城市軌道交通車輛運行控制技術研究進展

喬宇

摘 要：隨著城市生活節奏的加快，大多數居民對軌道交通的效率、舒適性和準時性提出了越來越高的要求。目前，縮短列車間距、提高列車效率、提高列車容量、低能耗、高智能化是城市軌道交通車輛運行控制系統的發展方向。城市軌道交通車輛安全、高效、可靠的運行控制系統，對于實現列車的高速、高密度、有序運行具有重要意義。

關鍵詞：軌道交通;車輛運行;控制技術

中圖分類號：U248.48 文獻標識碼：A

0 引言

城市軌道交通作為主要的現代化交通工具，具備了快捷、節能、安全、舒適等優勢，是低碳環保的綠色交通方式，在緩解城市軌道交通矛盾中起到了重要作用，是解決城市交通問題的主要手段，現在已經成為了各大城市居民優先考慮的交通出行方式。城軌車輛運行控制技術的研究就不同行車組織方法及運行控制技術的特點，闡述了當前城市軌道交通列控系統的基本原理，并對其研究內容和方向進行了展望。

1 行車組織方法

為保證區間行車安全，列車在區間運行時，必須確認同一區間內無列車反向運行，并在同一方向運行的多列車之間進行系統控制，使它們之間保持一定的距離，防止正面沖突或追尾事故的發生。為了保證多輛電動客車之間保持一定距離，保證行車安全，在區間組織列車運行有兩種方法，一種是時間隔離法，另一種是空間隔離法。

空間隔離法是車站每隔一個空間間隔向區間發送一列列車，使前方列車與追蹤列車保持一定的空間間隔的列車運行方法。這種方法可以保證列車之間有一定的距離，從而有效地保證行車安全。1851年，電報證書用于鐵路運營。這是首次實現空間隔離運行。利用路標或路標作為列車占用區段的憑證，由接站值班人員檢查區段是否空閑，是早期的人工閉塞方法。1855年，George Dugmore和George Millwardfirst提出了軌道電路的概念，為空間隔離方法的發展奠定了基礎。

2 基本行車閉塞技術

2.1 人工閉塞

列車司機通過人工設置閉塞機，從始發站取下出口標志，到達接收站后交上路標，進行閉塞拆除。這種閉塞系統效率太低，已基本消除。

2.2 半自動閉塞

通過人工聯系程序，在車站出入口設置一段不小于25 m的專用軌道電路，將專用軌道電路與信號機連接，通過信號機顏色的變化判斷該段是否空閑，實現半自動閉塞。

2.3 自動閉塞

車站分為若干閉塞區段，并安裝軌道電路。在每個閉塞區段的入口處設置一個信號機，通過軌道電路將列車與信號機連接起來。信號的顯示隨列車位置的變化而變化。

基本分塊法是固定分塊法。這種控制系統利用模擬信號對軌道信息進行處理，根據列車的特性、線路狀況、速度等級等確定閉塞區段的長度，最小間隔為列車的閉塞區段。

在安全方面，列車基本閉塞方法至少包括三個方面：可靠的列車定位監控系統;可靠的信息傳輸系統;可靠的列車間隔控制系統。這三個方面的任何一個問題都可能導致交通事故。

目前，固定式自動閉塞系統在各國得到了廣泛的應用。信息傳輸系統由軌道電路和信號機組成，將列車位置傳輸給列車自動控制系統和司機，控制列車運行速度，保證每列車保持一定的間隔距離，防止列車進入前方占道區段。

近80年來，自動閉塞系統在保障交通安全、提高運輸能力方面發揮了非常重要的作用。隨著城市軌道交通信息技術的發展，自動閉塞系統的以下缺點逐漸凸顯：

（1）隨著列車速度的提高或新車輛的采用，閉塞區段的長度與實際運行情況不符。當實際列車運行與計劃稍有偏離時，容易造成大面積延誤。

（2）掌握列車的準確位置和速度信息困難，跟蹤行車困難。

（3）閉塞區段的劃分取決于制動性能最差的列車，該系統只適用于制動性能相同的車輛，而制動性能較好的列車的區段能力將降低。

3 移動閉塞技術

移動塊不需要將部分劃分為幾個固定塊部分。相反，它是一種列車運行模式，連續檢測領先列車的位置和速度，自動調整列車之間的距離，并為安全運行保持一定距離。移動塊相對于固定塊。固定閉塞有相應的保護信號和閉塞區段，移動閉塞沒有固定閉塞區段。塊段長度隨外界條件的變化而變化。列車制動的起點和終點是動態的。后退列車啟動制動的計算點由目標速度、目標距離和列車本身的性能決定;目標點是前方列車的尾部，與前方列車的位置、性能、速度和狀態信息有關;塊段的起點和終點隨時變化，因此稱為移動塊。移動閉塞的閉塞分區是邏輯區間，與實際軌道線路沒有對應關系。

移動閉塞最大限度地縮短了兩列車之間的距離，最大限度地縮短了列車運行間隔，提高了區間列車密度，大大提高了線路區段的通過能力。20世紀80年代末，基于通信技術和計算機技術實現了軌道交通移動閉塞系統。移動閉塞需要車地設備完成雙向通信，因此一般采用鋼軌感應環、縫隙波導、無線通信等技術來實現。目前，許多國家都開發了不同形式的移動閉塞系統，并得到了廣泛的應用。

與固定閉塞系統相比，移動閉塞系統具有以下優點：

（1）移動閉塞系統中沒有固定閉塞段。隨著列車的前行，運行閉塞區段將隨機形成，大大縮短了行車間隔，提高了線路通過能力。

（2）移動閉塞系統是一種閉環列車控制系統，可根據列車速度和間隔進行列車反饋控制，使列車運行更安全。

（3）后續列車可根據前一列車的狀態信息，根據自身的速度、狀態和位置信息計算列車的速度，優化列車的運行時間，節約資源，提高列車的舒適性，為列車自動控制系統的優化提供了一定的便利條件;移動閉塞系統不僅可以實現調度指揮和行車組織管理的自動化，還可以實時采集各閉塞區段的行車信息，實現城市軌道交通列車運輸管理的自動化。同時，移動閉塞系統還節約了信號電纜、區間信號點等設備，并將所有信息傳輸設備安裝在機車和車站，便于后續設備管理和維護。

（4）移動閉塞系統的閉塞分區隨外部環境的變化而變化。它能適應不同速度、不同類型的地鐵車輛，適應性更強。

近幾十年來，移動閉塞技術在地鐵系統中得到了廣泛的應用。各種基于移動閉塞的列車自動控制系統已經被各大公司開發出來，并被各地鐵公司廣泛應用。列車線路通過能力明顯提高。

4 基于通信的列車自動控制技術

隨著科學技術的進步，計算機技術的發展，無線通信技術的可靠性有了飛躍的提升，無線通信控制和城市軌道交通的結合成為必然，在移動閉塞技術的原理上逐步實現了基于通信的列車自動控制系統（Communication Based Train Control，CBTC）。CBTC系統現在已經成為新時期城市軌道交通車輛運行控制的首選。CBTC系統和傳統的列車運行控制系統之間存在本質性的區別，傳統的列車運行控制系統大多依靠軌道電路實現列車定位，CBTC系統已徹底不再依賴軌道電路，而是通過車-地通信設備實現列車自身的定位，從而有效控制行車間隔和列車的行駛速度。國內外許多學者為了提高基于CBTC的城市軌道交通線路的通過能力，對折返區間的追蹤間隔展開了大量研究，考慮信號系統特點，復雜線路條件以及運行變化等因素的影響，對通過能力進行準確估計，從而實現效率更高的城軌列控系統。

CBTC系統使用高精度列車定位和高容量雙向通信技術，具有高靈活性、高自動化和可擴展的優點。CBTC系統利用多列列車的協調控制方法，通過車載傳感器實現列車-列車、列車-地面的雙向信息傳輸，從而保證列車在線路上全局部署，安全運行。現代的CBTC系統已經能夠實現列車自動檢測（ATS）、列車自動防護（ATP）、列車自動駕駛（ATO）的所有功能，在列車行駛過程中能夠實現精確定位停車，車站自動折返并節能運行。CBTC系統物理結構主要由軌旁設備和車載單元組成，軌旁設備和車載單元之間通過數據通訊系統（DCS）相互聯系。數據通訊系統（DCS）將CBTC系統各單元、子系統緊密地聯系在一起，實現了CBTC系統的高效運行。高效的列車自動控制系統對降低列車之間的行車間隔、優化成本、提高軌道交通的運能及其安全性具有十分重大的意義。

5 結論

城市軌道交通車輛運行調整是一個非常復雜的問題。隨著CBTC系統在城市軌道交通系統中的推廣，城市軌道交通車輛的運行控制技術基本上是圍繞智能化處理方法這一主線展開的。智能化列車自動調整算法是未來城市軌道交通車輛運行控制技術的研究方向，對提高列車運行效率具有重要意義。考慮到各種不確定因素，城市軌道交通子系統的智能聯動，利用計算機繪制列車運行圖，提高列車運行效率和乘客舒適度，將列車運行作為一個完整的大系統，進行全局部署和智能控制將是我們今后努力的方向。

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