城市軌道交通信號CBTC系統的應用研究

張翠紅

（安徽汽車職業技術學院，安徽 合肥 230600）

現階段，我國對城市軌道交通信號CBTC系統的應用進行了大量研究。文獻[4]主要講述了信號系統制式的選擇方法，文獻[5]進一步分析了城市軌道交通信號系統中采用的關鍵技術，文獻[6-9]分析了軌道交通信號CBTC系統中關鍵技術的應用路徑，文獻[11-12]則分析了城市軌道交通信號系統無線局域網所采用的機械設備。上述文獻雖然充分探究了城市軌道交通信號系統的優勢與特點，但對于城市軌道交通信號系統的控制方式涉及的相對較少，沒有為CBTC系統的安全使用提供技術保障，因此存在一定的不足之處。

1 城市軌道交通信號系統發展狀況分析

我國北京自1965年修建地鐵線路以來，雖然投入了全套設備，以保證軌道交通的可靠運行，但由于我國的信號設備技術水平較低，交通建設緩慢，導致軌道交通信號系統在研發方向始終處于分塊化狀態。直至進入21世紀后，通過引入發達國家信號系統，才正式步入信號系統的自主研發領域，無論在運行效率方面，還是在安全方面，都取得了重大突破[1]。

2 城市軌道交通信號應用模式

第一，除去已有的基礎設施外，全套引入國外先進的信號系統；第二，自主研發的列車自動監控系統（ATS）與互聯網技術（IT）聯鎖，并引入國外的非故障安全系統（ATO）與之配套；第三，采用國內企業研發的信號系統[2]。列車運行控制系統結構如圖1所示。

圖1 列車運行控制系統結構圖

調查顯示，我國在引進信號系統時經常出現建設成本過高的問題，且在信號技術試驗時，也存在引入系統不夠成熟的情況。這不僅會影響后續的地鐵營運，也會阻礙我國的軌道交通發展，亟須根據我國城市軌道交通特點，實現成套ATC技術的自主研發。因此國產化將是我國信號系統的主要發展方向，而CBTC系統由于強大的雙向通信能力，能夠適應各類車型、車速，已被我國交通建設部門列為重點關注對象[3]。

3 城市軌道交通信號CBTC系統的應用分析

3.1 CBTC系統分析

CBTC系統的結構圖如圖2所示。相較于傳統的信號系統來說，CBTC系統的傳輸速度更快，能夠實現移動自動閉塞功能，減少區間敷設線纜數量，減少一次性投資，具有列車自動保護、自動運行、自動監控等功能。同時CBTC系統還可通過對密閉列車的運行時間間隔控制，起到提高線路通過率的作用，減少軌道設施，有助于系統裝置的調試，而高度自動化也能提升設備間的通信效率。將其運用在城市軌道交通中，既可以緩解龐大的交通壓力，也能減少過于依靠人員駕駛的問題，使系統依照設定程序自動執行相應工作，保證運行安全[4]。

圖2 CBTC系統結構圖

3.1.1 基本要求

CBTC系統的應用重點在于實現列車運行速度以及制動方式的監督以及調整。在系統部署過程中不僅要計算好列車的安全保護距離（具體方法如圖2所示），還要確認列車的折返站通過能力以及列車的受力情況[5]。其中列車的折返站通過能力可采用式（1）進行計算：

式中，n折返是指折返站1小時內折返的最大列車數；I發是指列車折返出發間隔。至于列車的受力狀況，則要采用下述公式進行計算。

牽引階段，列車主要受機車牽引力F以及運行阻力W惰行階段，列車牽引力消失，只承受運行阻力制動階段，列車主要受制動力B以及運行阻力W

此外，城市軌道交通信號CBTC系統還需具備以下功能。

（1）控制功能：是實現各板塊聯合應用的基礎。比如，當列車進站時若出現意外狀況，則要利用信號系統發出信號。由于部分事件具有突發性，因此難以由工作人員操作，此時需要利用信號系統的控制功能自行發出信號。

（2）監控功能：由自動聯鎖裝置下達列車行進命令，在監控系統的保護下依照運行時刻表駕駛列車，并根據調度員對列車運行狀況的監測結果，進行行車運行圖的調整。

（3）自動化：是指系統需依照既定程序完成工作，降低人為干預[6]。

3.1.2 選取方式

在選取信號系統時需要遵從安全、可靠性等原則，保證系統具有一定的先進性，且成本維持在可控范圍內，適用于當地。同時要充分考慮CBTC的系統特點，認識到CBTC系統屬于獨立存在，能夠完成車地信息的大量傳送，促進設備間的聯絡，并根據實際需要選擇無線自由波、漏波電纜、波導管等信息傳輸方式。在CBTC的線路后備選擇上，則要使用計軸器，這樣不僅可以檢測列車站功能效果，也能準確判斷列車是否存在斷軌問題[7]。

3.1.3 劃分歸類

為了保證系統的高效運行，提高信息傳遞效率，需要選取專用的軌道，并推動信號系統設施的標準化建設，加快數據通信系統與CBTC系統的融合，并將交叉感應電纜環線涵蓋在內。交叉感應電纜環線是指軌道與地面的數據傳輸中介，能夠利用電磁感應實現信息交換的目標。借助導管、電纜，搭配無線擴頻技術，最大程度降低外部環境的干擾[8]。

3.2 CBTC系統的應用

3.2.1 ATC子系統ATC系統的作用在于保護列車，滿足交通系統運行要求，通過系統間的配合，確保當地鐵出現故障時能夠及時協調相關工作，實現列車的自動控制。ATC系統能夠在地鐵超速時及時檢測到地鐵行駛速度，之后將數據返回至車載主控系統。此外，ATP還能準確監測路口岔道實際狀況[9]。

3.2.2 聯鎖子系統

聯鎖系統需要將聯鎖處理系統、人機界面系統、診斷維護系統以及冗余網路系統涵蓋在內。要求在CBTC信號系統中，利用聯鎖系統完成狀態信息的收集，接收其他信號傳遞的數據以及操作員操作命令，執行邏輯操作，實現現場設備的控制，并向其他信號系統傳遞信息資料。要求聯鎖系統具備轉轍機控制、計軸控制、安全門監控等功能[10]。

3.2.3 ATS子系統

ATS系統需要涵蓋以下組成部分。一是控制中心，包括調度工作站、維護員計算機、CATS數據庫服務器、雙機切換單元、相關設備機柜；二是正線設備集中站，包括ATS分機、監測工作站、發車計時器以及接口計算機；三是正線非設備集中站，包括ATS監測工作站、100 Mbps網絡設備、多個發車計時器[11]。

3.2.4 DCS子系統

DCS系統負責承載信號系統的數據傳輸業務，屬于系統間的數據交互平臺，能夠提供列車雙向、連續的信息傳輸通道，其主要功能在于實現車-地間的信號數據交互。現階段，城市軌道交通信號系統當中，容易受到外界環境、人為操作等因素的影響，甚至對處于運營階段的軌道交通產生干擾。為此，需要實現保證通信的安全、穩定，提高計軸信息的準確性，通過將DCS系統運用在計軸切除領域，實現區段的計軸復位[12]，避免信息不對稱、信息失真等問題的產生[12]。

3.2.5 MSS

MSS主要由服務器、維護工作站組成，其主要功能為：列車行駛監視、信號系統的集中監管、故障提示以及操作命令記錄等，能夠對信號裝置提供維護支持，也能依照實際需求制定信號裝置的日表、月表以及年表。同時MSS可以通過監測子系統的計算機進行歷史數據的保存與再現，借助分析日志內容，將數據問題以故障報告的形式傳遞至維修中心。通過自動建立維護計劃，結合日志庫的數據為地鐵維護提供有針對性的數據支持。至于車站、車輛段則可對信號設備的實際運行狀況以及性能參數實現在線評估。

4 結束語

綜上所述，文章對城市軌道交通信號CBTC系統的應用開展了分析和討論，探究了系統的工作模式以及所需采用的技術手段，以維持控制系統的穩定運行，促進控制系統的智能化發展，確保CBTC系統能夠為城市軌道交通的運行提高安全保障，最大程度節省出行時間。另外，文章對控制系統應用過程中需要注意的各類事項也進行了深入探究，要求技術人員能夠通過周期性維護避免系統內部元件在長期作業過程中，出現磨損、老化等問題，從而保證系統性能優良。■