城市軌道交通列車運行控制系統綜述

【摘 要】城市軌道交通列車運行控制系統（MTCS）以列控車載設備為核心，以地面電務設備為基礎，以車地通信網絡為載體，實現車-地信息快速高效無損傳輸，并能根據地面軌旁設備、線路周遭環境、通信網絡和列控車載設備等狀態可分為CBTC、ITC、CI、隔離等四個列車運行級別與FAO、ATO、ATP、IATO、IATP、RM、RMR、NRM等8個列車運行信號模式。系統可在不同等級設備基礎上疊加或減少不同地面與車載設備來構成不同系列的列車運行控制系統，不同等級與模式間的主要差別在于電務設備、列控車載設備、地-車信息傳輸方式、系統自動化程度等。本文分析了MTCS系統研究現狀、系統結構、功能原理以及在列車不同運營場景下的應用等進行了全面深入分析，為地鐵現場實際運營、維修維保等提供了有力的技術支撐和指導。

【關鍵詞】城市軌道交通;列車運行控制系統;車載設備;車載設備

1 引言

基于通信的列車運行控制（Communication- Based Train Control，簡稱CBTC）移動閉塞信號系統，應用計算機、通信、圖形技術、網絡技術、人工智能和自動控制等先進技術，并結合行車組織、列車運營、維修維保等地鐵現場實際運維需求，構建了以行車崗位為核心的集行車調度指揮、區間閉塞、車站聯鎖和車載運行控制等于一體列車運行控制系統，實現了不同列車運行級別與模式的從車輛維保、整備作業、出庫、正線、入加等全過程防護控制與運檢修一體化管理，使城市軌道運營指揮與控制實現了自動化、數字化、智能化。同時也實現了車載設備與地面設備之間連續、高速度、大容量、安全、可靠的數據信息交換，促進了城市軌道交通系統技術裝備和管理現代化、自動化、智能化，通過軌道電路或計軸實現軌道占用檢查，同時結合有源和無源應答器、環線、無線通信等實現列車定位，實現全線列車基于同一運行圖運行在基于ATS為行車指揮核心的MTCS下安全高效準點運行。

為確保城市軌道交通列車安全準點高效運行、運檢修一體化管理、故障安全導向、設備故障降級無縫銜接有效運行等，實現低碳環保節約能源的目標，結合我國城市軌道交通發展的特點[1][2][3]，本文全面分析MTCS[4]技術相關原理與實現機制，對不同信號廠家列車運行控制系統的差異、同一列車運行控制系統不同信號級別與模式的運營場景等進行了闡述，旨在為城市軌道交通現場實際運營、維修維保等提供了有力的技術支撐和指導。

2 MTCS簡介

2.1 MTCS組成結構

MTCS對全線不同列車運行全過程或除隔離模式外的部分作業實現行車組織管理與調度指揮和安全防護與控制的系統，其主要功能特征為：行車調度指揮ATS系統按照列車運行計劃并結合計劃運行圖發出列車運行控制命令與指令，并下達給列車司機、車站值班員和車站自律機等，列車通過車站和線路設備獲取經車站自律機、聯鎖系統和行車調度指揮系統校驗后的地面行車信息和命令，并通過控制車載MTCS設備計算列車MRSP限速與相關牽引控制指令，控制列車按運行圖時刻表行車。在確保列車運營生產計劃、全線列車客流量、運載量等情況下保障全線列車安全準點運行，可通過調整列車運行圖運行計劃實現列車追蹤間隔與停站時間的有序調整，同時需在調度中心向全線車站下達列車運行計劃，并結合全線車站運行情況和聯鎖系統與車站自律機實現列車進路的調整，進而提高列車運行效率，同時也能較好的滿足乘客出行的舒適度與體驗感。

CBTC系統中的MTCS組成結構與功能原理與歐洲列車控制系統ETCS和中國列車控制系統CTCS相類似，主要由列車車載控制器和地面軌旁設備與電務附屬設備組成，車載控制器主要由ATP、ATO、MMI、測速測距單元、車載無線通信單元、車載應答器接收單元等部分構成，地面設備主要由有源應答器、無源應答器、LEU、CI、ZC、DSU等構成，ATS和MSS為列車運行狀態監控與設備故障報警和維修提供技術支持。

2.2 MTCS原理與工作機制

MTCS系統各應用等級均采用速度-距離曲線模式控制列車運行，不同應用等級車載和地面設備運用情況不一樣，MTCS系統可在低等級的基礎上疊加或啟用部分設備來實現高等級系統的功能。

2.2.1 MTCS原理

列車自動控制系統ATC包括ATP、ATO、ATS子系統，其中ATP系統中的MTCS系統包括車載和地面兩部分，是城市軌道交通自動化系統中保證列車高效準點安全運行的核心關鍵部分，較好的實現了城市軌道交通系統有序、安全、高效、準點運營的自動控制系統。該系統結合了通信、計算機、自動控制、傳感及信息傳輸等技術，應用于列車運行的智能化控制，在確保安全的前提下，實現列車快速和高密度運行，縮短列車運行時間間隔，提高運輸效率，能最大的發揮軌道交通的運輸能力[5]。

ATC系統根據速度-距離計算方式可分為固定、準移動和移動三種制式，每一種制式的主要區別在于列車控制方式、車地通信方式、信息傳輸方式和速度級別。

2.2.2 MTCS運行級別與模式

MTCS系統主要設備序列為：①點式通信信息接收設備、有源應答器、地-車信息傳送設備、計軸等;②連續式通信收發設備、地-車無線通信單元等;③ATO系統、CBTC系統、ATS系統;④FAO系統、車輛調系統、乘客調系統等。根據不的同設備序列組成為不同MTCS級別、運行級別與運行模式，具體劃分如下表所示。

MTCS1應用設備序列①可以實現進路閉塞，可以憑地面信號機顯示通過RM、NRM、IATP模式行車。

MTCS2應用設備序列②可以實現車-地雙向大容量信息交換，并能實現列車定位、軌道占用檢查等，系統可以實現半自動閉塞與準移動閉塞運行，司機駕駛列車可根據車載信號顯示以ATP、IATP、RM、NRM模式運行，軌旁地面信號機可以滅燈或亮燈。

MTCS3在MTCS2與MTCS1基礎上增加了ATO系統，列車通過GPS實現列車定位、并輔之軌道電路與計軸實現軌道占用檢查，同時應用無線通信系統實現車-地信息雙向大容量傳輸，可實現移動閉塞列車追蹤，列車相關運行控制均由系統自動完成，同時當系統或設備故障時可降級為半自動閉塞與準移動閉塞運行。

MTCS4在MTCS3基礎上增加了FAO系統，在既有控制中心增加車輛調與乘客調系統，并實現列控、站務與巡視崗位重組，實現了更精細化的職能分工和更高程度的集成與自動化，當前大部分城仍然采用的GOA3制式，只有較少城市采用了GOA4制式實現車上無司機的全自動無人駕駛運行。

3.MTCS應用現狀分析

3.1 CASCO系統

3.1.1 系統簡介

CASCO信號系統是一套基于無線通信的移動閉塞系統，采用移動閉塞原則，主要由ATP/ATO子系統、聯鎖子系統、ATS子系統、DCS子系統、維護支持子系統（MSS）和信號集中監測子系統等構成，并以軌道電路與計軸設備作為列車次級檢測設備實現系統的降級及后備功能。

該系統通過進路控制與列車防護手段保護乘客及列車的安全;通過運營監督及與旅客信息系統接口提高運營舒適度;通過列車自動化系統對控制列車運行速度與平穩性進行控制，達到規范運營時間及節能的目的，能實現同一信號系統在不同列車、不同線路、不同運營場景高效安全準點運行。

3.1.2 系統功能分析

MTCS在列車首尾各設置一套CC，互為熱備。每端的CC設備都會連續的計算其可用性狀況，包括計算編碼里程計，司控臺接口的可用性。一旦工作CC的可用性低于備用CC，頭尾冗余車載控制器之間的切換就會立即執行。主備設備之間的轉換不影響列車的正常運行。列車每端的CC輸入輸出單元均采用3取2結構，可保證當某1路輸入輸出故障時系統的正常工作。列車兩端的車載MTCS間僅通過兩根網線連接，大大方便車內的施工和維護，同時實現了車載網絡冗余。

該系統在站控與中控的轉換中，需要同時登陸中心ATS和車站ATS才可實現相應的站控和中控的轉變;在排列列車進路時，該系統可以實現進路的預覽，并且在取消進路后該進路的始端信號機會出現一個黃色的三角形表明該進路轉變為人工控制。

該系統能實現聯鎖機架、非安全網絡節點等的狀態顯示，同時也能記錄查詢聯鎖實時報警信息和聯鎖機連續運行時間，以及與外部設備的接口狀態信息，同時也提供站場回放和采驅碼位回的功能。通過故障查詢界面能實現不能類型的故障查詢與故障代碼回溯，能較快好省的實現故障定位，可通過MODEM實現遠程診斷接入，提供了以太網和串口與聯鎖系統進行通信，實現對其他設備的管理與監控。能較好的信號設備以及相關聯其他設備的維修保養與運營維護監測。

3.2 THALES系統

3.2.1 系統簡介

THALES信號系統有CBTC及后備模式，在CBTC模式下，MAU接收來自ATS的進路請求，然后根據ATS的進路控制序列與控制指令并結合列車位置計劃列車移動授權限制LMA。LMA將限制到ATS進路上的最近障礙物或停車點或列車運行終點。

車載MTCS采用單套車載計算機設備，兩套車載無線設備、兩套車載人機界面、兩套車載轉速計和三套車載加速度計。其設置均為冗余配置，特別是車載計算機設備采用三取二冗余安全型計算機設備，當其中一個處理單元故障后，冗余三取二會自動降級為二取二，從而保證車載MTCS具有極高的RAMS指標。

3.2.2 系統功能分析

該系統命令執行分兩步執行，第一步為點擊相應模塊右擊，菜單選擇-初始化，命令確認發出后，在同一個菜單中選擇-確認/取消，即可完成對相應命令的下達。所有的信號指示燈都為單燈，開放引導信號時，燈色則為紅白各半;在取消進路時，系統會出現延時解鎖的現象，進路呈現黑光帶，信號機關閉。

該系統與微機聯鎖系統通過以太網或串口進行通信，能實現全線信號設備的實時信息、網絡狀態、機架狀態、運行參數追蹤、歷史查詢、遠程診斷、版本信息校驗、外部接口、站場回放、故障查詢等功能，能較好的實現信號設備以及與其互聯互控的設備的維護維修保養與問題跟蹤定位。

3.3 TCT系統

3.3.1 系統簡介

TCT信號系統是基于無線通信的列車自動控制系統，該系統采用自主研發的最先進、最小追蹤間隔的移動閉塞技術和無線通信技術，實時進行車-地雙向通信傳送運行狀態與控制信息，使后續列車可以實時獲取前方列車位置信息并根據列車時刻表算出最優運行曲線使列車高效安全準點運行，為了提高列車進站效率和停車對標精度，該系統增加了環線應答器、低速釋放等功能。

MTCS系統車載ATP子系統車頭、車尾各一套，頭尾兩端通過通信線纜相連，用以實現頭尾兩端設備之間的通信以及車地無線通信的雙路冗余。車載ATP子系統采用“3取2”的安全冗余技術，確保了車載子系統的安全性、可靠性及可用性。

3.2.2 系統功能分析

該系統在涉及危險操作時，都會有輸入密碼的操作，來確保措施的可靠性。在取消自動通過進路后，需要再次點擊取消進路，否則信號機依舊為綠燈，只是取消了進路的自動通過能力。在信號重開時，信號重開后，信號機顯示黃燈，提醒司機限速通過。該系統可以集中查看以某信號機為始端的所有進路的控制模式（自動/人工）。

該系統能實現全線信號設備以及與其聯動聯控的相關設備的運行狀態與數據接口的檢測檢視，可通過輸出板上電流與電壓檢測模塊定位分析繼電器拒動、誤動、不動的原因。同時也可通過檢測數據實現對繼電器前接點采集報警、道岔斷表示、燈絲斷絲、信號不開放、道岔操不動、軌道電路紅光帶或其它報警信息等問題的分析定位，能較好的實現全線信號設備與其相關聯的設備的檢修維護保養。

4.結論

通過對國內外城市軌道交通列車運行控制系統級別模式和列車運行控制系統功能原理以及不同MTCS系統關鍵技術進行介紹，當前城市軌道交通MTCS的研究與建設重點應從系統功能、運營安全、維護維修、系統差異性、系統自動化與智能化和維護維修智慧化等方面統籌考慮，全面高效有效規劃整個城市軌道交通建設、運營、管理、維保等方面。

參考文獻：

[1]李曉剛. 車地通信延時對CBTC系統列車運行控制的影響分析.鐵路通信信號工程技術，2011年12月，第8卷第6期.

[2]朱宏舟. 試論軌道交通列車運行控制系統. 工程技術.2010 NO.15.

[3]王璽. 城市輕軌列車運行控制系統設備選型. 技術論壇.2009 NO.16

[4]劉宏杰，郜春海，劉 波，陳黎潔. 城市軌道交通列車運行控制系統分級標準研究. 都市快軌交通，2011年第24卷 第4期

[5]石先明，習 博. 城際鐵路運營特點及列車運行控制系統功能定位. 鐵道勘測與設計，2010（6）.

[6]燕 飛. 列車運行控制系統安全保障與認證方法研究. 中國安全科學學報，2010年12月，第20卷 第20期.

作者簡介：

徐斌，（1971-），男，漢族，上海市，本科，部門經理，研究方向：車輛工程。

（作者單位：上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司）