基于无线传输通信方式的列车控制系统

孙博

关键词：随着我国经济快速发展，城市规模不断扩大，特别在经济发达的东部及中、西部地区，经济迅速发展，机动车飞速增长，交通拥堵情况日渐突出。城市轨道交通具有其它交通工具望尘莫及的优点，客运周转量大、安全、速度快、受干扰少、环境污染小等，各地方政府和市民都希望加快本地的轨道交通建设来减缓交通压力，实现人与自然的和谐发展。

关键词：无线传输；列车控制系统

前言

至2015年6月底，中国轨道交通建设规划获批城市合计39座（不含港澳台），2015年上半年建设获批城市9座，其中南京、武汉、南昌、南宁、成都5座城市获批的是二轮建设规划，呼和浩特和济南为首次获批，长春获批的是规划调整方案，三亚获批的是有轨电车线网规划，获批总里程817.90公里，共568个车站，总投资5027.67亿元。未来中国大约有229个城市具备发展城市轨道交通的潜力（目前全国共有直辖市和省会城市34个，地级城市333个）。2050年全国规划线路将增加到300条，总里程数达到12000公里。

城市轨道交通需要列车运行速度高、密度大，特别是早、晚高峰，市民对列车追踪密度要求很高。传统的以轨道电路进行定位，司机人工驾驶的固定闭塞运营方式已不能满足安全和效率要求。准移动闭塞虽然在一定程度上提高了运营效率，但与市民对轨道交通的期望还有差距，基于通信的CBTC系统正是为了迎合这种需求而开发的。

一、CBTC发展历程

20世纪90年代，国际上普遍采用“基于数字轨道电路的准移动闭塞”作为ATC的主要制式。由于这种制式具有较高的可靠性、合理的性价比，已经具有充分的运行经验，其列车运行间隔（100-150s）已能满足绝大多数轨道交通运营部门的要求，因此，这类系统至今仍是轨道交通建设的首选制式。然而，随着轨道交通的发展，这类制式的弊病也已日益凸显。

弊病之一：由于目前世界上各种准移动闭塞的信息传输频率、通信协议等均不一致，导致了在一个城市或一个地区的轨道交通网中各条线路的列车不能实现联通联运。

弊病之二：大多数基于数字轨道电路的准移动闭塞，为了实现调谐和电平调整，不得不在钢轨旁侧设置“轨旁设备”，而这对于轨道交通的日常维护工作是非常不利的。

弊病之三：由于以钢轨作为信息传输通道，因此传输频率受到很大的限制，导致车一地之间通信的信息量较低。此外，其传输性能受钢轨中的牵引回流、钢轨之间的道床漏泄以及钢轨下面的防迷流网的影响很大，而导致传输性能不够稳定。

弊病之四：“准移动闭塞”距真正意义上的“移动闭塞”还有差距，因此，列车运行间隔的进一步缩短和列车运行速度的提高都将受到限制。

所以，从20世纪70年代末到80年代，工业发展的国家对开发以通信为基础的列车运行控制系统感到兴趣，发展十分迅速，这种系统以通信的方式来实现对列车的运行控制，为了表达方便，从20世纪末起，在很多国际会议和论文期刊上开始用一个统一的名字来表达：

基于通信的列车控制系统（communicationbasedtraincontrolsystem），假如说基于轨道电路的列控系统（TBTC）是从19世纪末开始从有到无，到蓬勃发展，构成列车运行控制的第一阶段，则基于通信的列车控制系统（CBTC），标志着构成一个新的发展阶段或新的时代。由于它的通信容量的大幅度提高，而且实现了车地之间的双向通信，也可进一步应用智能技术，使它迅速发展了起来。

二、CBTC系统构成

该信号系统由图1所示各子系统和设备组成。

图1

2.1列车自动监督系统（ATS）

ATS提供自动及人工控制运行的手段，并向行车调度员及外部系统提供信息。ATS汇集来自联锁和ATP的列车位置、进路状态、列车状态、车次号、信号设备故障等信息，依据当天计划时刻表对全线的运行列车实施监督和控制。ATS能够自动排列进路，还能通过调整停站时间和站间运行时间来自动调整列车运行。在必要的时候，ATS系统可以进行人工操作。

控制中心中央大屏显示信号系统监督的所有现场元件的实际状态信息的。除了道岔、信号机、计轴区段等联锁控制的要素，还使用ATP系统提供的详细线路图以及位置信息，精确地CTC级别的列车位置。当ATP系统发生故障，位置信息不能传送够到ATS系统时，车次号将基于物理轨道区段和相关读取点信息步进。一旦故障恢复且重新从ATP系统获得位置信息，车次号立即由列车监督和追踪功能基于实际的位置信息向前步进。

2.2列车自动防护系统（ATP）

列车自动防护系统（ATP）分为轨旁ATP及车载ATP，通过无线数据传输系统车-地间周期传递列车位置信息和地-车间传递移动授权来实现信息交互，如图2。轨旁子系统根据联锁状态和列车位置计算移动授权。车载子系统在指定的移动授权极限内监督列车运行。

轨旁车载子系统应用线路数据库（TDB）存储轨道地形信息，例如速度和坡道信息。车载子系统基于列车定位信息、轨旁子系统和TDB提供的信息监督和控制列车运行并根据静态速度曲线、临时限速、移动授权和其他限制对列车运行进行防护。

图2

2.3列车自动驾驶系统（ATO）

AM驾驶模式下，系统提供ATO功能，该功能通过向列车的牵引和制动系统发送命令进行列车控制，ATO功能考虑旅客舒适度要求，遵循车辆要求的冲击率，加速度，节能和其他限制，ATS根据时刻表和运营的需求调整列车自动运行，车载ATO响应ATS命令，并自动控制列车的牵引和制动系统。

2.4轨旁联锁系统

联锁子系统根据集中管理，分散控制的原则，考虑线路长度、设备数量、控制距离等因素，将全线划分为一个或多个联锁区。每个联锁区内的车站按联锁设备配置的不同分为联锁设备集中站、二级联锁站和非联锁站。

其中，二级联锁站内配置数据采集单元与控制单元，数据采集单元负责区域内几个非联锁站的轨旁设备的数据采集，并通过总线将采集到的数据传输给联锁设备集中站，联锁设备集中站内配置联锁数据处理计算机，处理采集到的轨旁设备数据，并同过二级联锁站的控制单元控制轨旁设备的动作。

2.5无线通信系统

无线通信系统为轨旁和车载子系统之间提供连续、双向、基于无线电的数据传输，分为中央、轨旁和车载等三大子系统。中央子系统由冗余配置的中央系统服务器组成，可以实现路由、管理、综合业务和诊断功能；轨旁子系统由接入点（AP）组成，接入点沿轨道分布在轨旁，中央子系统和轨旁子系统通过光纤骨干网连接；车载子系统由每列列车上的两个车载列车单元组成，充当接入点的通信工作站，两个列车单元之间通过以太网连接相互链接在一起。

结束语

近年来，随着通信技术的发展，尤其是无线通信、计算机网络技术和数字信号处理技术的迅速发展，信号系统的冗余、容错技术完善，在信号这个传统领域为CBTC的发展奠定了基础，已逐渐被信号界所认可，CBTC列车控制系统能够根据前行列车和前方线路情况，在确保安全的前提下紧追踪前行列车运行，能有效缩短列车追踪间隔，运输效率也得到极大提高，CBTC列车控制系统的应用是城市轨道交通发展的方向。