試論軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

朱宏舟

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

1 概述

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（以下簡稱列控系統(tǒng)）是軌道交通信號系統(tǒng)最重要的組成部分。該系統(tǒng)結(jié)合了通信、計算機(jī)、自動控制、傳感及信息傳輸?shù)燃夹g(shù)，應(yīng)用于列車運(yùn)行的智能化控制，在確保安全的前提下，實(shí)現(xiàn)列車快速和高密度運(yùn)行，縮短列車運(yùn)行時間間隔，提高運(yùn)輸效率，最大能力的發(fā)揮軌道交通的運(yùn)輸能力。

2 列控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 列車定位技術(shù)

列控系統(tǒng)需要實(shí)時了解列車在線路上的精確位置,其目的是對運(yùn)行中的所有列車進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和管理。確保各列車之間安全運(yùn)行的最小間隔，保證列車運(yùn)行的安全，同時最大限度地提高軌道交通的效率,為乘客提供最佳的服務(wù)。列車定位技術(shù)可以分為固定定位技術(shù)和移動定位技術(shù)兩大類。

2.1.1 固定定位技術(shù)

固定定位技術(shù)是一種被動的定位方式，其定位原理是將線路劃分為若干不同的閉塞分區(qū)，列車定位是以固定閉塞分區(qū)的長度作為為最小定位單元，一個閉塞分區(qū)同時只能被一輛列車占用，但列車在閉塞分區(qū)內(nèi)更加詳細(xì)的位置信息無法獲得，定位精度較差。列車的定位功能常利用軌道電路方式或計軸點(diǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 移動定位技術(shù)

移動定位技術(shù)是一種主動的定位方式，其定位原理是列車根據(jù)線路上預(yù)先設(shè)置的軌旁信息點(diǎn)，來推算出自身的實(shí)際地理位置，最小定位單元可以根據(jù)設(shè)置的軌旁信息點(diǎn)的精度來實(shí)現(xiàn)。列車的定位功能常利用測速定位加校正方式或外部參照定位方式等來實(shí)現(xiàn)。

測速定位加校正方式是利用查詢應(yīng)答器、信標(biāo)、電纜環(huán)線等技術(shù)手段對車載里程計由于車輪滑行或空轉(zhuǎn)、輪緣磨損等原因產(chǎn)生的測距誤差進(jìn)行修正，來實(shí)現(xiàn)列車的定位；而外部參照定位方式就是列車根據(jù)預(yù)設(shè)的外部參照物來確定自身位置的方式，主要包括利用電纜環(huán)線、裂縫波導(dǎo)、無線擴(kuò)頻通信以及GPS等技術(shù)手段，外部參照定位方式從定位原理來說分為以下兩類：一是利用延線路敷設(shè)外部介質(zhì)特性在線路上形成標(biāo)尺的功能，列車通過數(shù)刻度的方式實(shí)現(xiàn)自身的定位。如：裂縫波導(dǎo)管定位和電纜環(huán)線定位就是采用這種原理。二是列車通過綜合多個距預(yù)設(shè)定位校正設(shè)備的距離的數(shù)據(jù)來獲取列車所處的具體位置。如：無線擴(kuò)頻通信定位和GPS定位就是采用這種原理。需要說明的是具體系統(tǒng)中采用何種定位技術(shù)，取決于對線路運(yùn)輸能力的要求。通常，城市軌道交通系統(tǒng)中需要綜合運(yùn)用多種定位技術(shù)。由于每一種定位的方法總有其固有的缺點(diǎn)，單一的定位方法無法在定位的精度、可靠性和代價之間作到很好的平衡，而多種定位技術(shù)集成的優(yōu)勢在于能通過冗余、互補(bǔ)和多種的信息為系統(tǒng)提供更為精確的信息，使整個軌道交通和指揮系統(tǒng)中的安全性、測量精度、可靠性、造價等方面作到一定的平衡。

2.2 車地通信技術(shù)

2.2.1 車地通信內(nèi)容

車地通信的內(nèi)容主要是速度信息和距離信息兩類，根據(jù)這個分類可將列控系統(tǒng)分作速度碼系統(tǒng)和距離碼系統(tǒng)。

速度碼系統(tǒng)通常使用頻分制方法，即用不同的頻率代表不同的允許速度，從地面?zhèn)鬟f給列車的允許速度是階梯分級的，在軌道電路區(qū)段分界處的限速值是跳躍式的。

而在距離碼系統(tǒng)中，由于信息電碼的多樣性和復(fù)雜性，所以必須使用時分制數(shù)字電碼方式，按協(xié)議來組成各種信息。其特點(diǎn)是：根據(jù)地面?zhèn)髦淋嚿系母鞣N信息（包括區(qū)間的最大限速、目標(biāo)點(diǎn)的距離、目標(biāo)點(diǎn)的允許速度、區(qū)間線路的坡度等）以及列車自身的固有數(shù)據(jù)（如：列車長度、常用制動及緊急制動的制動率、測速機(jī)測距信息等），由車載計算機(jī)實(shí)時計算得出允許速度曲線，并按此曲線對列車的實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)控。由于數(shù)據(jù)傳輸以及實(shí)時計算，列車車速監(jiān)控都是連續(xù)的。

2.2.2 車地通信方式

車地通信技由于是固定物與移動體之間的信息交換，所以必須采用無線的方式進(jìn)行。實(shí)際上經(jīng)常所說的是根據(jù)信息傳輸介質(zhì)的不同，可分為有線和無線兩大類，而有線類又可分為利用軌間電纜、利用模擬軌道電路和利用數(shù)字編碼軌道電路技術(shù)三類。

模擬軌道電路用代表不同速度信息的低頻對載頻進(jìn)行調(diào)制，該調(diào)制信號是模擬量，以實(shí)現(xiàn)對列車速度的控制；它只能傳輸速度信息，因此只能實(shí)現(xiàn)階梯式控制模式的固定閉塞；數(shù)字編碼軌道電路則用報文形式，通過數(shù)字編碼對載頻實(shí)行數(shù)字調(diào)頻，該調(diào)制信號是數(shù)字量，以實(shí)現(xiàn)列車控制用各種信息（包括目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、線路坡度、區(qū)間限制、軌道電路長度等信息）的傳輸，通過這種軌道電路可是實(shí)現(xiàn)曲線式控制模式的準(zhǔn)移動自動閉塞。

無線通信的傳輸方式較多，主要采用基于感應(yīng)環(huán)線傳輸方式、基于波導(dǎo)管傳輸方式、基于WLAN無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式和基于GSM-R傳輸方式，目前國內(nèi)城市軌道主要采用前3種無線傳輸方式，國鐵CTCS-3級列控系統(tǒng)采用基于GSM-R的傳輸方式。

需要說明的是利用軌道電路進(jìn)行車地間信息傳輸只是車對地單向的信息傳遞，而利用無線通信進(jìn)行車地間的信息傳輸是車和地之間雙向的信息交互。

3 軌道交通列控系統(tǒng)分析

根據(jù)閉塞方式的不同，列控系統(tǒng)可分為固定閉塞式列控系統(tǒng)、準(zhǔn)移動閉塞式列控系統(tǒng)和移動閉塞式列控系統(tǒng)。三種制式列控系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用方面有著明顯的區(qū)別，主要內(nèi)容見表1。

表1

3.1 固定閉塞制式的列控系統(tǒng)

固定閉塞制式列控系統(tǒng)屬于速度碼系統(tǒng)，前、后列車定位方式均采用固定定位技術(shù)，車地信息傳輸多采用利用軌道電路的傳輸方式，傳輸?shù)男畔槟M信息。固定閉塞的速度控制模式為階梯性的，信息傳輸為單向的，多為地對車進(jìn)行信息傳輸，難以實(shí)現(xiàn)車對地的信息傳輸，無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，由于采用固定定位技術(shù)，系統(tǒng)無法知道列車在分區(qū)內(nèi)的具體位置，因此列車制動的起點(diǎn)和終點(diǎn)總在某一分區(qū)的邊界，為充分保證安全，必須在兩列車間增加一個防護(hù)區(qū)段，這使得列車間的安全間隔較大，影響了線路的使用效率。

3.2 準(zhǔn)移動閉塞制式的列控系統(tǒng)

準(zhǔn)移動閉塞制式的列控系統(tǒng)屬于距離碼系統(tǒng)，前、后車的定位方式是不同的，前行列車的定位采用固定定位技術(shù)，而后續(xù)列車的定位則采用移動定位技術(shù)，車地信息傳輸可采用利用軌道電路傳輸方式或利用無線傳輸方式，由于準(zhǔn)移動閉塞同時采用移動和固定兩種定位技術(shù)，所以它的速度控制模式既具有無極連續(xù)的特點(diǎn)，又具有分級階梯的性質(zhì)。若前行列車不動而后續(xù)列車前進(jìn)時，其最大允許速度是連續(xù)變化的；而當(dāng)前行列車前進(jìn)，其尾部越過固定區(qū)段的分界點(diǎn)時，后續(xù)列車的最大允許速度將按階梯跳躍上升。

準(zhǔn)移動閉塞在控制列車的安全間隔上比固定閉塞前進(jìn)了一步，它采用數(shù)字信息的方式告知后續(xù)列車?yán)^續(xù)前行的距離，后續(xù)列車可根據(jù)這一距離合理地采取減速或制動，列車制動的起點(diǎn)可延伸至保證其安全制動的地點(diǎn)，從而可改善列車速度控制，縮小列車安全間隔，提高線路利用效率，但準(zhǔn)移動閉塞中后續(xù)列車的最大目標(biāo)制動點(diǎn)仍必須是先行列車占用分區(qū)的外方，因此他并沒有完全突破軌道電路的限制。

3.3 移動閉塞制式的列控系統(tǒng)

移動閉塞制式的列控系統(tǒng)是一種區(qū)間不分割，根據(jù)連續(xù)檢測先行列車位置和速度進(jìn)行列車運(yùn)行控制的列控系統(tǒng)，其也屬于距離碼系統(tǒng)，前、后車的定位方式均采用移動定位技術(shù)，車地信息傳輸利用無線傳輸方式。在移動閉塞系統(tǒng)中，后續(xù)列車的速度曲線隨著目標(biāo)點(diǎn)的移動而事實(shí)計算。移動閉塞是一種新型的閉塞制式，由于基于無線通信，實(shí)現(xiàn)車地間雙向、大容量的信息傳輸，達(dá)到連續(xù)通信的目的，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行的閉環(huán)控制。移動閉塞可以根據(jù)列車的實(shí)際速度和相對速度來調(diào)整前后車的距離，最大可能縮小列車運(yùn)行間隔，提高行車密度進(jìn)而提高運(yùn)輸能力。如：城市軌道交通中使用的基于移動定位技術(shù)的CBTC系統(tǒng)及國鐵青藏線ITCS系統(tǒng)均屬于移動閉塞制式的列控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

通過以上對軌道交通列控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的介紹和對基于三種不同閉塞制式列控系統(tǒng)的對比分析可以看出，當(dāng)前軌道交通列控系統(tǒng)的研究重點(diǎn)依舊在列車定位和車地通信技術(shù)，整個軌道交通列控系統(tǒng)發(fā)展的過程就是列車定位和車地通信技術(shù)進(jìn)步的過程，而基于無線通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是今后技術(shù)發(fā)展的方向。

[1]城市軌道交通信號設(shè)備/林瑜筠主編.-北京:中國鐵道出版社，2006.5 ISBN:7-113-05419-6.

[2]國外鐵路信號新技術(shù)/吳汶麒編著.-北京:中國鐵道出版社,2000.8 ISBN:7-113-03792-5.

[3]列控車載設(shè)備[M]/徐嘯明.北京.中國鐵道出版社，2007,5.