探討基于通信的列車控制在軌道交通中的應(yīng)用

◆摘? 要：隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程不斷加快，城市軌道交通體系建設(shè)進入全新階段，軌道交通控制環(huán)節(jié)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更高。在此背景下，基于通信的列車控制（CBTC）正逐步取代基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)，前者在控制精度與實時性層面的優(yōu)勢，更是極大拓展其應(yīng)用范圍。在本文中，筆者將會針對基于通信的列車控制（CBTC）在軌道交通中的應(yīng)用進行初步分析與探討，希望借此可對相關(guān)從業(yè)人員起到一定借鑒價值。

◆關(guān)鍵詞：列車控制;軌道交通;基于通信的列車控制

一、引言

基于通信的列車控制模式在城市軌道交通發(fā)展過程中起到極為重要的保障作用，這種全新的技術(shù)模式無論是軟件技術(shù)還是硬件設(shè)備層面，都擁有無可比擬的優(yōu)勢。在無線通信技術(shù)支持下，基于通信的列車控制已逐步實現(xiàn)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián)，而大量國產(chǎn)化設(shè)備的使用，也讓我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展駛?cè)敫咚佘嚨馈ｋS著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，城市新型軌道交通ATC系統(tǒng)也在不斷創(chuàng)新優(yōu)化，涵蓋感應(yīng)環(huán)線與無線通信技術(shù)支持下的CBTC系統(tǒng)，可實現(xiàn)列車與地面間連續(xù)的雙向通信，從而完成列車位置與速度信息的實時采集，最大限度減少列車運行間隔，最終擺脫固定閉塞對列車運行管理的限制。

二、CBTC系統(tǒng)概述

CBTC系統(tǒng)借助計算機信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可實現(xiàn)列車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與連續(xù)控制，是一種極為先進與高效的列車控制系統(tǒng)，其形成的移動閉塞模式與傳統(tǒng)固定閉塞相比優(yōu)勢明顯。CBTC系統(tǒng)的核心要點在于車載設(shè)備與軌道旁設(shè)備之間的雙向通信過程，這一通信可完成列車位置與運行速度的實時監(jiān)控。以無線通信為基礎(chǔ)的CBTC在實際應(yīng)用層面的價值尤為突出，與傳統(tǒng)基于軌道電路信號的控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)內(nèi)部硬件設(shè)備需求量大幅下降，因列車控制而產(chǎn)生的設(shè)備安裝與維護成本大幅下滑，成本效益明顯。此外，CBTC系統(tǒng)在安裝、調(diào)試以及維護階段工作十分簡單，系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的各項成本支出也很低，可有效降低軌道交通運營管理工作的整體成本。

列車行駛過程中，CBTC系統(tǒng)模式下，地面設(shè)備負(fù)責(zé)向車載設(shè)備傳送相應(yīng)的控制信息，完成列車速度與啟停狀態(tài)的控制，而車載設(shè)備則需要向地面設(shè)備傳送當(dāng)前列車的各項信息，為位置、速度等，從而形成控制與信息傳輸層面的閉環(huán)。

三、CBTC系統(tǒng)的主要特點

（一）移動閉塞

1.移動閉塞制式特性

與傳統(tǒng)控制模式中的固定閉塞相比，移動閉塞是一種全面的閉塞制式，傳統(tǒng)固定閉塞存在的諸多限制與缺點得到有效彌補與優(yōu)化。移動閉塞具體特性可分為以下幾點：

（1）移動閉塞制式下，線路內(nèi)部不再存在固定的閉塞分區(qū)，列車與列車之間的間隔是一項動態(tài)數(shù)據(jù)，并伴隨著列車的運行而不斷變化。

（2）列車間隔控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會將后車當(dāng)前速度下制動所需距離加上規(guī)定的安全距離作為列車間隔計算的核心參數(shù)，保證后車與前車不會出現(xiàn)追尾事故。

（3）移動閉塞下，后車制動的起點與終點都是一個動態(tài)數(shù)據(jù)，并且，軌道旁設(shè)備的數(shù)量不受列車間隔的影響，這就讓列車與列車之間的間隔進一步縮小，并可維持在安全范圍。

（4）列車當(dāng)前運行數(shù)據(jù)實時傳送至地面設(shè)備，而地面設(shè)備可自動完成列車運行控制，在自動化系統(tǒng)幫助下，可實現(xiàn)列車的無人駕駛。

（5）移動閉塞沒有提前預(yù)設(shè)的閉塞分區(qū)，列車追蹤也不再受到固定閉塞分區(qū)的限制，而是通過對列車實際運行速度與位置信息的收集，實時計算不同列車之間的安全距離，這就讓固定閉塞制式下經(jīng)常存在的大間隔徹底消失，列車之間的距離縮短，運行效率提升，運行調(diào)整能力調(diào)整更為靈活。

2.移動閉塞制式的技術(shù)優(yōu)勢

移動閉塞制式的技術(shù)優(yōu)勢可分為以下幾點：

（1）移動閉塞實現(xiàn)列車運行與控制流程的閉環(huán)，當(dāng)列車與地面設(shè)備的通信建立完成后，軌道旁設(shè)備可精準(zhǔn)獲取到每一輛列車的實時數(shù)據(jù)，列車位置與運行狀態(tài)實時掌握，這些數(shù)據(jù)信息在地面設(shè)備的整合下，可有效提供連續(xù)的列車安全間隔控制以及列車超速現(xiàn)象防護，從而讓軌道列車的控制水平全面提升，更具靈活性。此外，移動閉塞的設(shè)備需求量很低，設(shè)備維護方便，維護成本較低，這對于軌道交通運營單位而言十分有利。

（2）由于列車與列車之間的間隔得到合理控制，在不影響安全的情況下，列車間隔可隨意調(diào)整，這就讓小編組、高密度的控制需求得以實現(xiàn)，充分發(fā)揮軌道交通的運載能力，減少乘客候車時間，減少單一列車的裝載壓力，從而減少城市軌道交通體系建設(shè)成本。

（3）移動閉塞的核心控制部分需要由軟件實現(xiàn)，而軟件自身也會配置相應(yīng)的安全保障機制，冗余空間很大，因此，整個控制系統(tǒng)可靠性、安全性與實用性非常明顯。

3.列車與地面設(shè)備之間的通信

CBTC系統(tǒng)可在列車與地面設(shè)備之間建立起連續(xù)雙向的通信渠道，地面設(shè)備與車載設(shè)備之間實現(xiàn)指令及狀態(tài)信息的實時交互，因此，想要確保CBTC系統(tǒng)的穩(wěn)定實施，科學(xué)開展列車與地面設(shè)備之間的連續(xù)通信建設(shè)至關(guān)重要。地面設(shè)備想要對列車發(fā)出各項控制指令，就要對不同列車的當(dāng)前狀態(tài)與位置進行獲取。如果通信條件較差，那么控制機制將難以奏效，列車運行將面臨巨大風(fēng)險。因此，安全可靠的通信技術(shù)與設(shè)備對于CBTC系統(tǒng)而言更為關(guān)鍵。

通常情況下，列車與地面設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換采用無線通信模式，工作人員可采用感應(yīng)環(huán)線，依照數(shù)據(jù)傳輸媒介的通信方式亦可分為：無線電臺、裂縫波導(dǎo)管與漏纜等。

CBTC系統(tǒng)之中，無線電臺所需空間很小，且此類技術(shù)應(yīng)用十分成熟，設(shè)備的安裝與維護工作都十分簡單。為確保數(shù)據(jù)交互環(huán)節(jié)的質(zhì)量與效率，如果是地下軌道交通，則每間隔200米就要設(shè)置一臺無線電臺裝置，如果是地面或高架線路，則每間隔300米配備一套無線電臺裝置，同一位置應(yīng)采用雙網(wǎng)覆蓋的方式，從而避免因無線接入點出現(xiàn)故障而造成通信工作中斷。

以裂縫波導(dǎo)管為核心的無線信號傳輸系統(tǒng)是一種較為新穎的通信模式，其中，波導(dǎo)管是一種可傳送電磁波信號的金屬管，其材質(zhì)通常為鋁合金，并在表面設(shè)置長2毫米，寬3毫米的裂縫，不同裂縫之間的間隔應(yīng)保持在6厘米左右，這種情況下，無線電波會從這些縫隙中流出來。實驗數(shù)據(jù)表面，裂縫波導(dǎo)管的物理特性與衰減性能十分良好，信號傳輸抗干擾能力很強，且數(shù)據(jù)傳輸距離很遠(yuǎn)。因此，采用裂縫波導(dǎo)管進行無線傳輸，可減少無線接入點（AP）的數(shù)量，單一列車在不同無線接入點之間的切換也同步減少，在此影響下，列車與地面設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互的連續(xù)性與可靠性將會大幅提升。

四、工程應(yīng)用案例分析

我國某城市在實施地鐵軌道交通建設(shè)過程中，為提高軌道交通運載能力，并降低運營管理工作的成本投入，在經(jīng)過嚴(yán)密論證與實驗后采用CBTC系統(tǒng)作為列車控制的核心模式。工程團隊在搭建信號系統(tǒng)時，將其分為三個子系統(tǒng)進行，分別為：列車狀態(tài)自動監(jiān)督系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、ATP/ATO系統(tǒng)。

（1）列車自動監(jiān)督系統(tǒng)

列車自動監(jiān)督系統(tǒng)簡稱ATS，工程技術(shù)人員為提高列車運行狀態(tài)與位置監(jiān)測的準(zhǔn)確性與實時性，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，整體配置更為靈活，且系統(tǒng)整體可根據(jù)具體需求場景與功能變化進行調(diào)整，可有效滿足CBTC系統(tǒng)運行模式下的各類調(diào)整。

（2）計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)

該軌道工程所采用的連鎖子系統(tǒng)為國外某企業(yè)提供的SICAS，這一系統(tǒng)經(jīng)過大量工程實踐論證，其可對各類信號系統(tǒng)擁有良好的兼容能力，是一個經(jīng)過廣泛驗證的連鎖系統(tǒng)裝置?；赟IMIS原理，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部所采用的良好設(shè)計以及安全數(shù)字中心通信，讓連鎖系統(tǒng)數(shù)量需求被削減到極低程度，系統(tǒng)整體調(diào)試時間更短，后續(xù)使用與維護壓力更低。此外，SICAS系統(tǒng)擁有良好的模擬能力，可在工廠測試環(huán)節(jié)實現(xiàn)對室外設(shè)備情況的全面模擬，從而減少CBTC系統(tǒng)搭建時間。

（3）ATP/ATO系統(tǒng)

該軌道工程規(guī)劃者為保證CBTC系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，在列車連續(xù)通信環(huán)節(jié)采用ATP/ATO系統(tǒng)，ATP/ATO系統(tǒng)在連續(xù)式通信或點式通訊條件下，可對汽車行駛狀態(tài)進行自動監(jiān)督，依照移動閉塞原理，保證列車運行的安全性，基于自動駕駛的功能需求，全面提高列車運行的安全等級。ATP/ATO系統(tǒng)擁有諸多應(yīng)用優(yōu)勢，可使用多種不同的運行調(diào)度模式，從而為城市軌道交通調(diào)度策略變化提供有力支持，讓城市軌道交通運營工作實現(xiàn)最佳性價比。

此外，CBTC系統(tǒng)建設(shè)過程中，工程技術(shù)人員在無線系統(tǒng)環(huán)節(jié)采用Airlink TC，并在干擾性較強的區(qū)域使用工業(yè)以太交換機，從而形成通信控制閉環(huán)。無線通信服務(wù)器可將各類動態(tài)指令與動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的車載設(shè)備，通信網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡可能保證通信交互環(huán)節(jié)的可用性，而無線接入點之間的距離被限制在350米左右。如果區(qū)間內(nèi)存在多條軌道，抑或是列車行駛至高空區(qū)域，一個無線接入點可同時完成這些軌道上列車的數(shù)據(jù)通信。無線接入點采用定向天線，從而保證通信信號的覆蓋強度，并預(yù)留足夠的冗余空間。而這種設(shè)計可避免間隔AP點發(fā)生故障后影響到列車運行。

車載無線通信設(shè)備被設(shè)置在車尾位置，并同時安裝兩個單元，兩者互為冗余，車載單位可快速完成軌道旁通信裝置的數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)列車與地面設(shè)備之間的實時溝通以及自動控制。

五、結(jié)束語

綜上所述，CBTC系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比優(yōu)勢明顯，安全可靠性很高，控制精度可達到厘米級別，并可實現(xiàn)列車與地面設(shè)備之間的實時雙向通信，列車之間的運行間隔可減至最低，大幅提高軌道交通的運載能力與運行效率。

參考文獻

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作者簡介

唐美玲（1986—），女，漢族，本科，助教，教師，山東省淄博市， 城市軌道交通方向。