城市軌道交通信號CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化

陳泓錦

摘??要：隨著城市化建設(shè)進程的不斷深入，我國各大城市都已經(jīng)擁有或者正在規(guī)劃建設(shè)自己的城軌交通系統(tǒng)。在這種發(fā)展背景下，選擇科學(xué)、適用的城市軌道交通信號系統(tǒng)，保證車輛的安全行駛就成為了城市軌道交通建設(shè)過程中的一項重要任務(wù)?；诖?，首先針對城市軌道交通信號的應(yīng)用模式進行了分析，然后給出了城市軌道交通信號系統(tǒng)的具體應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：CBTC系統(tǒng)??通信技術(shù)??城市軌道交通信號??應(yīng)用模式

中圖分類號：U239.5

Application?and?Optimization?of?the?CBTC?System?for?Urban?Rail?Transit?Signals

CHEN?Hongjin

Lanzhou?Modern?Vocational?College，?Lanzhou，?Gansu?Province，730300?China

Abstract：?With?the?continuous?deepening?of?the?urbanization?construction?process，?major?cities?in?China?have?already?owned?or?are?planning?to?build?their?own?urban?rail?transit?systems.?In?this?context?of?development，?it?has?become?an?important?task?in?the?construction?process?of?urban?rail?transit?to?choose?a?scientific?and?applicable?urban?rail?transit?signal?system?to?ensure?the?safe?driving?of?vehicles.?Based?on?this，?this?article?first?analyzes?the?application?modes?of?urban?rail?transit?signals，?and?then?provides?specific?application?strategies?for?the?urban?rail?transit?signal?system.

Key?Words：?CBTC?system;?Communication?technology;?Urban?rail?transit?signal;?Application?mode

進入21世紀(jì)以來，隨著城市規(guī)模的不斷擴張和城市人口的不斷增加，交通出行成為了城市建設(shè)中的一個重點內(nèi)容，而軌道交通作為一種高效、便捷、無污染的出行方式，成為了城市居民出行的一種新選擇，在這種發(fā)展情況下，軌道交通逐漸呈現(xiàn)出了多元化和規(guī)模化的發(fā)展趨勢，而交通信號系統(tǒng)作為保障軌道交通正常運行的一個基礎(chǔ)，列車的安全運行對其提出了更高的要求。對此，就應(yīng)結(jié)合軌道交通的實際建設(shè)情況來建設(shè)交通信號系統(tǒng)，不斷優(yōu)化創(chuàng)新交通信號系統(tǒng)的運行模式，提升交通信號系統(tǒng)的運行質(zhì)量和效率，從而為確保人們出行安全提供強有力的支撐。

1??城市軌道交通信號應(yīng)用模式

城市軌道交通信號系統(tǒng)主要是由列車運行自動控制系統(tǒng)（Automatic?Train?Control，ATC）和車輛段信號控制系統(tǒng)兩大部分組成。而ATC系統(tǒng)又包含列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic?Train?Supervision，ATS）、列車自動運行子系統(tǒng)（Automatic?Train?Operation，ATO）和列車自動防護子系統(tǒng)（Automatic?Train?Protection，?ATP）三個子系統(tǒng)，通過這些子系統(tǒng)的相互協(xié)同工作，來實現(xiàn)對列車運行的控制。常見的城市軌道交通信號應(yīng)用模式主要為以下3種。

1.1??ATO自動駕駛模式

列車自動運行子系統(tǒng)（ATO）是城市軌道交通信號系統(tǒng)中的一個重要組成部分，主要用于實現(xiàn)列車的自動駕駛，包括自動加速、自動制動、自動開關(guān)車門等功能。在ATO系統(tǒng)的控制下，列車能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的運行圖和信號系統(tǒng)的指令，自主地完成列車的運行操作[1]。ATO是一種在ATP設(shè)備的加持下來對列車行駛過程中的加速、制動、巡航等功能進行控制的自動駕駛模式，且在該模式下還可以實現(xiàn)列車的自動?？空?，此時，駕駛?cè)藛T只需對車載ATO以及ATP系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，就可以完成駕駛?cè)蝿?wù)。

1.2??ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式

在ATP模式下，系統(tǒng)可以結(jié)合地面系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)信息生成一個對列車運行速度進行實時監(jiān)控的曲線，從而實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的監(jiān)督。在這種情況下，駕駛?cè)藛T可以根據(jù)ATP顯示內(nèi)容來對列車行駛狀態(tài)進行調(diào)整，如果列車運行速度接近了限定速度，ATP系統(tǒng)就會發(fā)出警報，提醒司機控制車速，而如果列車運行速度已超過限定速度，ATP系統(tǒng)就會自動介入進行制動。

1.3??限制人工駕駛模式

在該模式中，司機以不超過車載ATP的限制速度行車，列車運行安全由司機負(fù)責(zé)。當(dāng)列車超過該限制速度時，ATP車載設(shè)備則對列車實施制動。

2??城市軌道交通信號CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用

CBTC（Communication?Based?Train?Control）系統(tǒng)則是一種基于通信的列車控制系統(tǒng)，其利用高精度列車定位、雙向大容量車-地數(shù)據(jù)通信和車載、地面的安全功能處理器實現(xiàn)列車與地面系統(tǒng)的實時雙向信息交換[2]。這種系統(tǒng)不再依賴軌道電路等軌旁設(shè)備，而是利用車載設(shè)備實現(xiàn)列車與地面間的雙向通信，并實時地傳遞列車的位置信息和行車信息，從而實現(xiàn)車-地間信息的實時共享，并據(jù)此對列車實施運行控制。CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將CBTC系統(tǒng)應(yīng)用于列車調(diào)度的重點在于實現(xiàn)對列車運行速度的控制和制動方式的監(jiān)督。因此在對CTBC系統(tǒng)進行部署的過程中一方面要計算好列車運行的安全保護距離，同時還需要確認(rèn)列車的折返站通過能力和受力情況。列車的折返站通過能力計算公式如下：

式（2）～（4）中：C為列車受力情況；F為牽引力；W為阻力；B為制動力。

在選擇信號系統(tǒng)時，還需要秉持著安全、可靠的原則，同時確保選用的信號系統(tǒng)具備一定的先進性和合理性的成本。對此就需要結(jié)合CBTC系統(tǒng)的特征，根據(jù)實際所需來選擇無線自由波、漏波電纜以及波導(dǎo)管等不同的信息傳輸方式以便獲取最佳的信號數(shù)據(jù)傳輸效果。

2.1??ATC子系統(tǒng)應(yīng)用

由上文的敘述可知，ATC子系統(tǒng)主要包含ATP、ATO和ATS三部分內(nèi)容，其中ATP主要用于當(dāng)列車超速或進入危險區(qū)域時，ATP子系統(tǒng)會自動采取緊急制動措施，確保列車和乘客的安全。此外，ATP還負(fù)責(zé)列車間的安全間隔，防止碰撞事故。ATO負(fù)責(zé)列車的自動駕駛功能。根據(jù)ATP提供的安全指令和預(yù)定的運行圖，自動控制列車的加速、制動和燈光等系統(tǒng)[3]。ATS用于監(jiān)控和管理整個城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的列車運行，收集并處理來自ATP和ATO子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，為調(diào)度員提供實時的列車運行信息和控制功能。通過ATS列車員可以根據(jù)需要調(diào)整列車的運行計劃，例如改變列車的停站時間或調(diào)整列車的運行間隔。

2.2???DCS子系統(tǒng)應(yīng)用

集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）是一種各個子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互平臺，其能夠為列車安全運行提供雙向且連續(xù)的信息傳輸，主要用于實現(xiàn)列車和地面工作站之間的信息數(shù)據(jù)交互功能。DCS子系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用如下。

2.2.1??集中監(jiān)控

DCS子系統(tǒng)能夠?qū)Τ鞘熊壍澜煌ǖ母鱾€子系統(tǒng)進行集中監(jiān)控，包括列車位置、信號狀態(tài)、設(shè)備工況等。它通過采集和整合各種傳感器、設(shè)備的數(shù)據(jù)，為運營人員提供全面的系統(tǒng)運行狀態(tài)視圖。運營人員可以利用DCS子系統(tǒng)提供的集中監(jiān)控功能，實時掌握軌道交通系統(tǒng)的運行狀況，迅速發(fā)現(xiàn)故障、異常情況，并及時采取相應(yīng)的措施，確保系統(tǒng)的正常運行。

2.2.2??遠(yuǎn)程控制

DCS子系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制功能，可以對軌道交通系統(tǒng)中的各種設(shè)備進行遠(yuǎn)程操控。這使得運營人員能夠根據(jù)實際情況，對設(shè)備進行實時的調(diào)整和控制。在需要調(diào)整列車運行參數(shù)、改變設(shè)備工作狀態(tài)等情況下，運營人員可以通過DCS子系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)在不親臨現(xiàn)場的情況下，完成對系統(tǒng)的靈活控制，提高運營效率和響應(yīng)速度。

2.2.3??數(shù)據(jù)分析

DCS子系統(tǒng)還具備強大的數(shù)據(jù)管理和分析功能。它可以實時存儲、處理和分析軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為運營決策、故障排查等提供有力支持。通過DCS子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和分析功能，運營人員可以對軌道交通系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行深入挖掘，發(fā)現(xiàn)問題根源、優(yōu)化運營策略，并基于數(shù)據(jù)進行持續(xù)改進，提升整個系統(tǒng)的性能和可靠性。

2.3??連鎖子系統(tǒng)

通常情況下，在CBTC系統(tǒng)中應(yīng)用連鎖系統(tǒng)來完成對狀態(tài)信息的采集，并同時接收其他信號傳遞的數(shù)據(jù)和操作人員發(fā)送的指令，執(zhí)行操作，從而完成對設(shè)備的控制以及和其他系統(tǒng)之間信息數(shù)據(jù)的共享。例如：連鎖系統(tǒng)能夠保證列車進路區(qū)段、道岔、信號機之間的正確連鎖關(guān)系，確保列車在站內(nèi)的安全運行，可以為處于不同模式的列車提供其需要的控制進路。除此之外，連鎖系統(tǒng)還可以和ATS系統(tǒng)的交互可以實現(xiàn)列車運行計劃和進路的自動調(diào)整；與ATP系統(tǒng)的配合可以確保列車的安全間隔和超速防護。

2.4??MSS應(yīng)用

維護支持系統(tǒng)（Maintenance?Suppoort?System，MSS）是CTBC系統(tǒng)中的一個重要子系統(tǒng)，主要用于監(jiān)視信號設(shè)備的運行狀態(tài)并對其進行維護，管理信號維護人員等。其能夠在減少維護成本的同時，可以為運營提供更好的保障。例如：在CBTC系統(tǒng)之中，MSS可以實時監(jiān)測信號設(shè)備的運行狀態(tài)，一旦檢測到故障，它會迅速進行故障診斷并嘗試自動恢復(fù)。如此一來，便可大大提高系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性，減少人工干預(yù)的需要，并且降低維護成本。

3??城市軌道交通信號CBTC系統(tǒng)優(yōu)化

3.1??CBTC系統(tǒng)運行中存在的問題

由上述分析可以看出，城市軌道交通信號CBTC系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用體現(xiàn)出了安全、高效和靈活的特點，但軌道交通本身就是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，其運行過程中會受到眾多因素的影響，外加CBTC系統(tǒng)在長時間的使用過程中難免也會受到各種因素的干擾，出現(xiàn)問題[4]。綜合來看，CBTC系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的問題主要源自以下幾點。

3.1.1??軟件故障問題

CBTC系統(tǒng)的軟件故障問題有可能來源于對系統(tǒng)進行升級維護和二次開發(fā)。例如：系統(tǒng)設(shè)計階段可能存在功能邏輯錯誤、數(shù)據(jù)處理錯誤等問題；開發(fā)階段可能存在編碼錯誤、算法錯誤等；維護階段可能存在系統(tǒng)配置錯誤、參數(shù)設(shè)置錯誤等。這些都會導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)軟件運行出現(xiàn)故障，進而影響列車的安全運行。

3.1.2??通信干擾問題

在實際運營中，CBTC系統(tǒng)還會遇到如信號干擾、通信故障、系統(tǒng)故障等問題，這些問題可能會導(dǎo)致列車無法正常運行，或者降低其運行速度。

3.1.3??兼容性問題

在將CBTC系統(tǒng)在與其他系統(tǒng)進行集成時，也可能面臨兼容性問題[5]。例如：與乘客信息系統(tǒng)（Passenger?Information?System，PIS）、自動售檢票系統(tǒng)（Auto?Fare?Collection，AFC）等的集成可能存在問題，這些都可能影響到服務(wù)的一體化和乘客的出行體驗。

3.2??城市軌道交通信號CBTC系統(tǒng)優(yōu)化策略

為了進一步提升其運行的可靠性和穩(wěn)定性，還需要采用先進的設(shè)計理念和科學(xué)技術(shù)來不斷對CBTC系統(tǒng)進行優(yōu)化完善，進而確保列車運行的效率和安全。對此，可以從以下方面入手來開展優(yōu)化工作。

3.2.1?提升通信網(wǎng)絡(luò)的可靠

CBTC系統(tǒng)高度依賴于通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，例如通過增加冗余設(shè)備、提升網(wǎng)絡(luò)帶寬、優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等方式，可以提高CBTC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

3.2.2?提升系統(tǒng)的精確度和時效性

通過優(yōu)化信號處理技術(shù)，提高列車定位和測速的精確度，可以使得列車控制更加精確[6]。同時，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸和處理流程，降低通信延遲，可以提高CBTC系統(tǒng)的時效性。

3.2.3?優(yōu)化人機交互

優(yōu)化調(diào)度中心的人機交互界面，提供更豐富、更直觀的系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，可以幫助調(diào)度人員更好地理解和控制系統(tǒng)的運行。

3.2.4?提升兼容性

考慮CBTC系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性，例如與乘客信息系統(tǒng)（PIS）、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）等的集成，可以提供更加一體化的服務(wù)，提高乘客的出行體驗。

3.2.5?提高安全性

在優(yōu)化過程中，始終要把安全放在首位。通過引入更先進的安全技術(shù)和策略，例如加密技術(shù)、入侵檢測系統(tǒng)、防火墻等，可以增強CBTC系統(tǒng)的安全性。

4??結(jié)語

綜上所述，作為城市軌道交通中的重要組成部分，城市軌道交通信號系統(tǒng)對于保障列車運行安全和推動城市軌道交通建設(shè)水平具有十分重要的作用。CTBC系統(tǒng)能夠很好地滿足當(dāng)前我國城市軌道交通的需求，因此被廣泛應(yīng)用開來，而要想充分發(fā)揮出CTBC系統(tǒng)的優(yōu)勢，就需要結(jié)合軌道交通的實際運行情況來對不斷對其進行優(yōu)化和完善。

參考文獻

[1]李潔，辛鑫.城市軌道交通信號系統(tǒng)分段式改造方案[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2023，20（10）：80-85.

[2]劉霞，喬高鋒，陳明陽.城軌交通新一代CBTC列車控制系統(tǒng)方案研究[J].鐵道通信信號，2023，59（9）：6-11.

[3]張翠紅.城市軌道交通信號CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].數(shù)字通信世界，2023（8）：145-147.

[4]李云，王崇國，殷江寧.基于云邊協(xié)同的城市軌道交通信號系統(tǒng)方案[J].城市軌道交通研究，2023，26（7）：194-199.

[5]楊洋.上海軌道交通4號線信號系統(tǒng)改造應(yīng)用方案研究[J].城市軌道交通研究，2023（S1）：78-84.

[6]沈振.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)改造為TACS系統(tǒng)施工研究[J].電氣化鐵道，2023，34（2）：82-85，91.