新型列車運行控制系統(tǒng)——SCBTC系統(tǒng)

黃新凱 徐 菲

（鐵路科技（香港）有限公司，香港）

1 研究背景及現(xiàn)有技術分析

1.1 早期列車控制技術

自19世紀中葉出現(xiàn)火車之后，人們就開始不斷研究如何控制火車的安全運行，先后采用了電報、電話、路牌、路簽等方式構成列車閉塞系統(tǒng)，使列車之間可以保持一個相對安全的距離，以避免發(fā)生相撞事故。然而這些閉塞方式都存在一個很大的缺陷，就是系統(tǒng)本身并不知道軌道上是否有列車真實存在，萬一管理疏忽，便有可能引發(fā)嚴重列車追尾相撞事故。

1.2 TBTC列車控制技術

為了解決列車存在及位置檢測問題，從19世紀70年代開始出現(xiàn)了軌道電路，以及基于軌道電路的列車運行控制系統(tǒng)（TBTC）。通過軌道電路的作用，不但可以明確指示列車的存在，還因為它是一個實時系統(tǒng)，其反應速度比人工控制要快得多，使之在效率方面也有很大的進步。100多年來，TBTC系統(tǒng)一直都是列車運行控制（特別是地面大鐵路系統(tǒng)）的主流技術，其對列車的安全運行無疑起到極大的幫助作用。

然而TBTC系統(tǒng)也存在一些自身難以逾越的缺陷，例如用軌道電路構成系統(tǒng)時，閉塞分區(qū)的通過信號燈固然能保護列車運行的安全，但是列車在此閉塞分區(qū)內(nèi)的確切位置，是在始端還是終端則無從知曉，而且也無法知道該列車是處于停止還是運行狀態(tài)，以及列車的運行速度等，這就不可避免地影響了列車運行的效率。同時軌道電路易受天氣影響,可靠性相對較差,萬一信號檢測或顯示出錯，就有可能引發(fā)災難性的列車相撞事故。

1.3 CBTC列車控制技術

隨著現(xiàn)代自動化、計算機及通信技術的高速發(fā)展，從20世紀70年代開始，人們對新一代列車運行控制系統(tǒng)進行了更為深入和廣泛的研究，并于20世紀末推出了新的基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC），它不僅在地面大鐵路系統(tǒng)中得到推廣和應用，更在城市軌道交通中被廣泛接受，成為當前地鐵及捷運系統(tǒng)列車運行控制的首選技術。

CBTC的出現(xiàn)解決了TBTC無法實現(xiàn)對列車精確定位的問題，從而實現(xiàn)了更安全、更有效的列車運行控制。然而CBTC系統(tǒng)較TBTC復雜，其自動閉塞的可靠性同時依賴于列車定位設備、通信設備及列控中心的可靠性。為了提高整體可靠性，CBTC系統(tǒng)采用了多重冗余的設計方式，例如二取二乘二、三取二等來檢測及排除因干擾或故障導致的信號錯誤，防止列車事故的發(fā)生。

1.4 CBTC系統(tǒng)面臨的技術困難

客觀來說，多重冗余的保護措施對CBTC系統(tǒng)來說是必要及有效的，盡管設備故障及信號干擾事實上不可能完全避免，但這些故障及干擾通常都不會影響到列車的安全，因為CBTC系統(tǒng)采用了較嚴謹?shù)摹肮收蠈虬踩钡脑O計模式。當系統(tǒng)出現(xiàn)設備故障、通信受阻或列車定位失敗時，往往會令列車實施緊急制動以確保安全。在這種情況下，系統(tǒng)通常會采用其他替補的閉塞模式運作，或采用限速人工模式，由列車司機手動操作目視通過故障區(qū)域。但在替補模式或人工操作下，列車的運行安全是難以保障的。

盡管CBTC代表了當前列車運行控制的最高水平及未來的發(fā)展方向，但客觀地說，CBTC也有其自身的一些弱點，除通信干擾外，CBTC對軌道列車的兼容性要求也很高。在同一個鐵路系統(tǒng)中要實現(xiàn)不同制式的列車混合運行是困難的，如果在鐵路中不幸混入與CBTC系統(tǒng)不兼容的列車將可能是一個災難，因為CBTC系統(tǒng)無法檢測所述車輛的存在而令列車發(fā)生交通意外。2006年德國一輛高速運行的磁懸浮列車與停在軌道上的一輛工程維修機車發(fā)生嚴重相撞便是一個例證。另外在CBTC系統(tǒng)中，列車運行控制主要是通過計算機程序來實現(xiàn)，列車司機在防范列車相撞事故方面所起的作用非常有限，很多時候列車司機是眼睜睜看著災難發(fā)生而束手無策,因為留給司機反應的時間實在是太少了。

2 關于列車運行的“雙保險”

從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)，無論是TBTC系統(tǒng)還是CBTC系統(tǒng)都不是萬能的，都有其各自優(yōu)缺點。面對這種情況，我們或許會問，能否在鐵路系統(tǒng)中同時運行兩套不同的控制系統(tǒng)，令其優(yōu)勢互補、互相監(jiān)督，從而實現(xiàn)列車運行的“雙保險”？從理論上來說，雙保險模式是有價值的，歷史上大部分列車相撞事故都與信號系統(tǒng)有關（不管是設備故障還是人為錯誤），如果有雙保險機制的存在，這些災難性事故也許就可以避免。然而在現(xiàn)實中，“TBTC+CBTC”的雙系統(tǒng)運作是難以實現(xiàn)的，這不僅牽涉到雙重投資問題，更牽涉到系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作問題，因為在這樣的一個系統(tǒng)中，只能用CBTC來監(jiān)測TBTC的操作，即用高精度系統(tǒng)實施對低精度系統(tǒng)的監(jiān)察，這無疑是令列車降級運行，不利于鐵路系統(tǒng)的發(fā)展及營運效率的提高。

TBTC及CBTC均為目前列車控制的主流技術，TBTC在地面大鐵路系統(tǒng)中占了主導地位，而CBTC則在城市軌道交通中得到廣泛應用。如果有一種新的列車控制技術適合構建所述的雙保險系統(tǒng)，那么其最好能同時適應TBTC及CBTC的控制要求，并能夠與任一系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)勢互補的運作。例如在TBTC系統(tǒng)中能協(xié)助解決列車精確定位問題及惡劣天氣干擾問題，以及在CBTC系統(tǒng)中協(xié)助解決非兼容列車的檢測問題及通信干擾問題，并且具有不低于上述2種系統(tǒng)的定位精度，只有這樣才能做到既有效監(jiān)察列車運行的安全性，同時又不影響列車的營運效率。

3 SCBTC技術分析

3.1 通行信號鏈概念

為了解決上述問題，本文提出一個通行信號鏈的概念，以及一個基于所述通行信號鏈的列車運行控制自動閉塞系統(tǒng)SCBTC-MAS（Signal chain based train control moving autoblock system，以下簡稱SCBTC），如圖1所示。

在SCBTC系統(tǒng)中，通行信號鏈是列車行駛的依據(jù)，通行信號鏈的長度代表了列車前方的可行距離。通行信號從前方列車(或前方停站)位置發(fā)出，并通過沿軌道配置的無線中繼設備（軌道設備）傳送，當后方列車接收到所述信號之后，便可清楚知道前方列車的位置及其運行狀態(tài)，并知道自己前方的可行距離。具體計算方式為：

后車可行距離=兩車間中繼器數(shù)目×中繼器間距由于SCBTC是一個獨立于TBTC/CBTC的第三方信號系統(tǒng)，可以與TBTC/CBTC同步運行而互不干擾。同時還由于SCBTC可提供實時及連續(xù)的前方列車位置信息及運行狀態(tài)信息，這樣司機便可有效監(jiān)察前方軌道的占用情況。即使TBTC/CBTC系統(tǒng)發(fā)生信號故障或出現(xiàn)人為操作錯誤令列車面臨險境，列車司機都可以第一時間及時發(fā)現(xiàn)所述問題，并可采取有效措施避免列車相撞事故的發(fā)生。

3.2 SCBTC的相容性

與CBTC相比，SCBTC不但更為簡單，同時也具有更好的相容性，可以兼容不同制式的列車在軌道上混跑，以及可以有效檢測軌道前方的脫軌列車、脫鉤車廂甚至軌道障礙物，從而避免與之發(fā)生相撞。SCBTC系統(tǒng)的中繼設備具有軌道車輛及軌道障礙物的檢測能力，并可將前方軌道占用信息傳送至同一軌道上運行的后方車輛。由于所述軌道占用信息是由軌道設備自行產(chǎn)生的，不依賴于列車及障礙物本身，可有效避免類似2006年德國磁懸浮列車與軌道工程維修機車發(fā)生碰撞的事故。要留意的是SCBTC是一個故障導向安全系統(tǒng)，設備故障或障礙物的存在都會令通行信號鏈斷開，可令列車于故障路段前停下，使列車安全得到有效的保障。有關此項功能如圖2所示。

3.3 SCBTC的自動駕駛

從圖1、2中可以發(fā)現(xiàn)，SCBTC通行信號鏈的信號既可以由前方列車發(fā)出，也可以由前方軌道設備發(fā)出，同時還可以由前方停車站發(fā)出。當通行信號鏈的信號由前方停車站發(fā)出時，所述通行信號可用于引導列車進行入站停車的操作。由于列車運行受控于通行信號鏈，因此SCBTC系統(tǒng)可通過對通行信號的控制來實現(xiàn)列車自動駕駛（ATO）。在自動駕駛模式中，只要車站紅燈變綠，站臺上的列車就會自動起行；如果列車前方有其他軌道車輛存在，所述列車便會自動減速并與前車保持一個安全間距；若前方軌道出現(xiàn)信號故障，則列車會自動于故障路段前停車等待信號修復；當列車接近目的地后會自動減速，并于可行距離終點前停車，由此實現(xiàn)列車的自動駕駛功能。

3.4 SCBTC的自檢功能

與現(xiàn)有列車運行控制系統(tǒng)相比，SCBTC無疑具有更佳的自我診斷及檢測能力，因為SCBTC工作過程本身就是一個自檢過程，任何時候系統(tǒng)中的設備出現(xiàn)故障，都會立即于各區(qū)間站上顯示出故障路段的位置。同時由于SCBTC通行信號鏈具有再生能力，當系統(tǒng)中有設備故障時，只是在故障設備路段（從幾十米到幾千米不等）上沒有通行信號，而其他路段的信號則完全不受影響。當列車在人工目視操作模式下通過故障路段之后，列車便可自動恢復正常行駛，這可將設備故障對列車運行的影響減至最小。同時由于SCBTC系統(tǒng)主要由相互獨立的中繼設備組成，只要將有故障的設備更換掉，系統(tǒng)信號就會自動恢復，這使得SCBTC系統(tǒng)維護和故障檢修變得十分簡易和方便，具體如圖3所示。圖3中通行信號鏈（自檢信號）由區(qū)間站A向B發(fā)送，由于設備N故障而令信號鏈中斷，區(qū)間站B由此知道路段N及路段N+1之間出現(xiàn)了信號故障。

3.5 SCBTC對列車司機的幫助

SCBTC的一個重大意義在于可以充分發(fā)揮列車司機防范列車相撞的作用，這對列車安全運行其實是很重要的，試想如果9.27上海地鐵追尾事故中沒有列車司機于最后幾秒鐘的緊急制動，相信事故傷亡人數(shù)還會大大增加。不妨再試想一下，如果能有機會讓列車司機提前幾分鐘知道前方列車或軌道通行情況，那么相信所述的事故便可以完全避免。由于SCBTC系統(tǒng)可以實時檢測及連續(xù)顯示前方列車行駛及軌道占用情況，因此其不但可有效避免突發(fā)性的列車相撞意外，同時還可消除列車司機駕駛時的精神緊張和壓力。

3.6 SCBTC系統(tǒng)的控制精度

SCBTC的控制精度取決于通行信號鏈的中繼器間距，這些中繼器間距是列車定位的基本單元，可從幾十米到幾千米不等，視所述軌道路段列車運行的最高時速及最短列車安全間距等要求而定。在實際應用中也可按所述路段的TBTC/CBTC規(guī)格來確定中繼器的間距，只要SCBTC的定位精度優(yōu)于原有列車控制系統(tǒng)精度，就不會影響原有系統(tǒng)的正常運作，同時列車又可以獲得SCBTC的信號保護，這便是SCBTC的核心價值所在。

3.7 SCBTC移動閉塞系統(tǒng)

SCBTC主要用于列車運行的自動閉塞控制方面，也可稱為一種基于可行距離的移動閉塞系統(tǒng)，而所述可行距離是由通行信號鏈的長度來確定的，并隨列車的運行而改變，因此SCBTC系統(tǒng)不但具有實時閉塞效果，同時也具有最優(yōu)化的運行效率。進一步地，在系統(tǒng)設計上還可以將有關路段的軌道參數(shù)（例如軌道限速、坡度及載重量等）添加到通行信號之中，令于軌道上運行的列車可以根據(jù)所述參數(shù)及自身車速、載重量及制動力等因素計算出最佳的閉塞距離，從而可實現(xiàn)最有效的列車保護（ATP）及最優(yōu)化的列車運行控制。

4 結語

SCBTC系統(tǒng)具有簡單、可靠、易用的特點，不需要復雜的路旁設備，不依賴于列車控制中心，可以將設備故障、通信受阻及人為錯誤的風險降至最低。SCBTC的通行信號鏈可以看作為軌道功能的擴展，其包含了所述路段的軌道是否可行，有多遠距離可行，以及軌道坡度、限速、載重量等信息。作者認為，為了確保列車運行安全，SCBTC通行信號鏈的建立與軌道自身的建立同等重要，所述通行信號鏈可為所述軌道行駛的列車提供一個有效的安全保障。

SCBTC是作者提出的一個新的列車運行控制概念，本文的目的則是希望能起到一個拋磚引玉的作用，期望社會各界都能共同關注及探討列車運行的安全問題，如果此舉有助于推動相關新技術的發(fā)展，促進鐵路運輸系統(tǒng)的健康成長，提升我國相關產(chǎn)品于國際市場的競爭力，則榮莫大焉。

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