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（南京地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，江蘇  南京  210012）王歆玨

    （河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北  石家莊  050200）崔建樂


王歆玨

女，南京工業(yè)大學(xué)電子信息工程系畢業(yè)，工學(xué)學(xué)士，助理工程師。現(xiàn)任南京地鐵運(yùn)營(yíng)分公司信號(hào)工程師，從事地鐵信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)工作。





摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了地鐵信號(hào)系統(tǒng)的組成，著重對(duì)地鐵信號(hào)各子系統(tǒng)的安全性方面進(jìn)行了分析，并對(duì)基于通信的列車控制技術(shù)在信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：信號(hào)系統(tǒng)；列車自動(dòng)控制；基于通信的列車控制

Abstract: This paper introduces the configuration and components about 
Metro signal system with stressing on security control on its subsystem. It also 
discusses the application of CBTC in Metro field.

Key words: Signal system; Automatic Train Control; Communication-Based Train Control

1  信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

    從采用交流50Hz二元二位式相敏軌道電路開始，我國(guó)鐵路信號(hào)經(jīng)歷了幾代的發(fā)展。隨著客流量的不斷增多，列車運(yùn)行速度的不斷提高，傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足運(yùn)營(yíng)的需要，為此需要采用先進(jìn)的信號(hào)技術(shù)，如符合電磁兼容要求的數(shù)字化軌道電路DTC（Digital Track Circuit）技術(shù)，基于通信技術(shù)(ODBC)的列車自動(dòng)控制 (ATC) 系統(tǒng)等。同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)作為列車運(yùn)行的神經(jīng)中樞，直接關(guān)系到乘客的生命安全，因此各系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的安全措施。

2  ATC（Automatic Train Control）系統(tǒng)

    列車自動(dòng)控制(ATC)系統(tǒng)包括列車自動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)(ATP)、列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS)、列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)(ATO)，下面逐一分析。

2.1  ATP（Automatic Train Protection）子系統(tǒng)

    ATP (列車自動(dòng)保護(hù))子系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車間的安全間隔、超速防護(hù)及車門控制，主要包括軌旁設(shè)備，聯(lián)鎖設(shè)備、車載設(shè)備
等， ATP地面設(shè)備以一定間隔或連續(xù)地向列車傳遞信息，車載ATP根據(jù)地面?zhèn)鬟f的信息進(jìn)行計(jì)算, 提供控制信息，使列車在
限制速度下運(yùn)行，列車開門前必須經(jīng)過ATP檢測(cè)，條件滿足后，方可操作。

    ATP按“車-地”信息傳輸方式分為連續(xù)發(fā)碼方式和點(diǎn)式發(fā)碼方式。

    連續(xù)發(fā)碼方式的ATP系統(tǒng)設(shè)備利用數(shù)字軌道電路或連續(xù)敷設(shè)電纜向車載接收設(shè)備持續(xù)地傳遞地面信息，其特點(diǎn)是信息實(shí)
時(shí)性、安全性很高，行車間隔小，但技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)昂貴。

    點(diǎn)式發(fā)碼方式ATP 系統(tǒng)設(shè)備利用地面應(yīng)答器或點(diǎn)式環(huán)線將地面信息傳至列車。這種方式實(shí)時(shí)性較差, 行車間隔大，但技術(shù)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。

    考慮到我國(guó)現(xiàn)有的地鐵交通中,存在運(yùn)客數(shù)量大、行車密度高、隧道內(nèi)駕駛條件差等特點(diǎn),均采用連續(xù)發(fā)碼方式。

ATP安全措施

    根據(jù)實(shí)際工程中的經(jīng)驗(yàn)，ATP通常采取下列安全措施：

    (1) 系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)、全冗余工作方式，網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備均配置冗余接口，熱備份，保證任一網(wǎng)絡(luò)通道或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍然可以正常工作。

    (2) 采用編碼冗余技術(shù)，編碼軟件禁止使用條件循環(huán)語(yǔ)句，以免出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象，并且規(guī)定無論控制編碼是否變化，編碼控制程序每周期連續(xù)輸出；如果出現(xiàn)中斷輸出則低頻碼源倒向安全側(cè)。

    (3) 對(duì)DTC（Digital Track Circuit）系統(tǒng)中故障率較高的設(shè)備雙備份，如發(fā)送/接收板、功放板、通信板等采用并行熱備方式，只要有一路工作正常，即可完成監(jiān)控中心與DTC的信息交換任務(wù)。

    (4) 為弱化、消除牽引電流等強(qiáng)信號(hào)對(duì)DTC工作穩(wěn)定性的嚴(yán)重影響，在電路設(shè)計(jì)中根據(jù)部件的承受能力分級(jí)設(shè)計(jì)防沖擊電路，同時(shí)增加DTC信號(hào)能量以提高信噪比外，采用數(shù)字信號(hào)處理方式提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2  ATS(Automatic Train Supervision )子系統(tǒng)

    ATS (列車自動(dòng)監(jiān)控) 子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的監(jiān)督，負(fù)責(zé)運(yùn)行列車的道岔自動(dòng)轉(zhuǎn)換，排列進(jìn)路，根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃與實(shí)際客流等情況合理地調(diào)度列車，選定并維護(hù)運(yùn)行圖，自動(dòng)或人工調(diào)整停站或區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，并向列車提供由控制中心傳來的監(jiān)督命令。

    ATS 子系統(tǒng)主要由位于OCC(控制中心) 的中央計(jì)算機(jī)及相關(guān)顯示設(shè)備，控制與記錄設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(包括車站、車輛段、停車場(chǎng))以及傳輸通道組成。

ATS的安全性措施

ATS 系統(tǒng)的安全、可靠地運(yùn)行，對(duì)于整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率至關(guān)重要。ATS 系統(tǒng)的安全性主要通過這樣一些措施加以保證：

    (1) 在控制中心（OCC），設(shè)立兩套ATS系統(tǒng)，互為熱備份，即其中的一個(gè)系統(tǒng)在線時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)也在不斷更新其數(shù)據(jù)信息，當(dāng)出現(xiàn)故障需要切換時(shí)，熱備份系統(tǒng)在很短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)軌旁信息的掃描，從而保證系統(tǒng)獲取最新的數(shù)據(jù)。

    (2) 控制中心ATS主機(jī)與車站ATS設(shè)備間采用雙通道(主、備)或環(huán)路方式構(gòu)成系統(tǒng)(由通信專業(yè)提供)，以保證某點(diǎn)或某段通信信道發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作。

    (3) 當(dāng)系統(tǒng)中某些單元出現(xiàn)故障或運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)具備降級(jí)運(yùn)行的功能，由調(diào)度員人工介入設(shè)置進(jìn)路，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，如在車站可以完成自動(dòng)進(jìn)路調(diào)整或根據(jù)列車識(shí)別號(hào)進(jìn)行自動(dòng)信號(hào)控制。

    (4) 當(dāng)列車運(yùn)行偏離運(yùn)行圖時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成調(diào)整計(jì)劃或自動(dòng)調(diào)整列車的停站時(shí)間、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)偏離誤差較大時(shí)，可由調(diào)度員人工介入，指定列車的停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)間, 或?qū)ο到y(tǒng)實(shí)施運(yùn)行圖進(jìn)行調(diào)整。

    (5) 通過列車識(shí)別裝置(PTI)能自動(dòng)完成全線監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的列車跟蹤（服務(wù)號(hào)、目的地號(hào)、車體號(hào)、車次號(hào)）。隨著列車的運(yùn)行，跟蹤顯示從一個(gè)軌道區(qū)段向下一個(gè)軌道區(qū)段移位、顯示。

    (6) ATS連接有與BAS數(shù)據(jù)接口，當(dāng)列車阻塞在區(qū)間隧道時(shí)，除了ATS采取相應(yīng)的停車措施并修改運(yùn)行圖及顯示外，同時(shí)ATS向BAS發(fā)送區(qū)間堵車信息，啟動(dòng)隧道風(fēng)機(jī)及聯(lián)動(dòng)風(fēng)閥等環(huán)控設(shè)備進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，為列車空調(diào)系統(tǒng)提供所需的空氣冷卻能力和新風(fēng)量，維持列車內(nèi)部的溫度；向疏散的乘客提供足夠的新鮮空氣。

2.3  ATO（Automatic Train Operation）子系統(tǒng)

    ATO(自動(dòng)駕駛)系統(tǒng)負(fù)責(zé)自動(dòng)調(diào)整列車車速，形成平滑控制牽引力和制動(dòng)力的指令、引導(dǎo)列車運(yùn)行、在一定精度范圍內(nèi)對(duì)位停車等。ATO設(shè)備主要包括控制器，接收/發(fā)送天線，標(biāo)志線圈等。ATO有利于列車節(jié)能并提高旅客乘坐的舒適度和減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。包括自動(dòng)駕駛、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)停車、定點(diǎn)停車、車門控制等幾大部分。

ATO安全措施

    (1) 當(dāng)列車運(yùn)行超過限制速度時(shí)顯示并告警，ATO通過ATP車載設(shè)備對(duì)列車實(shí)施制動(dòng)。

    (2) ATO控制列車按照運(yùn)行圖運(yùn)行，一旦ATO出現(xiàn)故障，立即轉(zhuǎn)入人工駕駛。

    (3) 為保證數(shù)據(jù)可靠性，實(shí)時(shí)速度和控制器數(shù)據(jù)、車門控制等信息，采用循環(huán)方式傳送。

    (4) 出站啟動(dòng)前具有安全檢查措施，與車輛接口可靠，確保系統(tǒng)安全地工作。

2.4  ATP、ATS、ATO三者之間的關(guān)系

    ATP 為整個(gè)ATC系統(tǒng)的安全核心，是列車運(yùn)行時(shí)必不可少的安全保障。ATS為ATC系統(tǒng)的上層管理部分，是ATC的指揮中樞。ATO是采用ATC的最優(yōu)體現(xiàn)。一個(gè)完整的ATC系統(tǒng)依靠各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作共同完成，三者之間互有聯(lián)系、密不可分，其關(guān)系如圖1所示。

    ATO需在已裝備ATP子系統(tǒng)的條件下才能使用,并不斷接受ATP的監(jiān)視，ATO通過ATP從ATS處得到列車運(yùn)行命令；ATO獲得信息后，結(jié)合線路情況計(jì)算合適的運(yùn)行速度，得出控制量，執(zhí)行控制命令，同時(shí)顯示有關(guān)信息。到站后，經(jīng)ATP 檢查開門條件滿足后，ATO給出開門信息，同時(shí)，列車ATO通過列車位置識(shí)別系統(tǒng)(PTI) 天線，將列車信息傳送給地面通信器，然后傳送到ATS，ATS 根據(jù)此列車信息確定列車的新任務(wù)后再次通過軌道電路傳送給ATO，在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，每進(jìn)入新的軌道區(qū)段，ATO便接收新的地面信息，以便進(jìn)行速度調(diào)整，在運(yùn)行過程符合條件時(shí)，可以靈活地進(jìn)入ATO模式。　

                                                  圖1   ATP、ATS、ATO之間的關(guān)系

3  CBTC（Communication-Based Train Control）

    基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)引進(jìn)“信號(hào)通過通信”的新理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車連續(xù)控制，它擺脫了軌道電路對(duì)列車占用的判別方式，突破了固定閉塞的局限性，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，一般CBTC系統(tǒng)包括地面無線閉塞控制中心、列車車載設(shè)備、地一車雙向信息傳輸系統(tǒng)和列車定位系統(tǒng)。

    無線CBTC 采用無線通信系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用層和開發(fā)層的獨(dú)立性，通過模塊化的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)有力的接口設(shè)計(jì)和事件描述，制定對(duì)子系統(tǒng)透明的接口標(biāo)準(zhǔn)。CBTC通過采用基于IP 標(biāo)準(zhǔn)的列車控制結(jié)構(gòu)，可以在實(shí)現(xiàn)列車控制的同時(shí)附加其它功能(如安全報(bào)警、員工管理及乘客信息發(fā)布等) 。

    無線CBTC系統(tǒng)工作方式完全不同于傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)，當(dāng)分配某線路為使用狀態(tài)后，立即通知線路管理中心，編制程序并輸入該線路有關(guān)數(shù)據(jù)，線路管理中心計(jì)算列車的速度分布，數(shù)字化無線設(shè)備向列車發(fā)出控制命令，當(dāng)列車進(jìn)入測(cè)試區(qū)段時(shí)，列車向中心發(fā)出“進(jìn)入?yún)^(qū)段”信息。如果列車超過預(yù)定速度，則駕駛室顯示屏上顯示“警告”，必要時(shí)可自動(dòng)剎車。

    無線CBTC具有卓越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì), 在對(duì)既有的點(diǎn)式ATP系統(tǒng)的改造中，采用無線CBTC對(duì)其車載設(shè)備和軌旁設(shè)備進(jìn)行一定的改造后(主要是增加網(wǎng)絡(luò)接口和無線控制子系統(tǒng))，可實(shí)現(xiàn)既有信號(hào)系統(tǒng)與無CBTC的疊加，從而達(dá)到既有線路與新的無線CBTC 線路的互聯(lián)互通(Interoperability，包括列車接口間的控制安全標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)軌的模型化以及列車控制信息傳遞協(xié)議等)，從而大大的節(jié)省了改造費(fèi)用。

    由于采取開放式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)廠商可從部分產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化著手，逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化, 因此采用無線CBTC 系統(tǒng)是信號(hào)國(guó)產(chǎn)化的一個(gè)突破口，應(yīng)用前景十分廣闊。

CBTC的安全措施

    (1) 由于無線CBTC通過采用序列號(hào)、循環(huán)冗余校驗(yàn)等方法進(jìn)行對(duì)安全關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的保護(hù)和接入防護(hù),可有效保證開放數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。

    (2) CBTC系統(tǒng)一般考慮100%的無線信號(hào)冗余率進(jìn)行基站布置，以消除在某個(gè)基站故障時(shí)可能出現(xiàn)的信號(hào)盲區(qū)，保證列車連續(xù)收到實(shí)時(shí)信息。

    (3) CBTC系統(tǒng)中列車的車載計(jì)算機(jī)與轉(zhuǎn)速計(jì)/速度傳感器/加速度計(jì)及軌旁定位應(yīng)答器聯(lián)系無誤，實(shí)現(xiàn)列車的準(zhǔn)確定位。

4  小結(jié)

    CBTC系統(tǒng)能迅速、準(zhǔn)確獲得列車實(shí)時(shí)信息，在保證地鐵安全、高效運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，可大大提高旅客服務(wù)水平，因此基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)是軌道交通信號(hào)及列車控制的發(fā)展方向。目前，國(guó)際上不少城市開始采用CBTC系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有列車控制系統(tǒng)進(jìn)行更新。

    其他作者：崔建樂，男，工程師，畢業(yè)于河北大學(xué)，現(xiàn)就職于河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司。

參考文獻(xiàn)

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