基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)施工技術(shù)研究

欒維磊

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津300308）

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國進入城市化和機動化的加速發(fā)展階段，高速鐵路和城市軌道交通得到空前發(fā)展?；跓o線通信的列車自動控制系統(tǒng)(CBTC)作為一種先進的列車控制系統(tǒng)，具有速度快、運能大、安全準(zhǔn)時等優(yōu)點，進行CBTC應(yīng)用技術(shù)研究具有必要性[1]。

2 基于無線通信的列車控制系統(tǒng)概述

基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）是利用連續(xù)、大容量的車地間雙向數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)的一種新型連續(xù)自動列車控制系統(tǒng)。CBTC借助先進的列車定位技術(shù)、無線通信技術(shù)，從根本上將基于軌道電路的單向信息傳輸，改變?yōu)榛跓o線的雙向、連續(xù)、大容量信息傳輸[2]。CBTC系統(tǒng)的運用有著廣泛的前景，但是CBTC系統(tǒng)目前核心技術(shù)一直被國外公司掌握，我國對CBTC系統(tǒng)的研究起步較晚，2002年開始籌劃自主的CBTC關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)、工程化開發(fā)和示范應(yīng)用等問題，并于2004年正式啟動,目前CBTC的國產(chǎn)化程度不高。

3 基于無線通信的列車控制系統(tǒng)核心內(nèi)容

3.1 CBTC系統(tǒng)的原理和功能實現(xiàn)

CBTC系統(tǒng)不以閉塞分區(qū)作為列車追蹤的最小單元，而是采用一種移動閉塞技術(shù)。移動閉塞是基于通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不依靠軌道電路向列控車載設(shè)備傳遞信息，而是利用通信技術(shù)實現(xiàn)“車地通信”并實時地傳遞“列車定位”信息。

CBTC主要通過列車自動防護（ATP）、列車自動運行（ATO）、列車自動監(jiān)控（ATS）、聯(lián)鎖（CI）、數(shù)據(jù)傳輸（DCS）子系統(tǒng)來實現(xiàn)列車控制功能。

ATP列車自動防護子系統(tǒng)是ATC系統(tǒng)的安全核心，主要負(fù)責(zé)保證列車的運行安全。

CI子系統(tǒng)聯(lián)鎖設(shè)備是保證列車運行安全的設(shè)備，實現(xiàn)列車進路上道岔、信號機、軌道區(qū)段正確的聯(lián)鎖，因此必須滿足故障——安全原則。

ATO是自動控制列車運行的設(shè)備。ATO系統(tǒng)是列車運行自動化系統(tǒng)中的高層次環(huán)節(jié)，對提高運行效率，提高列車運行的準(zhǔn)點率和安全性，實現(xiàn)列車經(jīng)濟運行等具有重要作用。

ATS子系統(tǒng)是ATC系統(tǒng)的上層管理部分，負(fù)責(zé)監(jiān)督、控制和調(diào)整列車間的有效運行，是保證地鐵運輸效率、提高服務(wù)質(zhì)量的重要設(shè)備。

DCS子系統(tǒng)是一個獨立于其他應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，是完全透明與開放的。DCS子系統(tǒng)的主要作用是在各個信號子系統(tǒng)之間傳輸列車控制信息、ATS信息和維護信息等。

3.2 車地?zé)o線通信

3.2.1 車地?zé)o線通信的通信方案

車地通信是CBTC關(guān)鍵技術(shù)之一，傳輸?shù)氖巧婕靶熊嚢踩闹匾獢?shù)據(jù)信息。基于目前車地通信技術(shù)的應(yīng)用情況，針對CBTC系統(tǒng)的車地通信提出以下兩種方案：

方案一：采用WLAN技術(shù)的車地通信方案。

基于無線通信技術(shù)的移動閉塞ATC系統(tǒng)，其車地通信采用無線局域網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建，WLAN技術(shù)在開放的2.4GHZ ISM公共頻段中傳輸車地雙向數(shù)據(jù)通信信息，其主要優(yōu)點是成本低、設(shè)備小、靜止場景數(shù)據(jù)帶寬寬、應(yīng)用比較成熟，但同時存在安全性差、覆蓋難、切換頻繁、干擾源多等問題。

方案二：采用TD-LTE技術(shù)的車地通信綜合業(yè)務(wù)通信方案。

LTE是基于OFDMA(正交頻分復(fù)用多址接入)技術(shù)，由3GPP（第三代合作伙伴計劃）組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，具有100Mbps的數(shù)據(jù)下載能力。LTE采用了OFDM(正交頻分復(fù)用)、MIMO(多輸入多輸出)、HARQ(混合反饋重發(fā))等先進技術(shù)有效提高數(shù)據(jù)速率、頻譜效率和抗干擾性，提供綜合業(yè)務(wù)承載的優(yōu)先級調(diào)度和高速移動性支持，并通過抗干擾技術(shù)和安全機制保證無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸。

由此可看出，采用LTE技術(shù)作為車地通信方案完全能夠滿足信號系統(tǒng)車地通信功能及工程實施進度要求，由LTE作為車地?zé)o線通信系統(tǒng)承載地鐵業(yè)務(wù)已成為城市地鐵建設(shè)的趨勢。

綜上所述，推薦采用基于TD-LTE技術(shù)的車地通信綜合業(yè)務(wù)通信方案。

3.2.2 車地?zé)o線通信的傳輸方案

CBTC系統(tǒng)全線可以單獨采用天線方式、漏泄同軸電纜方式或者波導(dǎo)管方式進行無線信息傳輸，也可以采用其中的兩種相結(jié)合的方式。

方案一：無線電臺

天線方式是指通過天線把符合IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線接入點所發(fā)出的信號輻射出去，無線信號在空間的傳播特性符合自由空間的傳播特性。天線方式傳輸?shù)淖畲缶嚯x約為400米，由于軌道交通線路多穿行于城市區(qū)域，其彎道和坡道較多，增加了無線場強覆蓋的難度。無線電臺的體積較小，安裝比較靈活，但是存在干擾問題，需要現(xiàn)場場強測試。

方案二：漏泄同軸電纜

采用漏泄同軸電纜的方式，就是把AP發(fā)出的無線信號局限在漏泄同軸電纜內(nèi)傳輸。漏泄同軸電纜方式的傳輸特性和衰減特性較好，傳輸距離較遠，沿線無線場強覆蓋均勻，且呈現(xiàn)良好的方向性分布，抗干擾能力較強。漏泄同軸電纜的安裝要求不是很高，其自身安裝調(diào)試完成后維護工作量很小。

方案三：波導(dǎo)管

采用波導(dǎo)管的方式，就是把AP發(fā)出的無線信號局限在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸。波導(dǎo)管上有開孔，通過開孔泄露出來的無線信號與車載的無線設(shè)備通信。波導(dǎo)管因其波導(dǎo)管物理特性和衰減特性很好，傳輸距離較遠，且沿線無線場強覆蓋均勻，呈現(xiàn)良好的方向性分布，抗干擾能力較強。其傳輸距離要優(yōu)于漏泄同軸電纜，減少列車在各個AP之間的漫游和切換，提高了無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

由于青島地鐵11號線屬于高架線，信號干擾大，站與站距離長，所以正線傳輸媒介采用波導(dǎo)管。

3.3 CBTC故障情況下的降級運行模式及安全性分析

信號系統(tǒng)降級能力，是信號系統(tǒng)在部分故障狀態(tài)下實現(xiàn)功能后退的能力，是在自己系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)上的功能降級運用，是提高系統(tǒng)利用率的重要途徑。信號系統(tǒng)的降級運營模式主要有兩種：聯(lián)鎖級降級控制方案；點式ATP/ATO降級控制方案。

在聯(lián)鎖級的降級模式下，列車在通過當(dāng)前開放的信號機后司機無法獲取前方信號機的確切位置及顯示，也就無法知道具體的移動授權(quán)信息（前行列車的位置或運營停車點），列車駕駛完全由司機控制，這就給行車安全埋下了一定隱患。

在點式ATP/ATO降級模式下，列車采用AM或CM模式運行，車載ATP對列車實行全功能監(jiān)控，車載ATP計算列車運行的速度防護曲線，列車在ATO或司機的控制下按照速度防護曲線運行。相較于聯(lián)鎖級模式，列車運營的安全、效率以及乘客乘坐的舒適度將顯著提升。

4 基于無線通信的列車控制系統(tǒng)的研究對施工及調(diào)試的意義

研究CBTC系統(tǒng)的原理和實現(xiàn)功能的方法，掌握CBTC關(guān)鍵技術(shù)，對CBTC系統(tǒng)的施工和調(diào)試有著積極的作用。對CBTC原理性知識的掌握可以加深管理人員對施工和調(diào)試的理解，使得設(shè)備的安裝更合理，設(shè)備的調(diào)試更有效率。可以使管理人員融會貫通，在原來的基礎(chǔ)上更加大膽的創(chuàng)新，從而使工藝更美觀。特別是因現(xiàn)場不確定性因素需要調(diào)整方案時，管理人員可以從更高的角度考慮問題，從而對問題的處理更加迅速，合理。熟練地掌握CBTC系統(tǒng)的原理性知識和硬件設(shè)備對于設(shè)備安裝和聯(lián)調(diào)聯(lián)試都很重要，既能節(jié)省時間，也能節(jié)省財力物力。青島地鐵11號線將基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場安裝施工過程相結(jié)合，并建立施工工藝工法，達到了滿意的效果。

5 結(jié)語

基于無線通信的列車控制系統(tǒng)是一套健全、高效的系統(tǒng)，通信和傳輸采用的方案都是經(jīng)過仔細(xì)篩選的最佳方案。CBTC相比傳統(tǒng)的鐵路信號系統(tǒng)具有減少電纜敷設(shè)及維護，成本低，信息傳輸流量大、效率高、速度快、兼容性強，提高調(diào)度中心工作效率等優(yōu)點?；跓o線通信的列車控制系統(tǒng)的研究也使得施工及調(diào)試更準(zhǔn)確更高效。