城市軌道交通CBTC系統關鍵技術探討

彭江海

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。文章主要就軌道交通CBTC系統關鍵技術進行了相關的分析，以供參考。

關鍵詞：城市軌道交通；CBTC系統關鍵技術；列車自動駕駛子系統（ATO）

目前我國城市軌道交通運行速度和運行密度的不斷提高，實現高水平列車自動駕駛的系統功能則成為CBTC信號系統的關鍵。

一、CBTC系統及其構成

CBTC系統由ATS子系統、ATP、ATO子系統、聯鎖子系統、DCS子系統等構成，各子系統均采用模塊化設計。ATP子系統是保證行車安全、防止錯誤進路、防止列車進入前方列車占用區段和防止超速運行的設備。ATP負責全部的列車運行保護，是列車安全運行的保障。ATO即列車自動駕駛，它代替司機操縱列車驅動、制動設備，自動實現列車的啟動、加速、勻速惰性、制動等駕駛功能。在ATP系統的基礎上安裝了ATO系統，列車就可以采用手動方式或自動方式行駛。ATS在ATP和ATO系統的支持下，根據運行時刻表完成對列車運行的自動監控，可自動或由人工監督和控制正線（車輛段、試車線除外），及向調度員和外部系統提供信息。DCS數據通信系統的主要作用是在各個子系統之間傳輸ATC報文。

（一）CBTC技術組成

CBTC 技術包括：⑴無線通信技術，⑵移動閉塞技術，⑶列車定位技術。由于CBTC 是基于無線通信的列車控制系統，自然離不開通信技術的支持。無線通信的種類很多，常見的有基于OFDM（正交頻分復用技術）通信、擴展頻譜通信、跳頻技術、WLAN（無線局域網）技術。移動閉塞是實現CBTC的關鍵技術之一，CBTC是這種閉塞方式的應用系統。它與固定閉塞相比，其最顯著的特點是取消了以信號機分隔的固定閉塞區間。列車在線路上運營的間隔距離由列車在線路上的實際位置和運行情況確定，閉塞區間隨列車的形勢，不斷變化，故稱為移動閉塞。列車定位技術有很多種：⑴軌道電路定位，⑵計軸定位，⑶信標定位（分有源、無源兩種，往往兩種會同時使用），4、多普勒雷達測速定位等定位方式。

（二）特點

總之，CBTC較傳統鐵路信號系統有許多功能特殊，如下：

1、以在無線通信系統代替復雜的電纜，從而減少布線和維護成本。

2、車輛與控制中心可以實現雙向溝通，通過訓練間隔的能力大大提高。

3、信息傳輸流量，效率高，速度快，易于實現移動自動閉塞系統。

4、容易適應各種車型，不同速度，不同的交通，火車拉著以不同的方式，和兼容性。

5、可以將信息分類，集中傳送和集中處理，調度中心，以提高工作效率。

二、城市軌道交通CBTC系統關鍵技術分析

列車自動駕駛子系統（ATO）利用先進的計算機技術對列車的運行過程進行計算，并獲得合理、優化的列車操縱方案。列車自動駕駛不僅能做到降低駕駛人員的工作強度、提升旅客乘車的舒適性，還能有效地提高列車運行效率并節約能耗。

（一）自動駕駛功能

自動駕駛能做到完全自動控制列車在站間的運行過程并可根據列車自動監控子系統（ATS）的調整指令調整區間運行時間，其區間運行時間與規定值誤差≤±5%。自動駕駛功能由車站發車、區間速度控制和列車目標制動3部分功能組成。需要考慮的運行指標包括運行時間、能耗、安全性、舒適性、跟隨性、停站精度。

1、車站發車功能

（1）在滿足ATO啟動條件下，允許司機啟動ATO系統。

（2）啟動ATO后，控制列車速度到目標推薦速度。

2 、區間速度控制功能

ATO負責在自動駕駛（AM）模式下駕駛列車。ATO對列車的速度控制通過伺服控制模塊實現，其核心是基于比例、積分、微分（PID）控制原理的伺服控制軟件結合模擬0-20 mA電流環硬件電路實現的。伺服控制模塊包括實際速度和設定速度（推薦速度）2個基本輸入。

（1）實際速度由ATO綜合自身計算和ATP發送的速度信息判定，ATO與ATP使用相同的速度傳感器，從而確保ATO所確定的速度與同ATP所確定的一個安全速度值相匹配。

（2）設定速度（推薦速度）則由ATO根據從ATP接收安全限速，固定限速以及臨時限速等信息，同時，依據非安全制動曲線計算得來的當前點非安全限速綜合形成。非安全制動曲線由ATO根據能力守恒的原理實時計算和維護。設定速度是當前列車位置的1個函數，對于設定速度的計算和每一個限速（停車點或限速）相關聯，對每一個限速產生1個當前列車位置的局部設定速度。總體的設定速度為所有局部設定速度的最小值。

Vp為ATP防護的安全停車點（POP）作用于位置點P處的最大允許速度；Vo為ATO防護的非安全運營停車點（OSP）作用于位置點P處的最大允許速度；Vl為列車限制速度在位置點P處的最大允許速度；Va為列車限速曲線作用于位置點P處的最大允許速度。

所有設定速度最小值的集合最終形成ATO控車所遵循的推薦速度曲線。基于PID控制的伺服控制模塊控制列車在區間跟蹤推薦速度曲線，最大限度地保證列車速度貼近推薦速度運行。在加速和減速階段，為了提升列車運行的平穩度和精確度，ATO采用了恒定的加速度和減速度。

（3）列車目標制動功能

列車目標制動功能使列車精確地停在目標停車位置。

①站臺定點停車。

站臺的運營停車點由線路數據庫來提供。ATO根據下一停車點，綜合列車實際位置、速度、列車特性和ATP停車點計算非安全制動曲線，采用最合適的制動率控制列車準確平穩地停在規定的停車點。列車在車站站臺的停車精度通常≤±0.3M。

②區間信號停車。區間信號停車功能根據區間停車信號控制列車停在停車信號之前，區間信號停車對于停車精度要求低于車站停車點精度要求。當地面設備允許列車向前行進（發送新的移動授權）時，不需司機任何操作，列車自動前進。

（二）自動折返

ATO系統可以在ATP的監督下控制列車進行自動折返。ATO在車頭、車尾兩端分別設有自動折返繼電器（AR），AR1、 AR2的動作，用以實現列車在自動折返時使車頭車尾控制權互換。

列車自動折返作業分為站前折返和站后折返2種模式。

1、站前折返

列車以A方向通過渡線進人站臺2，司機按壓自動折返按鈕并關閉A方向駕駛室，列車通過AR繼電器的狀態變化自動轉換車輛控制端。此時，司機激活B方向駕駛室并控制列車以B方向離開站臺2。

2、站后折返

列車以A方向進入站臺1，此時，司機按壓自動折返按鈕并關閉A方向駕駛室，列車自動通過渡線運行至折返線，通過AR繼電器的狀態變化自動轉換車輛控制端，列車以B方向自動運行進人站臺2，司機激活B方向駕駛室并控制列車離開站臺2。

上述折返進路均由折返車站的聯鎖系統按預定程序自動排列。

三、結語：

總之，列車自動駕駛（ATO）是完整CBTC系統的重要組成部分。從CBTC系統需求角度，對ATO子系統應實現的關鍵功能進行的分析和探討，對于城市軌道交通列車自動控制系統（CBTC）具有參考意義。

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