軌道交通CBTC信號系統淺析

李斌

（南昌軌道交通集團有限公司運營分公司）

摘 要： 隨著計算機和通訊技術的飛速發展，自動控制技術也得以迅猛發展，廣泛應用于城市軌道交通行業。為提高城市軌道交通的運營效率，人們研發出一種基于無線通信的列車自動控制系統，即CBTC系統。本文通過介紹網新CBTC系統及泰雷茲CBTC系統的構架，并在兩套系統的對比中，對網新CBTC系統及泰雷茲CBTC系統的異同點進行進一步闡述。

關鍵詞： CBTC；閉塞；車地通信；自動控制

1.背景

我國大多數普速鐵路的閉塞方式是固定閉塞，而移動閉塞更多地應用于高鐵、地鐵和輕軌。隨著通信技術的應用，采用開放空間無線方式是車地通信的發展方向。目前城市軌道交通中最常用的信號系統為兩大類：準移動閉塞和移動閉塞信號系統。兩者都是基于傳統的電氣集中聯鎖控制技術發展而成，區別在于后者在外部傳輸媒介上采用的是無線通信技術。

CBTC系統得益于計算機技術和通信方式的發展，信號的概念已經改變：從被動反應到主動檢測，從軌旁設備控制到列車自我控制，車地通信具備了思考和對話的能力。

2.概念

信號系統的列控方式有兩種：基于軌道電路的列車控制方式和基于無線通信的列車控制方式。前者是傳統的信號系統，后者是基于前者衍生的CBTC系統。它們的區別在于傳輸媒介的不同，后者是無線傳輸。

CBTC系統的定義：一個連續的列車自動控制系統，它利用高分辨率的列車位置確定方式，不依賴于軌道電路；高容量的車地雙向數據通信；以及能夠實現“故障—安全”功能的車載和軌旁處理器。

3. CBTC系統構架

基于CBTC移動閉塞的ATC系統，具備ATP防護、ATO駕駛和后備模式的點式ATP防護功能。它主要的子系統包括：區域控制器（MAU+PMI）、接口繼電器、計軸ACE、ATS子系統、ATP子系統、ATO子系統、車載控制器以及連接各子系統的數據通信系統 （DCS）。

3.1 區域控制器（MAU+PMI）

區域控制器-MAU，是冗余校驗的三取二配置，具備“故障—安全”的功能，每個聯鎖區域設一套MAU。它實現與所控區域內所有列車的安全信息交互，同時向所轄區域內每輛列車發布移動授權LMA，并實現對屏蔽門（PSD）的監督與控制。

區域控制器-PMI，是冗余校驗的2x2oo2配置，也具備“故障—安全”的功能，每個聯鎖區域設一套PMI。它實現與所控區域內除屏蔽門（PSD）外的所有聯鎖控制，并監督屏蔽門（PSD）狀態。

3.2接口繼電器和計軸ACE

接口繼電器用于區域控制器（MAU+PMI）與現場設備的接口，如：信號機、道岔、緊急停車按鈕、屏蔽門等。計軸ACE用于檢測區段的占用、出清和受擾。

3.3 ATS子系統

ATS子系統主要實現對列車運行的監督和控制，輔助調度人員對全線列車進行管理，其功能包括：調度區段內列車運行情況的集中監視與控制，監測進路控制、列車間隔控制設備的工作，按行車計劃自動控制道旁信號設備以接發列車，列車運行實跡的自動記錄，時刻表自動生成、顯示、修改和優化，運行數據統計及報表自動生成，設備運行狀態監測，設備狀態及調度員操作記錄，運輸計劃管理等，還具有列車車次號自動傳遞等功能。

ATS子系統包括控制中心設備和ATS車站、車輛段分機。控制中心ATS設備有中心計算機系統、工作站、顯示屏、繪圖儀、打印機、UPS等。每個控制站設一臺ATS分機，用于采集車站設備的信息和傳送控制命令，并實現車站進路自動控制功能。車輛段ATS分機用于采集車輛段內庫線的列車占用情況及進/出車輛段的列車信號機的狀態。它采用的是“集中后備”的結構，其組成框圖如圖所示。

3.4 ATP子系統

ATP子系統的功能是對列車運行進行超速防護，對與安全有關的設備實行監控，實現列車位置檢測，保證列車間的安全間隔，保證列車在安全速度下運行，完成信號顯示、故障報警、降級提示、列車參數和線路參數的輸人，與ATS、ATO及車輛系統接口并進行信息交換。

ATP子系統不斷將從地面獲得的前行列車位置信息、線路信息、前方目標點的距離和允許速度信息等通過軌道電路等傳至車上，由車載設備計算得到當前所允許的速度，或由行車指揮中心計算出目標速度傳至車上，由車載設備測得實際運行速度，依此來對列車速度實行監督，使之始終在安全速度下運行，以縮短列車運行間隔，保證行車安全。

采用軌道電路傳送ATP信息時，ATP子系統由設于控制站的軌旁單元、設于線路上各軌道電路分界點的調諧單元和車載ATP設備組成，并包括與ATS、ATO、聯鎖設備的接口設備。

3.5. ATO子系統

ATO子系統主要用實現“地對車控制”，即用地面信息實現對列車驅動、制動的控制，包括列車自動折返，根據控制中心的指令使列車按最佳工況正點、安全、平穩地運行，自動完成對列車的啟動、牽引、惰行和制動，傳送車門和屏蔽門同步開關信號。

使用ATO后，可使列車經常處于最佳運行狀態，避免了不必要的、過于劇烈的加速和減速，因此明顯提高了乘客的舒適度，提高了列車正點率并減少了能量消耗和輪軌磨損。

ATO子系統包括車載ATO單元和地面設備兩部分。地面設備有站臺電纜環路、車地通信設備（TWC）以及與ATP，聯鎖系統的接口設備。

3.6 車載控制器

車載控制器是冗余校驗的三取二配置，具備“故障—安全”的功能，每輛車設一套車載控制器。它實現與軌旁設備的安全信息通信，根據移動授權實現安全距離計算、車門控制等功能。

3.7 數據通信系統DCS

DCS采用獨立雙網的架構，兩張網絡完全獨立且配置基本相同。車地通信使用無線空間波，采用802.11g協議，使用UDP/IP作為設備之間的通信協議。控制中心至車站的骨干網是一個完全冗余的通道；車站至每個軌旁無線單元的信息通過兩個不同的路徑傳送；軌旁無線單元的配置遵循完全冗余的無線覆蓋原則。所有數據同時在雙網中傳輸，保證了系統的可靠性和可用性，單網絡故障時無需切換時間。

4.系統維修

系統維修分為三級：計軸設備的特點主要提現在以下兩個方面：

（1）一級維修：現場軌旁設備的故障修復，部件的更換、維修和測試；

（2）二級維修：提供一個環境仿真器用以檢測并隔離故障板。

（3）三級維修：采用通用測試設備和特定診斷軟件來維修和恢復LLRU（元器件級）

5.結語

城市軌道交通是現代化都市的重要基礎設施，它安全、迅速、舒適、便利地在城市范圍內運送乘客。城市軌道交通系統的安全、速度、輸送能力和效率，這都與信號系統密切相關，基于無線通信的CBTC信號系統已成為城市軌道交通信號系統的共同選擇。