地鐵CBTC信號系統(tǒng)設計分析

丁文君

摘? ?要：文章基于通信的列車控制系統(tǒng)的設計原理，依據(jù)系統(tǒng)的移動閉塞功能分類，結合西安地鐵2號線的隧道運行情景，闡釋基于通信的列車控制系統(tǒng)的應用設計方案，重點分析了列車精準定位、虛擬占用及TDD-LTE移動通信技術的應用性，以為多列車混合運行的安全監(jiān)測提供有效支撐。

關鍵詞：列車控制信號系統(tǒng);移動閉塞;分時長期演進技術;信號干擾

1? ? CBTC系統(tǒng)的基本構成

基于通信的列車控制系統(tǒng)（Communication-Based Train Control，CBTC）源于歐洲連續(xù)式列車控制系統(tǒng)，隨著計算機、無線通信和自動化控制技術的發(fā)展，該系統(tǒng)在技術和應用上得到突破性的發(fā)展，并成為國內(nèi)外城市軌道交通的神經(jīng)中樞，是確保地鐵車輛安全運行的應用支撐。CBTC系統(tǒng)與軌道電路相互獨立，通常采用基于802.11系列協(xié)議的無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）組網(wǎng)，進行車地的雙向、連續(xù)、大容量數(shù)據(jù)通信，該種通信方式具有可移動、成本低、易于部署等特點，便于實現(xiàn)移動閉塞。

整體而言CBTC系統(tǒng)由地面設備和車載設備兩大模塊構成，且兩者可以通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡進行車地的雙向通信，以此構成整個系統(tǒng)的主體功能框架。系統(tǒng)中配設了自動列車監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train System，ATS），可用于監(jiān)控列車運行、信號設備等情況，管理運行圖、排列進路。在CBTC系統(tǒng)中還設置了計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)，利用專門的控制軟件對車站信號、進路、道岔之間的聯(lián)鎖關系進行處理，并可自動采集、處理相關信號，將地鐵車站運行中的操控指令和信息輸入計算機，根據(jù)內(nèi)置的計算條件便可實現(xiàn)對聯(lián)鎖關系的邏輯運算和判定，而后，可根據(jù)計算結果輸出，指令執(zhí)行設備和機構完成對列車運行的監(jiān)控。

2? ? CBTC系統(tǒng)的移動閉塞技術的模式分類

CBTC系統(tǒng)可基于車地雙向通信，通過連續(xù)檢測先行列車的位置和速度，實現(xiàn)移動閉塞，其應用設計原理是后續(xù)列車以前行列車尾部為追蹤目標點，在最小安全追蹤間隔距離下，實現(xiàn)安全運行。設定前后兩列車的最小間隔距離為S，其速度、減速度、空走時間各為V1，V2，B1，B2，T1，T2，據(jù)此可得：

結合式（1），CBTC系統(tǒng)移動閉塞模式下，若前行列車的B1減速度為無限大，T1空走時間為0，此時前后列車的最小安全間隔為：

利用式（2），可求解得出后續(xù)列車的安全運行速度，因為該移動閉塞模式無需考量前行列車的速度，僅需關注列車位置的處理方式，故而，定義為相對位置模式。同時，若式（1）中距離S給定，由前行列車的速度V1可獲得后續(xù)列車的速度V2，對相同車型而言，若空走時間一致，則列車間的速度可視為均衡，即行車間隔近似0，因為該模式以列車的限度速度及位置來確定后續(xù)列車的安全運行速度，故而，定義為相對速度模式。

3? ? CBTC系統(tǒng)在地鐵工程中的應用設計

根據(jù)上述分析，CBTC系統(tǒng)的移動閉塞技術存在不同的應用模式，而基于西安地鐵2號線工程運行穩(wěn)定的要求，系統(tǒng)設計時采用相對位置的閉塞模式，通過自動環(huán)段、列車定位、分時長期演進（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）車地移動通信等技術，完成安全間隔內(nèi)列車的安全運行，以縮短車輛運行距離，提高地鐵的承運能力。

3.1? 車地通信網(wǎng)絡的優(yōu)化設計

結合西安地鐵2號線工程的特點，為滿足不同隧道情景的線路條件，簡化CBTC系統(tǒng)應用，該地鐵采用相對位置的移動閉塞模式，利用“車地通信”和“列車定位”技術，將地面設備和受控列車融合為一體，基于最小安全間隔來靈活調(diào)控列車運行能力，而不再依賴于軌道電路。此時，列車安全間隔為動態(tài)的，后續(xù)列車跟據(jù)前行列車的位置和速度而隨時變動，以確保列車的安全制動距離，規(guī)避“追尾”。鑒于CBTC系統(tǒng)的車地通信多采用802.11系列協(xié)議的WLAN組網(wǎng)，雖具有成本低、易部署的特點，但其多采用2.4 GHz或5.8 GHz頻段，且以天線、波導管及漏纜等作為通信媒介，而現(xiàn)有移動終端設備也采用2.4 GHz頻段，無法規(guī)避無線通信之間的干擾問題。針對此，可在原有WLAN基礎上，以兼容方式應用TDD-LTE移動通信技術，構建兩套TDD-LTE網(wǎng)絡承載CBTC系統(tǒng)的車地通信，在承載多業(yè)務和頻率資源的條件下，A網(wǎng)采用PIS 10 MHz帶寬，綜合承載CBTC系統(tǒng)、PIS、車載監(jiān)控整設備的數(shù)據(jù)傳輸，B網(wǎng)另行運行5 MHz帶寬，以單獨承載CBTC業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸。

CBTC系統(tǒng)下，西安地鐵2號線的列車段線路原來布設為“燈泡線”，但是由于車地通信重新設計之后采用A網(wǎng)、B網(wǎng)冗余配置方案，即A，B網(wǎng)同時運行，軌旁AP天線方向在整個線路固定設置，列車頭尾對應軌旁的無線A網(wǎng)、B網(wǎng)固定配置天線，車載的A，B網(wǎng)天線只能與軌旁A，B網(wǎng)的AP天線進行通信，若列車通過“燈泡線”，轉向另一線路，可能產(chǎn)生車頭車載B網(wǎng)天線、車尾車載A網(wǎng)天線分別對應軌旁的無線A網(wǎng)、B網(wǎng)的AP天線，影響車地正常通信。為解決該問題，可在車頭車尾配設4個AP天線，通過自動換端實現(xiàn)A，B網(wǎng)的調(diào)換，確保車地的正常通信[1]。

3.2? 列車追蹤間隔設計

CBTC系統(tǒng)設計時，因移動閉塞存在不同應用模式，在西安2號地鐵中，在工期和運行穩(wěn)定性的雙重要求下，該地鐵將采用相對位置的移動閉塞模式，利用系統(tǒng)坐標的概念描述列車位置。例如以“R1，S12，+24”描述了列車在1號區(qū)域、12號軌道單元、正向24 m位移的位置。運用軌旁置信標作為相對位置校驗，依據(jù)工程線路調(diào)配適宜的位置，將列車位置描述的誤差性控制在12 m。同時，通過CBTC系統(tǒng)模擬運行，西安2號地鐵列車的最小追蹤間隔為90 s，運行交路折返路的能力需達到105 s要求。移動閉塞技術應用下，設計的列車追蹤間隔如圖1所示。

CBTC在地鐵工程應用設計時，將聯(lián)鎖、計軸、信號機、信標、無線通信等軌旁設備融合為一體，讓CBTC系統(tǒng)可準確識別和判定進路中列車的位置，進而根據(jù)移動閉塞的追蹤間隔對裝備列車進行監(jiān)控，并給予連續(xù)性ATP防護，對于存在通信故障的裝備列車、未裝備的列車均由司機根據(jù)站間閉塞要求控制列車，并給予防闖紅燈的防護。為實現(xiàn)兩種列車駕駛模式的自動切換和選擇，車載系統(tǒng)整合了CBTC設備和闖紅燈防護設備，如此，各列車可依據(jù)自身情況運行，在軌旁設備監(jiān)控下不同列車可以混合運行方式獲得同步監(jiān)控。

3.3? 列車位置精準定位設計

運行列車運行位置的精準定位，關系虛擬占用的形成、列車沖突點的設置、運行間隔的調(diào)整，故而，需對列車位置進行檢測和校驗。西安地鐵2號線在CBTC系統(tǒng)設計中，車載設備可采用測速傳感器，依據(jù)輪周長原理，計算列車位移，且為規(guī)避列車運行打滑空轉造成的位移誤差，利用多普雷達車輛位移檢測進行誤差補償。同時，為確保列車位置識別，可運用車載軌道數(shù)據(jù)庫中的電子地圖，融合地面信標讀取器的信標信息讀取，將讀取的信息與電子地圖對比，完成列車位置的定位[2]。

列車位置定位中，為實現(xiàn)精準定位和多列車移動閉塞區(qū)間內(nèi)的安全運行控制，線路信息及軌旁設備安裝的精度設置如下：線路曲線及坡道信息為0.03 m，道岔岔尖位置為0.10 m，信號機位置為0.10 m;計軸器位置為0.10 m，標準信標位置為0.08 m，精確信標位置為0.025 m，輪徑效驗信標位置為0.08 m/0.06 m。

4? ? 結語

隨著城市軌道交通的創(chuàng)新建設，依托于計算機、無線通信技術發(fā)展而來的地鐵CBTC系統(tǒng)得以深化應用，而西安地鐵2號線正是采用該種移動閉塞的CBTC列車自動化控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化應用，完成列車位置準確定位、排除WLNA通信干擾問題，上述結合應用地鐵的特點，就CBTC系統(tǒng)運營過程中面臨的技術難題進行分析，從列車定位、追蹤間隔、車地雙向通信等幾個技術層面，進行了應用設計分析，可為相關問題的解決提供有效指引。

[參考文獻]

[1]趙劍華.一種集中冗余式架構CBTC系統(tǒng)方案的設想[J].鐵路通信信號工程技術，2019（8）：65-68.

[2]丁軍.淺談地鐵信號系統(tǒng)的施工技術要點及調(diào)試[J].通訊世界，2019（8）：70-71.