軌道交通國產(chǎn)化CBTC系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)研究

王 浩，林 湛，楊霓霏，吳 卉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081 ）

軌道交通國產(chǎn)化CBTC系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)研究

王 浩1，林 湛1，楊霓霏2，吳 卉1

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081 ）

北京地鐵亦莊線國產(chǎn)化CBTC 系統(tǒng)的成功應(yīng)用為北京市軌道交通國產(chǎn)化作出了貢獻(xiàn)，本文對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)及創(chuàng)新成果進(jìn)行分析和研究，期望能為軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供借鑒。

基于通信的列車控制系統(tǒng)；信號(hào)系統(tǒng)；國產(chǎn)化；屏蔽門；無線通信；最小系統(tǒng)；仿真測(cè)試平臺(tái)

2010年12月30日開通的北京地鐵亦莊線，其信號(hào)系統(tǒng)是城軌首套全國產(chǎn)化的基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括我國自主開發(fā)的列車自動(dòng)防護(hù)/自動(dòng)運(yùn)行（ATP/ATO）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DCS）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）和維修支持系統(tǒng)（MSS）。開通運(yùn)營以來，信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行正常，完全可以滿足地鐵亦莊線運(yùn)營要求。亦莊線CBTC系統(tǒng)取得的成績?yōu)閲鴥?nèi)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)在設(shè)計(jì)、研發(fā)、集成、測(cè)試、工程等各環(huán)節(jié)留下了可以學(xué)習(xí)借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)和成果。

1 CBTC系統(tǒng)支持的運(yùn)行等級(jí)

亦莊線CBTC系統(tǒng)支持3種運(yùn)行等級(jí)：基于無線通信的車地雙向連續(xù)通信下ATP/ATO運(yùn)行（簡稱CBTC級(jí)），通過應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)車地點(diǎn)式通信下ATP/ATO的運(yùn)行（簡稱BLOC級(jí)），無任何車地通信由司機(jī)按軌旁信號(hào)顯示人工駕駛（簡稱IL級(jí)）。CBTC級(jí)下地面ATP控制器（區(qū)域控制中心ZC）與車載控制器（VOBC）實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告與移動(dòng)授權(quán)連續(xù)的交互，軌旁信號(hào)滅燈VOBC按移動(dòng)授權(quán)控車，ZC控制CBTC級(jí)列車之間的安全間隔實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，最大程度地縮短行車間隔以滿足城軌運(yùn)營大客流的需要。BLOC級(jí)下聯(lián)鎖控制軌旁信號(hào)同時(shí)通過軌旁電子單元（LEU）控制應(yīng)答器發(fā)出點(diǎn)式移動(dòng)授權(quán)，VOBC按照點(diǎn)式移動(dòng)授權(quán)行車，同時(shí)司機(jī)需要監(jiān)督信號(hào)顯示。

2 點(diǎn)式后備BLOC級(jí)下的創(chuàng)新點(diǎn)

BLOC的設(shè)計(jì)目的就是為在無法運(yùn)行CBTC級(jí)時(shí)提供基于有源應(yīng)答器點(diǎn)式控制下的ATP/ATO功能，列車將以固定閉塞方式區(qū)間運(yùn)行，行車安全仍然由車載ATP功能進(jìn)行監(jiān)督，ATO自動(dòng)駕駛?cè)匀豢捎茫cCI模式相比較，這將極大地提高安全性和效率。但與CBTC模式相比較，移動(dòng)閉塞、臨時(shí)限速、站臺(tái)屏蔽門聯(lián)動(dòng)等方面的功能也被迫降級(jí)，由自動(dòng)控制轉(zhuǎn)為人工控制，效率降低。為此，亦莊線CBTC系統(tǒng)在點(diǎn)式下屏蔽門聯(lián)動(dòng)和站臺(tái)紅燈防誤出發(fā)方面進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。

2.1 點(diǎn)式下屏蔽門聯(lián)動(dòng)

為了乘客候車及乘降車安全，在城軌站臺(tái)一般都安裝有屏蔽門，屏蔽門是常關(guān)閉的，只有當(dāng)列車進(jìn)站停穩(wěn)并做好了旅客上下車的準(zhǔn)備之后才會(huì)開放屏蔽門，只有當(dāng)屏蔽門關(guān)閉情況下，列車才可以動(dòng)車出站。CBTC有站臺(tái)屏蔽門聯(lián)動(dòng)的功能，當(dāng)車載ATP/ATO確認(rèn)開門或關(guān)門的命令后，通過無線通信將信息傳遞給軌旁屏蔽門控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)屏蔽門的自動(dòng)控制，通常CBTC系統(tǒng)的開關(guān)門命令通過無線通道經(jīng)ZC傳送給聯(lián)鎖設(shè)備，由聯(lián)鎖設(shè)備控制屏蔽門的動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)的BLOC模式將無法實(shí)現(xiàn)屏蔽門聯(lián)動(dòng)，只能由司機(jī)下車手動(dòng)操作屏蔽門。

亦莊線信號(hào)系統(tǒng)在車站布置了無線設(shè)備，通過這種專用于站內(nèi)的無線系統(tǒng)，VOBC可以直接與車站聯(lián)鎖設(shè)備建立通信。接近某站臺(tái)時(shí)，列車會(huì)主動(dòng)向該站的聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)出呼叫并建立安全通信，完全離開站臺(tái)后，列車與該站聯(lián)鎖設(shè)備的通信也隨之中斷。由于無需ZC系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)屏蔽門開關(guān)門命令，所以這樣的車地屏蔽門聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)可適用于CBTC和BLOC模式。

列車安全靠站后，當(dāng)人工或ATO進(jìn)行開關(guān)車門操作時(shí)，VOBC將同步向CI發(fā)送屏蔽門（PSD）打開或關(guān)閉的控制信息，CI接收到此命令后，向VOBC回復(fù)確認(rèn)信息，控制對(duì)應(yīng)的PSD按照要求動(dòng)作，并將PSD的狀態(tài)信息發(fā)送給VOBC。

VOBC向聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)送的開關(guān)門命令也屬于安全相關(guān)信息，需要經(jīng)安全通道，由安全協(xié)議保護(hù)，由車載ATP負(fù)責(zé)建立與聯(lián)鎖設(shè)備的安全通信，當(dāng)列車發(fā)出屏蔽門開門命令時(shí)，ATP需要對(duì)列車是否確實(shí)停穩(wěn)進(jìn)行安全確認(rèn)，之后才將開門命令發(fā)送給聯(lián)鎖設(shè)備。當(dāng)列車準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí)，ATP需要檢查屏蔽門是否為關(guān)閉的狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)這樣的功能，聯(lián)鎖需要增加與列車的通信接口。

2.2 點(diǎn)式下的站內(nèi)紅燈防誤出發(fā)

歐標(biāo)應(yīng)答器有效接收窗口范圍為60 cm，對(duì)于列車的運(yùn)行而言僅僅是一個(gè)信息點(diǎn)，所以稱為點(diǎn)式。在點(diǎn)式后備模式下列車按點(diǎn)式移動(dòng)授權(quán)（MA）行車抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后停車。當(dāng)點(diǎn)式級(jí)列車進(jìn)站對(duì)標(biāo)停車后，無法保證車載接收天線處于應(yīng)答器接收窗口內(nèi)。一般應(yīng)答器處于車頭前方，這樣，當(dāng)前方開放綠燈時(shí)車載設(shè)備（ATP/ATO）無法獲知。這種情況下，司機(jī)需要看前方綠燈，手動(dòng)駕駛列車緩慢前行，通過應(yīng)答器以獲取新的點(diǎn)式移動(dòng)授權(quán)，這就引入了由于司機(jī)誤操作而發(fā)生誤闖紅燈甚至擠岔事故的風(fēng)險(xiǎn)，也增加了司機(jī)的負(fù)擔(dān)。

亦莊線CBTC系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在出站信號(hào)機(jī)處安裝國產(chǎn)的長作用距離有源應(yīng)答環(huán)線裝置，簡稱有源環(huán)線，使應(yīng)答器的信息傳輸范圍延長達(dá)4 m。列車進(jìn)站停車時(shí)就能夠保證停在環(huán)線上。這樣當(dāng)出站信號(hào)開放時(shí)，處于停穩(wěn)狀態(tài)的車載就可以獲得前方進(jìn)路的信息，列車可以在點(diǎn)式ATO模式下自動(dòng)駕駛出站。也解決了人工駕駛誤闖紅燈的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)然，非標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答器，其在延長應(yīng)答器信息有限范圍的同時(shí)也影響了其定位的功能，這是在工程設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題。

3 無線通信組合傳輸方式

無線通信對(duì)于CBTC系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)，如果通信不穩(wěn)定，CBTC級(jí)就難以保證，移動(dòng)閉塞就只能降級(jí)為固定閉塞。所以CBTC系統(tǒng)對(duì)無線通信的信號(hào)質(zhì)量提出很高的要求。而另一方面，地下、高架等城市軌道多樣的線路環(huán)境以及來自線路周邊甚至旅客便攜設(shè)備的各種干擾都對(duì)城軌信號(hào)無線通信帶來困難。

區(qū)別于鐵路使用的GSM-R技術(shù)，我國城市軌道交通無線通信主要采用的是基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的WLAN 技術(shù)，通常選擇空間自由波和波導(dǎo)管兩種傳輸方式。

空間自由波就是以一定的間隔在軌旁安裝無線接入點(diǎn)（AP， Access Point）和天線，波導(dǎo)管則比較特殊，是一種矩形斷面的通長鋁合金材料，在其表面每隔一段距離（約6 cm） 刻有一條裂縫。電磁波在波導(dǎo)管中傳輸并從縫隙中輻射出來，被安裝在列車上對(duì)應(yīng)位置的天線接收。

無線AP傳輸速率會(huì)在較復(fù)雜地形處急劇下降，而波導(dǎo)管不受地形影響。在丟包率、越區(qū)切換能力方面波導(dǎo)管都優(yōu)于自由波。但是波導(dǎo)管的安裝位置必須與車載天線位置對(duì)應(yīng)，安裝精度要求較高，需要在區(qū)間上、下行沿線全程鋪設(shè)，所以波導(dǎo)管工程造價(jià)高，工程實(shí)施困難，后期維護(hù)也比較困難。自由波方式工程造價(jià)低，工程實(shí)施有優(yōu)勢(shì)，而且經(jīng)試驗(yàn)論證，在地形不復(fù)雜的地下隧道線路，性能也較為穩(wěn)定。

亦莊線CBTC系統(tǒng)在國內(nèi)首次采用自由波結(jié)合波導(dǎo)管的組合傳輸方案：地下隧道區(qū)間采用無線AP，地面及高架區(qū)間采用波導(dǎo)管。組合方式要求車載無線電臺(tái)安裝4副天線。其中2副自由波天線安裝在首尾2端的車頂上方，用于接收和發(fā)送空間自由波信號(hào)；2副波導(dǎo)管平板天線安裝在列車下方，用于波導(dǎo)管收發(fā)信號(hào)。

組合傳輸方式結(jié)合了2種傳輸方式的特點(diǎn)，克服了單獨(dú)采用一種傳輸方式的不足，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下車地信息可靠傳輸并且降低了工程成本。

4 最小系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

亦莊線CBTC系統(tǒng)研發(fā)、工程實(shí)施和系統(tǒng)運(yùn)行能夠高效且順利地進(jìn)行，很大程度上得益于最小系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。

最小系統(tǒng)就是實(shí)現(xiàn)硬件最小化、功能最大化，同樣，在構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)時(shí)，也是基于硬件最小系統(tǒng)構(gòu)建的測(cè)試平臺(tái)，以盡可能低的成本（包括設(shè)備成本和時(shí)間成本），達(dá)到較高的測(cè)試覆蓋率。亦莊線CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)包括了幾乎所有與信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備或者組件，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的全功能仿真，幾乎所有狀態(tài)都可觀、可控。

最小系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)可服務(wù)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。在仿真測(cè)試平臺(tái)上可以迅速對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段就可以驗(yàn)證方案可用性，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)缺陷。

最小系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)可服務(wù)于設(shè)備研發(fā)測(cè)試。可以通過實(shí)際設(shè)備和仿真設(shè)備的不同組合實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試目的的測(cè)試平臺(tái)。另外，通過仿真器，不但能夠觀察軟硬件運(yùn)行的狀態(tài)，還可以進(jìn)行故障注入，驗(yàn)證被測(cè)功能在極端情況下的處理情況。在測(cè)試平臺(tái)上保證了系統(tǒng)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)的接口與邏輯保持完全一致，所以，通過此平臺(tái)測(cè)試的設(shè)備和軟件可以直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。

最小系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)可服務(wù)于故障分析。在最小系統(tǒng)的仿真測(cè)試環(huán)境下，通過使用真實(shí)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)幾乎可以完全仿真現(xiàn)場(chǎng)遇到的情況，進(jìn)而復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題，在實(shí)驗(yàn)室就可以對(duì)運(yùn)行階段產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析，尋找解決方案，有效地提高了解決問題的效率。

5 結(jié)束語

北京地鐵亦莊線CBTC系統(tǒng)示范工程是我國城市軌道交通行業(yè)第一個(gè)示范工程，是一個(gè)以世界先進(jìn)水平為目標(biāo)、帶有科學(xué)試驗(yàn)性質(zhì)的工程項(xiàng)目。它的順利開通標(biāo)志中國成為繼德國西門子、法國阿爾斯通、加拿大阿爾卡特后第4個(gè)成功掌握CBTC核心技術(shù)并順利開通應(yīng)用實(shí)際工程的國家，亦莊線CBTC系統(tǒng)中的技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新成果將對(duì)中國軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展具有借鑒意義。

[1]梁九彪. 亦莊線國產(chǎn)CBTC信號(hào)系統(tǒng)工程應(yīng)用 [J]. 市政技術(shù)，2010 （S2）.

[2]丁樹奎. 城軌交通自主化CBTC技術(shù)與工程管理創(chuàng)新 [J].現(xiàn)代城市軌道交通， 2011（3）.

[3]牛英明，黃友能，智國盛，張 揚(yáng). 北京地鐵亦莊線CBTC示范工程的實(shí)施 [J]. 都市快軌交通，2011（4）.

責(zé)任編輯 楊利明

Research on technical innovative points of domestic CBTC System of Urban Transit

WANG Hao1, LIN Zhan1, YANG Nifei2, WU Hui1

（ 1. Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China ）

The successful application of domestic CBTC System in Yizhuang Subway contributed to the localization of Urban Transit in China. The analysis and research on its technical characteristics and innovation achievements in this paper could provide a reference for the localization of Signal System of Urban Transit.

Communication Based Train Control System (CBTC); Signal System; localization; platform screen door; wireless communication; minimal system; simulation testing platform

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2013）12-0058-03

2013-07-04

王 浩，助理研究員；林 湛，工程師。