城市轨道交通信号系统方案分析
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摘要：轨道交通系统是一种广泛运用的公共交通工具，其安全性直接关系到广大乘客的人身安全。信号系统是保证列车安全、舒适、高密度运行的重要技术装备，需要对其可靠性和安全性不断地改进和完善，从而有效的保证轨道交通的安全运行。本文就其中的轨道交通系统信号系统和CBTC等设计方案进行了分析。
Abstract: Urban Transit system is an extensive use of public transport, and its security is directly related to the personal safety of commuters. The signaling system is to ensure the safety of the train, comfortable, run by high-density technology and equipment, its reliability and security continue to improve and perfect, so as to effectively guarantee the safe operation of the rail transportation. In this paper, the design of Urban Transit signal system and CBTC is analyzed。
Keywords: Urban Transit; signal system; CBTC
中图分类号：U239.5 文献标识码：A
1轨道交通系统信号系统
城市轨道交通信号系统是保证列车安全运行，实现行车指挥和列车现代化运行，提高高效运输的关键系统设备。城市轨道交通信号系统一般由列车自动控制系统（Automatic Train Control，ATC）组成。ATC系统由列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，ATS）、列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，ATP）和列车自动运行系统（Automatic Train Operation， ATO）三个子系统组成。
由列车自动防护系统来完全保证行车安全。列车自动运行系统可以完成列车站间自动运行、定位停车、接收控制中心运行指令从而实现列车运行速度的自动调整，使整套信号系统能够满足列车高速和高密度运行的需求。
2 CBTC信号系统
基于通信的列车自动控制系统CBTC（communication based train control system）是一种连续的列车自动控制系统，采用高精度的列车定位，独立于轨道电路，连续、大容量、双向车-地数据通信，车载及轨旁处理器能够实施安全功能的信号控制系统。ATS子系统包括中央至车站的数据传输子系统，通常分布在运营控制中心OCC (operation control center)及车站。ATP/ATO子系统包括车-地传输子系统，ATP子系统设备由联锁和列控设备组成。ATP/ATO子系统设备分布在车站、轨旁及列车上。
2.1 CBTC系统的列控原理
基于系统确定的列车移动授权、列车运行的速度、列车运行的线路等数据，CBTC系统实现对列车的控制。CBTC系统对列车的控制是由地面设备和车载设备共同完成，其基本原理如下：
（1）地面设备（轨旁设备）周期性地接收本控制范围内所有列车传来的列车识别号、列车位置、列车运行方向和速度信息，通过计算确定各列车的移动授权，并向本控制范围内的每列列车周期性地发送移动授权(安全防护点)的信息。由前行列车的位置及运行速度来确定移动授权，随着前行列车的移动，移动授权将逐渐前移。
（2）车载设备接收到由地面设备发送的列车移动授权信息以及列车运行的最大限制速度命令、线路技术参数、紧急制动的建立和反应时间等数据，根据这些数据计算出列车的紧急制动触发曲线和紧急制动曲线，从而控制列车在紧急制动曲线下运行，以确保列车的运行安全。
2.2 CBTC系统的闭塞原理
在CBTC系统中，基于对最大运行速度、制动曲线和线路上相邻列车的动态位置计算出列车间的安全间隔距离。因为列车频繁的向地面设备发送其位置，地面设备频繁的向列车传送更新的移动授权信息，系统对列车的定位分辨率可以达到10m以下的精度。随着前行列车的移动，后续列车运行的移动授权的范围总是实时变化。基于相关区段的最大允许速度、在安全制动距离范同内安全地靠近前一列车尾部最后一次确定的位置，车载设备制定列车的运行曲线，从而尽可能缩短追踪列车的运行间隔。将随前行列车的运行位置和运行状态而变化追踪运行列车间的安全间隔距离的闭塞方式称为移动闭塞。
信号系统通过在车载和地面设备之间连续和高速的数据通讯来实现移动闭塞。在CBTC系统中，随前行列车的移动，列车从地面设备获得的移动授权的目标点总是变化，其后续列车运行的安全保护停车点总是在前行列车占用的闭塞分区轨道电路入口的前方。从而移动闭塞信号系统可大大缩短运行间隔，提高列车的运输效率。
2.4 CBTC系统的分类
随着数据通信技术的快速发展和应用，以及城市轨道交通对信号系统设备标准化的要求，通用数据通信系统快速应用于CBTC系统中，CBTC系统的车-地信息主要有交叉感应电缆环线、漏泄电缆、漏泄波导管和无线电台等传输媒介。
采用交叉感应电缆环线作为车-地数据通信媒介，车-地间直接通过电磁感应方式交换信息。采用漏泄电缆、漏泄波导管、无线电台作为传输媒介的车地数据通信系统，一般采用通用的无线扩频通信技术，因此CBTC系统按车-地数据通信媒介可分为：
（1）基于交叉感应电缆环线的CBTC系统，即CBTC-IL(inductive loop)；
（2）基于无线扩频通信技术的CBTC系统，即CBTC-RF(radio frequency)。
基于交叉感应电缆环线传输车-地信息的CBTC-IL系统有传输特性好，抗干扰能力强等优点。基于交叉感应电缆环线传输方式的缺点：需要在道床上安装感应电缆环线，受土建安装条件限制；数据传输速率比较低；数据传输需采用专用通信协议。
基于漏泄电缆、漏泄波导管、无线电台传输车地信息的CBTC-RF系统，其车-地间的无线扩频传输采用通用的IEEE 802.11系列标准，无线扩频传输是将要传输的数据信号转换为无线信号，当接收方接收到无线信号后将其还原为数据信号，数据信号和无线信号间的转换由无线网卡来实现。
3 CBTC应用现状及存在的问题
CBTC系统中采用当前先进的计算机技术和数据通信技术。与基于轨道电路的传统信号系统相比，CBTC信号系统有自动化程度高、轨旁设备少、运营能力大、高安全性和高可靠性等特点。其优点还有不与牵引供电争轨道，有利于牵引供电设备的合理布置；不需要在轨道上安装设备，易于形成疏散通道。正是由于CBTC系统的诸多优势，其开发和应用正在朝着互联互通和兼容性的方向发展，代表着城市轨道交通信号系统的发展方向。目前国内城市轨道交通信号系统选型采用CBTC信号系统作为主流制式，在轨道交通建设和改造过程中得到了广泛应用。
目前国外厂商都在结合工程实践不断完善CBTC系统，开通投入商业运营的线路并不多。开通和运营过程中主要存在以下技术问题，需要在今后的研制和工程实施中加以解决。
（1）由于CBTC系统中的列车定位和移动授权依赖于无线信息传输。如果某列车或地面某点发生无线通信中断或故障，就会失去对列车的定位，将对运营造成较大的影响，而且故障处理将比原来的轨道电路系统复杂。因此一旦发生通信故障时，如何保障行车安全和减小对运营的影响是一个技术瓶颈。为此绝大多数采用CBTC系统的工程都配置了后备信号系统，以解决上述问题。
（2）目前CBTC系统采用的IEEE 802.11系列的WLAN标准使用的是一个开放的无线频段。该频段不限制其他用户使用，因此用户较多时容易造成相互干扰。特别是在高架开放区段，抗外部干扰问题也是一个技术难题。
（3）从地面的一个AP切换到另一个AP时，列车信息传输会有中断，导致了一定程度的丢包现象，如何提高信息传输的可靠性也有待继续研究。
3 结束语
随着我国城镇化过程的不断深入，城市交通拥堵和环境问题与城市现代化发展的矛盾日益尖锐。城市轨道交通作为一种大容量、环保的交通方式，逐步成为解决此类问题的关键。CBTC系统为保障城市轨道交通运营的安全和高效至关重要。随着各大城市轨道交通基础设施的建设，CBTC系统将得到更大的完善和更广泛的应用。
参考文献
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