1 前言

在亞洲以及一些新興國(guó)家，特別是在經(jīng)濟(jì)明顯增長(zhǎng)的地區(qū)，隨著社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的穩(wěn)步進(jìn)行，城市鐵路建設(shè)成為不可或缺的一部分，這是目前海外市場(chǎng)的現(xiàn)狀。近年來，作為地鐵等城市鐵路的列車控制形式，CBTC的呼聲較高，不僅在歐美各國(guó)，在亞洲各新興國(guó)家等也得以廣泛應(yīng)用。中國(guó)預(yù)計(jì)到2020年建成總里程達(dá)到7 400 km的地鐵，無線CBTC系統(tǒng)的市場(chǎng)前景是非?？捎^的。

2 CBTC簡(jiǎn)介

談到列車控制方法，ATC（Automatic Train Control）是非常著名的，但CBTC（Communicati on Based Train Control）作為一種基于通信的列車控制方式，也是最近的技術(shù)動(dòng)向之一。I E E E（Institute of Electrical and Electronics Engineers）標(biāo)準(zhǔn)第1474款中規(guī)定，“不通過軌道電路，可以利用高精度對(duì)列車實(shí)行定位”，從而使得“列車和軌旁設(shè)備之間的雙方向、大容量的數(shù)據(jù)通信成為可能”，這樣的列車控制系統(tǒng)稱為CBTC系統(tǒng)。傳統(tǒng)的ATC系統(tǒng)，通過軌道將列車使用的速度信號(hào)從地面?zhèn)魉偷搅熊?，?gòu)成列車控制，從這個(gè)意義上講，也不能說就不是CBTC。但是，ATC的通信是單向傳輸，利用軌道電路實(shí)現(xiàn)定位檢查，傳統(tǒng)的ATC并未包括在CBTC之內(nèi)。因?yàn)榈孛妗熊囍g的通信是大容量、雙方向的傳輸，所以CBTC所說的通信一般指無線通信。由于可以利用高精度對(duì)列車實(shí)行定位，大部分CBTC系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞。CBTC分為在地面無線設(shè)備裝設(shè)天線的空間波方式、使用漏泄同軸電纜（LCX）的LCX方式和使用感應(yīng)線圈的環(huán)線方式?？臻g波方式和LCX方式使用的無線通信多為數(shù)百M(fèi)Hz到數(shù)GHz的頻率，環(huán)線方式使用數(shù)十kHz的頻率。說到無線CBTC，一般指空間波方式。

3 世界各國(guó)的無線CBTC

國(guó)外已經(jīng)開始應(yīng)用幾種無線CBTC系統(tǒng)。在美國(guó)紐約地鐵的卡納西線（23.3 mile、24站、212節(jié)車廂）引進(jìn)了阿爾卡特和西門子的2.4 GHz ISM無線CBTC系統(tǒng)。西班牙馬德里地鐵6號(hào)線（23.5 km、27站、49節(jié)車廂）使用的是龐巴迪生產(chǎn)的Cityflo CBTC系統(tǒng)，該系統(tǒng)也使用的是2.4 GHz ISM頻段的無線CBTC系統(tǒng)。新加坡MRT使用的是阿爾斯通生產(chǎn)的CBTC系統(tǒng)。阿爾斯通與前面兩家公司一樣，也使用ISM頻段，但是除了2.5 GHz外，還有5.8 GHz。使用ISM頻段以外的無線CBTC系統(tǒng)，有以歐洲聯(lián)合體為中心開發(fā)的ERTMS（European Rail Traffic Management System）中ETCS（European Train Control System）的3級(jí)。但是，ETCS3尚未投入實(shí)際使用。雖然ETCS2在地面—列車間使用無線通信，但是它是使用軌道電路和車軸傳感器來獲取位置信息的固定閉塞系統(tǒng)，不符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)第1474條款對(duì)于CBTC的定義。但是，該無線列車控制系統(tǒng)在歐洲已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用。ETCS使用的無線網(wǎng)絡(luò)是將作為手機(jī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的GSM應(yīng)用在鐵路通信上的GSM-R網(wǎng)絡(luò)。

此外，東日本鐵道株式會(huì)社（JR東日本）開發(fā)了ATACS（Advanced Train Administration and Communications System），該無線CBTC系統(tǒng)使用400 MHz頻率的獨(dú)立協(xié)議。

4 日本信號(hào)開發(fā)CBTC的歷史

日本信號(hào)株式會(huì)社（簡(jiǎn)稱“日本信號(hào)”）開發(fā)CBTC是從1995年開始，當(dāng)時(shí)接手的項(xiàng)目是BART（San Francisco Bay Area Rapid Transit）的AATC（Advanced Automatic Train Control）。當(dāng)時(shí)的BART使用了能夠測(cè)量無線設(shè)備間距離（無線測(cè)距）的無線設(shè)備，進(jìn)行了CBTC系統(tǒng)（AATC）的開發(fā)工作。公司以獲得AATC的技術(shù)許可為目標(biāo)，1999年從美國(guó)企業(yè)獲得了AATC的許可，并在韓國(guó)鐵道研究院的慶山試驗(yàn)線上，利用輕型車輛的走行試驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)。慶山試驗(yàn)線的走行試驗(yàn)獲得了德國(guó)交通安全環(huán)境研究所的安全性評(píng)價(jià)。后來，由于美國(guó)企業(yè)放棄該系統(tǒng)的開發(fā)，日本信號(hào)開始獨(dú)立研發(fā)，其獨(dú)立開發(fā)的無線CBTC列車控制系統(tǒng)SPARCS（Simple-structure and high-Performance ATC by Radio Communication System）由此誕生。

5 SPARCS

日本信號(hào)開發(fā)的SPARCS系統(tǒng)是利用無線測(cè)距技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，與其他CBTC系統(tǒng)相比，具有以下特征。

1）除了檢測(cè)地面天線和速度發(fā)電機(jī)的相對(duì)位置之外，還能利用無線測(cè)距方式測(cè)得絕對(duì)位置。這是測(cè)試相對(duì)位置與絕對(duì)位置并用的位置檢測(cè)方式。

2）線路信息是SPARCS地面設(shè)備所具有的數(shù)據(jù)庫(kù)方式。

3）與無線LAN等通用無線設(shè)備不同，它采用獨(dú)立協(xié)議無線設(shè)備。

4）設(shè)置在沿線的無線設(shè)備間不使用有限通信電纜，而使用無線數(shù)據(jù)傳輸方式。

根據(jù)最后通過的地面天線的ID和通過后車輪的旋轉(zhuǎn)數(shù)相對(duì)應(yīng)的地面天線的相對(duì)距離、列車速度等，車載設(shè)備形成列車狀態(tài)信息報(bào)告（ATP report）。車載無線設(shè)備（VRS）將ATP報(bào)告?zhèn)魉徒o附近沿線的無線設(shè)備（WRS）。收到ATP報(bào)告的相鄰WRS通過依次向相鄰或附近的WRS傳輸信息，將車載設(shè)備生成的ATP報(bào)告?zhèn)鬏斨罶PARCS地面設(shè)備。測(cè)得列車附近的數(shù)個(gè)WRS和VRS之間的距離后，將這個(gè)距離數(shù)據(jù)報(bào)告（測(cè)距報(bào)告）傳輸給WRS的同時(shí),也傳到SPARCS地面設(shè)備。SPARCS根據(jù)ATP報(bào)告和測(cè)距報(bào)告，實(shí)現(xiàn)列車定位?？紤]到控制區(qū)域內(nèi)的全體列車和控制區(qū)域附近的列車位置、信號(hào)狀態(tài)等，根據(jù)列車接到制動(dòng)命令后到目標(biāo)停車點(diǎn)所需距離以及車載設(shè)備生成ATC目標(biāo)距離模式曲線所需的限制速度信息和坡度信息等，生成CBTC命令，傳送給受控列車。SPARCS地面設(shè)備傳送來的CBTC命令傳送給車站無線設(shè)備（SRS）后，經(jīng)WRS中繼后發(fā)至VRS。通過VRS收到CBTC命令的車載設(shè)備生成ATC目標(biāo)距離模式曲線，控制列車運(yùn)行。這樣一來，在SPARCS中，地面設(shè)備擁有線路區(qū)段限制速度和坡度信息等線路信息，將需要的信息實(shí)時(shí)傳送至車載設(shè)備。也有一種方式是由車載設(shè)備存儲(chǔ)這些線路信息，但是每次線路信息發(fā)生變化時(shí)，需要全部更新存在許多列車中的線路信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

SPARCS可以實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）和定位停止控制（TASC）。根據(jù)SPARCS地面設(shè)備傳送來的列車控制信息，生成ATC目標(biāo)距離模式曲線。根據(jù)此曲線，規(guī)定目標(biāo)速度，進(jìn)行加減速控制，從始發(fā)站到下一站的區(qū)間，如何能夠既考慮乘客的舒適度，又考慮到到達(dá)時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行車，使列車自動(dòng)準(zhǔn)確地停在目標(biāo)停車位置上。

SPARCS無線設(shè)備采取時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和頻分多址（FDMA）3種方式并用，對(duì)減少外部噪音的干擾和提高通信的可靠性能有著很大作用。為使用這些方式，所有的無線設(shè)備在時(shí)間、PN（Pseudo Noise）符號(hào)、密匙、頻率等都保持同步。在用于CDMA通信的擴(kuò)散符號(hào)中，加入了多個(gè)PN符號(hào)的應(yīng)用，通過RS編碼進(jìn)行糾錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)高可靠性的無線通信。為避免惡意破壞，無線通信數(shù)據(jù)都經(jīng)過加密，使用多個(gè)密碼。

國(guó)外的CBTC無線設(shè)備中常用的無線LAN規(guī)格是全部公開協(xié)議，而SPARCS的協(xié)議是完全不公開的。這樣，對(duì)于懷有惡意者而言，更難實(shí)施破壞行動(dòng)。

在SPARCS中，WRS之間沒有有線通信電纜，為了通過無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，WRS只負(fù)責(zé)供應(yīng)電源。配置在軌道沿線WRS群的無線網(wǎng)絡(luò)，分別有2條朝向SPARCS地面設(shè)備方向的上行電氣線路和朝向控制區(qū)域末端方向的下行電氣線路，共由4條無線線路構(gòu)成。下行電氣線路中，從SPARCS地面設(shè)備傳到車載設(shè)備或無線設(shè)備的命令；上行電氣線路中，從列車或無線設(shè)備傳送報(bào)告。此外，鄰近SPARCS地面設(shè)備之間的信息交換也通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。無線設(shè)備的收發(fā)信功能具有數(shù)個(gè)無線設(shè)備能同時(shí)接收的冗余結(jié)構(gòu)，通過在相鄰的無線設(shè)備間能夠進(jìn)行通信的地方設(shè)置WRS，即使1臺(tái)無線設(shè)備發(fā)生故障，無線通信也能正常運(yùn)行。數(shù)個(gè)車載VRS全都接收向列車傳送的CBTC命令。

無線設(shè)備雖然具有SRS、VRS、WRS 3種功能，但是這3種功能都是基于同一硬件，通過改寫閃存卡的數(shù)據(jù)，可以改變各自無線設(shè)備的功能。因此，作為維護(hù)設(shè)備準(zhǔn)備的無線設(shè)備屬于第1種類型。

6 在建工程之一——韓國(guó)仁川月尾銀河軌道（單軌電車）

仁川是僅次于釜山、位列韓國(guó)第二的港口城市。月尾島是非常美麗的觀光勝地，包圍在代表港口城市的大海之中。月尾島原本是一個(gè)孤島，后來在大陸與島嶼間填埋，現(xiàn)在車輛可以通行。本項(xiàng)目是建設(shè)環(huán)月尾島一周的單軌鐵路。仁川市旨在連接仁川站、月尾島、自由公園、新浦市場(chǎng)和東仁川站，為月尾島旅游業(yè)服務(wù)，因此積極推進(jìn)本項(xiàng)目。計(jì)劃第一階段開通仁川站——月尾島的循環(huán)區(qū)間，第二階段開通仁川站——東仁川站區(qū)間，第三階段開通東仁川站——自由公園——仁川站區(qū)間。

2008年10月，日本信號(hào)第一次接受第一階段區(qū)間中列車控制系統(tǒng)的訂單，預(yù)計(jì)2011年開通。信號(hào)裝置由運(yùn)行管理裝置、列車自動(dòng)控制裝置、列車自動(dòng)運(yùn)行裝置以及電氣轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成。其中，本公司憑借SPARCS獲得了列車自動(dòng)控制裝置以及列車自動(dòng)運(yùn)行裝置的訂單，設(shè)備的設(shè)置工作已經(jīng)完成。其他信號(hào)裝置由韓國(guó)企業(yè)負(fù)責(zé)。

表1 案例簡(jiǎn)介

7 結(jié)語

SPARCS是CBTC市場(chǎng)上唯一具有無線定位功能的系統(tǒng)。本公司將繼續(xù)鞏固SPARCS的技術(shù)，努力向亞洲各新興國(guó)、中東、美國(guó)等國(guó)拓展市場(chǎng)。