基于無線傳輸通信方式的列車控制系統(tǒng)

孫博

南京地鐵運營有限責任公司 江蘇南京 210012

關鍵詞：隨著我國經濟快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，特別在經濟發(fā)達的東部及中、西部地區(qū)，經濟迅速發(fā)展，機動車飛速增長，交通擁堵情況日漸突出。城市軌道交通具有其它交通工具望塵莫及的優(yōu)點，客運周轉量大、安全、速度快、受干擾少、環(huán)境污染小等，各地方政府和市民都希望加快本地的軌道交通建設來減緩交通壓力，實現人與自然的和諧發(fā)展。

關鍵詞：無線傳輸；列車控制系統(tǒng)

前言

至2015年6月底，中國軌道交通建設規(guī)劃獲批城市合計39座（不含港澳臺），2015年上半年建設獲批城市9座，其中南京、武漢、南昌、南寧、成都5座城市獲批的是二輪建設規(guī)劃，呼和浩特和濟南為首次獲批，長春獲批的是規(guī)劃調整方案，三亞獲批的是有軌電車線網規(guī)劃，獲批總里程817.90公里，共568個車站，總投資5027.67億元。未來中國大約有229個城市具備發(fā)展城市軌道交通的潛力（目前全國共有直轄市和省會城市34個，地級城市333個）。2050年全國規(guī)劃線路將增加到300條，總里程數達到12000公里。

城市軌道交通需要列車運行速度高、密度大，特別是早、晚高峰，市民對列車追蹤密度要求很高。傳統(tǒng)的以軌道電路進行定位，司機人工駕駛的固定閉塞運營方式已不能滿足安全和效率要求。準移動閉塞雖然在一定程度上提高了運營效率，但與市民對軌道交通的期望還有差距，基于通信的 CBTC 系統(tǒng)正是為了迎合這種需求而開發(fā)的。

一、CBTC發(fā)展歷程

20世紀90年代，國際上普遍采用“基于數字軌道電路的準移動閉塞”作為ATC的主要制式。由于這種制式具有較高的可靠性、合理的性價比，已經具有充分的運行經驗，其列車運行間隔（100-150s）已能滿足絕大多數軌道交通運營部門的要求，因此，這類系統(tǒng)至今仍是軌道交通建設的首選制式。然而，隨著軌道交通的發(fā)展，這類制式的弊病也已日益凸顯。

弊病之一：由于目前世界上各種準移動閉塞的信息傳輸頻率、通信協(xié)議等均不一致，導致了在一個城市或一個地區(qū)的軌道交通網中各條線路的列車不能實現聯(lián)通聯(lián)運。

弊病之二：大多數基于數字軌道電路的準移動閉塞，為了實現調諧和電平調整，不得不在鋼軌旁側設置“軌旁設備”，而這對于軌道交通的日常維護工作是非常不利的。

弊病之三：由于以鋼軌作為信息傳輸通道，因此傳輸頻率受到很大的限制，導致車一地之間通信的信息量較低。此外，其傳輸性能受鋼軌中的牽引回流、鋼軌之間的道床漏泄以及鋼軌下面的防迷流網的影響很大，而導致傳輸性能不夠穩(wěn)定。

弊病之四：“準移動閉塞”距真正意義上的“移動閉塞”還有差距，因此，列車運行間隔的進一步縮短和列車運行速度的提高都將受到限制。

所以，從20世紀70年代末到80年代，工業(yè)發(fā)展的國家對開發(fā)以通信為基礎的列車運行控制系統(tǒng)感到興趣，發(fā)展十分迅速，這種系統(tǒng)以通信的方式來實現對列車的運行控制，為了表達方便，從20世紀末起，在很多國際會議和論文期刊上開始用一個統(tǒng)一的名字來表達：

基于通信的列車控制系統(tǒng)（communication based train control system），假如說基于軌道電路的列控系統(tǒng)（TBTC）是從19世紀末開始從有到無，到蓬勃發(fā)展，構成列車運行控制的第一階段，則基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），標志著構成一個新的發(fā)展階段或新的時代。由于它的通信容量的大幅度提高，而且實現了車地之間的雙向通信，也可進一步應用智能技術，使它迅速發(fā)展了起來。

二、CBTC系統(tǒng)構成

該信號系統(tǒng)由圖1所示各子系統(tǒng)和設備組成。

圖1

2.1列車自動監(jiān)督系統(tǒng)（ATS）

ATS提供自動及人工控制運行的手段，并向行車調度員及外部系統(tǒng)提供信息。ATS匯集來自聯(lián)鎖和ATP的列車位置、進路狀態(tài)、列車狀態(tài)、車次號、信號設備故障等信息，依據當天計劃時刻表對全線的運行列車實施監(jiān)督和控制。ATS能夠自動排列進路，還能通過調整停站時間和站間運行時間來自動調整列車運行。在必要的時候，ATS系統(tǒng)可以進行人工操作。

控制中心中央大屏顯示信號系統(tǒng)監(jiān)督的所有現場元件的實際狀態(tài)信息的。除了道岔、信號機、計軸區(qū)段等聯(lián)鎖控制的要素，還使用ATP系統(tǒng)提供的詳細線路圖以及位置信息，精確地CTC級別的列車位置。當ATP系統(tǒng)發(fā)生故障，位置信息不能傳送夠到ATS系統(tǒng)時，車次號將基于物理軌道區(qū)段和相關讀取點信息步進。一旦故障恢復且重新從ATP系統(tǒng)獲得位置信息，車次號立即由列車監(jiān)督和追蹤功能基于實際的位置信息向前步進。

2.2列車自動防護系統(tǒng)（ATP）

列車自動防護系統(tǒng)（ATP）分為軌旁ATP及車載ATP，通過無線數據傳輸系統(tǒng)車-地間周期傳遞列車位置信息和地-車間傳遞移動授權來實現信息交互，如圖2。軌旁子系統(tǒng)根據聯(lián)鎖狀態(tài)和列車位置計算移動授權。車載子系統(tǒng)在指定的移動授權極限內監(jiān)督列車運行。

軌旁車載子系統(tǒng)應用線路數據庫（TDB）存儲軌道地形信息，例如速度和坡道信息。車載子系統(tǒng)基于列車定位信息、軌旁子系統(tǒng)和TDB 提供的信息監(jiān)督和控制列車運行并根據靜態(tài)速度曲線、臨時限速、移動授權和其他限制對列車運行進行防護。

圖2

2.3列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）

AM駕駛模式下，系統(tǒng)提供ATO功能，該功能通過向列車的牽引和制動系統(tǒng)發(fā)送命令進行列車控制，ATO功能考慮旅客舒適度要求，遵循車輛要求的沖擊率，加速度，節(jié)能和其他限制，ATS根據時刻表和運營的需求調整列車自動運行，車載ATO響應ATS命令，并自動控制列車的牽引和制動系統(tǒng)。

2.4軌旁聯(lián)鎖系統(tǒng)

聯(lián)鎖子系統(tǒng)根據集中管理，分散控制的原則，考慮線路長度、設備數量、控制距離等因素，將全線劃分為一個或多個聯(lián)鎖區(qū)。每個聯(lián)鎖區(qū)內的車站按聯(lián)鎖設備配置的不同分為聯(lián)鎖設備集中站、二級聯(lián)鎖站和非聯(lián)鎖站。

其中，二級聯(lián)鎖站內配置數據采集單元與控制單元，數據采集單元負責區(qū)域內幾個非聯(lián)鎖站的軌旁設備的數據采集，并通過總線將采集到的數據傳輸給聯(lián)鎖設備集中站，聯(lián)鎖設備集中站內配置聯(lián)鎖數據處理計算機，處理采集到的軌旁設備數據，并同過二級聯(lián)鎖站的控制單元控制軌旁設備的動作。

2.5無線通信系統(tǒng)

無線通信系統(tǒng)為軌旁和車載子系統(tǒng)之間提供連續(xù)、雙向、基于無線電的數據傳輸，分為中央、軌旁和車載等三大子系統(tǒng)。中央子系統(tǒng)由冗余配置的中央系統(tǒng)服務器組成，可以實現路由、管理、綜合業(yè)務和診斷功能；軌旁子系統(tǒng)由接入點（AP）組成，接入點沿軌道分布在軌旁，中央子系統(tǒng)和軌旁子系統(tǒng)通過光纖骨干網連接；車載子系統(tǒng)由每列列車上的兩個車載列車單元組成，充當接入點的通信工作站，兩個列車單元之間通過以太網連接相互鏈接在一起。

結束語

近年來，隨著通信技術的發(fā)展，尤其是無線通信、計算機網絡技術和數字信號處理技術的迅速發(fā)展，信號系統(tǒng)的冗余、容錯技術完善，在信號這個傳統(tǒng)領域為CBTC的發(fā)展奠定了基礎，已逐漸被信號界所認可，CBTC 列車控制系統(tǒng)能夠根據前行列車和前方線路情況，在確保安全的前提下緊追蹤前行列車運行，能有效縮短列車追蹤間隔，運輸效率也得到極大提高，CBTC 列車控制系統(tǒng)的應用是城市軌道交通發(fā)展的方向。