無線CBTC信號系統工作模式分析

趙曉峰

（上海貝爾股份有限公司，201206，上海∥工程師）

在城市軌道交通中，信號系統是控制列車運行，保證列車運行安全的大型復雜機電系統。按照列車行車密度的不同，信號系統分為固定閉塞系統、準移動閉塞系統和移動閉塞系統。無線CBTC（基于通信的列車控制）就是移動閉塞的一種應用系統［1］。其車地通信采用IEEE802.11通用標準協議，即無線局域網通信協議。

1 無線CBTC信號系統的組成

按照功能來劃分，無線CBTC信號系統的子系統主要有：ATS（列車自動監控）、聯鎖、ZC（區域控制器）、VOBC（車載控制器）和DCS（數據通信系統）。采用無線CBTC信號系統的軌道交通線路通常會被分成若干個區域，每個區域內都有1套區域ATS設備、1套聯鎖和1套ZC，每一個區域的設備可以控制若干個車站，控制中心有1套中心ATS設備；每列列車有1套VOBC。

ATS子系統主要實現對列車運行的監督和控制［2］，包括控制中心ATS服務器和人機界面，區域ATS服務器和人機界面，以及軌旁發車倒計時器。ATS有中心控制和緊急站控2種工作模式：中心控制模式是整個系統的正常控制模式，中心ATS服務器處于激活狀態，負責所有的監控任務；緊急站控模式是某個區域發生故障，無法使用中心ATS服務器而被迫采取的應急模式，此時，區域ATS服務器處于激活狀態，負責所在區域的監控任務。

聯鎖子系統以進路控制為主要內容［3］，但在無線CBTC信號系統中功能有所擴展。聯鎖有CBTC和后備2種工作模式：CBTC模式的聯鎖處于受控地位，接收ZC發送的命令，控制道岔轉動和信號機顯示；后備模式的聯鎖處于主控地位，不再接收ZC命令，而是與傳統聯鎖功能類似。

ZC子系統的主要功能是按照移動閉塞原理計算列車運行的LMA（移動授權限制），即列車可以安全走行的距離。ZC也有CBTC和后備2種工作模式：CBTC模式的ZC可以計算LMA，并發送給列車，以此控制列車走行的距離；后備模式的ZC處于不輸出的狀態，整個信號系統轉為固定閉塞制式，列車的安全運行由聯鎖子系統來保證。

聯鎖和ZC的兩種模式之間的切換，只能通過操作員發命令來完成，不能自動切換；同時，為保證安全，兩種模式之間的轉換需要一定的延時。聯鎖和ZC必須同時處于CBTC模式或后備模式。

VOBC子系統的主要功能是與車輛接口，控制列車速度。VOBC有多種駕駛模式：ATO（列車自動駕駛模式）、ATPM（列車自動防護的人工模式）、WSP（軌旁信號保護模式）和RM（限制人工模式）。當聯鎖和ZC處于CBTC模式時，列車正常運行須使用ATO和ATPM模式；當VOBC與ZC失去通信時，列車正常運行只能使用WSP模式（此模式帶有簡單的列車防護功能）；當VOBC與ZC、ATS均失去通信時，列車正常運行須使用WSP模式，但在ATS人機界面上顯示為NCT（非通信列車），操作員無法查看VOBC狀態。在建立正常運營模式前，列車只能使用RM模式，包括：RMF（限制人工前進模式），限速20km／h；RMR（限制人工后退模式），限速10km／h。

DCS子系統主要提供各個子系統之間的通信傳輸通道，對各個子系統是透明的。DCS主要設備有位于控制中心的防火墻、控制中心和區域均有的保密器件，以及各種交換機等。防火墻主要負責保護非安全子系統之間（如ATS）的數據通信，保密器件主要負責保護涉及安全子系統（如VOBC與ZC，VOBC與ATS）的數據通信。

2 無線CBTC信號系統工作模式

目前已經開通的無線CBTC信號系統項目大多具有后備模式。當信號系統在CBTC模式和后備模式之間轉換時，系統會出現多種場景，如果再考慮到ATS的中心控制模式和緊急站控模式之間的轉換，還有多種列車駕駛模式的切換，整個信號系統的運作則變得靈活多樣，操作命令也會隨著模式不同而變化。下面依次介紹無線CBTC信號系統的各種工作模式。

2.1 全線CBTC工作模式

全線CBTC工作模式是指整條線路中各個區域的聯鎖和ZC均處于CBTC模式；中心ATS服務器處于激活狀態，即中心控制模式。VOBC正常運行的駕駛模式是ATO或ATPM。全線CBTC工作模式如圖1所示。圖中的實線雙箭頭表示有線通信鏈路，實線閃電表示無線通信鏈路；聯鎖、ZC、VOBC和相鄰ZC為安全設備，其余非安全設備。

處于全線CBTC工作模式的信號系統，使用移動閉塞原理控制列車運行，控制中心和區域操作員通過各自的人機界面，將各類控制命令發送至中心ATS服務器，然后下發至相關子系統。軌旁發車倒計時器可以正確顯示列車停站時間。司機按照CBTC行車規則，通過VOBC人機界面控制列車運行。各區域ZC均可以與相鄰區域ZC正常通信，列車在跨邊界運行時，其LMA能夠延伸到相鄰區域，從而保證列車正常通過。

圖1 全線CBTC工作模式

2.2 區域后備工作模式

當系統處于全線CBTC工作模式時，如果某個區域的聯鎖和ZC切換到后備模式，那么該區域就進入了區域后備工作模式。處于該區域的VOBC只能使用WSP模式。區域后備工作模式如圖2所示，圖中虛線的箭頭和閃電表示通信中斷，虛線框表示該設備不起作用。

圖2 區域后備工作模式

處于區域后備工作模式的區域，使用固定閉塞原理控制列車運行，中心和區域操作員只能通過聯鎖來實施進路控制，其他CBTC模式下的命令，如設置臨時限速、打開或關閉軌道等均無法實施，軌旁發車倒計時器仍然可以正常工作。司機根據軌旁信號機顯示和VOBC人機界面顯示、人工控制列車運行，同時WSP模式提供了闖紅燈緊急制動的簡單列車防護功能。該區域ZC無法與相鄰區域ZC通信，列車在進入該區域前，需要停車轉換駕駛模式至WSP，然后進入后備模式區域；在離開該區域時，列車可以用WSP模式開到相鄰區域的第一個站臺，然后轉為ATO或ATPM，繼續正常運行。

2.3 全線緊急站控CBTC工作模式

當中心ATS服務器完全故障后，各區域的ATS服務器會自動激活，聯鎖和ZC均處于CBTC模式，此時稱為全線緊急站控CBTC工作模式。VOBC正常運行的駕駛模式仍然是ATO或ATPM。全線緊急站控CBTC工作模式如圖3所示。圖中大叉表示該設備故障，不能繼續工作。

圖3 全線緊急站控CBTC工作模式

處于全線緊急站控CBTC工作模式的信號系統，仍然可以使用移動閉塞原理控制列車運行，中心操作員無法進行任何操作；區域操作員可以通過區域ATS人機界面和服務器，向當前區域的ZC發送控制命令，如排列CBTC進路等，但對于向當前區域的VOBC發送的控制命令，如跳停、設置停站時間等均無法成功實施。由于區域ATS服務器不存儲時刻表，時刻表相關功能均無法使用。軌旁發車倒計時器不會有任何顯示。司機按照VOBC人機界面顯示的信息來控制列車運行。

2.4 全線緊急站控后備工作模式

當系統處于全線緊急站控CBTC工作模式時，如果某個區域的聯鎖和ZC切換到后備模式，那么該區域就進入了全線緊急站控后備工作模式。處于該區域的VOBC只能使用WSP模式。全線緊急站控后備工作模式如圖4所示。

處于全線緊急站控后備工作模式的區域，只能使用固定閉塞原理控制列車運行，聯鎖負責排列進路，中心操作員無法指揮列車行車，區域操作員通過各自的區域ATS人機界面和服務器發送控制命令。列車在區域ATS人機界面上顯示為NCT。司機按照后備模式行車規則，通過VOBC人機界面控制列車運行。

圖4 全線緊急站控后備工作模式

2.5 區域緊急站控CBTC工作模式

當區域的保密器件故障時，該區域的ATS服務器會自動激活，并切斷與控制中心ATS服務器的通信，聯鎖和ZC處于CBTC模式，那么該區域就進入區域緊急站控CBTC工作模式。處于該區域的VOBC只能使用WSP模式。區域緊急站控CBTC工作模式如圖5所示。

圖5 區域緊急站控CBTC工作模式

處于區域緊急站控CBTC工作模式的區域，仍然可以使用移動閉塞原理控制列車運行，控制中心操作員可以通過中心ATS人機界面和服務器，向處于該區域的VOBC發送相關命令，如扣車、跳停等；列車在控制中心ATS人機界面上顯示為WSP模式，并且可以向控制中心發送列車狀態。而區域操作員則是通過區域ATS人機界面和服務器，向該區域的聯鎖和ZC發送相關命令，如排列進路、設置臨時限速等，列車在區域ATS人機界面上顯示為NCT，不能向區域ATS服務器發送狀態。由于控制中心ATS服務器仍然處于激活狀態，時刻表相關功能有效。軌旁發車倒計時器可以接收控制中心ATS服務器數據，顯示列車當前停站時間。司機按照CBTC行車規則控制列車運行，在跨區域邊界運行時，與全線正常工作模式相同。

2.6 區域緊急站控后備工作模式

當區域處于區域緊急站控CBTC工作模式時，如果該區域的聯鎖和ZC切換到后備模式，那么該區域就變成區域緊急站控后備工作模式。處于該區域的VOBC只能使用WSP模式。區域緊急站控后備工作模式如圖6所示。

圖6 區域緊急站控后備工作模式

處于區域緊急站控后備工作模式的區域，只能以固定閉塞原理控制列車運行；控制中心和區域的操作員的控制方法與2.5節相同，只是排列進路由聯鎖執行，而不是ZC。

3 結語

隨著CBTC系統的發展，移動閉塞系統越來越普及，運營組織也越來越人性化。這就要求從綜合系統運用的大局出發，不斷研究各個子系統的功能和特點，充分運用各個子系統的信息，不斷研究新的技術，為列車的安全高效運行服務，為城市軌道交通的健康發展做出貢獻［4］。

［1］蔣晟.基于通信的列車控制 －CBTC［J］.科協論壇，2009（2）：74.

［2］林瑜筠.城市軌道交通信號［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［3］林瑜筠，呂永昌.計算機聯鎖［M］.2版.北京：中國鐵道出版社，2010.

［4］凌祝軍.CBTC系統中的聯鎖技術研究［J］.鐵道通信信號，2009（9）：12.

［5］林海香，董昱.基于通信的列車控制在軌道交通中應用的關鍵技術［J］.城市軌道交通研究，2010（9）：81.