CBTC系統(tǒng)在西安地鐵2號(hào)線的應(yīng)用探析

高嶸華

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710003）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，優(yōu)先規(guī)劃和發(fā)展軌道交通，成為越來(lái)越多的城市解決交通運(yùn)輸問(wèn)題、推動(dòng)城市化進(jìn)程的最佳選擇。集行車指揮、運(yùn)行調(diào)整以及列車駕駛自動(dòng)化等功能為一體的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)列車快速、高密度、有序運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，是城市軌道交通調(diào)度指揮和安全運(yùn)營(yíng)的中樞神經(jīng)。

城市軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外呈現(xiàn)多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢(shì)。從以往的基于多信息移頻軌道電路的固定閉塞制式，到基于報(bào)文式軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式，和基于通信的移動(dòng)閉塞制式（CBTC，Communication Based Train Control），在國(guó)內(nèi)都已相繼出現(xiàn)。CBTC是目前最先進(jìn)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，西安地鐵2號(hào)線列車自動(dòng)控制系統(tǒng)選用CBTC系統(tǒng)。

1 CBTC系統(tǒng)

1.1 CBTC概述

IEEE將CBTC定義為：利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路）雙向連續(xù)、大容量的車-地?cái)?shù)據(jù)通信，車載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的一種連續(xù)自動(dòng)列車控制系統(tǒng)（ATC，Automatic Train Control）。

借助先進(jìn)的列車定位技術(shù)、安全處理器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，使得CBTC與傳統(tǒng)基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過(guò)車- 地間雙向信息傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的閉環(huán)控制，系統(tǒng)可靠性更高；（2）利用實(shí)時(shí)列車位置信息，獲得最佳通過(guò)能力以及最佳列車運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的靈活配置；（3）可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞；（4）能及時(shí)準(zhǔn)確獲得系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的各類實(shí)時(shí)信息，使旅客服務(wù)的智能化；（5）設(shè)備主要集中在車站和列車上，減輕設(shè)備維護(hù)和管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.2 移動(dòng)閉塞

CBTC移動(dòng)閉塞系統(tǒng)通過(guò)實(shí)現(xiàn)車－地間實(shí)時(shí)、雙向通信，使地面軌旁信號(hào)設(shè)備的信息與車載信號(hào)設(shè)備信息交換，得到前行列車與后行列車分辨率較高位置信息，由此計(jì)算出兩車之間的相對(duì)距離，根據(jù)后車的制動(dòng)性能、實(shí)際運(yùn)行速度和線路參數(shù)和預(yù)定的安全距離，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地計(jì)算出后車追蹤的安全間隔距離。在移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中，因?yàn)榱熊嚺c地面之間信息傳遞不依靠軌道電路，線路不用被固定劃分成閉塞分區(qū)，列車運(yùn)行的間隔是動(dòng)態(tài)的，后車制動(dòng)的起始點(diǎn)和終點(diǎn)也是動(dòng)態(tài)的，可以根據(jù)列車實(shí)際速度和實(shí)際間隔實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)整閉塞分區(qū)長(zhǎng)度，盡可能縮短列車運(yùn)行間隔，提高行車密度，使得地鐵運(yùn)營(yíng)有條件實(shí)現(xiàn)小編組、高密度的行車組織模式。

地面軌旁設(shè)備實(shí)時(shí)接收本控制范圍內(nèi)所有列車傳來(lái)的列車識(shí)別號(hào)、位置、方向和速度信息，信息刷新周期小于500 ms。同時(shí)軌旁設(shè)備根據(jù)接收到的列車信息，計(jì)算各列車的移動(dòng)授權(quán)，并向本控制范圍內(nèi)的每列列車周期性地傳送移動(dòng)授權(quán)信息。移動(dòng)授權(quán)由前行列車的位置來(lái)確定，隨著前行列車的移動(dòng)而逐漸前移。車載設(shè)備根據(jù)接收到的移動(dòng)授權(quán)信息以及列車速度、線路參數(shù)、司機(jī)反應(yīng)時(shí)間等，計(jì)算出列車的緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線和緊急制動(dòng)曲線，以確保列車不超越現(xiàn)有的移動(dòng)授權(quán)。因此,在移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中，列車運(yùn)行安全防護(hù)點(diǎn)不是在軌道區(qū)段的分界點(diǎn)，而是在前行列車車尾后方加上安全距離的位置，它隨著列車的移動(dòng)而移動(dòng)。移動(dòng)閉塞具有更大運(yùn)用靈活性和更小行車間隔，也具備了更大運(yùn)行調(diào)整能力。

目前，我國(guó)CBTC系統(tǒng)利用交叉感應(yīng)電纜環(huán)線、漏纜、裂縫波導(dǎo)管或無(wú)線電臺(tái)等4種信息傳輸媒介實(shí)現(xiàn)車－地雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)被循環(huán)更新，以保證列車收到即時(shí)信息。

2 西安地鐵2號(hào)線概況

在西安市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中，地鐵2號(hào)線沿西安市南北向主客流走廊布設(shè)，屬于“交通疏解”型線路。其一期工程北起于鐵路北客站，南止于會(huì)展中心站共設(shè)17座地下車站，線路全長(zhǎng)約20.5 km。作為西安市修建的第一條城市軌道交通干線，它穿越了西安市人口稠密、商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)密集、交通繁忙的城市中心區(qū)域和大型客流集散點(diǎn)，具有大運(yùn)量、高密度、不間斷的城市軌道運(yùn)輸要求。高峰小時(shí)滿足行車最小間隔為初期5 min，近期3.3 min，遠(yuǎn)期2 min要求。正線線路允許的列車最大運(yùn)行速度為80 km/h；初、近期列車平均旅行速度36 km/h，遠(yuǎn)期38 km/h；車輛段出/入段線采用小半經(jīng)曲線（R=200 m）,出/入段線線路允許的列車最大運(yùn)行速度均為40 km/h。

3 西安地鐵2號(hào)線的CBTC系統(tǒng)構(gòu)成

西安地鐵2號(hào)線選用基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)，它由列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS，Automatic Train Supervision）、列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)(ATP，Automatic Train Protection)、列車自動(dòng)運(yùn)行子系統(tǒng)(ATO，Automatic Train Operation)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)（CBI，Computer Based Interlocking）和數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS，Data Communication System）組成。這5個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)信息傳輸網(wǎng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足地鐵的安全及運(yùn)營(yíng)要求，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1所示。

圖1 地鐵2號(hào)線CBTC系統(tǒng)組成框圖

該CBTC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于連續(xù)式通信、點(diǎn)式通信及聯(lián)鎖級(jí)控制的三級(jí)列車控制功能。

第1級(jí)：連續(xù)式通信級(jí)列車控制。在連續(xù)式通信級(jí)，CBTC系統(tǒng)通過(guò)車地雙向通信，使地面信號(hào)設(shè)備可以得到每一列車連續(xù)的位置信息和列車其它運(yùn)行信息，并據(jù)此計(jì)算出每一列車的移動(dòng)授權(quán)，且動(dòng)態(tài)更新，實(shí)時(shí)發(fā)送給列車，這樣后行列車追蹤目標(biāo)點(diǎn)就可以是前行列車的尾部加安全距離，從而可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，使系統(tǒng)能夠獲得更小的列車運(yùn)行間隔。

第2級(jí)：點(diǎn)式通信級(jí)列車控制。點(diǎn)式通信級(jí)列車控制為CBTC的降級(jí)系統(tǒng)。當(dāng)軌旁ATP設(shè)備、車地?zé)o線通信設(shè)備故障等狀況下，為運(yùn)營(yíng)提供一種降級(jí)運(yùn)營(yíng)的手段，其移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算由車載控制器完成，并在特定的地點(diǎn)接受可變應(yīng)答器傳輸?shù)男畔⒑蟾拢ＷC全線運(yùn)營(yíng)不受大的影響。列車行車閉塞方式通常為進(jìn)路閉塞。

第3級(jí)：聯(lián)鎖級(jí)控制。聯(lián)鎖級(jí)控制為連續(xù)式通信或點(diǎn)式通信級(jí)列車控制設(shè)備故障的底層后備，由地面信號(hào)系統(tǒng)為列車運(yùn)行提供全面的聯(lián)鎖防護(hù)。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 系統(tǒng)能力分析

2號(hào)線已于2013年7月開(kāi)通了CBTC系統(tǒng)，目前運(yùn)行間隔高峰為5 min22 s，平峰為為 6 min 08 s，低谷為8 min 36 s。2號(hào)線線路上有5個(gè)與其它軌道交通線路的換乘節(jié)點(diǎn)，對(duì)于線路上的大客流的換乘節(jié)點(diǎn)站，在高峰時(shí)期可能會(huì)造成停站時(shí)間的延長(zhǎng)而打亂正常運(yùn)行圖，這可通過(guò)縮短下一區(qū)間的走行時(shí)間實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)調(diào)整。CBTC可實(shí)現(xiàn)正線80 s～90 s的行車間隔，因而信號(hào)系統(tǒng)有較大的調(diào)整余量，并具有實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)整功能，通過(guò)更小的運(yùn)行間隔來(lái)提高運(yùn)能，提升地鐵運(yùn)營(yíng)的靈活性，適應(yīng)2號(hào)線遠(yuǎn)期30對(duì)/h的通過(guò)能力的要求。

4.2 系統(tǒng)實(shí)用性分析

4.2.1 維修性

CBTC系統(tǒng)脫離了軌道電路，信息的傳輸避免了牽引回流對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的諧波干擾，受外界各種物理因素干擾小，可靠性高，使設(shè)備調(diào)試和維護(hù)成本將降低，給現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試、調(diào)試和維護(hù)帶來(lái)很大便利，有利于降低系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的運(yùn)營(yíng)成本；同時(shí)，由于系統(tǒng)核心通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，使其在硬件數(shù)量上減少，因而可以降低維修費(fèi)用，從而降低系統(tǒng)全壽命周期成本。

從地鐵對(duì)維修的快速、準(zhǔn)確、少影響行車的發(fā)展趨勢(shì)考慮，運(yùn)營(yíng)維修對(duì)遠(yuǎn)程維修信息量的傳輸要求越來(lái)越大，尤其是車載設(shè)備以及車輛本身的狀態(tài)信息、故障信息的傳輸要求具有高實(shí)時(shí)性。CBTC系統(tǒng)在軌旁及車載設(shè)備之間提供雙向、高速、大容量、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信鏈路，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和滿足快速、準(zhǔn)確的維修要求。

4.2.2 可靠性和可用性

系統(tǒng)通過(guò)關(guān)鍵設(shè)備采用多重冗余技術(shù)、信息傳輸?shù)母呖煽啃?、配置后備運(yùn)行模式、采用相對(duì)獨(dú)立的硬件或軟件冗余等措施降低系統(tǒng)的失效概率，提高系統(tǒng)可靠性?；跓o(wú)線電臺(tái)CBTC系統(tǒng),采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋方式，形成雙通道冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可用性。

4.2.3 互聯(lián)互通

由于無(wú)線CBTC的各子系統(tǒng)間邏輯接口均通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用開(kāi)放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)后，子系統(tǒng)間的接口也可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。因此采用無(wú)線 CBTC 將會(huì)有利于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

2號(hào)線具有分期建設(shè)、分段開(kāi)通的工程特點(diǎn)，采用CBTC系統(tǒng)利于最大程度地減少對(duì)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路的運(yùn)行干擾。系統(tǒng)更易于擴(kuò)展和升級(jí)，不需改變既有硬件結(jié)構(gòu)可滿足線路未來(lái)的延伸。

4.3 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)分析

采用無(wú)線電臺(tái)作為傳輸媒介，軌旁僅在隧道頂部或側(cè)壁安裝無(wú)線天線、設(shè)備箱盒等，軌旁設(shè)備相對(duì)較少，安裝位置不易遭到人為破壞，維護(hù)工作量小，對(duì)其他專業(yè)的維護(hù)工作干擾較少，且軌旁設(shè)備采用熱備冗余結(jié)構(gòu)，可靠性高。無(wú)線單元應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的商用無(wú)線局域網(wǎng)產(chǎn)品，高度通用模塊化，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，確保日后的維修和備品支持工作。

系統(tǒng)設(shè)備具有完善的自檢和自診斷功能，并具備遠(yuǎn)程測(cè)試和診斷功能，設(shè)備故障診斷定位到板級(jí)。安全無(wú)關(guān)的電子設(shè)備維修到板級(jí)，與安全有關(guān)的電子設(shè)備通過(guò)更換電路板，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)維修。對(duì)于在線維護(hù)或一級(jí)維護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)可更換設(shè)備失效，可從備品中選擇良好設(shè)備進(jìn)行更換，可加速故障恢復(fù)過(guò)程，縮短子系統(tǒng)的停機(jī)檢修時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前只有西安與成都實(shí)際開(kāi)通了CBTC（成都地鐵于2013年開(kāi)通CBTC），但應(yīng)用的成熟度還不如傳統(tǒng)的列車控制系統(tǒng)。由于CBTC屬于技術(shù)領(lǐng)先型系統(tǒng)，是今后城市軌道交通信號(hào)ATC系統(tǒng)的發(fā)展方向，因此，各城市在應(yīng)用中積累運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化維修策略，降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，同時(shí)也為其他線路的建設(shè)提供真實(shí)的全壽命周期成本比對(duì)。

[1]曾小清.基于通信的軌道交通運(yùn)行控制 [M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

[2]GB50157-2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.