基于通信的列車控制在軌道交通中應用的關鍵技術

林海香 董 昱

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,730030,蘭州∥第一作者,講師)

基于通信的列車控制(Communication Based Train Control,簡稱為CBTC)技術,是一種在列車運行控制系統ATC(列車自動控制)中使用的技術。它的定義為:利用(不依賴于軌道電路)高精度列車定位,雙向大容量車-地數據通信和車載、地面的安全功能處理器實現的一種連續自動列車控制系統[1]。它不依賴于軌道電路對列車進行高精度定位,并利用具有重要(安全)功能的車載和軌旁處理器及先進的無線通信、計算機技術,進行大容量、雙向車-地數據傳輸,突破了固定閉塞的局限,實現了移動閉塞,在技術和成本上較傳統的信號系統有明顯的優勢。可以說,CBTC是基于無線通信來實現移動閉塞的,而移動閉塞也是CBTC最重要的應用。因此,要實現CBTC的關鍵技術就是移動閉塞以及無線車-地通信技術[2]。

利用CBTC技術組成的列車控制系統代表著目前世界上列車運行控制系統的發展趨勢,它實現的移動閉塞方式是近年來國際國內推崇的一種閉塞方式。目前的應用和發展已經證明,CBTC所采用的無線移動車-地通信技術也是一個具有高可靠性、高安全性的技術。國內各大城市已經開始采用CBTC技術作為控車方案,如廣州地鐵4、5號線(建設中)、上海軌道交通8號線、北京地鐵2、4、10號線(含奧運支線)等。國家有關部門明確指出,地鐵、輕軌的關鍵設備,如控制系統和車輛應實現國產化[3]。因此,在軌道交通快速發展的形勢下,研究CBTC技術,對探索軌道交通信號設備的國產化方案、加快城市軌道交通事業的技術進步、開發具有自主知識產權的CBTC系統,有著極大的意義。

1 CBTC的系統結構

CBTC系統是一種采用先進的通信和計算機技術,連續控制、監測列車運行的列車控制系統,主要實現移動閉塞方式。采用CBTC這種結構進行列車控制,關鍵是車載設備與軌旁設備間的實時雙向通信,且信息量大,將帶來信息利用的增值和功能的擴展,有利于現代化水平的提高。這種列車控制結構,減少了軌旁設備,便于安裝維修,便于縮短列車編組、加大列車運行密度[4]。

IEEE的CBTC標準列舉了典型的CBTC系統結構框圖如圖1所示[5]。

圖1 典型的CBTC系統結構框圖

由圖1可見:整個CBTC系統包括“CBTC地面設備(含聯鎖)”和“CBTC車載設備”;地面設備和車載設備通過“數據通信網絡”連接起來,構成系統的核心。功能框圖中還單獨列出了“聯鎖”功能模塊。該功能模塊與CBTC地面設備連接。考慮到不同的線路長度可能需要多套的CBTC地面設備,所以在典型框圖中還列出了“相鄰的CBTC地面設備”模塊。最后,在CBTC設備的基礎上,增加ATS模塊,用于實現系統的ATS功能。

CBTC地面設備(含聯鎖)通過數據通信網絡向CBTC車載設備傳輸控制信息,控制列車運行;CBTC車載設備也通過數據通信網絡向CBTC地面設備(含聯鎖)傳送列車信息,形成閉環信息傳輸及控制。這里的數據通信網絡就是車-地通信網絡,可由多種通信方式組成,如無線電臺、裂縫波導管和漏纜等方式。

以上列舉的是CBTC系統的典型結構,實際的系統可能由于不同的設備提供商、不同的工程需要而有所差異。但是,所有CBTC系統均采用數據通信網絡連接CBTC地面和車載設備,實現ATP(列車自動防護)功能,其控制列車安全運行的核心是一致的。

2 移動閉塞

根據我國新編《城市軌道交通信號系統通用技術條件》的名詞術語,移動閉塞(Moving Block)可定義為:“前方列車與后續列車之間的最小安全追蹤間隔距離單元不預先設定,并隨列車的移動、速度的變化而變化的閉塞方式。”而日本定義為:“根據連續檢測列車的位置和速度,確保防止列車之間的沖突所必須的、可變的并能移動的閉塞區間。”從上述兩個定義可知:移動閉塞必須是沒有預先設定的閉塞分區、可以實現列車按最小安全間隔的一種閉塞方式,可以連續檢測列車的位置和速度。因此,移動閉塞處理周期足夠短,離散的采樣可以視為連續處理。該種理解方式,與當今世界研發的移動閉塞系統的機理相容。

由于沒有預先設置的閉塞分區,不以固定閉塞分區為列車追蹤的最小單元,而是根據實際運行速度、制動曲線和進路上列車位置,動態計算出相鄰列車之間的安全距離,因此,與固定閉塞相比,列車運行間隔相對將大大減少,也因此具備更大運行調整能力。基于通信技術的列控系統的列車速度控制曲線如圖2所示。

圖2 移動閉塞列車自動控制系統連續曲線速度控制示意圖

由圖2可見,列車間的間隔是動態的,并隨前一列車的移動而移動。圖中繪制的3條曲線是針對后續列車的控車一次拋物線制動曲線,它們的制動終點為同一點,是根據后續列車在當前速度下所需的制動距離再加上安全余量計算出來的。列車位置的分辨率一般為10 m范圍內[6],確保列車不追尾。因此移動閉塞系統軌旁設備的數量與列車運行間隔關系不大,列車行車間隔將極大縮短,提高了線路通過能力。

同時,CBTC系統通過建立車-地之間連續、雙向、高速的通信,使列車命令和狀態可以在車輛和地面之間可靠交換;它將系統主體CBTC地面設備和受控對象列車緊密地連接在一起,計算出列車間的相對距離,保證列車的安全間隔;同時根據線路的條件,對列車進行限速或與地面設備發生聯鎖關系。因此,CBTC系統實現移動閉塞的關鍵是無線車-地通信。

3 車-地通信

就車-地雙向信息傳輸方式而言,車-地通信系統又可分為基于感應電纜環線傳輸方式和基于無線通信傳輸方式。其中,基于無線通信傳輸方式又具體為:按無線通信的調制方式可分為跳頻擴頻(FHSS)、直接序列擴頻(DSSS)和正交頻分復用(OFDM);按數據傳輸媒介的傳輸方式可分為:無線電臺、裂縫波導管、漏纜和GSM-R(鐵路專用數字移動通信系統)等方式。其中,無線電臺、漏纜等常用在城市軌道交通中,如無線電臺、裂縫波導管方式在地鐵使用,漏纜可在磁浮線使用等;GSM-R在我國一些新建鐵路線使用,如在青藏線,因此這里不再贅述。

由于對列車的命令和狀態在車輛和地面之間可靠交換都要靠車-地通信來完成,因此車-地通信直接影響行車安全,這就要求有可靠和安全的通信技術與設備。基于無線通信的CBTC系統為了滿足車地雙向通信的需要,必須在線路沿線進行無線場強的覆蓋。通常有無線電臺、漏泄同軸電纜、裂縫波導管幾種傳輸方式可供選擇。

3.1 無線電臺

根據IEEE 802.11無線局域網的標準,目前廣泛采用的是基于2.4 GHz的ISM(工業、科學和醫用)頻帶,無線電臺方式傳輸的最大距離約為400 m。由于所應用的城市軌道交通線路多穿行于城市區域,其彎道和坡道較多,增加了無線場強覆蓋的難度。為了保證場強覆蓋的完整性,保證通信的質量和可靠性,無線電臺一般在地下線路200 m左右設置一套,在地面和高架線路300 m左右設置一套。基于無線電臺通信的系統框圖如圖3所示。

圖3 基于無線電臺通信的CBTC系統框圖

無線電臺的體積較小,安裝比較靈活,受其它因素的影響小,可以根據現場條件和無線場強覆蓋需要進行設計和安裝,且安裝和維護容易。無線電臺在隧道內傳輸受彎道和坡道影響較大,同時隧道內的反射比較嚴重,需要考慮多徑干擾等問題。無線電臺在地面和高架線路安裝比較容易,但線路周圍不能有高大密集的建筑物,否則也會產生反射和衍射,從而導致傳輸質量下降和通信速率降低。

無線電臺的傳輸距離小,為了保證在一個無線接入點(AP)故障時通信不中斷,往往需要在同一個地點設置雙網覆蓋,進一步縮短了AP布置間距。但這樣使列車在各個AP之間的漫游和切換特別頻繁,大大降低了無線傳輸的連續性和可靠性,同時相應的電纜使用量很大。

3.2 漏泄同軸電纜

漏泄同軸電纜是在同軸電纜外導體上開有一定形狀和間距的糟,使電磁場的能量集中在同軸電纜的內外導線之間,部分能量可以從同軸電纜中的槽孔泄漏到空間中,并和附近的移動電臺天線耦合構成無線通道。同軸電纜外導體上開的槽可以有許多形狀,各種形狀在傳輸損耗和耦合損耗方面各不相同。

使用漏泄同軸電纜具有對地形的適應性強、場強穩定、傳輸速率高和節省頻率資源等優點,在數字化、大容量的移動車輛通信方面有獨特的優勢。在日本,漏泄同軸電纜在新干線隧道、山梨磁浮列車示范線都有成功的應用。

漏泄同軸電纜上的開槽有著嚴格的尺寸要求,而且它的收發、中繼設備比較復雜,用它來組成通信信道,初期投入很高,這是它的不足之處。

3.3 裂縫波導管

目前采用裂縫波導管進行無線傳輸的信號系統供貨商只有法國ALSTOM公司,其已經在2002年開通的新加坡東北線中得到成功應用。裂縫波導管采用的是一種長方形鋁合金材料,在其表面每隔一段距離(約6 cm)刻有一條2 mm寬3 cm長的裂縫,能夠讓無線電波從此裂縫中漏泄出來。波導管的物理特性和衰減性能很好,傳輸距離較遠(最大傳輸距離可達到1 600 m),且沿線無線場強覆蓋均勻,呈現良好的方向性分布,抗干擾能力較強。它還具有漏泄同軸電纜的優點,適合于狹長的地下隧道內使用;但其傳輸距離要優于漏泄同軸電纜,減少了列車在各個AP之間的漫游和切換,大大提高了無線傳輸的連續性和可靠性。

3.4 不同傳輸方式的比較

以上3種傳輸方式,各有優點。無線電臺由于造價低、維護方便,較多在我國地鐵線路的地上部分使用,漏泄電纜價格適中,場強覆蓋均勻,較多在地下及隧道使用。在具體的工程設計中采用哪種方式,要結合城軌線路的具體情況,綜合考慮方案造價、安裝維護方便、整體性價比、切換方便以及線路信息容量和最重要的場強充分覆蓋等因素,進行選擇。無線車-地通信方式大大提高了列車與地面控制中心的通信能力,從而為CBTC系統實現移動閉塞方式,并保證行車安全提供了必要的手段,也是CBTC系統不可或缺的重要組成部分。

4 結語

CBTC系統是不依賴軌道電路,采用高精度的列車定位和連續、高速、雙向的車-地數據通信,通過車載和地面安全設備實現對列車控制的系統;列車能以較小的間隔運行,可實現“小編組、高密度”的運營模式,這使系統能在同樣滿足客運需求的基礎上,縮短旅客的候車時間,縮小站臺長度和候車空間,降低基建投資。

與傳統的基于軌道電路的列車控制系統(固定閉塞或準移動閉塞系統)比較,其軟件技術的應用多于傳統系統,硬件設備較傳統系統少,較傳統系統在技術上更具有優勢。特別是基于無線通信的CBTC系統的采用,將使軌道交通路網中多條線實現互聯互通成為可能。雖然現階段CBTC系統還存在著成熟度、應用業績、價格及國產化實施上還不如傳統ATC系統的不利因素,但其畢竟是采用當今先進的通信和信息技術的技術領先型系統,是今后城市軌道交通信號ATC系統的發展方向。

上海軌道交通7號線列車

[1]李紅君,鐘章隊.基于無線的列車控制系統[J].鐵道通信信號,2002,38(1):37.

[2]林海香.基于通信的列車控制技術(CBT C)的研究與應用[D].蘭州:蘭州交通大學,2007.

[3]高晶晶,陳霞,談振輝.高速鐵路智能交通系統中的 CBTC技術[J].電氣化鐵道,2006,6:41.

[4]董昱.區間信號與列車運行控制系統[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[5]IEEE Standard forCommunications-Based Train Control Performance and Functional Requirements[S],IEEE Std 1474.1,1999.

[6]陳斌,劉曉娟.漏泄波導通信在地鐵列車控制系統中的應用[J].城市軌道交通研究,2008(3):39.

[7]黃天印,趙時旻,劉循.基于通信的列車控制系統數據通信子系統可靠性分析[J].城市軌道交通研究,2009(5):33.