城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)綜述

【摘 要】城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)（MTCS）以列控車載設(shè)備為核心，以地面電務設(shè)備為基礎(chǔ)，以車地通信網(wǎng)絡(luò)為載體，實現(xiàn)車-地信息快速高效無損傳輸，并能根據(jù)地面軌旁設(shè)備、線路周遭環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)和列控車載設(shè)備等狀態(tài)可分為CBTC、ITC、CI、隔離等四個列車運行級別與FAO、ATO、ATP、IATO、IATP、RM、RMR、NRM等8個列車運行信號模式。系統(tǒng)可在不同等級設(shè)備基礎(chǔ)上疊加或減少不同地面與車載設(shè)備來構(gòu)成不同系列的列車運行控制系統(tǒng)，不同等級與模式間的主要差別在于電務設(shè)備、列控車載設(shè)備、地-車信息傳輸方式、系統(tǒng)自動化程度等。本文分析了MTCS系統(tǒng)研究現(xiàn)狀、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能原理以及在列車不同運營場景下的應用等進行了全面深入分析，為地鐵現(xiàn)場實際運營、維修維保等提供了有力的技術(shù)支撐和指導。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通;列車運行控制系統(tǒng);車載設(shè)備;車載設(shè)備

1 引言

基于通信的列車運行控制（Communication- Based Train Control，簡稱CBTC）移動閉塞信號系統(tǒng)，應用計算機、通信、圖形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能和自動控制等先進技術(shù)，并結(jié)合行車組織、列車運營、維修維保等地鐵現(xiàn)場實際運維需求，構(gòu)建了以行車崗位為核心的集行車調(diào)度指揮、區(qū)間閉塞、車站聯(lián)鎖和車載運行控制等于一體列車運行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同列車運行級別與模式的從車輛維保、整備作業(yè)、出庫、正線、入加等全過程防護控制與運檢修一體化管理，使城市軌道運營指揮與控制實現(xiàn)了自動化、數(shù)字化、智能化。同時也實現(xiàn)了車載設(shè)備與地面設(shè)備之間連續(xù)、高速度、大容量、安全、可靠的數(shù)據(jù)信息交換，促進了城市軌道交通系統(tǒng)技術(shù)裝備和管理現(xiàn)代化、自動化、智能化，通過軌道電路或計軸實現(xiàn)軌道占用檢查，同時結(jié)合有源和無源應答器、環(huán)線、無線通信等實現(xiàn)列車定位，實現(xiàn)全線列車基于同一運行圖運行在基于ATS為行車指揮核心的MTCS下安全高效準點運行。

為確保城市軌道交通列車安全準點高效運行、運檢修一體化管理、故障安全導向、設(shè)備故障降級無縫銜接有效運行等，實現(xiàn)低碳環(huán)保節(jié)約能源的目標，結(jié)合我國城市軌道交通發(fā)展的特點[1][2][3]，本文全面分析MTCS[4]技術(shù)相關(guān)原理與實現(xiàn)機制，對不同信號廠家列車運行控制系統(tǒng)的差異、同一列車運行控制系統(tǒng)不同信號級別與模式的運營場景等進行了闡述，旨在為城市軌道交通現(xiàn)場實際運營、維修維保等提供了有力的技術(shù)支撐和指導。

2 MTCS簡介

2.1 MTCS組成結(jié)構(gòu)

MTCS對全線不同列車運行全過程或除隔離模式外的部分作業(yè)實現(xiàn)行車組織管理與調(diào)度指揮和安全防護與控制的系統(tǒng)，其主要功能特征為：行車調(diào)度指揮ATS系統(tǒng)按照列車運行計劃并結(jié)合計劃運行圖發(fā)出列車運行控制命令與指令，并下達給列車司機、車站值班員和車站自律機等，列車通過車站和線路設(shè)備獲取經(jīng)車站自律機、聯(lián)鎖系統(tǒng)和行車調(diào)度指揮系統(tǒng)校驗后的地面行車信息和命令，并通過控制車載MTCS設(shè)備計算列車MRSP限速與相關(guān)牽引控制指令，控制列車按運行圖時刻表行車。在確保列車運營生產(chǎn)計劃、全線列車客流量、運載量等情況下保障全線列車安全準點運行，可通過調(diào)整列車運行圖運行計劃實現(xiàn)列車追蹤間隔與停站時間的有序調(diào)整，同時需在調(diào)度中心向全線車站下達列車運行計劃，并結(jié)合全線車站運行情況和聯(lián)鎖系統(tǒng)與車站自律機實現(xiàn)列車進路的調(diào)整，進而提高列車運行效率，同時也能較好的滿足乘客出行的舒適度與體驗感。

CBTC系統(tǒng)中的MTCS組成結(jié)構(gòu)與功能原理與歐洲列車控制系統(tǒng)ETCS和中國列車控制系統(tǒng)CTCS相類似，主要由列車車載控制器和地面軌旁設(shè)備與電務附屬設(shè)備組成，車載控制器主要由ATP、ATO、MMI、測速測距單元、車載無線通信單元、車載應答器接收單元等部分構(gòu)成，地面設(shè)備主要由有源應答器、無源應答器、LEU、CI、ZC、DSU等構(gòu)成，ATS和MSS為列車運行狀態(tài)監(jiān)控與設(shè)備故障報警和維修提供技術(shù)支持。

2.2 MTCS原理與工作機制

MTCS系統(tǒng)各應用等級均采用速度-距離曲線模式控制列車運行，不同應用等級車載和地面設(shè)備運用情況不一樣，MTCS系統(tǒng)可在低等級的基礎(chǔ)上疊加或啟用部分設(shè)備來實現(xiàn)高等級系統(tǒng)的功能。

2.2.1 MTCS原理

列車自動控制系統(tǒng)ATC包括ATP、ATO、ATS子系統(tǒng)，其中ATP系統(tǒng)中的MTCS系統(tǒng)包括車載和地面兩部分，是城市軌道交通自動化系統(tǒng)中保證列車高效準點安全運行的核心關(guān)鍵部分，較好的實現(xiàn)了城市軌道交通系統(tǒng)有序、安全、高效、準點運營的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了通信、計算機、自動控制、傳感及信息傳輸?shù)燃夹g(shù)，應用于列車運行的智能化控制，在確保安全的前提下，實現(xiàn)列車快速和高密度運行，縮短列車運行時間間隔，提高運輸效率，能最大的發(fā)揮軌道交通的運輸能力[5]。

ATC系統(tǒng)根據(jù)速度-距離計算方式可分為固定、準移動和移動三種制式，每一種制式的主要區(qū)別在于列車控制方式、車地通信方式、信息傳輸方式和速度級別。

2.2.2 MTCS運行級別與模式

MTCS系統(tǒng)主要設(shè)備序列為：①點式通信信息接收設(shè)備、有源應答器、地-車信息傳送設(shè)備、計軸等;②連續(xù)式通信收發(fā)設(shè)備、地-車無線通信單元等;③ATO系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)、ATS系統(tǒng);④FAO系統(tǒng)、車輛調(diào)系統(tǒng)、乘客調(diào)系統(tǒng)等。根據(jù)不的同設(shè)備序列組成為不同MTCS級別、運行級別與運行模式，具體劃分如下表所示。

MTCS1應用設(shè)備序列①可以實現(xiàn)進路閉塞，可以憑地面信號機顯示通過RM、NRM、IATP模式行車。

MTCS2應用設(shè)備序列②可以實現(xiàn)車-地雙向大容量信息交換，并能實現(xiàn)列車定位、軌道占用檢查等，系統(tǒng)可以實現(xiàn)半自動閉塞與準移動閉塞運行，司機駕駛列車可根據(jù)車載信號顯示以ATP、IATP、RM、NRM模式運行，軌旁地面信號機可以滅燈或亮燈。

MTCS3在MTCS2與MTCS1基礎(chǔ)上增加了ATO系統(tǒng)，列車通過GPS實現(xiàn)列車定位、并輔之軌道電路與計軸實現(xiàn)軌道占用檢查，同時應用無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)車-地信息雙向大容量傳輸，可實現(xiàn)移動閉塞列車追蹤，列車相關(guān)運行控制均由系統(tǒng)自動完成，同時當系統(tǒng)或設(shè)備故障時可降級為半自動閉塞與準移動閉塞運行。

MTCS4在MTCS3基礎(chǔ)上增加了FAO系統(tǒng)，在既有控制中心增加車輛調(diào)與乘客調(diào)系統(tǒng)，并實現(xiàn)列控、站務與巡視崗位重組，實現(xiàn)了更精細化的職能分工和更高程度的集成與自動化，當前大部分城仍然采用的GOA3制式，只有較少城市采用了GOA4制式實現(xiàn)車上無司機的全自動無人駕駛運行。

3.MTCS應用現(xiàn)狀分析

3.1 CASCO系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)簡介

CASCO信號系統(tǒng)是一套基于無線通信的移動閉塞系統(tǒng)，采用移動閉塞原則，主要由ATP/ATO子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)、維護支持子系統(tǒng)（MSS）和信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)等構(gòu)成，并以軌道電路與計軸設(shè)備作為列車次級檢測設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)的降級及后備功能。

該系統(tǒng)通過進路控制與列車防護手段保護乘客及列車的安全;通過運營監(jiān)督及與旅客信息系統(tǒng)接口提高運營舒適度;通過列車自動化系統(tǒng)對控制列車運行速度與平穩(wěn)性進行控制，達到規(guī)范運營時間及節(jié)能的目的，能實現(xiàn)同一信號系統(tǒng)在不同列車、不同線路、不同運營場景高效安全準點運行。

3.1.2 系統(tǒng)功能分析

MTCS在列車首尾各設(shè)置一套CC，互為熱備。每端的CC設(shè)備都會連續(xù)的計算其可用性狀況，包括計算編碼里程計，司控臺接口的可用性。一旦工作CC的可用性低于備用CC，頭尾冗余車載控制器之間的切換就會立即執(zhí)行。主備設(shè)備之間的轉(zhuǎn)換不影響列車的正常運行。列車每端的CC輸入輸出單元均采用3取2結(jié)構(gòu)，可保證當某1路輸入輸出故障時系統(tǒng)的正常工作。列車兩端的車載MTCS間僅通過兩根網(wǎng)線連接，大大方便車內(nèi)的施工和維護，同時實現(xiàn)了車載網(wǎng)絡(luò)冗余。

該系統(tǒng)在站控與中控的轉(zhuǎn)換中，需要同時登陸中心ATS和車站ATS才可實現(xiàn)相應的站控和中控的轉(zhuǎn)變;在排列列車進路時，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)進路的預覽，并且在取消進路后該進路的始端信號機會出現(xiàn)一個黃色的三角形表明該進路轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯た刂啤?/p>

該系統(tǒng)能實現(xiàn)聯(lián)鎖機架、非安全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等的狀態(tài)顯示，同時也能記錄查詢聯(lián)鎖實時報警信息和聯(lián)鎖機連續(xù)運行時間，以及與外部設(shè)備的接口狀態(tài)信息，同時也提供站場回放和采驅(qū)碼位回的功能。通過故障查詢界面能實現(xiàn)不能類型的故障查詢與故障代碼回溯，能較快好省的實現(xiàn)故障定位，可通過MODEM實現(xiàn)遠程診斷接入，提供了以太網(wǎng)和串口與聯(lián)鎖系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)對其他設(shè)備的管理與監(jiān)控。能較好的信號設(shè)備以及相關(guān)聯(lián)其他設(shè)備的維修保養(yǎng)與運營維護監(jiān)測。

3.2 THALES系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)簡介

THALES信號系統(tǒng)有CBTC及后備模式，在CBTC模式下，MAU接收來自ATS的進路請求，然后根據(jù)ATS的進路控制序列與控制指令并結(jié)合列車位置計劃列車移動授權(quán)限制LMA。LMA將限制到ATS進路上的最近障礙物或停車點或列車運行終點。

車載MTCS采用單套車載計算機設(shè)備，兩套車載無線設(shè)備、兩套車載人機界面、兩套車載轉(zhuǎn)速計和三套車載加速度計。其設(shè)置均為冗余配置，特別是車載計算機設(shè)備采用三取二冗余安全型計算機設(shè)備，當其中一個處理單元故障后，冗余三取二會自動降級為二取二，從而保證車載MTCS具有極高的RAMS指標。

3.2.2 系統(tǒng)功能分析

該系統(tǒng)命令執(zhí)行分兩步執(zhí)行，第一步為點擊相應模塊右擊，菜單選擇-初始化，命令確認發(fā)出后，在同一個菜單中選擇-確認/取消，即可完成對相應命令的下達。所有的信號指示燈都為單燈，開放引導信號時，燈色則為紅白各半;在取消進路時，系統(tǒng)會出現(xiàn)延時解鎖的現(xiàn)象，進路呈現(xiàn)黑光帶，信號機關(guān)閉。

該系統(tǒng)與微機聯(lián)鎖系統(tǒng)通過以太網(wǎng)或串口進行通信，能實現(xiàn)全線信號設(shè)備的實時信息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、機架狀態(tài)、運行參數(shù)追蹤、歷史查詢、遠程診斷、版本信息校驗、外部接口、站場回放、故障查詢等功能，能較好的實現(xiàn)信號設(shè)備以及與其互聯(lián)互控的設(shè)備的維護維修保養(yǎng)與問題跟蹤定位。

3.3 TCT系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)簡介

TCT信號系統(tǒng)是基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的最先進、最小追蹤間隔的移動閉塞技術(shù)和無線通信技術(shù)，實時進行車-地雙向通信傳送運行狀態(tài)與控制信息，使后續(xù)列車可以實時獲取前方列車位置信息并根據(jù)列車時刻表算出最優(yōu)運行曲線使列車高效安全準點運行，為了提高列車進站效率和停車對標精度，該系統(tǒng)增加了環(huán)線應答器、低速釋放等功能。

MTCS系統(tǒng)車載ATP子系統(tǒng)車頭、車尾各一套，頭尾兩端通過通信線纜相連，用以實現(xiàn)頭尾兩端設(shè)備之間的通信以及車地無線通信的雙路冗余。車載ATP子系統(tǒng)采用“3取2”的安全冗余技術(shù)，確保了車載子系統(tǒng)的安全性、可靠性及可用性。

3.2.2 系統(tǒng)功能分析

該系統(tǒng)在涉及危險操作時，都會有輸入密碼的操作，來確保措施的可靠性。在取消自動通過進路后，需要再次點擊取消進路，否則信號機依舊為綠燈，只是取消了進路的自動通過能力。在信號重開時，信號重開后，信號機顯示黃燈，提醒司機限速通過。該系統(tǒng)可以集中查看以某信號機為始端的所有進路的控制模式（自動/人工）。

該系統(tǒng)能實現(xiàn)全線信號設(shè)備以及與其聯(lián)動聯(lián)控的相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)與數(shù)據(jù)接口的檢測檢視，可通過輸出板上電流與電壓檢測模塊定位分析繼電器拒動、誤動、不動的原因。同時也可通過檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)對繼電器前接點采集報警、道岔斷表示、燈絲斷絲、信號不開放、道岔操不動、軌道電路紅光帶或其它報警信息等問題的分析定位，能較好的實現(xiàn)全線信號設(shè)備與其相關(guān)聯(lián)的設(shè)備的檢修維護保養(yǎng)。

4.結(jié)論

通過對國內(nèi)外城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)級別模式和列車運行控制系統(tǒng)功能原理以及不同MTCS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行介紹，當前城市軌道交通MTCS的研究與建設(shè)重點應從系統(tǒng)功能、運營安全、維護維修、系統(tǒng)差異性、系統(tǒng)自動化與智能化和維護維修智慧化等方面統(tǒng)籌考慮，全面高效有效規(guī)劃整個城市軌道交通建設(shè)、運營、管理、維保等方面。

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作者簡介：

徐斌，（1971-），男，漢族，上海市，本科，部門經(jīng)理，研究方向：車輛工程。

（作者單位：上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司）