改造期間的(de)施工需求，導緻機房空間有限、機房内供電能力不(bù)足以(yǐ)支撐另一(yī / yì ／yí)套信号系統，所以(yǐ)改造期間同時(shí)布置兩套設備難度較大(dà)、可能帶來(lái)大(dà)量額外成本；(3)既有線路軌旁設備衆多、線纜鋪設極其複雜，尤其準移動閉塞制式線路不(bù)僅設備和(hé / huò)線纜衆多，而(ér)且由于(yú)軌道(dào)電路系統和(hé / huò)應答器系統、環線系統等同時(shí)存在(zài)，導緻軌旁電磁兼容環境惡劣，對增設CBTC系統所必需的(de)的(de)軌旁設備将産生極大(dà)的(de)不(bù)利影響。綜上(shàng)所述，使用基于(yú)CBTC的(de)列控系統進行既有線改造，改造成本和(hé / huò)工程實施難度将遠遠高于(yú)新線建設。因此，需要(yào / yāo)一(yī / yì ／yí)種架構更爲(wéi / wèi)精簡的(de)列車控制系統，通過降低對地(dì / de)面設備的(de)依賴，來(lái)解決目前軌道(dào)交通面臨的(de)改造困境，即基于(yú)車車通信技術的(de)城軌列車運行控制系統（VBTC）。

系統架構

VBTC系統包括智能列車監控系統(ITS)、無線管理集散控制系統(DCS)、對象控制器(OC)、車載控制器(IVOC)、列車鷹眼系統以(yǐ)及軌旁設備等系統組成。按照邏輯功能及布置地(dì / de)點的(de)不(bù)同分爲(wéi / wèi)四層：中心層、車站層、軌旁層以(yǐ)及車載層，具體系統架構圖見圖2。

圖2 車車通信列控系統架構

中心層：全線隻配置一(yī / yì ／yí)個(gè)智能列車監控系統ITS。ITS負責下發運營計劃給車載，同時(shí)接收各個(gè)列車的(de)狀态信息，另外在(zài)列車請求救援時(shí)可調度附近列車實施虛拟連挂救援。車站層：在(zài)每個(gè)車站配置一(yī / yì ／yí)套對象控制器OC，負責接收車載和(hé / huò)ITS的(de)軌旁對象資源控制命令（包括道(dào)岔、PSD、站台緊急停車按鈕），實現軌旁對象狀态的(de)采集和(hé / huò)控制。對象控制器通過無線通信或DCS骨幹網與列車、ITS實時(shí)雙向通信，向列車和(hé / huò)ITS提供采集到(dào)的(de)軌旁對象狀态。對象控制器接收并響應列車、ITS的(de)命令，對管轄軌旁對象進行權限分配，并根據命令和(hé / huò)權限的(de)分配情況對道(dào)岔、屏蔽門等設備進行操控。軌旁層：軌旁不(bù)設置有源應答器，區間不(bù)設置計軸和(hé / huò)信号機。車載層：車載設備爲(wéi / wèi)車車通信的(de)核心設備，車載控制器通過雷達、速度傳感器等設備實現列車測速，采用地(dì / de)面應答器以(yǐ)及速度積分等，實現列車自主定位；通過頭尾貫通線實現完整性自檢測；利用無線通信傳輸實時(shí)地(dì / de)進行列車與列車、列車與地(dì / de)面之(zhī)間的(de)雙向通信。通過與前車的(de)實時(shí)通信獲得前車的(de)位置以(yǐ)及駕駛模式等信息，通過車地(dì / de)通信接收軌旁道(dào)岔、屏蔽門、緊急停車按鈕等狀态信息，計算列車的(de)自身移動授權/允許運行速度和(hé / huò)制動幹預曲線，輸出(chū)牽引和(hé / huò)制動控制列車運行，實現移動閉塞運行控制，保證列車安全運行。後備情況下，列車采用列車鷹眼系統主動感知SIL4繼續運行，有效的(de)避免了(le／liǎo)既有系統故障後，系統能力發生斷崖式下降。系統特征VBTC列控系統突破了(le／liǎo)目前所有軌道(dào)交通列控系統均依賴于(yú)車站和(hé / huò)軌旁設備實現列車運行控制的(de)固有模式，完全依靠車載實現列車控制，符合列控系統的(de)發展趨勢和(hé / huò)方向，具有三大(dà)典型特征：

（一(yī / yì ／yí)）設備進一(yī / yì ／yí)步精簡VBTC列控系統以(yǐ)車載控制器爲(wéi / wèi)核心，最大(dà)程度縮減地(dì / de)面設備，方便線路設備布置。地(dì / de)面設備中去除了(le／liǎo)ZC、聯鎖、LEU及可變應答器，減少了(le／liǎo)區間計軸和(hé / huò)信号機，僅通過對象控制器實現列車與軌旁設備的(de)信息交互。簡化了(le／liǎo)軌旁設備并且縮短了(le／liǎo)數據交互周期和(hé / huò)複雜度。列車不(bù)再通過ZC獲取運行信息，車載控制器可自主規劃安全運行路徑和(hé / huò)計算MA，實現列車快捷的(de)運行控制。通過精簡車站及軌旁設備，減少了(le／liǎo)投資和(hé / huò)維護成本。施工、調試、用電、設備用房等成本均相應降低，系統主要(yào / yāo)設備建設、維護和(hé / huò)調試集中在(zài)車載，可在(zài)車輛段日間工作，減少了(le／liǎo)夜間安裝調試工作，解決現有CBTC系統改造成本高，維護成本大(dà)的(de)問題。車車通信系統以(yǐ)車載控制器爲(wéi / wèi)核心，全生命周期成本降低22%以(yǐ)上(shàng)。

（二）能力進一(yī / yì ／yí)步提升

VBTC列控系統突破傳統的(de)區域控制器集中式的(de)列車運行控制理論，建立全新的(de)以(yǐ)列車自主控制爲(wéi / wèi)核心的(de)系統控制模型。突破傳統CBTC系統結構爲(wéi / wèi)列車-地(dì / de)面-列車的(de)列車運行控制方式，列車和(hé / huò)列車之(zhī)間直接通信，通過車-車通信獲取前車實時(shí)狀态（位置、速度、加速度等），結合對前車行駛軌迹的(de)預測，計算兩車不(bù)發生位移重合的(de)安全防護速度，使其能夠根據跟随車的(de)制動率匹配其減速度，從而(ér)實現基于(yú)相對速度制動追蹤模型的(de)安全防護（撞軟牆）。這(zhè)樣就(jiù)可以(yǐ)在(zài)保證列車前後方安全距離的(de)基礎上(shàng)，兩個(gè)相鄰的(de)列車就(jiù)能以(yǐ)允許最大(dà)的(de)速度和(hé / huò)較小的(de)間隔運行。車車通信列控系統正線追蹤間隔相較CBTC系統縮短11%，達到(dào)80s,折返間隔降低29%，達到(dào)85s,大(dà)大(dà)提升了(le／liǎo)運營效率。

圖3 車車通信列控系統“撞軟牆”相對速度追蹤原理

（三）後備系統進一(yī / yì ／yí)步完善

既有車車通信系統方案在(zài)信号系統故障後需要(yào / yāo)司機人(rén)工駕駛，無獨立後備系統。VBTC列控系統新增完善的(de)後備系統， 後備級别下通過高可靠激光雷達+毫米波雷達+機器視覺+慣性測量單元（IMU）+AI人(rén)工智能深度學習算法對周圍環境進行高可靠感知，可以(yǐ)在(zài)視距範圍内對軌行區的(de)車輛、行人(rén)、小障礙物、信号機狀态進行有效識别和(hé / huò)防護，完成列車到(dào)目标物體間距離的(de)計算，判斷碰撞風險并監控制動距離，計算相應的(de)列車控制指令，向車輛牽引、制動子(zǐ)系統輸出(chū)相應的(de)控制指令。保證在(zài)通信、地(dì / de)面系統等完全故障情況下，仍能夠維持基本運行能力，實現SIL4級列車安全防護及運行控制，提高降級模式下列車運行效率。車車通信列控系統在(zài)主用系統故障情況下，後備恢複時(shí)間平均縮短40%以(yǐ)上(shàng)，解決了(le／liǎo)信号系統故障情況下，中心調度員無法快速掌握現場列車運行情況；以(yǐ)及司機人(rén)工駕駛的(de)安全和(hé / huò)效率無法保證的(de)問題。

圖4 車車通信列控系統與傳統CBTC系統後備處理過程比較

未來(lái)展望基于(yú)車車通信的(de)列控系統能夠在(zài)建設、維護、改造等軌道(dào)交通全生命周期降低成本，滿足運能進一(yī / yì ／yí)步提升的(de)要(yào / yāo)求，通過完善的(de)後備系統滿足信号系統故障情況下韌性恢複的(de)要(yào / yāo)求，是(shì)以(yǐ)後軌道(dào)技術發展的(de)方向。

在(zài)此基礎上(shàng)，第5代車車通信列控系統将作爲(wéi / wèi)第6代自主虛拟編組運行系統的(de)基礎技術之(zhī)一(yī / yì ／yí)，面向軌道(dào)交通網絡化建設及運營的(de)痛點及需求，結合5G、雲計算、物聯網、人(rén)工智能、大(dà)數據等新興信息技術，涵蓋車車通信、網絡化智能調度指揮、自主感知運行、虛拟靈活編組、車輛信号一(yī / yì ／yí)體化平台及軌旁新型基礎設施等，将進一(yī / yì ／yí)步提升運營安全水平及乘客服務質量，降低建設及運營成本，實現路網客流-車流匹配及乘客的(de)無縫出(chū)行服務，提升城市公共交通通行效率，滿足乘客出(chū)行方式的(de)多樣化需求。