無線CBTC系統（SPARCS）的海外進展

1 前言

在亞洲以及一些新興國家，特別是在經濟明顯增長的地區，隨著社會基礎設施建設的穩步進行，城市鐵路建設成為不可或缺的一部分，這是目前海外市場的現狀。近年來，作為地鐵等城市鐵路的列車控制形式，CBTC的呼聲較高，不僅在歐美各國，在亞洲各新興國家等也得以廣泛應用。中國預計到2020年建成總里程達到7 400 km的地鐵，無線CBTC系統的市場前景是非常可觀的。

2 CBTC簡介

談到列車控制方法，ATC（Automatic Train Control）是非常著名的，但CBTC（Communicati on Based Train Control）作為一種基于通信的列車控制方式，也是最近的技術動向之一。I E E E（Institute of Electrical and Electronics Engineers）標準第1474款中規定，“不通過軌道電路，可以利用高精度對列車實行定位”，從而使得“列車和軌旁設備之間的雙方向、大容量的數據通信成為可能”，這樣的列車控制系統稱為CBTC系統。傳統的ATC系統，通過軌道將列車使用的速度信號從地面傳送到列車，構成列車控制，從這個意義上講，也不能說就不是CBTC。但是，ATC的通信是單向傳輸，利用軌道電路實現定位檢查，傳統的ATC并未包括在CBTC之內。因為地面—列車之間的通信是大容量、雙方向的傳輸，所以CBTC所說的通信一般指無線通信。由于可以利用高精度對列車實行定位，大部分CBTC系統都能實現移動閉塞。CBTC分為在地面無線設備裝設天線的空間波方式、使用漏泄同軸電纜（LCX）的LCX方式和使用感應線圈的環線方式。空間波方式和LCX方式使用的無線通信多為數百MHz到數GHz的頻率，環線方式使用數十kHz的頻率。說到無線CBTC，一般指空間波方式。

3 世界各國的無線CBTC

國外已經開始應用幾種無線CBTC系統。在美國紐約地鐵的卡納西線（23.3 mile、24站、212節車廂）引進了阿爾卡特和西門子的2.4 GHz ISM無線CBTC系統。西班牙馬德里地鐵6號線（23.5 km、27站、49節車廂）使用的是龐巴迪生產的Cityflo CBTC系統，該系統也使用的是2.4 GHz ISM頻段的無線CBTC系統。新加坡MRT使用的是阿爾斯通生產的CBTC系統。阿爾斯通與前面兩家公司一樣，也使用ISM頻段，但是除了2.5 GHz外，還有5.8 GHz。使用ISM頻段以外的無線CBTC系統，有以歐洲聯合體為中心開發的ERTMS（European Rail Traffic Management System）中ETCS（European Train Control System）的3級。但是，ETCS3尚未投入實際使用。雖然ETCS2在地面—列車間使用無線通信，但是它是使用軌道電路和車軸傳感器來獲取位置信息的固定閉塞系統，不符合IEEE標準第1474條款對于CBTC的定義。但是，該無線列車控制系統在歐洲已經投入實際應用。ETCS使用的無線網絡是將作為手機國際標準的GSM應用在鐵路通信上的GSM-R網絡。

此外，東日本鐵道株式會社（JR東日本）開發了ATACS（Advanced Train Administration and Communications System），該無線CBTC系統使用400 MHz頻率的獨立協議。

4 日本信號開發CBTC的歷史

日本信號株式會社（簡稱“日本信號”）開發CBTC是從1995年開始，當時接手的項目是BART（San Francisco Bay Area Rapid Transit）的AATC（Advanced Automatic Train Control）。當時的BART使用了能夠測量無線設備間距離（無線測距）的無線設備，進行了CBTC系統（AATC）的開發工作。公司以獲得AATC的技術許可為目標，1999年從美國企業獲得了AATC的許可，并在韓國鐵道研究院的慶山試驗線上，利用輕型車輛的走行試驗進行開發。慶山試驗線的走行試驗獲得了德國交通安全環境研究所的安全性評價。后來，由于美國企業放棄該系統的開發，日本信號開始獨立研發，其獨立開發的無線CBTC列車控制系統SPARCS（Simple-structure and high-Performance ATC by Radio Communication System）由此誕生。

5 SPARCS

日本信號開發的SPARCS系統是利用無線測距技術的列車控制系統，與其他CBTC系統相比，具有以下特征。

1）除了檢測地面天線和速度發電機的相對位置之外，還能利用無線測距方式測得絕對位置。這是測試相對位置與絕對位置并用的位置檢測方式。

2）線路信息是SPARCS地面設備所具有的數據庫方式。

3）與無線LAN等通用無線設備不同，它采用獨立協議無線設備。

4）設置在沿線的無線設備間不使用有限通信電纜，而使用無線數據傳輸方式。

根據最后通過的地面天線的ID和通過后車輪的旋轉數相對應的地面天線的相對距離、列車速度等，車載設備形成列車狀態信息報告（ATP report）。車載無線設備（VRS）將ATP報告傳送給附近沿線的無線設備（WRS）。收到ATP報告的相鄰WRS通過依次向相鄰或附近的WRS傳輸信息，將車載設備生成的ATP報告傳輸至SPARCS地面設備。測得列車附近的數個WRS和VRS之間的距離后，將這個距離數據報告（測距報告）傳輸給WRS的同時,也傳到SPARCS地面設備。SPARCS根據ATP報告和測距報告，實現列車定位。考慮到控制區域內的全體列車和控制區域附近的列車位置、信號狀態等，根據列車接到制動命令后到目標停車點所需距離以及車載設備生成ATC目標距離模式曲線所需的限制速度信息和坡度信息等，生成CBTC命令，傳送給受控列車。SPARCS地面設備傳送來的CBTC命令傳送給車站無線設備（SRS）后，經WRS中繼后發至VRS。通過VRS收到CBTC命令的車載設備生成ATC目標距離模式曲線，控制列車運行。這樣一來，在SPARCS中，地面設備擁有線路區段限制速度和坡度信息等線路信息，將需要的信息實時傳送至車載設備。也有一種方式是由車載設備存儲這些線路信息，但是每次線路信息發生變化時，需要全部更新存在許多列車中的線路信息數據庫。

SPARCS可以實現列車自動運行（ATO）和定位停止控制（TASC）。根據SPARCS地面設備傳送來的列車控制信息，生成ATC目標距離模式曲線。根據此曲線，規定目標速度，進行加減速控制，從始發站到下一站的區間，如何能夠既考慮乘客的舒適度，又考慮到到達時間，來實現自動行車，使列車自動準確地停在目標停車位置上。

SPARCS無線設備采取時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和頻分多址（FDMA）3種方式并用，對減少外部噪音的干擾和提高通信的可靠性能有著很大作用。為使用這些方式，所有的無線設備在時間、PN（Pseudo Noise）符號、密匙、頻率等都保持同步。在用于CDMA通信的擴散符號中，加入了多個PN符號的應用，通過RS編碼進行糾錯，實現高可靠性的無線通信。為避免惡意破壞，無線通信數據都經過加密，使用多個密碼。

國外的CBTC無線設備中常用的無線LAN規格是全部公開協議，而SPARCS的協議是完全不公開的。這樣，對于懷有惡意者而言，更難實施破壞行動。

在SPARCS中，WRS之間沒有有線通信電纜，為了通過無線通信進行數據交換，WRS只負責供應電源。配置在軌道沿線WRS群的無線網絡，分別有2條朝向SPARCS地面設備方向的上行電氣線路和朝向控制區域末端方向的下行電氣線路，共由4條無線線路構成。下行電氣線路中，從SPARCS地面設備傳到車載設備或無線設備的命令；上行電氣線路中，從列車或無線設備傳送報告。此外，鄰近SPARCS地面設備之間的信息交換也通過無線網絡進行。無線設備的收發信功能具有數個無線設備能同時接收的冗余結構，通過在相鄰的無線設備間能夠進行通信的地方設置WRS，即使1臺無線設備發生故障，無線通信也能正常運行。數個車載VRS全都接收向列車傳送的CBTC命令。

無線設備雖然具有SRS、VRS、WRS 3種功能，但是這3種功能都是基于同一硬件，通過改寫閃存卡的數據，可以改變各自無線設備的功能。因此，作為維護設備準備的無線設備屬于第1種類型。

6 在建工程之一——韓國仁川月尾銀河軌道（單軌電車）

仁川是僅次于釜山、位列韓國第二的港口城市。月尾島是非常美麗的觀光勝地，包圍在代表港口城市的大海之中。月尾島原本是一個孤島，后來在大陸與島嶼間填埋，現在車輛可以通行。本項目是建設環月尾島一周的單軌鐵路。仁川市旨在連接仁川站、月尾島、自由公園、新浦市場和東仁川站，為月尾島旅游業服務，因此積極推進本項目。計劃第一階段開通仁川站——月尾島的循環區間，第二階段開通仁川站——東仁川站區間，第三階段開通東仁川站——自由公園——仁川站區間。

2008年10月，日本信號第一次接受第一階段區間中列車控制系統的訂單，預計2011年開通。信號裝置由運行管理裝置、列車自動控制裝置、列車自動運行裝置以及電氣轉轍機、信號機等現場設備構成。其中，本公司憑借SPARCS獲得了列車自動控制裝置以及列車自動運行裝置的訂單，設備的設置工作已經完成。其他信號裝置由韓國企業負責。

表1 案例簡介

7 結語

SPARCS是CBTC市場上唯一具有無線定位功能的系統。本公司將繼續鞏固SPARCS的技術，努力向亞洲各新興國、中東、美國等國拓展市場。