城市軌道交通CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討

彭江海

摘要：隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)也得以迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通行業(yè)。為提高城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)效率，人們研發(fā)出一種基于無線通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，即CBTC系統(tǒng)。文章主要就軌道交通CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)；列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)（ATO）

目前我國(guó)城市軌道交通運(yùn)行速度和運(yùn)行密度的不斷提高，實(shí)現(xiàn)高水平列車自動(dòng)駕駛的系統(tǒng)功能則成為CBTC信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

一、CBTC系統(tǒng)及其構(gòu)成

CBTC系統(tǒng)由ATS子系統(tǒng)、ATP、ATO子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)等構(gòu)成，各子系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)。ATP子系統(tǒng)是保證行車安全、防止錯(cuò)誤進(jìn)路、防止列車進(jìn)入前方列車占用區(qū)段和防止超速運(yùn)行的設(shè)備。ATP負(fù)責(zé)全部的列車運(yùn)行保護(hù)，是列車安全運(yùn)行的保障。ATO即列車自動(dòng)駕駛，它代替司機(jī)操縱列車驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)設(shè)備，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車的啟動(dòng)、加速、勻速惰性、制動(dòng)等駕駛功能。在ATP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝了ATO系統(tǒng)，列車就可以采用手動(dòng)方式或自動(dòng)方式行駛。ATS在ATP和ATO系統(tǒng)的支持下，根據(jù)運(yùn)行時(shí)刻表完成對(duì)列車運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)控，可自動(dòng)或由人工監(jiān)督和控制正線（車輛段、試車線除外），及向調(diào)度員和外部系統(tǒng)提供信息。DCS數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要作用是在各個(gè)子系統(tǒng)之間傳輸ATC報(bào)文。

（一）CBTC技術(shù)組成

CBTC 技術(shù)包括：⑴無線通信技術(shù)，⑵移動(dòng)閉塞技術(shù)，⑶列車定位技術(shù)。由于CBTC 是基于無線通信的列車控制系統(tǒng)，自然離不開通信技術(shù)的支持。無線通信的種類很多，常見的有基于OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）通信、擴(kuò)展頻譜通信、跳頻技術(shù)、WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)。移動(dòng)閉塞是實(shí)現(xiàn)CBTC的關(guān)鍵技術(shù)之一，CBTC是這種閉塞方式的應(yīng)用系統(tǒng)。它與固定閉塞相比，其最顯著的特點(diǎn)是取消了以信號(hào)機(jī)分隔的固定閉塞區(qū)間。列車在線路上運(yùn)營(yíng)的間隔距離由列車在線路上的實(shí)際位置和運(yùn)行情況確定，閉塞區(qū)間隨列車的形勢(shì)，不斷變化，故稱為移動(dòng)閉塞。列車定位技術(shù)有很多種：⑴軌道電路定位，⑵計(jì)軸定位，⑶信標(biāo)定位（分有源、無源兩種，往往兩種會(huì)同時(shí)使用），4、多普勒雷達(dá)測(cè)速定位等定位方式。

（二）特點(diǎn)

總之，CBTC較傳統(tǒng)鐵路信號(hào)系統(tǒng)有許多功能特殊，如下：

1、以在無線通信系統(tǒng)代替復(fù)雜的電纜，從而減少布線和維護(hù)成本。

2、車輛與控制中心可以實(shí)現(xiàn)雙向溝通，通過訓(xùn)練間隔的能力大大提高。

3、信息傳輸流量，效率高，速度快，易于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自動(dòng)閉塞系統(tǒng)。

4、容易適應(yīng)各種車型，不同速度，不同的交通，火車?yán)圆煌姆绞?，和兼容性?/p>

5、可以將信息分類，集中傳送和集中處理，調(diào)度中心，以提高工作效率。

二、城市軌道交通CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)（ATO）利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)列車的運(yùn)行過程進(jìn)行計(jì)算，并獲得合理、優(yōu)化的列車操縱方案。列車自動(dòng)駕駛不僅能做到降低駕駛?cè)藛T的工作強(qiáng)度、提升旅客乘車的舒適性，還能有效地提高列車運(yùn)行效率并節(jié)約能耗。

（一）自動(dòng)駕駛功能

自動(dòng)駕駛能做到完全自動(dòng)控制列車在站間的運(yùn)行過程并可根據(jù)列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）的調(diào)整指令調(diào)整區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，其區(qū)間運(yùn)行時(shí)間與規(guī)定值誤差≤±5%。自動(dòng)駕駛功能由車站發(fā)車、區(qū)間速度控制和列車目標(biāo)制動(dòng)3部分功能組成。需要考慮的運(yùn)行指標(biāo)包括運(yùn)行時(shí)間、能耗、安全性、舒適性、跟隨性、停站精度。

1、車站發(fā)車功能

（1）在滿足ATO啟動(dòng)條件下，允許司機(jī)啟動(dòng)ATO系統(tǒng)。

（2）啟動(dòng)ATO后，控制列車速度到目標(biāo)推薦速度。

2 、區(qū)間速度控制功能

ATO負(fù)責(zé)在自動(dòng)駕駛（AM）模式下駕駛列車。ATO對(duì)列車的速度控制通過伺服控制模塊實(shí)現(xiàn)，其核心是基于比例、積分、微分（PID）控制原理的伺服控制軟件結(jié)合模擬0-20 mA電流環(huán)硬件電路實(shí)現(xiàn)的。伺服控制模塊包括實(shí)際速度和設(shè)定速度（推薦速度）2個(gè)基本輸入。

（1）實(shí)際速度由ATO綜合自身計(jì)算和ATP發(fā)送的速度信息判定，ATO與ATP使用相同的速度傳感器，從而確保ATO所確定的速度與同ATP所確定的一個(gè)安全速度值相匹配。

（2）設(shè)定速度（推薦速度）則由ATO根據(jù)從ATP接收安全限速，固定限速以及臨時(shí)限速等信息，同時(shí)，依據(jù)非安全制動(dòng)曲線計(jì)算得來的當(dāng)前點(diǎn)非安全限速綜合形成。非安全制動(dòng)曲線由ATO根據(jù)能力守恒的原理實(shí)時(shí)計(jì)算和維護(hù)。設(shè)定速度是當(dāng)前列車位置的1個(gè)函數(shù)，對(duì)于設(shè)定速度的計(jì)算和每一個(gè)限速（停車點(diǎn)或限速）相關(guān)聯(lián)，對(duì)每一個(gè)限速產(chǎn)生1個(gè)當(dāng)前列車位置的局部設(shè)定速度。總體的設(shè)定速度為所有局部設(shè)定速度的最小值。

Vp為ATP防護(hù)的安全停車點(diǎn)（POP）作用于位置點(diǎn)P處的最大允許速度；Vo為ATO防護(hù)的非安全運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)（OSP）作用于位置點(diǎn)P處的最大允許速度；Vl為列車限制速度在位置點(diǎn)P處的最大允許速度；Va為列車限速曲線作用于位置點(diǎn)P處的最大允許速度。

所有設(shè)定速度最小值的集合最終形成ATO控車所遵循的推薦速度曲線。基于PID控制的伺服控制模塊控制列車在區(qū)間跟蹤推薦速度曲線，最大限度地保證列車速度貼近推薦速度運(yùn)行。在加速和減速階段，為了提升列車運(yùn)行的平穩(wěn)度和精確度，ATO采用了恒定的加速度和減速度。

（3）列車目標(biāo)制動(dòng)功能

列車目標(biāo)制動(dòng)功能使列車精確地停在目標(biāo)停車位置。

①站臺(tái)定點(diǎn)停車。

站臺(tái)的運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)由線路數(shù)據(jù)庫來提供。ATO根據(jù)下一停車點(diǎn)，綜合列車實(shí)際位置、速度、列車特性和ATP停車點(diǎn)計(jì)算非安全制動(dòng)曲線，采用最合適的制動(dòng)率控制列車準(zhǔn)確平穩(wěn)地停在規(guī)定的停車點(diǎn)。列車在車站站臺(tái)的停車精度通?！堋?.3M。

②區(qū)間信號(hào)停車。區(qū)間信號(hào)停車功能根據(jù)區(qū)間停車信號(hào)控制列車停在停車信號(hào)之前，區(qū)間信號(hào)停車對(duì)于停車精度要求低于車站停車點(diǎn)精度要求。當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備允許列車向前行進(jìn)（發(fā)送新的移動(dòng)授權(quán)）時(shí)，不需司機(jī)任何操作，列車自動(dòng)前進(jìn)。

（二）自動(dòng)折返

ATO系統(tǒng)可以在ATP的監(jiān)督下控制列車進(jìn)行自動(dòng)折返。ATO在車頭、車尾兩端分別設(shè)有自動(dòng)折返繼電器（AR），AR1、 AR2的動(dòng)作，用以實(shí)現(xiàn)列車在自動(dòng)折返時(shí)使車頭車尾控制權(quán)互換。

列車自動(dòng)折返作業(yè)分為站前折返和站后折返2種模式。

1、站前折返

列車以A方向通過渡線進(jìn)人站臺(tái)2，司機(jī)按壓自動(dòng)折返按鈕并關(guān)閉A方向駕駛室，列車通過AR繼電器的狀態(tài)變化自動(dòng)轉(zhuǎn)換車輛控制端。此時(shí)，司機(jī)激活B方向駕駛室并控制列車以B方向離開站臺(tái)2。

2、站后折返

列車以A方向進(jìn)入站臺(tái)1，此時(shí)，司機(jī)按壓自動(dòng)折返按鈕并關(guān)閉A方向駕駛室，列車自動(dòng)通過渡線運(yùn)行至折返線，通過AR繼電器的狀態(tài)變化自動(dòng)轉(zhuǎn)換車輛控制端，列車以B方向自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)人站臺(tái)2，司機(jī)激活B方向駕駛室并控制列車離開站臺(tái)2。

上述折返進(jìn)路均由折返車站的聯(lián)鎖系統(tǒng)按預(yù)定程序自動(dòng)排列。

三、結(jié)語：

總之，列車自動(dòng)駕駛（ATO）是完整CBTC系統(tǒng)的重要組成部分。從CBTC系統(tǒng)需求角度，對(duì)ATO子系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能進(jìn)行的分析和探討，對(duì)于城市軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）具有參考意義。

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