軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

王建坤，賈嘉琪

（天津交控科技有限公司，天津 300000）

我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為人們的衣食住行帶來了良好的物質(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了極大便捷，也在很大程度上促進(jìn)了國家能源的節(jié)省，加快城市化進(jìn)程。在我國城市軌道交通發(fā)展過程中，提升軌道交通系統(tǒng)的安全性是主要目標(biāo)，因為一旦列車運行控制系統(tǒng)發(fā)生故障，則會極大地威脅到城市軌道交通的順暢有序運營，更有甚者會危及到乘客的生命安全。因此，對城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，對我國軌道交通的進(jìn)一步穩(wěn)定發(fā)展具有重要的實踐意義。

1 城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的發(fā)展需求

（1）列車控制系統(tǒng)對列車追蹤間隔和線路運能有較大的影響。對于城市軌道交通，列車折返間隔是影響其運行的重要因素，路線運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，此時運能就也相應(yīng)得到提升。列車控制系統(tǒng)對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施CBTC 信號系統(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法滿足需求，需要一系列的改造項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行在采用公交化運營的CBTC 控制系統(tǒng)時，必須要考慮公交化運營、高鐵、列車等城市軌道交通制式間的兼容需求。

（3）隨著現(xiàn)代自動無人駕駛技術(shù)在現(xiàn)代軌道交通運行系統(tǒng)中的應(yīng)用，我國智能化列控技術(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)一步實現(xiàn)智能化列控技術(shù)、智能化運維技術(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行控制系統(tǒng)的組成及原理

基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC 系統(tǒng)）現(xiàn)已基本實現(xiàn)移動閉塞，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)用能夠定時與地面及列車形成通信，用于向后面運行的列車精確提供前方列車的相關(guān)信息，以此再計算出最優(yōu)化的制動曲線，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，地面也可及時了解列車運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)列車運行，提高列車行進(jìn)過程中的安全穩(wěn)定性。CBTC 系統(tǒng)是一個復(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)備主要由自動列車監(jiān)督（Automatic Train Supervision，簡稱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行授權(quán)，簡單說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所需要的時間進(jìn)行授權(quán)。通過列車行經(jīng)線路的信息、最大車速及目前?？康牡乩砦恢?，準(zhǔn)確計算得出列車之間的安全間隔距離，而這個距離也并非是固定不變的，它是一個循環(huán)性的動態(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際行駛速度與限制速度值進(jìn)行對比，當(dāng)列車實際行駛速度高于限制速度時，系統(tǒng)會自動緊急制動，以此確保列車可以安全停靠。作為一個分布式控制系統(tǒng)，CBTC 系統(tǒng)的各個設(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)，實現(xiàn)雙向大容量無線通信。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的有線網(wǎng)絡(luò)一般由商業(yè)級骨干網(wǎng)（SDH、RPR 等）或工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成，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系統(tǒng)防止列車相撞等危險事故的有效方法，分為時間分隔技術(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區(qū)段，根據(jù)列車位置進(jìn)行列車分隔，在同一時間每個區(qū)段內(nèi)只允許一輛列車運行。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，簡稱閉塞。

與傳統(tǒng)的信號控制系統(tǒng)相比，CBTC 系統(tǒng)采用列車自主測速定位技術(shù)來獲取列車的實時位置和速度信息，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行實時監(jiān)測。通過對全線列車進(jìn)行排序，實時監(jiān)督軌道區(qū)段和基礎(chǔ)設(shè)備狀態(tài)，通過移動授權(quán)的方式將其使用權(quán)合理分配給各列車。通過一次連續(xù)式速度-距離曲線形式的列車安全制動模型實時計算列車緊急制動觸發(fā)（Emergency Brake Intervention，簡稱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授權(quán)，保證列車運行安全。

（2）列車自動防護(hù)系統(tǒng)（Automatic Train Protection，簡稱ATP）。車載設(shè)備根據(jù)收到的移動授權(quán)和EBI 速度曲線，通過與當(dāng)前列車實時速度比較，對列車提供超速防護(hù)功能，避免列車超過最大允許的運行速度以及列車位置超出允許的運行范圍。

（3）自動駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡稱ATO）。根據(jù)列車位置和速度信息、運行目標(biāo)和自動駕駛模型計算最優(yōu)駕駛曲線，并依據(jù)其對列車控制命令進(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。

（1）WLAN 技術(shù)，是一種短距離無線通信技術(shù)，以無線訪問接入點信號為傳輸媒介構(gòu)成的計算機局域網(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)，是一種專門為移動高寬帶應(yīng)用而設(shè)計的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，包括FDD 和TDD 2 種模式，用于成對頻譜和非成對頻譜。

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)移動閉塞式控制系統(tǒng)；移動閉塞式控制系統(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軌道電路來實現(xiàn)的，傳輸信息則是模擬信息。這種控制模式是單向的，一般是地對車信息傳遞，這樣無法保證車對地的信息傳輸效果，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，所以無法掌握列車在分區(qū)內(nèi)的實際位置，所以要想確保安全，需要架設(shè)一個防護(hù)區(qū)，這樣能夠?qū)绍嚢踩g隔開來，保證安全性。

4.2 準(zhǔn)移動閉塞式控制系統(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，后車采用移動定位，車地之間的信息傳輸可以借助軌道電路來實現(xiàn)，也可以借助無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸。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，滿足無極連續(xù)的特征，還具備分級階梯的特點。在這樣的準(zhǔn)移動閉塞式控制系統(tǒng)應(yīng)用中，如果前車保持不動，但是后車持續(xù)前進(jìn)，其最大允許速度是處于動態(tài)變化之中的。而在前車前進(jìn)，并且車尾越過固定區(qū)段分界點的情況下，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)能夠通過數(shù)據(jù)信息傳輸來讓后車把握好前進(jìn)的距離和速度，后車可以結(jié)合收到的數(shù)據(jù)信息來進(jìn)行減速和制動，保證行車安全，同時也能提升運行效率。

4.3 移動閉塞式控制系統(tǒng)

這種控制模式中，列車位置和速度會被持續(xù)監(jiān)測，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定位方式，通過無線傳輸來完成信息傳輸。在該系統(tǒng)中，后續(xù)列車的速度曲線會根據(jù)前車目標(biāo)點移動來進(jìn)行實時計算。這種控制模式是一種新模式，因為傳輸以無線通信方式為主，所以能夠?qū)崿F(xiàn)車和地之間的大量信息傳輸，實現(xiàn)高效的信息交互目標(biāo)，并且構(gòu)成了一個列車閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這種控制模式中，能夠結(jié)合列車實時速度來對前后車距離進(jìn)行調(diào)控，有效縮小列車之間的運行距離，提升車密度，這對于提升軌道運輸效率具有積極作用。目前，在城市軌道交通系統(tǒng)中，國鐵青藏線ITCS 系統(tǒng)就是使用這種閉環(huán)控制系統(tǒng)的。

5 列車運行控制系統(tǒng)的特點及未來發(fā)展情況

5.1 列車運行控制系統(tǒng)的主要特點

列車運行控制系統(tǒng)根據(jù)列車在鐵路線路上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式等狀態(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)，它主要通過列車傳輸?shù)淖晕椅恢脠蟾鎸崿F(xiàn)列車與地面的雙向通信，通過地面無線閉塞控制中心實現(xiàn)信息的傳輸交互作用，精確控制好列車的運營速度、保障安全行駛距離?？偟膩碚f，CBTC 系統(tǒng)具備以下6 個特點：大容量的地面及列車通信技術(shù)；通過車載設(shè)備實現(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；基本實現(xiàn)移動閉塞，可靈活高度地控制列車行駛過程；整體設(shè)備都具備很高的集成性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單穩(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 列車運行控制系統(tǒng)的未來發(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，未來軌道交通系統(tǒng)會更加科學(xué)先進(jìn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)化。列車及地面無線通信網(wǎng)絡(luò)、地面局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的有機配合應(yīng)用，促使列車、控制中心、車站之間可形成一個閉環(huán)體，信息全面?zhèn)鬏斀o調(diào)度指導(dǎo)中心，保障其對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強度。

（5）通信信號一體化。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

伴隨科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，列車運行控制系統(tǒng)作為軌道交通運營的核心技術(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營的安全可靠性，加大對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)的國家技術(shù)水平，進(jìn)一步完善符合國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軌道交通運作管理之中去。