無線通信技術在軌道交通列控系統中的應用

【摘要】隨著城市軌道交通的發展，基于無線通信的列車控制（Communications Based Train Control，簡稱CBTC）在軌道交通行業廣泛應用。結合南京地鐵二號線的具體應用，深入分析了CBTC的主要特點。

【關鍵詞】城市軌道交通基于通信的列車控制車地通信

一、軌道交通中無線通信技術應用

無線通信系統在軌道交通有著多項重要的應用。為列車調度、防災消防調度、維修調度警用等子系統用戶提供無線集群通信手段；運營商提供的商用無線通信；基于無線通信的乘客信息系統，以車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統；基于無線通信的列車控制系統CBTC，結合無線電通信技術和自動化控制技術的應用，用無線通信來實現列車和地面設備的雙向通信，用以代替軌道電路來實現列車運行控制。

二、基于無線通信的列控系統發展迅速

CBTC系統是新型的城市軌道交通ATC系統，它通過列車與地面間連續的雙向通信，實時提供列車的位置以及速度信息，更新列車的移動授權，最大程度的減小了列車的運行間隔，突破了固定閉塞的局限，實現了移動閉塞，在技術以及成本上都較傳統的信號系統有明顯的優勢，CBTC系統是當今世界上最有發展潛力的列車運行控制系統。

近年來城市軌道交通信號系統的建設和改造都首選CBTC系統，廣州地鐵3、4、5、6號線，北京地鐵4、10號線和首都機場線、亦莊線、房山線、昌平線，上海地鐵6、7、8、9、10、11、12號線，南京地鐵2號線，蘇州地鐵1號線等。

三、CBTC系統概述

CBTC系統是一種采用先進的通信和計算機技術、連續控制、監測列車運行的列車控制系統，是實現移動閉塞制式的主要技術。它的關鍵特點是車載設備與軌旁設備間的實時雙向通信。基于無線通信的CBTC系統與傳統的基于軌道電路的信號系統相比，減少了硬件設備量，降低了設備安裝和維護成本，而且系統的安裝、調試和維護也很簡單，這就實現了更低的全壽命周期成本。

通用的CBTC系統結構如圖1所示：

從圖中可以看出：整個CBTC系統包含軌旁子系統（軌旁設備以及聯鎖系統）、CBTC車載子系統、ATS子系統和數據傳輸子系統。

四、車地之間的無線通信是CBTC的關鍵技術

CBTC系統通過建立車地之間連續雙向、高速的通信，使指令以及狀態實時交換；同時根據線路的條件，對列車進行限速或者與地面設備發生聯鎖關系。由于對列車的指令以及列車狀態、位置都需要通過車地通信來實現，所以通信的好壞直接影響行車安全，這就要求有可靠和安全的通信技術與設備。各類型CBTC系統在系統結構和功能日趨一致或接近的情況下，車地雙向連續通信方式是系統的關鍵技術之一。

車地通信就雙向信息傳輸方式而言，分為基于感應電纜環線和基于無線通信方式。無線通信是最廣泛應用的一種方式，它按照數據傳輸媒介的方式可分為：無線電臺、裂縫波導管、漏纜等。無線電臺的體積較小，安裝和維護容易。為了通信的質量。為了保證在一個無線接入點（AP）故障時通信不中斷，往往需要在同一個地點設置雙網覆蓋，進一步縮短了AP布置間距。利用裂縫波導管進行無線傳輸的信號系統有法國的ALSTOM公司，已經在新加坡東北線以及北京機場線中應用。波導管是能傳輸電磁波的金屬管，簡稱波導。它采用的是一種長方形鋁合金材料，在其表面每隔一段距離（約6cm）刻有一條2mm寬3cm長的裂縫，能夠讓無線電波從縫中漏泄出來。波導管的物理特性和衰減性能很好，傳輸距離遠（最大可以1600米），且抗干擾能力強。它減少了列車在各個AP間的漫游和切換，大大提高了無線傳輸的連續性和可靠性。在實際工程中，可采用混合組網的方式，在岔區以及安裝難度較大的地方采用無線電臺或漏纜等方式，該方式已在北京2號線、機場線等取得良好的使用效果，具有一定的工程應用價值。

五、南京地鐵2號線的具體應用

南京地鐵二號線采用了西門子的CBTC系統。該信號系統由三個主要子系統組成：列車自動監控（ATS）系統、計算機聯鎖系統Sicas（西門子計算機輔助信號系統，Siemens Computer Aided Signalling）、Trainguard MT ATP/ATO系統。各子系統相互協調，實現地面控制與車上控制相結合、中央控制與現地控制相結合的一體化自動控制系統。該系統與傳統的列控系統相比，減少了安裝維護工作量和備品備件的需求量。

為了保證連續可靠運行，SICAS聯鎖、Trainguard MT、MOCS和通信等子系統都是冗余的。與運行安全有關的計算機都采用符合故障-安全原理的“三取二”或“二取二”配置。ATS子系統由西門子提供的VICOS OC501中央設備及中電十四所提供的MOCS—LATS本地設備組成（Metro Operation Control System）。ATS和車站設備之間通過冗余的以太局域網通信。該系統基于西門子故障-安全的SIMIS原理，其現代化設計和安全數字總線通信的使用極大降低了聯鎖系統數量。該產品在連續式通信或者點式通信條件下，由Trainguard MT的列車自動防護和列車自動駕駛功能保證列車的安全監督和連續運行，列車安全功能主要基于移動閉塞原理。

無線系統是采用了Airlink TC，采用廣泛應用的IEEE802.11b標準，以冗余方式占用兩個沒有重疊的頻段（2.4GHz ISM頻段中1、11信道），通過2.4GHz WLAN技術，在分布式軌旁設備、中心設備和車載設備之間進行通信，供Traingard MT系統使用。對Trainguard數據來講，所有環網是冗余的，每個環網同軌旁一系列接入點（AP）接口。環網拓撲結構同簡單星型結構相比具有易于管理和節約光纖的特點，同時提供高可用度。接入點分布在軌旁，提供到車的無線鏈路。如果在某些區域隧道中有多股軌道，或在高架開放空間環境下，一個AP可覆蓋雙軌。AP使用定向天線，實際為TC提供的AP場強覆蓋軌道的范圍大約是兩個AP之間距離的兩倍，這樣就提供了冗余“雙覆蓋”無線區域。這樣設計的好處是如果軌旁間隔的AP出現故障并不會影響列車運行。

六、結束語

隨著我國城市軌道交通進入快速發展期，國內廠家也積極研制開發CBTC系統，如北京交通大學研制成功并用于北京的亦莊線，另外通號公司、卡斯柯公司、鐵道部科學研究院等單位都在開發國產的、具有完全自主知識產權的CBTC系統。因而基于無線通信的CBTC系統必然是今后城市軌道交通信號系統的發展方向。

參考文獻

[1]朱丹.城市軌道交通工程概論.版本[M].北京：人民交通出版社，2012：7-1.

[2]曾小清，王長林，張樹京.基于通信的軌道交通運行控制.版本[M].上海：同濟大學出版社，2007：81-95.