城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行控制技術(shù)研究進(jìn)展

喬宇

摘 要：隨著城市生活節(jié)奏的加快，大多數(shù)居民對(duì)軌道交通的效率、舒適性和準(zhǔn)時(shí)性提出了越來(lái)越高的要求。目前，縮短列車(chē)間距、提高列車(chē)效率、提高列車(chē)容量、低能耗、高智能化是城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。城市軌道交通車(chē)輛安全、高效、可靠的運(yùn)行控制系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)列車(chē)的高速、高密度、有序運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：軌道交通;車(chē)輛運(yùn)行;控制技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U248.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

城市軌道交通作為主要的現(xiàn)代化交通工具，具備了快捷、節(jié)能、安全、舒適等優(yōu)勢(shì)，是低碳環(huán)保的綠色交通方式，在緩解城市軌道交通矛盾中起到了重要作用，是解決城市交通問(wèn)題的主要手段，現(xiàn)在已經(jīng)成為了各大城市居民優(yōu)先考慮的交通出行方式。城軌車(chē)輛運(yùn)行控制技術(shù)的研究就不同行車(chē)組織方法及運(yùn)行控制技術(shù)的特點(diǎn)，闡述了當(dāng)前城市軌道交通列控系統(tǒng)的基本原理，并對(duì)其研究?jī)?nèi)容和方向進(jìn)行了展望。

1 行車(chē)組織方法

為保證區(qū)間行車(chē)安全，列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，必須確認(rèn)同一區(qū)間內(nèi)無(wú)列車(chē)反向運(yùn)行，并在同一方向運(yùn)行的多列車(chē)之間進(jìn)行系統(tǒng)控制，使它們之間保持一定的距離，防止正面沖突或追尾事故的發(fā)生。為了保證多輛電動(dòng)客車(chē)之間保持一定距離，保證行車(chē)安全，在區(qū)間組織列車(chē)運(yùn)行有兩種方法，一種是時(shí)間隔離法，另一種是空間隔離法。

空間隔離法是車(chē)站每隔一個(gè)空間間隔向區(qū)間發(fā)送一列列車(chē)，使前方列車(chē)與追蹤列車(chē)保持一定的空間間隔的列車(chē)運(yùn)行方法。這種方法可以保證列車(chē)之間有一定的距離，從而有效地保證行車(chē)安全。1851年，電報(bào)證書(shū)用于鐵路運(yùn)營(yíng)。這是首次實(shí)現(xiàn)空間隔離運(yùn)行。利用路標(biāo)或路標(biāo)作為列車(chē)占用區(qū)段的憑證，由接站值班人員檢查區(qū)段是否空閑，是早期的人工閉塞方法。1855年，George Dugmore和George Millwardfirst提出了軌道電路的概念，為空間隔離方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 基本行車(chē)閉塞技術(shù)

2.1 人工閉塞

列車(chē)司機(jī)通過(guò)人工設(shè)置閉塞機(jī)，從始發(fā)站取下出口標(biāo)志，到達(dá)接收站后交上路標(biāo)，進(jìn)行閉塞拆除。這種閉塞系統(tǒng)效率太低，已基本消除。

2.2 半自動(dòng)閉塞

通過(guò)人工聯(lián)系程序，在車(chē)站出入口設(shè)置一段不小于25 m的專用軌道電路，將專用軌道電路與信號(hào)機(jī)連接，通過(guò)信號(hào)機(jī)顏色的變化判斷該段是否空閑，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)閉塞。

2.3 自動(dòng)閉塞

車(chē)站分為若干閉塞區(qū)段，并安裝軌道電路。在每個(gè)閉塞區(qū)段的入口處設(shè)置一個(gè)信號(hào)機(jī)，通過(guò)軌道電路將列車(chē)與信號(hào)機(jī)連接起來(lái)。信號(hào)的顯示隨列車(chē)位置的變化而變化。

基本分塊法是固定分塊法。這種控制系統(tǒng)利用模擬信號(hào)對(duì)軌道信息進(jìn)行處理，根據(jù)列車(chē)的特性、線路狀況、速度等級(jí)等確定閉塞區(qū)段的長(zhǎng)度，最小間隔為列車(chē)的閉塞區(qū)段。

在安全方面，列車(chē)基本閉塞方法至少包括三個(gè)方面：可靠的列車(chē)定位監(jiān)控系統(tǒng);可靠的信息傳輸系統(tǒng);可靠的列車(chē)間隔控制系統(tǒng)。這三個(gè)方面的任何一個(gè)問(wèn)題都可能導(dǎo)致交通事故。

目前，固定式自動(dòng)閉塞系統(tǒng)在各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。信息傳輸系統(tǒng)由軌道電路和信號(hào)機(jī)組成，將列車(chē)位置傳輸給列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)和司機(jī)，控制列車(chē)運(yùn)行速度，保證每列車(chē)保持一定的間隔距離，防止列車(chē)進(jìn)入前方占道區(qū)段。

近80年來(lái)，自動(dòng)閉塞系統(tǒng)在保障交通安全、提高運(yùn)輸能力方面發(fā)揮了非常重要的作用。隨著城市軌道交通信息技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的以下缺點(diǎn)逐漸凸顯：

（1）隨著列車(chē)速度的提高或新車(chē)輛的采用，閉塞區(qū)段的長(zhǎng)度與實(shí)際運(yùn)行情況不符。當(dāng)實(shí)際列車(chē)運(yùn)行與計(jì)劃稍有偏離時(shí)，容易造成大面積延誤。

（2）掌握列車(chē)的準(zhǔn)確位置和速度信息困難，跟蹤行車(chē)?yán)щy。

（3）閉塞區(qū)段的劃分取決于制動(dòng)性能最差的列車(chē)，該系統(tǒng)只適用于制動(dòng)性能相同的車(chē)輛，而制動(dòng)性能較好的列車(chē)的區(qū)段能力將降低。

3 移動(dòng)閉塞技術(shù)

移動(dòng)塊不需要將部分劃分為幾個(gè)固定塊部分。相反，它是一種列車(chē)運(yùn)行模式，連續(xù)檢測(cè)領(lǐng)先列車(chē)的位置和速度，自動(dòng)調(diào)整列車(chē)之間的距離，并為安全運(yùn)行保持一定距離。移動(dòng)塊相對(duì)于固定塊。固定閉塞有相應(yīng)的保護(hù)信號(hào)和閉塞區(qū)段，移動(dòng)閉塞沒(méi)有固定閉塞區(qū)段。塊段長(zhǎng)度隨外界條件的變化而變化。列車(chē)制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的。后退列車(chē)啟動(dòng)制動(dòng)的計(jì)算點(diǎn)由目標(biāo)速度、目標(biāo)距離和列車(chē)本身的性能決定;目標(biāo)點(diǎn)是前方列車(chē)的尾部，與前方列車(chē)的位置、性能、速度和狀態(tài)信息有關(guān);塊段的起點(diǎn)和終點(diǎn)隨時(shí)變化，因此稱為移動(dòng)塊。移動(dòng)閉塞的閉塞分區(qū)是邏輯區(qū)間，與實(shí)際軌道線路沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

移動(dòng)閉塞最大限度地縮短了兩列車(chē)之間的距離，最大限度地縮短了列車(chē)運(yùn)行間隔，提高了區(qū)間列車(chē)密度，大大提高了線路區(qū)段的通過(guò)能力。20世紀(jì)80年代末，基于通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了軌道交通移動(dòng)閉塞系統(tǒng)。移動(dòng)閉塞需要車(chē)地設(shè)備完成雙向通信，因此一般采用鋼軌感應(yīng)環(huán)、縫隙波導(dǎo)、無(wú)線通信等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，許多國(guó)家都開(kāi)發(fā)了不同形式的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，并得到了廣泛的應(yīng)用。

與固定閉塞系統(tǒng)相比，移動(dòng)閉塞系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中沒(méi)有固定閉塞段。隨著列車(chē)的前行，運(yùn)行閉塞區(qū)段將隨機(jī)形成，大大縮短了行車(chē)間隔，提高了線路通過(guò)能力。

（2）移動(dòng)閉塞系統(tǒng)是一種閉環(huán)列車(chē)控制系統(tǒng)，可根據(jù)列車(chē)速度和間隔進(jìn)行列車(chē)反饋控制，使列車(chē)運(yùn)行更安全。

（3）后續(xù)列車(chē)可根據(jù)前一列車(chē)的狀態(tài)信息，根據(jù)自身的速度、狀態(tài)和位置信息計(jì)算列車(chē)的速度，優(yōu)化列車(chē)的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約資源，提高列車(chē)的舒適性，為列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定的便利條件;移動(dòng)閉塞系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮和行車(chē)組織管理的自動(dòng)化，還可以實(shí)時(shí)采集各閉塞區(qū)段的行車(chē)信息，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通列車(chē)運(yùn)輸管理的自動(dòng)化。同時(shí)，移動(dòng)閉塞系統(tǒng)還節(jié)約了信號(hào)電纜、區(qū)間信號(hào)點(diǎn)等設(shè)備，并將所有信息傳輸設(shè)備安裝在機(jī)車(chē)和車(chē)站，便于后續(xù)設(shè)備管理和維護(hù)。

（4）移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的閉塞分區(qū)隨外部環(huán)境的變化而變化。它能適應(yīng)不同速度、不同類(lèi)型的地鐵車(chē)輛，適應(yīng)性更強(qiáng)。

近幾十年來(lái)，移動(dòng)閉塞技術(shù)在地鐵系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。各種基于移動(dòng)閉塞的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)被各大公司開(kāi)發(fā)出來(lái)，并被各地鐵公司廣泛應(yīng)用。列車(chē)線路通過(guò)能力明顯提高。

4 基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)的可靠性有了飛躍的提升，無(wú)線通信控制和城市軌道交通的結(jié)合成為必然，在移動(dòng)閉塞技術(shù)的原理上逐步實(shí)現(xiàn)了基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control，CBTC）。CBTC系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為新時(shí)期城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行控制的首選。CBTC系統(tǒng)和傳統(tǒng)的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)之間存在本質(zhì)性的區(qū)別，傳統(tǒng)的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)大多依靠軌道電路實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位，CBTC系統(tǒng)已徹底不再依賴軌道電路，而是通過(guò)車(chē)-地通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車(chē)自身的定位，從而有效控制行車(chē)間隔和列車(chē)的行駛速度。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者為了提高基于CBTC的城市軌道交通線路的通過(guò)能力，對(duì)折返區(qū)間的追蹤間隔展開(kāi)了大量研究，考慮信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)，復(fù)雜線路條件以及運(yùn)行變化等因素的影響，對(duì)通過(guò)能力進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)效率更高的城軌列控系統(tǒng)。

CBTC系統(tǒng)使用高精度列車(chē)定位和高容量雙向通信技術(shù)，具有高靈活性、高自動(dòng)化和可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。CBTC系統(tǒng)利用多列列車(chē)的協(xié)調(diào)控制方法，通過(guò)車(chē)載傳感器實(shí)現(xiàn)列車(chē)-列車(chē)、列車(chē)-地面的雙向信息傳輸，從而保證列車(chē)在線路上全局部署，安全運(yùn)行?，F(xiàn)代的CBTC系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車(chē)自動(dòng)檢測(cè)（ATS）、列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO）的所有功能，在列車(chē)行駛過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位停車(chē)，車(chē)站自動(dòng)折返并節(jié)能運(yùn)行。CBTC系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)主要由軌旁設(shè)備和車(chē)載單元組成，軌旁設(shè)備和車(chē)載單元之間通過(guò)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)（DCS）相互聯(lián)系。數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)（DCS）將CBTC系統(tǒng)各單元、子系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了CBTC系統(tǒng)的高效運(yùn)行。高效的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)降低列車(chē)之間的行車(chē)間隔、優(yōu)化成本、提高軌道交通的運(yùn)能及其安全性具有十分重大的意義。

5 結(jié)論

城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行調(diào)整是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。隨著CBTC系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中的推廣，城市軌道交通車(chē)輛的運(yùn)行控制技術(shù)基本上是圍繞智能化處理方法這一主線展開(kāi)的。智能化列車(chē)自動(dòng)調(diào)整算法是未來(lái)城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行控制技術(shù)的研究方向，對(duì)提高列車(chē)運(yùn)行效率具有重要意義?？紤]到各種不確定因素，城市軌道交通子系統(tǒng)的智能聯(lián)動(dòng)，利用計(jì)算機(jī)繪制列車(chē)運(yùn)行圖，提高列車(chē)運(yùn)行效率和乘客舒適度，將列車(chē)運(yùn)行作為一個(gè)完整的大系統(tǒng)，進(jìn)行全局部署和智能控制將是我們今后努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳超.我國(guó)城市軌道交通車(chē)輛產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].大連交通大學(xué)，2010.

[2]于丹丹.基于可靠性的城市軌道交通車(chē)輛架修模式優(yōu)化及方法研究[D].南京理工大學(xué)，2017.

[3]柏業(yè)金.城市軌道交通車(chē)輛再生制動(dòng)能量的分析與存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究[D].西南交通大學(xué)，2013.

[4]王二虎.城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（9）：208-209.

[5]汪忠海.城市軌道交通車(chē)輛技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].城市軌道交通，2020（11）：48-51.

[6]余晴，鄒艷.城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)故障檢修探析[J].數(shù)字通信世界，2018（8）：272-273.

[7]彭精華.城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行仿真研究[D].西南交通大學(xué)，2005.

[8]李想，徐霄.CBTC系統(tǒng)移動(dòng)閉塞制式研究[J].城市軌道交通研究，2015（2）：24-27.

[9]閆麗霞，高云波，李云驄.城市軌道交通移動(dòng)閉塞列控系統(tǒng)列車(chē)追蹤間隔研究[J].城市軌道交通研究，2020

（3）：34-37.