浅析移动闭塞信号系统列车定位与间隔防护原理

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摘要：本文通过探讨卡斯柯公司CBTC移动闭塞信号系统在深圳地铁二号线的应用，分析基于通信的列车控制系统的车地通信、列车定位、间隔控制等有关方面的技术，为信号设备维护人员及使用人员提供一定的理论基础。

关键词： 移动闭塞车地通信列车定位间隔控制

1、引言

移动闭塞就是基于通信技术的列车控制ATC系统（简称CBTC－Communication Based Train Control）,该系统不依靠轨道电路向列控车载设备传递信息，而是利用通信技术实现“车地通信”并实时地传递“列车定位”信息。通过车载设备、轨旁设备实现列车与车站或控制中心之间的信息交换，完成速度控制，系统通过车地之间连续、双向、高速的通信，使列车命令和状态可以在车辆和地面之间进行实时可靠的交换，并确定列车的准确位置及列车间的相对距离，实现列车的安全间隔控制。

移动闭塞技术是通过车载设备和轨旁设备不见断的双向通信来实现。列车不间断向控制中心传输其标识位置、方向和速度，控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大的制动距离并在列车后方加上一定的安全距离便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以最小的间隔同时进行，这样使得列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。在CBTC移动闭塞信号系统应用中的关键技术是双向无线通信技术、列车定位技术、自动防护间隔控制技术等。

2、车地通信

无线通信系统传输技术目前国际上通常采用方式有交叉感应环线技术、无线电台通信技术、漏泄电缆无线传输技术、裂缝波导管无线传输技术等等。深圳地铁2号线采用卡斯柯公司研发的波导管无线传输技术。

卡斯柯公司研发的CBTC移动闭塞信号系统采用由波导管构成的通信子系统（DCS）作为车地通讯的传输系统，沿线铺设的波导管作为车地双向传输的媒介。

卡斯柯公司CBTC信号系统既可以实现固定自动闭塞系统，即点式ATP，也可以实现移动自动闭塞系统。为确保车地通信的双向高速、安全可靠，通信传输子系统必须具备以下功能：

2.1端对端数据通信

端对端的数据通信包括两部分：有线部分与无线部分。应用数据的端对端传输选用基于以太网的IP传输方式。在SDH骨干网层面，以太网数据包采用GFP协议封装，通过专用SDH虚容器(VC)传输。 无线通信协议遵循IEEE 802.11标准,物理层(PHY)运行于2,4 GHz 频段。

2.2: 移动管理

移动性通过无线交接（Hand-Off）实现，无线交接使得车载无线设备随列车移动时和沿线固定的无线接入点保持无线通信。

2.3安全性管理

DCS(通信传输子系统)的设计遵循了IEC 62280-2国际标准－“铁路应用-通信，信号和处理系统-第2部分：在开放式传输系统中安全相关的通信” .对于轨旁无线接入点和车载modem 的无线链路，通信传输子系统（DCS)支持基于AES算法的WPA2-PSK无线加密，通过固定密钥进行用户验证。可接入DCS(通信传输子系统)无线网络的通信设备是严格受限的，只有授权人员按预先定义的操作流程才能进入。

2.4配置管理

配置管理涉及到三类设备： SDH节点 、以太网交换机和IP路由器 、

无线接入点和车载无线基站

2.5执行监控

监控涉及三个类别的DCS 设备: SDH节点 、以太网交换机和IP路由器 、无线接入点和车载无线基站

3.列车定位

目前信号系统中的列车定位技术存在多种方式，常用的有轨道电路定位技术、信标定位技术、电缆环线定位技术、GPS定位技术等。卡斯柯公司研发的CBTC移动闭塞信号系统列车定位技术采用信标-编码里程计定位技术，实现列车的绝对定位与相对定位。

信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。信标分有源信标和无源信标两种，有源信标既可以实现列车定位，也可以实现车地的单向通信，一般具备点式ATP模式的CBTC信号系统中起到ATP信息传递的作用。无源信标实现列车定位作用，类似于非接触式IC卡，内置有唯一的线路标识，在列车经过信标所在位置时，车载信标天线发射的电磁波激活信标工作，并传递绝对位置信息给列车。

城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标，安装在轨道沿线。信标的作用是为列车提供精确的绝对位置参考点。采用信标定位技术的信息传递是间断的，即当列车从一个信息点获得地面信息后，要到下一个信息点才能更新信息，若其间地面情况发生变化，就无法立即将变化的信息实时传递给列车，因此，信标定位技术需要结合车载编码里程计的参数实现列车实时定位，并通过波导管系统及时将列车定位信息传递给轨旁区域控制器，实现列车相对定位。当列车车载ATC设备失去作用时，列车将无法采集信标信息，列车基准位置失去后，即使编码里程计工作正常也无法实现列车定位。卡斯柯公司的CBTC移动闭塞信号系统中采用一种辅助检测手段，就是计轴系统，在轨旁ATC设备与车载ATC设备无法正常工作时，采用计轴器检测列车位置。

4、间隔控制

卡斯柯公司的CBTC移动闭塞信号系统通过监控列车间距防止列车冲突。它是基于每辆列车发送的列车位置信息，而不是传统的轨道电路或计轴检测。移动闭塞基于列车定位。列车车载设备中存有轨道的静态描述。其数据库包含所有有关土建（包括坡度，曲线，车站，道岔等）和信号设备（包括信号机、区段、信标）的信息（包括公里标、类型等）。通过无线通信获得轨道动态情况；更新轨旁设备变量的状态（区段占用，道岔位置）。使用2个连续的信标进行列车位置信息初始化。当越过一个信标时，信标向列车发送一个唯一的标识号，它能使系统在线路描述中搜索列车位置以确定当前的列车位置。在两个信标间的列车定位由编码里程计测量。由于编码里程计存在的固有误差及车轮可能打滑，需要使用2个相距21m的欧式信标进行车轮校准，定期重新进行初始化来消除这种计算误差。如果失去定位，系统能通过在线路上的任意位置读取2个连续的信标重定位。每辆车会定期发送定位信息（位置报告）给轨旁区域控制器，通过区域控制器管理在线列车，从而实现各列车间的安全间隔。为考虑测量车轮打滑造成的误差，对定位将有最大值和最小值考虑。最大定位用于控制列车车头定位的限制，最小定位用于确保能越过某位置。

4.1自动防护（AP）

通过连续的车地无线双向通讯，后车根据前车AP尾部位置追踪前车，而前车AP尾部根据列车的位移而移动，

系统应根据列车的有效列车位置报告（列车已定位）及列车特性推导出最大的车头位置和车尾位置。车头最大位置是根据车头最小位置和Delta_Loc_Head 的值推导出来的。Train_Id 也是根据Loc_Report推导出来的。

区域控制器（ZC）会根据收到的各列车的位置报告信息（Loc_Report）来计算通信各列车的AP端点。对于通信列车，区域控制器（ZC）通过以下方法计算各列车的AP防护区域，即列车的虚拟头尾。

计算AP的车头端点时会考虑两个相邻间的列车运行距离应低于Extrapolation_Margin。

列车的自动防护AP即列车潜在占用的区域。通过区域控制器的管理，将为每辆列车都设置了相应的虚拟防护，没有其他列车能进入该列车的AP前后点。当列车移动时，AP同时更新其大小和位置。通过连续的车地无线双向通讯，后车根据前车AP尾部位置追踪前车，而前车AP尾部根据列车的位移而移动，从而实现间隔控制。

4.2授权终端（EOA）

列车的EOA是列车运行到停车点的距离（零速度的指定点）。卡斯柯公司的CBTC移动闭塞信号系统中闭塞移动原则是，如果没有其他限制点（非受控制的道岔，车站停车点等），EOA是列车前方AP的尾部位置。因此，对于2列移动的列车，如果没有约束点，本列车的移动授权点根据上一列车移动。

两列列车间的间距根据AP和运行到下一停车点的距离进行推断；每次AP更新时，授权范围也随之更新，所以当有任何事情发生时，列车均会在EOA的末端停车。

结束语

卡斯柯公司CBTC移动闭塞信号系统包括联锁子系统、列车自动控制系 统、自动监控子系统、数据传输子系统、维护支持子系统等五个子系统组成。移动闭塞信号系统建立在联锁子系统的基础上，结合双向无线通信技术、列车定位技术、自动防护间隔控制技术，实现移动闭塞功能，不断提高了系统的安全性能，并大大缩小列车的行车间隔，提高运营效率。

[参考文献]

[1] 深圳地铁2号线首期及东延线信号系统技术规格书. 2009

[2]吴汶麒主编 城市轨道交通信号与通信系 中国铁道出版社1999