王建坤，賈嘉琪

（天津交控科技有限公司，天津 300000）

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為人們的衣食住行帶來(lái)了良好的物質(zhì)條件，交通是人們?nèi)粘Ｉ钆c工作中不可缺少的一部分，如今城市軌道交通系統(tǒng)的大力建設(shè)，不僅為人們的交通出行帶來(lái)了極大便捷，也在很大程度上促進(jìn)了國(guó)家能源的節(jié)省，加快城市化進(jìn)程。在我國(guó)城市軌道交通發(fā)展過(guò)程中，提升軌道交通系統(tǒng)的安全性是主要目標(biāo)，因?yàn)橐坏┝熊囘\(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)生故障，則會(huì)極大地威脅到城市軌道交通的順暢有序運(yùn)營(yíng)，更有甚者會(huì)危及到乘客的生命安全。因此，對(duì)城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，對(duì)我國(guó)軌道交通的進(jìn)一步穩(wěn)定發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義。

1 城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展需求

（1）列車控制系統(tǒng)對(duì)列車追蹤間隔和線路運(yùn)能有較大的影響。對(duì)于城市軌道交通，列車折返間隔是影響其運(yùn)行的重要因素，路線運(yùn)行最小間隔一般合理控制在2 min左右。如果列車控制系統(tǒng)的折返效率提升，此時(shí)運(yùn)能就也相應(yīng)得到提升。列車控制系統(tǒng)對(duì)效能的需求比較迫切，需要進(jìn)一步提升。

（2）目前，城市軌道交通基本實(shí)施CBTC 信號(hào)系統(tǒng)和CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)2 種規(guī)范，但是其覆蓋面積方面還無(wú)法滿足需求，需要一系列的改造項(xiàng)目才能解決列車控制系統(tǒng)的兼容需求。此外，部分城市軌道交通列車運(yùn)行在采用公交化運(yùn)營(yíng)的CBTC 控制系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮公交化運(yùn)營(yíng)、高鐵、列車等城市軌道交通制式間的兼容需求。

（3）隨著現(xiàn)代自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)在現(xiàn)代軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)中的應(yīng)用，我國(guó)智能化列控技術(shù)已經(jīng)取得重大發(fā)展。智能化將成為現(xiàn)代城市軌道交通列車控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化列控技術(shù)、智能化運(yùn)維技術(shù)與現(xiàn)代城市軌道交通列車控制箱系統(tǒng)的耦合發(fā)展，是當(dāng)前列車控制系統(tǒng)的重要發(fā)展需求。

2 城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的組成及原理

基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC 系統(tǒng)）現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，完全脫離地面軌道電路設(shè)備信息傳輸?shù)闹萍s性。在CBTC 系統(tǒng)中，通信傳輸技術(shù)的應(yīng)用能夠定時(shí)與地面及列車形成通信，用于向后面運(yùn)行的列車精確提供前方列車的相關(guān)信息，以此再計(jì)算出最優(yōu)化的制動(dòng)曲線，從而提高列車軌道區(qū)間的通行能力，降低列車減速制動(dòng)的概率，最大化改善乘客搭乘列車的安全舒適性。此外，地面也可及時(shí)了解列車運(yùn)行的具體情況傳輸給車載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)再根據(jù)線路狀態(tài)指導(dǎo)列車運(yùn)行，提高列車行進(jìn)過(guò)程中的安全穩(wěn)定性。CBTC 系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜分布式控制系統(tǒng)，主要由控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成。

在CBTC 系統(tǒng)中，控制中心設(shè)備主要由自動(dòng)列車監(jiān)督（Automatic Train Supervision，簡(jiǎn)稱ATS）子系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成，是CBTC 系統(tǒng)的重要組成部分，可通過(guò)監(jiān)督軌道線路的障礙信息、前列車的通行記錄為后面的列車給予運(yùn)行授權(quán)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是限制列車速度值，即為確保列車之間的安全控制距離，為后面的列車行經(jīng)下一站?？空军c(diǎn)所需要的時(shí)間進(jìn)行授權(quán)。通過(guò)列車行經(jīng)線路的信息、最大車速及目前停靠的地理位置，準(zhǔn)確計(jì)算得出列車之間的安全間隔距離，而這個(gè)距離也并非是固定不變的，它是一個(gè)循環(huán)性的動(dòng)態(tài)刷新信息。CBTC 系統(tǒng)的車載設(shè)備一般稱為VOBC（Vehicle On-board Controller）或CC（Carbone Controller），車載控制器將列車實(shí)際行駛速度與限制速度值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)列車實(shí)際行駛速度高于限制速度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)緊急制動(dòng)，以此確保列車可以安全?？?。作為一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，CBTC 系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備間、車載設(shè)備與地面設(shè)備間設(shè)置了可靠的骨干通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)雙向大容量無(wú)線通信。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的有線網(wǎng)絡(luò)一般由商業(yè)級(jí)骨干網(wǎng)（SDH、RPR 等）或工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。地面骨干網(wǎng)絡(luò)為信號(hào)系統(tǒng)提供專用有線信息傳輸，為控制中心設(shè)備及車站設(shè)備、軌旁設(shè)備間提供信息的透明傳輸通道。車地通信網(wǎng)絡(luò)由冗余的紅、藍(lán)雙網(wǎng)共同構(gòu)成，技術(shù)方案主要有WLAN 和LTE 方案。

3 城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及具體應(yīng)用

3.1 列車空間分隔技術(shù)

列車間隔控制是信號(hào)系統(tǒng)防止列車相撞等危險(xiǎn)事故的有效方法，分為時(shí)間分隔技術(shù)和空間分隔技術(shù)。目前廣泛使用的是空間分隔技術(shù)，即把鐵路劃分為若干個(gè)區(qū)段，根據(jù)列車位置進(jìn)行列車分隔，在同一時(shí)間每個(gè)區(qū)段內(nèi)只允許一輛列車運(yùn)行。這種嚴(yán)格控制前車與追蹤列車之間的距離，從而有效防止列車追尾和正面沖突的空間分隔技術(shù)叫做閉塞行車法，簡(jiǎn)稱閉塞。

與傳統(tǒng)的信號(hào)控制系統(tǒng)相比，CBTC 系統(tǒng)采用列車自主測(cè)速定位技術(shù)來(lái)獲取列車的實(shí)時(shí)位置和速度信息，列車定位不再局限于固定劃分的軌道區(qū)段，而是可以隨著列車運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)全線列車進(jìn)行排序，實(shí)時(shí)監(jiān)督軌道區(qū)段和基礎(chǔ)設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)移動(dòng)授權(quán)的方式將其使用權(quán)合理分配給各列車。通過(guò)一次連續(xù)式速度-距離曲線形式的列車安全制動(dòng)模型實(shí)時(shí)計(jì)算列車緊急制動(dòng)觸發(fā)（Emergency Brake Intervention，簡(jiǎn)稱EBI）速度，確保高效、安全的列車追蹤。

3.2 列車定位技術(shù)

列車自主測(cè)速定位技術(shù)在CBTC 系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）區(qū)域控制器（Zone Controller，簡(jiǎn)稱ZC）。根據(jù)列車位置信息進(jìn)行全線列車排序，并根據(jù)相鄰列車的位置信息和已排列的進(jìn)路信息為列車分配移動(dòng)授權(quán)，保證列車運(yùn)行安全。

（2）列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（Automatic Train Protection，簡(jiǎn)稱ATP）。車載設(shè)備根據(jù)收到的移動(dòng)授權(quán)和EBI 速度曲線，通過(guò)與當(dāng)前列車實(shí)時(shí)速度比較，對(duì)列車提供超速防護(hù)功能，避免列車超過(guò)最大允許的運(yùn)行速度以及列車位置超出允許的運(yùn)行范圍。

（3）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡(jiǎn)稱ATO）。根據(jù)列車位置和速度信息、運(yùn)行目標(biāo)和自動(dòng)駕駛模型計(jì)算最優(yōu)駕駛曲線，并依據(jù)其對(duì)列車控制命令進(jìn)行調(diào)整。

3.3 地車信息傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）是地車信息傳輸技術(shù)的載體，以WLAN 技術(shù)和LTE 技術(shù)的應(yīng)用最為常見(jiàn)。

（1）WLAN 技術(shù)，是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，以無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn)信號(hào)為傳輸媒介構(gòu)成的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。目前的CBTC 系統(tǒng)中主要采用IEEE802.11g 標(biāo)準(zhǔn)的WLAN 技術(shù)，通常選擇的無(wú)線傳輸媒介為自由波、裂縫波導(dǎo)管、泄露電纜等3 種方式。（2）LTE 技術(shù)，是一種專門為移動(dòng)高寬帶應(yīng)用而設(shè)計(jì)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，包括FDD 和TDD 2 種模式，用于成對(duì)頻譜和非成對(duì)頻譜。

4 列車控制系統(tǒng)類型

按照列車閉塞方式的不同，列車控制系統(tǒng)可以分為3 種：固定閉塞式列車控制系統(tǒng)；準(zhǔn)移動(dòng)閉塞式控制系統(tǒng)；移動(dòng)閉塞式控制系統(tǒng)。

4.1 固定閉塞式控制系統(tǒng)

固定閉塞式控制系統(tǒng)也可以稱為速度碼系統(tǒng)，在這一控制系統(tǒng)應(yīng)用中，前后列車定位方式都已固定定位為主。列車的信息傳輸主要是通過(guò)軌道電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，傳輸信息則是模擬信息。這種控制模式是單向的，一般是地對(duì)車信息傳遞，這樣無(wú)法保證車對(duì)地的信息傳輸效果，就不能構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)應(yīng)用固定定位，所以無(wú)法掌握列車在分區(qū)內(nèi)的實(shí)際位置，所以要想確保安全，需要架設(shè)一個(gè)防護(hù)區(qū)，這樣能夠?qū)绍嚢踩g隔開來(lái)，保證安全性。

4.2 準(zhǔn)移動(dòng)閉塞式控制系統(tǒng)

在這一控制系統(tǒng)中，前后車定位方式不一樣，一般前車采取固定定位，后車采用移動(dòng)定位，車地之間的信息傳輸可以借助軌道電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸。這種閉塞式控制系統(tǒng)中，應(yīng)用了2 種定位方式，因此在速度控制模式上，滿足無(wú)極連續(xù)的特征，還具備分級(jí)階梯的特點(diǎn)。在這樣的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞式控制系統(tǒng)應(yīng)用中，如果前車保持不動(dòng)，但是后車持續(xù)前進(jìn)，其最大允許速度是處于動(dòng)態(tài)變化之中的。而在前車前進(jìn)，并且車尾越過(guò)固定區(qū)段分界點(diǎn)的情況下，后車的最大允許速度也是階梯狀變化的。

這一控制系統(tǒng)中，列車安全間隔要比上述控制模式前進(jìn)一些，系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)信息傳輸來(lái)讓后車把握好前進(jìn)的距離和速度，后車可以結(jié)合收到的數(shù)據(jù)信息來(lái)進(jìn)行減速和制動(dòng)，保證行車安全，同時(shí)也能提升運(yùn)行效率。

4.3 移動(dòng)閉塞式控制系統(tǒng)

這種控制模式中，列車位置和速度會(huì)被持續(xù)監(jiān)測(cè)，這樣后車可以進(jìn)行列車調(diào)控。這種控制模式中，前后列車都采用移動(dòng)定位方式，通過(guò)無(wú)線傳輸來(lái)完成信息傳輸。在該系統(tǒng)中，后續(xù)列車的速度曲線會(huì)根據(jù)前車目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。這種控制模式是一種新模式，因?yàn)閭鬏斠詿o(wú)線通信方式為主，所以能夠?qū)崿F(xiàn)車和地之間的大量信息傳輸，實(shí)現(xiàn)高效的信息交互目標(biāo)，并且構(gòu)成了一個(gè)列車閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這種控制模式中，能夠結(jié)合列車實(shí)時(shí)速度來(lái)對(duì)前后車距離進(jìn)行調(diào)控，有效縮小列車之間的運(yùn)行距離，提升車密度，這對(duì)于提升軌道運(yùn)輸效率具有積極作用。目前，在城市軌道交通系統(tǒng)中，國(guó)鐵青藏線ITCS 系統(tǒng)就是使用這種閉環(huán)控制系統(tǒng)的。

5 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展情況

5.1 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)根據(jù)列車在鐵路線路上運(yùn)行的客觀條件和實(shí)際情況，對(duì)列車運(yùn)行速度及制動(dòng)方式等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督、控制和調(diào)整的技術(shù)裝備。以往，最傳統(tǒng)化的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)主要是依賴于軌道電力獲取列車定位信息，但是先進(jìn)的CBTC 系統(tǒng)則完全顛覆了傳統(tǒng)技術(shù)，它主要通過(guò)列車傳輸?shù)淖晕椅恢脠?bào)告實(shí)現(xiàn)列車與地面的雙向通信，通過(guò)地面無(wú)線閉塞控制中心實(shí)現(xiàn)信息的傳輸交互作用，精確控制好列車的運(yùn)營(yíng)速度、保障安全行駛距離。總的來(lái)說(shuō)，CBTC 系統(tǒng)具備以下6 個(gè)特點(diǎn)：大容量的地面及列車通信技術(shù)；通過(guò)車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車間隔控制、速度控制、進(jìn)路控制等；列車的位置定位精確度高；基本實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，可靈活高度地控制列車行駛過(guò)程；整體設(shè)備都具備很高的集成性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，地面設(shè)備的可維修性、可靠性得到大幅改善；在現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上可達(dá)到線路改善，促進(jìn)軌道之間互通。

5.2 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展情況

（1）系統(tǒng)化。系統(tǒng)設(shè)備已形成系統(tǒng)化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)軌道交通系統(tǒng)會(huì)更加科學(xué)先進(jìn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)化。列車及地面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、地面局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的有機(jī)配合應(yīng)用，促使列車、控制中心、車站之間可形成一個(gè)閉環(huán)體，信息全面?zhèn)鬏斀o調(diào)度指導(dǎo)中心，保障其對(duì)列車信息的全面了解，以便靈活配置資源，為整體系統(tǒng)的運(yùn)作提供安全穩(wěn)定的有利環(huán)境。

（3）信息化。信息化的快速發(fā)展以確保系統(tǒng)可高效安全運(yùn)行，以提高列車出行服務(wù)質(zhì)量和水平。

（4）智能化。不斷優(yōu)化整個(gè)軌道交通系統(tǒng)，大幅度降低軌道交通人員的工作量及勞動(dòng)強(qiáng)度。

（5）通信信號(hào)一體化。在CBTC 系統(tǒng)中通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用可基本達(dá)到列車控制系統(tǒng)的一體化功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

伴隨科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)作為軌道交通運(yùn)營(yíng)的核心技術(shù)，已然成為當(dāng)前交通體系中重要的發(fā)展目標(biāo)。為進(jìn)一步提升軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全可靠性，加大對(duì)CBTC 系統(tǒng)的深入研究，融入COTS 技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)的研究理論，加快趕超交通系統(tǒng)更加發(fā)達(dá)的國(guó)家技術(shù)水平，進(jìn)一步完善符合國(guó)情需求的交通安全標(biāo)準(zhǔn)，以促使CBTC 系統(tǒng)可更高效地投入到我國(guó)軌道交通運(yùn)作管理之中去。