CBTC系统早在上世纪80年代中期就被应用于城市轨道交通线路[1]，21世纪初，我国引进了CBTC系统，并实现了对CBTC系统的引进、消化与吸收。经过十余年的大规模建设，多个城市已经形成了较大规模的城市轨道交通网络，如何适应大规模城市轨道交通线网的建设运营需求，已成为CBTC系统演进过程中必须考虑的问题。与此同时，十余年间，云计算、IoT（物联网）技术和安全电子系统设计理论都有了长足的进步，这些技术与CBTC系统融合，可改善系统的可用性、可维护、安全性，降低成本，以及对互联互通的支持，提高CBTC系统针对大规模线网建设、运营和改造的适应性。

（一）传统CBTC系统应用现状

传统的CBTC系统通常是在以联锁系统为核心的列车运行控制系统的基础上发展起来的，通过新增ZC设备为CBTC模式的列车计算移动授权；联锁系统采用继电执行单元，并通过硬线驱动轨旁设备并采集轨旁设备状态；列车装备VOBC（车载控制器）设备，用于实现ATP（列车自动防护）和ATO（列车制动运行）功能；车-地通信系统通常采用基于WLAN或LTE-M的无线通信系统；系统参考铁路“电气集中”概念，将全线划分为多个集中区，每个集中区包含一个集中站和集中站两侧的数个非集中站，集中区对应的联锁、ZC和通信系统接入设备统一设置于集中站信号设备机械室内。

传统的CBTC系统技术较为成熟，被业界广泛采用。但在随着线网规模的日益扩大，传统的CBTC系统也暴露出一些弊端，主要表现以下几个方面。

1）系统设备布署分散，运维难度大

系统设备分散部署在中心机房，集中站信号设备机械室和列车设备柜内。在中心，各集中站和车辆基地内，均需配备运维人员值守，并配置备件库，供应链和人员压力较大。

2）车载设备工作条件严苛，可靠性提升存在瓶颈

车载设备需要在振动大，温度范围宽（通常为-40℃至55℃），散热困难，电磁环境复杂，功率受限的严苛环境下工作，在系统业务对车载设备算力要求日益提高的背景下，难以实现算力与可靠性的平衡。

3）电气集中体制硬线控制消耗电缆多，建设成本高

传统CBTC系统为电气集中体制，线路被划分为多个集中区，每个集中区包含一个集中站和若干个非集中站，管辖范围在数km左右，集中站联锁设备，无论是否采用电子执行单元，与集中区内轨旁设备间采用硬线连接，消耗大量电缆。以屏蔽门设备为例，通常非集中站每侧屏蔽门需要一条16芯的电缆与集中站相连，仅此一项，消耗的电缆长度可达线路长度的1.4至2倍。

4）部分系统设备安全性存在短板

部分与信号系统直接接口的系统，如站台门系统所使用的控制器，通常没有通过安全认证或只通过SIL2/3级安全认证,对于FAO线路而言，安全性方面存在不足。

5）系统升级改造困难

系统升级改造的困难，主要体现在车载改造方面。通常线路改造时需要更换VOBC设备，由于VOBC设备需要装载线路电子地图数据，为了测试其功能的完备性，需要在正线上进行全线运行测试，对于边运营边改造的线路，为了不影响运营，列车必须装备新旧两套VOBC设备，在测试阶段倒换到新设备，测试完成后倒回以保证第二天的正常运营。无论是采用新旧设备兼容共存的改造方案[3]，还是基于TACS（列车自主控制系统）的改造方案[4]，均需花费大量时间进行正线运行测试，不仅过程繁琐，且每次测试均需要在新旧系统间倒换存在较大的安全隐患。

6）难以支持大规模线网的互联互通

传统的CBTC系统受制于早期车-地通信系统的带宽，需要在VOBC中存储线路电子地图数据。为支持大规模线网的互联互通，VOBC需要存储全部互通线路的电子地图数据，但受限于VOBC的存储容量，这种存储电子地图的方案仅适用于小规模线路间互联互通。针对大规模线网互联互通的电子地图实时下载[5]方案，由于受到车载控制器算力、车-地无线通信网络可靠性等因素的制约，易造成电子地图数据下载失败，从而影响列车运行。相较之下，TACS系统对车载电子地图的依赖比传统CBTC系统更大，对大规模线网的互联互通适应性更差。

为改善传统CBTC系统存在的上述问题，作者认为，应对CBTC系统方案进行变革，借鉴云计算与IoT技术，通过云边协同，提高CBTC系统对于大规模线网化运营的适应性。

（二）EC-CBTC系统架构

1）中心云平台

中心云平台统一部署于控制中心，其中包括ATS（列车自动监控）、TC（列车控制器）和WSC（轨旁控制器）子系统模块。

其中ATS子系统模块部署在中心云平台非实时安全集群中，功能与传统CBTC系统中ATS子系统的功能基本一致。

TC子系统模块是将CBTC系统或TACS中VOBC的控制部分独立出来，部署在中心云平台的实时安全集群中。而在列车上中仅保留IO和少量必须的安全防护功能。

WSC子系统模块部署在中心云平台的实时安全集群中，功能与传统CBTC系统中的CI-ZC一体化[6]系统或TACS中的RMC[7]（资源管理控制器，负责故障列车的运行管理）基本相同。

中心云平台实时安全集群中还包括RTDB（实时数据库），非实时安全进群则包括RDB（关系数据库），RTDB和RDB引入，使得中心云平台中的安全应用无状态化，在主备切换时无需进行数据同步，不仅切换速度快，同时避免了数据不一致带来的潜在风险。

2）边缘控制器

边缘控制器包括WSEC（轨旁边缘控制器）和OBEC（车载边缘控制器）两类。

WSEC和OBEC均为小型安全控制器，全完整性等级应达到SIL4级，也可基于SIL4级的PLC（可编程逻辑控制器）实现。

每个车站均部署WSEC，用于控制轨旁设备，包括道岔、信号机、各类按钮、站台门[8]等。在EC-CBTC中，车站不再有集中站和非集中站的区别。

WSEC也可以灵活的直接部署在轨旁，通过有线或无线通信接入EC-CBTC系统，实现轨旁设备的就近控制。

列车上部署OBEC，主要功能包括车载传感器采集（包括速度传感器和各类监测传感器），车辆接口数据采集，控制指令发送，车-地通信管理和必要的安全防护功能。

3）通信系统

EC-CBTC系统中的列车运动控制是在部署于中心云安全集群中的TC子系统模块中实现的，车-地通信网络涉及牵引、制动一类的高实时性信号。因此，EC-CBTC所采用的地面网络和车-地无线网络，采用基于5G融合TSN的低时延确定性网络。其中，5GC（5G核心网）可以部署在中心非实时安全集群中。

EC-CBTC系统架构如图1所示。

注：ATS-列车自动监控；5GC-5G核心网；
WSC-轨旁控制器；TC-列车控制器；
RTDB-实时数据库；RDB-关系数据库
WSEC-轨旁边缘控制器；RRU-无线拉远单元；
CU/DU-（5G网络）中心单元/分布单元；
OBEC-车载边缘控制器；VI-车辆接口；
PS-定位系统；OBRU-车载无线单元；
HMI-人机界面；TSN-时间敏感网络。

图1 EC-CBTC系统架构

（三）EC-CBTC系统的优势

与传统CBTC系统和TACS系统相比，EC-CBTC系统具有下列优势：

1）系统易于运维，有效提高可用性。

EC-CBTC系统绝大部设备均部署在中心云平台中，从而实现集中运维，改善了可维护性。维修中心云平台中的计算单元，直接更换预先烧写程序的板卡即可，无需烧写或同步数据，任何一块板卡都可在数分钟之内更换完毕，有效提高了系统可用性。

2）列车控制器无需承受严苛工作环境，可靠性高。

列车控制器（TC）部署在中心云实时安全集群中，地面机房的环境远优于车载设备的工作环境，因此TC设备可以在采用高性能硬件，同时达到较高可靠性，为开发算力需求较高的智能功能奠定基础。

轨旁集中部署改善了系统设备的工作环境，提高了可靠性，和集中运维改善了系统的可维护性和可用性，通过上述两项措施，可减少备品备件的库存，降低运维人力消耗，从而有效降低运维成本。

3）边缘控制器分布式部署节约控制电缆，中心云平台和边缘控制器可采用COTS（商业现货）硬件，降低建设和改造成本。

WSEC设备既可以部署在每个车站信号设备室，直接驱动本站范围内的轨旁设备并采集设备状态，也可以部署在轨旁，就近驱动轨旁设备并采集设备状态，无需通过硬线连接相邻车站，节省大量控制电缆，有利于降低建设成本。仅屏蔽门控制电缆一项，一条线路即可节约数百万元。

此外，EC-CBTC系统还可以通过采用COTS的方式节约建设和改造成本。工业控制计算机和PLC等设备的成本，远低于基于专用硬件的安全计算机。

4）易于升级改造。

相比传统的CBTC系统，EC-CBTC系统车载设备较为简单，OBEC只根据TC发送的控制命令驱动列车，并采集传感器状态发送给TC；OBEC不装载线路电子地图且本身是无状态设备，因此，在改造过程中，只需在试车线对OBEC设备与TC设备的接口进行测试，原则上测试通过后，列车即可上线运行。预计改造过程中可减少列车上线调试时间50%以上。

5）边缘控制器均为SIL（安全完整性等级）4级，有利于提高系统安全性。

所有WSEC，OBEC设备安全完整性等级均为SIL4级。站台门等设备厂商亦可以基于SIL4级WSEC设备的统一开发平台开发站台门控制器。WSEC设备可以直驱站台门DCU（门控单元），同时兼顾各种按钮状态的采集[7]，有利于提高系统安全性。

6）支持大规模线网的互联互通

WSC与TC的功能可以根据需求进行灵活分配，既可以支持传统的CBTC方案，也可以支持TACS方案。

传统的CBTC方案由于严重依赖车载线路电子地图数据，TACS系统对车载线路电子地图数据的依赖更甚，这两种系统均无法支持大规模线网的互联互通运行，为支持大规模线网的互联互通运行，需要采用类似于CTCS（中国列车控制系统）的VOBC不装载线路电子地图的CBTC系统，否则，每次新线路加入，互联互通范围内运行的列车均需更新车载电子地图数据，在大规模线网中将导致不可接受的工作量，高昂的管理成本和较高的安全风险。但EC-CBTC系统中不存在这一问题，EC-CBTC系统控制列车运行的TC设备全部集中部署在中心云平台实时安全集群中，这些TC设备可以通过共享统一的线路电子地图存储设备实现统一更新，为支持大范围互联互通奠定了基础。

参考文献

[1] JAHANZEB Farooq，JOSÉ Soler. Radio communication for Communications-Based Train Control (CBTC): A tutorial and survey [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017.19(3): 1377.
[2] 韩冰倩，宿秀元，全电子联锁系统开发与应用研究[J]，铁路通信信号工程技术，2022（8）：92
[3] 朱莉，城市轨道交通信号系统改造方案研究，城市轨道交通研究， 2021（4）：118
[4] 倪尉，TACS 系统在城市轨道交通信号系统更新改造工程中的应用研究，铁道通信信号，2022（8）：73
[5] 通号城市轨道交通技术有限公司，一种CBTC系统电子地图实时传输方法，CN 111866739 A [P]，2020.06.30
[6] 姜庆阳，城市轨道交通CBTC系统精简化研究[J]，现代城市轨道交通，2020(10)：53.
[7] 高翔，刘会明，新一代CBTC系统关键技术发展研究[J]，城市轨道交通研究，2022（7）：80
[8] 上海电气泰雷兹交通自动化系统有限公司，一种分布式站台门控制器，CN 215679124 U [P]，2022.01.28