CBTC系統在西安地鐵2號線的應用探析

高嶸華

（西安鐵路職業技術學院，西安 710003）

隨著我國城市化進程的加快，優先規劃和發展軌道交通，成為越來越多的城市解決交通運輸問題、推動城市化進程的最佳選擇。集行車指揮、運行調整以及列車駕駛自動化等功能為一體的列車自動控制系統，是實現列車快速、高密度、有序運行的關鍵技術之一，是城市軌道交通調度指揮和安全運營的中樞神經。

城市軌道交通列車自動控制系統在國內外呈現多樣化和標準化的趨勢。從以往的基于多信息移頻軌道電路的固定閉塞制式，到基于報文式軌道電路的準移動閉塞制式，和基于通信的移動閉塞制式（CBTC，Communication Based Train Control），在國內都已相繼出現。CBTC是目前最先進的列車運行控制系統，西安地鐵2號線列車自動控制系統選用CBTC系統。

1 CBTC系統

1.1 CBTC概述

IEEE將CBTC定義為：利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路）雙向連續、大容量的車-地數據通信，車載、地面的安全功能處理器實現的一種連續自動列車控制系統（ATC，Automatic Train Control）。

借助先進的列車定位技術、安全處理器技術和無線通信技術，使得CBTC與傳統基于軌道電路的列車控制系統相比，具有以下優點：

（1）通過車- 地間雙向信息傳輸，實現對列車的閉環控制，系統可靠性更高；（2）利用實時列車位置信息，獲得最佳通過能力以及最佳列車運行控制，實現系統資源的靈活配置；（3）可以實現移動閉塞；（4）能及時準確獲得系統運營的各類實時信息，使旅客服務的智能化；（5）設備主要集中在車站和列車上，減輕設備維護和管理人員的勞動強度。

1.2 移動閉塞

CBTC移動閉塞系統通過實現車－地間實時、雙向通信，使地面軌旁信號設備的信息與車載信號設備信息交換，得到前行列車與后行列車分辨率較高位置信息，由此計算出兩車之間的相對距離，根據后車的制動性能、實際運行速度和線路參數和預定的安全距離，可實時動態地計算出后車追蹤的安全間隔距離。在移動閉塞系統中，因為列車與地面之間信息傳遞不依靠軌道電路，線路不用被固定劃分成閉塞分區，列車運行的間隔是動態的，后車制動的起始點和終點也是動態的，可以根據列車實際速度和實際間隔實時計算調整閉塞分區長度，盡可能縮短列車運行間隔，提高行車密度，使得地鐵運營有條件實現小編組、高密度的行車組織模式。

地面軌旁設備實時接收本控制范圍內所有列車傳來的列車識別號、位置、方向和速度信息，信息刷新周期小于500 ms。同時軌旁設備根據接收到的列車信息，計算各列車的移動授權，并向本控制范圍內的每列列車周期性地傳送移動授權信息。移動授權由前行列車的位置來確定，隨著前行列車的移動而逐漸前移。車載設備根據接收到的移動授權信息以及列車速度、線路參數、司機反應時間等，計算出列車的緊急制動觸發曲線和緊急制動曲線，以確保列車不超越現有的移動授權。因此,在移動閉塞系統中，列車運行安全防護點不是在軌道區段的分界點，而是在前行列車車尾后方加上安全距離的位置，它隨著列車的移動而移動。移動閉塞具有更大運用靈活性和更小行車間隔，也具備了更大運行調整能力。

目前，我國CBTC系統利用交叉感應電纜環線、漏纜、裂縫波導管或無線電臺等4種信息傳輸媒介實現車－地雙向數據傳輸，數據被循環更新，以保證列車收到即時信息。

2 西安地鐵2號線概況

在西安市軌道交通線網規劃中，地鐵2號線沿西安市南北向主客流走廊布設，屬于“交通疏解”型線路。其一期工程北起于鐵路北客站，南止于會展中心站共設17座地下車站，線路全長約20.5 km。作為西安市修建的第一條城市軌道交通干線，它穿越了西安市人口稠密、商業網點密集、交通繁忙的城市中心區域和大型客流集散點，具有大運量、高密度、不間斷的城市軌道運輸要求。高峰小時滿足行車最小間隔為初期5 min，近期3.3 min，遠期2 min要求。正線線路允許的列車最大運行速度為80 km/h；初、近期列車平均旅行速度36 km/h，遠期38 km/h；車輛段出/入段線采用小半經曲線（R=200 m）,出/入段線線路允許的列車最大運行速度均為40 km/h。

3 西安地鐵2號線的CBTC系統構成

西安地鐵2號線選用基于無線電臺的CBTC系統，它由列車自動監控子系統（ATS，Automatic Train Supervision）、列車自動防護子系統(ATP，Automatic Train Protection)、列車自動運行子系統(ATO，Automatic Train Operation)、計算機聯鎖子系統（CBI，Computer Based Interlocking）和數據通信子系統（DCS，Data Communication System）組成。這5個子系統通過信息傳輸網構成閉環控制系統，滿足地鐵的安全及運營要求，系統組成見圖1所示。

圖1 地鐵2號線CBTC系統組成框圖

該CBTC系統能夠實現基于連續式通信、點式通信及聯鎖級控制的三級列車控制功能。

第1級：連續式通信級列車控制。在連續式通信級，CBTC系統通過車地雙向通信，使地面信號設備可以得到每一列車連續的位置信息和列車其它運行信息，并據此計算出每一列車的移動授權，且動態更新，實時發送給列車，這樣后行列車追蹤目標點就可以是前行列車的尾部加安全距離，從而可以實現移動閉塞，使系統能夠獲得更小的列車運行間隔。

第2級：點式通信級列車控制。點式通信級列車控制為CBTC的降級系統。當軌旁ATP設備、車地無線通信設備故障等狀況下，為運營提供一種降級運營的手段，其移動授權的計算由車載控制器完成，并在特定的地點接受可變應答器傳輸的信息后更新，保證全線運營不受大的影響。列車行車閉塞方式通常為進路閉塞。

第3級：聯鎖級控制。聯鎖級控制為連續式通信或點式通信級列車控制設備故障的底層后備，由地面信號系統為列車運行提供全面的聯鎖防護。

4 應用效果分析

4.1 系統能力分析

2號線已于2013年7月開通了CBTC系統，目前運行間隔高峰為5 min22 s，平峰為為 6 min 08 s，低谷為8 min 36 s。2號線線路上有5個與其它軌道交通線路的換乘節點，對于線路上的大客流的換乘節點站，在高峰時期可能會造成停站時間的延長而打亂正常運行圖，這可通過縮短下一區間的走行時間實現運營調整。CBTC可實現正線80 s～90 s的行車間隔，因而信號系統有較大的調整余量，并具有實時運行調整功能，通過更小的運行間隔來提高運能，提升地鐵運營的靈活性，適應2號線遠期30對/h的通過能力的要求。

4.2 系統實用性分析

4.2.1 維修性

CBTC系統脫離了軌道電路，信息的傳輸避免了牽引回流對信號系統的諧波干擾，受外界各種物理因素干擾小，可靠性高，使設備調試和維護成本將降低，給現場安裝測試、調試和維護帶來很大便利，有利于降低系統全生命周期內的運營成本；同時，由于系統核心通過軟件實現，使其在硬件數量上減少，因而可以降低維修費用，從而降低系統全壽命周期成本。

從地鐵對維修的快速、準確、少影響行車的發展趨勢考慮，運營維修對遠程維修信息量的傳輸要求越來越大，尤其是車載設備以及車輛本身的狀態信息、故障信息的傳輸要求具有高實時性。CBTC系統在軌旁及車載設備之間提供雙向、高速、大容量、實時的數據通信鏈路，可實現高質量的運營維護和滿足快速、準確的維修要求。

4.2.2 可靠性和可用性

系統通過關鍵設備采用多重冗余技術、信息傳輸的高可靠性、配置后備運行模式、采用相對獨立的硬件或軟件冗余等措施降低系統的失效概率，提高系統可靠性。基于無線電臺CBTC系統,采用無線網絡重疊覆蓋方式，形成雙通道冗余結構，提高系統可用性。

4.2.3 互聯互通

由于無線CBTC的各子系統間邏輯接口均通過數據通信系統實現，數據通信系統采用開放的國際標準后，子系統間的接口也可實現標準化。因此采用無線 CBTC 將會有利于實現互聯互通。

2號線具有分期建設、分段開通的工程特點，采用CBTC系統利于最大程度地減少對已開通運營線路的運行干擾。系統更易于擴展和升級，不需改變既有硬件結構可滿足線路未來的延伸。

4.3 系統運營維護分析

采用無線電臺作為傳輸媒介，軌旁僅在隧道頂部或側壁安裝無線天線、設備箱盒等，軌旁設備相對較少，安裝位置不易遭到人為破壞，維護工作量小，對其他專業的維護工作干擾較少，且軌旁設備采用熱備冗余結構，可靠性高。無線單元應用標準的商用無線局域網產品，高度通用模塊化，長期運營費用低，確保日后的維修和備品支持工作。

系統設備具有完善的自檢和自診斷功能，并具備遠程測試和診斷功能，設備故障診斷定位到板級。安全無關的電子設備維修到板級，與安全有關的電子設備通過更換電路板，無需現場維修。對于在線維護或一級維護，一旦發現可更換設備失效，可從備品中選擇良好設備進行更換，可加速故障恢復過程，縮短子系統的停機檢修時間。

5 結束語

目前只有西安與成都實際開通了CBTC（成都地鐵于2013年開通CBTC），但應用的成熟度還不如傳統的列車控制系統。由于CBTC屬于技術領先型系統，是今后城市軌道交通信號ATC系統的發展方向，因此，各城市在應用中積累運營維護經驗，優化維修策略，降低系統運營維護成本，同時也為其他線路的建設提供真實的全壽命周期成本比對。

[1]曾小清.基于通信的軌道交通運行控制 [M].上海：同濟大學出版社，2007.

[2]GB50157-2003地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.