李 晶

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司第十設(shè)計(jì)所，100045，北京∥工程師）

隨著我國(guó)大中型城市的人口規(guī)模和城市規(guī)模的不斷快速擴(kuò)張，城市近郊、遠(yuǎn)郊新城與城市中心之間的客流交通需求也越來(lái)越大。珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)及環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈、環(huán)首都經(jīng)濟(jì)圈等很多城市對(duì)介于城市地鐵和鐵路客運(yùn)專線層次之間的交通工具需求迫切，即需要有速度在100～160 km／h之間的市域快速軌道交通。在我國(guó)的大中型城市，快速市域軌道交通將成為城市和城郊地區(qū)居民有效縮短出行時(shí)間、疏散核心區(qū)域人口、分解中心城區(qū)交通壓力、滿足新型城市發(fā)展要求的首選手段［1－2］。而目前，我國(guó)還沒有針對(duì)市域快速軌道交通建設(shè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文將從信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度考慮，分析幾種主要信號(hào)制式在快速情況下的適用性。

1 國(guó)內(nèi)類似工程應(yīng)用情況分析

市域快速軌道交通與傳統(tǒng)城市軌道交通相比，具有線路長(zhǎng)、站間距大、服務(wù)對(duì)象以城市邊緣組團(tuán)為主，乘客乘坐距離較長(zhǎng)等顯著特點(diǎn)［3－4］。表1例舉了部分國(guó)內(nèi)類似工程的信號(hào)制式應(yīng)用情況（截止2013年7月）。

在表1例舉的類似工程項(xiàng)目中，上海軌道交通11號(hào)線、上海軌道交通16號(hào)線、深圳地鐵11號(hào)線、青島藍(lán)色硅谷線、南京寧天城際線的信號(hào)系統(tǒng)都采用基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)方案；廣州地鐵3號(hào)線和香港機(jī)場(chǎng)線采用基于交叉感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)方案；珠江三角洲城際網(wǎng)采用我國(guó)鐵路CTCS－2級(jí)列控系統(tǒng)＋ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）方案。

由上可見，雖然國(guó)內(nèi)有已建成或正在建設(shè)的最高設(shè)計(jì)速度為100～120km／h的城市軌道交通線路，且這些線路中大多沿用與地鐵信號(hào)系統(tǒng)相同的CBTC信號(hào)制式，但是，當(dāng)列車運(yùn)行速度從120km／h提升至160km／h時(shí)，給信號(hào)專業(yè)會(huì)帶來(lái)以下2個(gè)問題：① 常用的CBTC采用的基于WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）的車－地通信方式是否適用；② 是否有其他適用的信號(hào)系統(tǒng)方案。在120～160km／h的速度等級(jí)下，仍然可能存在車地通信數(shù)據(jù)傳輸可靠性不能保證、鐵路信號(hào)制式與中心城區(qū)地鐵線路不能互聯(lián)互通等諸多問題。所以，在快速等級(jí)下信號(hào)制式的選擇是本文研究的主要內(nèi)容。

表1 國(guó)內(nèi)類似工程中信號(hào)制式的應(yīng)用情況

2 市域快速軌道交通信號(hào)制式的主要方案

參考城市軌道交通和鐵路領(lǐng)域各種有可能用于120～160km／h等級(jí)的信號(hào)系統(tǒng)，并結(jié)合城市軌道交通的特點(diǎn)，分別對(duì)這些技術(shù)方案進(jìn)行適用性分析，以提出推薦方案。

2.1 基于計(jì)軸和可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)

基于計(jì)軸和可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器的點(diǎn)式ATC（列車自動(dòng)控制）系統(tǒng)，現(xiàn)一般應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)的降級(jí)方案中。

該系統(tǒng)的主要軌旁及車載設(shè)備配置為：計(jì)軸設(shè)備，含電子地圖的車載設(shè)備，可變和固定應(yīng)答器，車站TWC（車地通信）設(shè)備等。

2.1.1 系統(tǒng)原理和特點(diǎn)

該系統(tǒng)由計(jì)軸檢測(cè)列車占用的信息。在每個(gè)信號(hào)機(jī)前設(shè)置至少一個(gè)可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器向列車發(fā)送前方目標(biāo)授權(quán)點(diǎn)信息。地面向列車發(fā)送的ATP（列車自動(dòng)保護(hù)）速度信息是點(diǎn)式的而不是連續(xù)的，列車只能在閉塞分區(qū)的出口或入口處從可變應(yīng)答器中獲得速度碼信息。車載設(shè)備根據(jù)車載電子地圖內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，結(jié)合車輛性能數(shù)據(jù)計(jì)算出適合本列車運(yùn)行的速度－距離曲線，以保證列車在速度－距離曲線下有序運(yùn)行。該系統(tǒng)的運(yùn)行示意圖如圖1所示。

圖1 基于計(jì)軸和可變應(yīng)答器的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）計(jì)軸設(shè)備僅有列車位置檢測(cè)功能，而沒有信息發(fā)送功能。

2）車載設(shè)備利用速度電機(jī)計(jì)算里程，并利用固定應(yīng)答器進(jìn)行位置校正，從而得出列車自身準(zhǔn)確位置，并提取電子地圖中的線路數(shù)據(jù)。

3）精確停車設(shè)備可選擇固定應(yīng)答器或定位環(huán)線。

4）車站車地通信設(shè)備可選擇通信環(huán)線或天線等車地雙向傳輸設(shè)備。

2.1.2 適應(yīng)性分析

點(diǎn)式ATC系統(tǒng)從理論上講其運(yùn)營(yíng)能力可以和連續(xù)式一樣，但由于點(diǎn)式ATC系統(tǒng)在大部分運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法收到速度碼信息，故在緊急情況下的靈活性差，因此，一般不應(yīng)用于高密度大運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng)。目前點(diǎn)式ATC系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域還未作為主系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)，多作為CBTC系統(tǒng)的降級(jí)系統(tǒng)。

2.2 基于軌道電路的ATC系統(tǒng)

軌道電路有多種制式，城市軌道交通領(lǐng)域已成熟應(yīng)用的多為無(wú)絕緣數(shù)字報(bào)文軌道電路，鐵路領(lǐng)域已成熟使用的為無(wú)絕緣移頻信息軌道電路等。數(shù)字軌道電路由于閉塞分區(qū)長(zhǎng)度一般為300m左右，不適用于120～160km／h這種快速、大站間距的市域軌道交通。因此，市域快速軌道交通選取基于移頻信息的軌道電路更加合適。

該系統(tǒng)的主要軌旁及車載設(shè)備配置為：移頻信息無(wú)絕緣軌道電路，應(yīng)答器，含電子地圖的車載設(shè)備等。

2.2.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由軌道電路檢測(cè)列車位置，并向車載設(shè)備發(fā)送有限的速度碼信息（也可理解為前方區(qū)段占用信息）。車載設(shè)備根據(jù)車載電子地圖內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，結(jié)合車輛性能數(shù)據(jù)計(jì)算出適合本列車運(yùn)行的速度－距離曲線，以保證列車在速度－距離曲線下有序運(yùn)行。

車載設(shè)備可檢測(cè)到軌道電路邊界的頻率變化，從而檢測(cè)到軌道邊界；然后利用速度電機(jī)計(jì)算自邊界起的里程，得出列車自身位置。如果軌道電路模糊區(qū)太大，僅從邊界檢測(cè)無(wú)法滿足精度要求，則可設(shè)置固定應(yīng)答器。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)ATO功能。

2.2.2 適用性分析

基于軌道電路的ATC系統(tǒng)在我國(guó)鐵路線路中被廣泛應(yīng)用，包括160km／h等級(jí)的既有線改造和250km／h等級(jí)的C2客運(yùn)專線線路（C2客運(yùn)專線與本案基本一致，差別在于C2是基于鐵道部標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，兼容性更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，而本案是針對(duì)城市軌道交通特點(diǎn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化方案）等，完全可滿足120～160km／h速度等級(jí)的需求。

但是該系統(tǒng)軌道電路的室內(nèi)外設(shè)備較多，數(shù)據(jù)傳輸依賴于鋼軌，其工作穩(wěn)定性受道床參數(shù)、軌道牽引回流及軌面清潔度的影響，需要經(jīng)常作調(diào)整，故維護(hù)量相對(duì)較大，因而在軌道交通領(lǐng)域很少在正線上應(yīng)用。引入軌道電路不利于線網(wǎng)的互聯(lián)互通與資源共享。

2.3 基于無(wú)線通信的CBTC系統(tǒng)

近些年來(lái)，隨著WLAN技術(shù)的逐步發(fā)展與成熟，CBTC系統(tǒng)在城市軌道交通的線路中得到了廣泛應(yīng)用。

該系統(tǒng)的主要軌旁及車載設(shè)備配置為車地?zé)o線通信設(shè)備，含電子地圖的車載設(shè)備，固定應(yīng)答器等。

2.3.1 系統(tǒng)原理

車載設(shè)備利用速度電機(jī)計(jì)算里程，并利用固定應(yīng)答器進(jìn)行位置校正，從而得出列車位置，并提取電子地圖中的線路數(shù)據(jù)。列車通過(guò)覆蓋全線的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將自身位置發(fā)送至地面，地面又將不斷變化的目標(biāo)點(diǎn)發(fā)送至列車。車載設(shè)備根據(jù)收到的目標(biāo)點(diǎn)、電子地圖內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，再結(jié)合車輛性能數(shù)據(jù)計(jì)算出適合本列車運(yùn)行的速度－距離曲線，以保證列車在速度－距離曲線下有序運(yùn)行。精確停車功能一般采用固定應(yīng)答器設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的運(yùn)行示意圖如圖2所示。

圖2 基于無(wú)線通信的連續(xù)式CBTC系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)代表著城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。它擺脫了利用鋼軌作為信息的傳輸媒介，優(yōu)化了信息的傳輸途徑，提高了信息傳輸速度和容量，改善了電氣化干擾問題，簡(jiǎn)化了軌旁的設(shè)備構(gòu)成及數(shù)量，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的維護(hù)工作量。

2.3.2 幾種常用車地通信技術(shù)的適應(yīng)性分析

2.3.2.1 WLAN技術(shù)適應(yīng)性分析

目前，市場(chǎng)上能提供和使用中的CBTC系統(tǒng)的車地通信均采用WLAN技術(shù)。WLAN在開發(fā)之初是基于靜態(tài)無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的，在列車低速運(yùn)行情況下可滿足信號(hào)系統(tǒng)的車地通信需要。但是，隨著車速的提高，無(wú)線通信會(huì)因衰落、干擾和列車的高速移動(dòng)而在性能上受到影響，造成丟包率上升和傳輸帶寬下降，最終將無(wú)法滿足信號(hào)系統(tǒng)的需求。因此，對(duì)CBTC系統(tǒng)在快速環(huán)境下的適應(yīng)性應(yīng)重點(diǎn)研究車地通信方式。

CBTC系統(tǒng)的車地通信傳輸媒介主要有無(wú)線自由波，漏泄電纜和波導(dǎo)管等3種。

漏纜、波導(dǎo)管由于傳輸頻帶寬、傳輸損耗小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，故使用條件較好，雖無(wú)高速運(yùn)行案例，但其理論設(shè)計(jì)速度可達(dá)到160km／h。漏纜和波導(dǎo)管造價(jià)較無(wú)線自由波高，且安裝和維護(hù)也較復(fù)雜，而且隨著速度的提升，漏纜、波導(dǎo)管的覆蓋距離會(huì)顯著下降，需增加更多AP（接入點(diǎn)），造價(jià)會(huì)進(jìn)一步提高。漏纜的供貨商主要是龐巴迪公司，已應(yīng)用于深圳、天津等城市軌道交通；波導(dǎo)管的供貨商主要有卡斯柯信號(hào)有限公司、北京交控科技有限公司，已應(yīng)用于北京、上海、廣州等城市的軌道交通。

無(wú)線自由波雖然成本較低、安裝精度要求低、維護(hù)方便，但是其傳輸距離較短、衰減較快，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋特性是近強(qiáng)遠(yuǎn)弱，且抗干擾能力弱。無(wú)線電臺(tái)在自由空間波傳輸中，多徑干擾和車輛高速移動(dòng)下產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)明顯，其中影響較大的部分出現(xiàn)在越區(qū)切換環(huán)節(jié)。在軌道交通復(fù)雜環(huán)境下，較大的運(yùn)行速度會(huì)造成頻繁的切換，甚至出現(xiàn)不可預(yù)知次數(shù)的假切換或乒乓切換，切換的增加也使通信的整體丟包率線性上升。頻繁的數(shù)據(jù)包重傳導(dǎo)致信息傳輸可靠性的下降，甚至形成通信中斷、造成緊急制動(dòng)。因此，無(wú)線自由波不適宜在速度120km／h及以上的線路中使用。

目前設(shè)計(jì)時(shí)速較高的幾個(gè)工程，如上海軌道交通11號(hào)線及16號(hào)線、深圳地鐵11號(hào)線、青島藍(lán)色硅谷線、南京寧天城際線等，都采用了基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)方案，通信傳輸媒介有的選用無(wú)線自由波，有的選用波導(dǎo)管。但這些線路的最高運(yùn)營(yíng)速度均為120km／h以下，且目前只有上海軌道交通11號(hào)線已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)，對(duì)于120～160km／h的速度級(jí)而言，均沒有實(shí)際開通的案例。

因此，基于 WLAN技術(shù)的CBTC系統(tǒng)在快速環(huán)境下的適用性還有待于工程實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

2.3.2.2 GSM－R適用性分析

我國(guó)鐵路CTCS－3級(jí)列控系統(tǒng)中，車地通信采用GSM（全球移動(dòng)通信）－R技術(shù)。GSM－R相對(duì)于WLAN方式存在帶寬低、時(shí)延大、恢復(fù)周期長(zhǎng)等問題，其能否應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)且取代WLAN，以滿足車地大容量通信的需求還有待于研究。另外，GSM－R采用鐵路專用無(wú)線頻段，能否應(yīng)用于城市軌道交通項(xiàng)目，還存在諸多問題。

2.3.2.3 LTE適用性分析

LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）技術(shù)是3G（第三代移動(dòng)通信）的演進(jìn)。它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM（正交頻分復(fù)用）和MIMO（多輸入多輸出）作為其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。LTE采用單層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和減小延遲，可實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、低復(fù)雜度和低成本的要求。相對(duì)于 WLAN，LTE應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)還具有以下優(yōu)勢(shì)：① 理論上可以支持500km／h的移動(dòng)速度；② 使用專用頻段，不存在無(wú)線干擾；③ 低時(shí)延，時(shí)延小于100ms，完全滿足CBTC系統(tǒng)的500 ms時(shí)延的要求；④ 簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，帶來(lái)低成本優(yōu)勢(shì)，成本基本與 WLAN持平；⑤ 可提供高達(dá)100 Mbti／s的峰值速率，完全可與PIS（乘客信息系統(tǒng)）共享網(wǎng)絡(luò)；⑥ 技術(shù)成熟，商業(yè)化程度高。

但是，LTE技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通存在以下問題：

1）目前LTE技術(shù)主要針對(duì)公眾移動(dòng)通信，沒有能直接應(yīng)用于軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的成熟產(chǎn)品，需進(jìn)行大量二次開發(fā)和驗(yàn)證工作；

2）現(xiàn)在專用頻段已分配給運(yùn)營(yíng)商，另需要申請(qǐng)專用頻段。

目前，多家信號(hào)供貨商已開展采用LTE技術(shù)的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的研究及測(cè)試工作，待基于LTE技術(shù)的移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)有可用于軌道交通的成熟產(chǎn)品時(shí)，這將是一個(gè)較理想的方案。

2.3.3 基于WLAN技術(shù)和基于LTE技術(shù)的CBTC系統(tǒng)比較分析

基于WLAN技術(shù)的CBTC系統(tǒng)不管是引進(jìn)的還是自主研發(fā)的，無(wú)線通信都工作在2.4G的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療專用）頻段，而且大多數(shù)成熟產(chǎn)品主要采用IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)（龐巴迪、日信等公司除外，另有專有協(xié)議）的無(wú)線局域網(wǎng)。在多年的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于2.4G的ISM頻段屬于開放頻段，時(shí)有無(wú)線干擾發(fā)生，其典型事故如深圳地鐵蛇口站緊急停車事件等。再者，如上所述的 WLAN在快速環(huán)境下丟包率上升和傳輸帶寬下降的問題，目前仍沒有得到實(shí)際工程的驗(yàn)證。

從理論上分析，基于LTE技術(shù)的CBTC系統(tǒng)相對(duì)于WLAN技術(shù)而言具有不存在無(wú)線干擾、支持快速移動(dòng)、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)在同樣沒有應(yīng)用于城市軌道交通的成熟產(chǎn)品和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)指標(biāo)對(duì)比詳見表2。

表2 LTE技術(shù)與WLAN技術(shù)對(duì)比表

2.4 基于感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)

2.4.1 系統(tǒng)原理及構(gòu)成

基于感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)原理基本相同，設(shè)備配置區(qū)別僅為車地傳輸媒介不是無(wú)線而是通過(guò)交叉感應(yīng)環(huán)線。

2.4.2 適應(yīng)性分析

廣州地鐵3號(hào)線和香港機(jī)場(chǎng)快線應(yīng)用了基于感應(yīng)環(huán)線的移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)并均已開通運(yùn)營(yíng)。香港機(jī)場(chǎng)快線車速為135km／h的應(yīng)用業(yè)績(jī)可以證明，該系統(tǒng)基本滿足120～160km／h速度等級(jí)的車地通信需求。

但是，交叉感應(yīng)環(huán)線安裝于線路道床上，會(huì)造成安裝維護(hù)不便等問題。相對(duì)于CBTC系統(tǒng)，感應(yīng)環(huán)線方式在技術(shù)先進(jìn)性、可擴(kuò)展性、設(shè)備生命周期內(nèi)的維護(hù)難度及成本上均不占優(yōu)勢(shì)；且交叉感應(yīng)環(huán)線供廠商少，目前僅泰雷茲公司一家，這不利于設(shè)備招標(biāo)工作。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析和研究，結(jié)合120～160km／h速度等級(jí)的線路站間距大、運(yùn)營(yíng)間隔長(zhǎng)等特點(diǎn)，推薦采用基于計(jì)軸和可變應(yīng)答器的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)，其可滿足初、近期的運(yùn)營(yíng)需求。應(yīng)跟蹤LTE技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合客流和運(yùn)能的增加，可以在將來(lái)技術(shù)、產(chǎn)品成熟的條件下，逐步升級(jí)為基于LTE技術(shù)的CBTC系統(tǒng)。

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