CBTC系統在南昌軌道交通1號線的應用

張 章

CBTC系統在南昌軌道交通1號線的應用

張 章

摘 要：南昌軌道交通1號線信號系統采用了基于無線通信的列車控制（CBTC）系統。闡述了該系統的構成、主要工作原理、功能特點以及在南昌軌道交通1號線的應用。為保障線路的運營安全和效率提供了基礎。關鍵詞：CBTC；移動閉塞；運營安全；效率；移動授權

張 章：南昌軌道交通集團有限公司，助理工程師，江西南昌 330038

1　系統構成

南昌軌道交通1號線信號系統包括定修段1座（含試車線、培訓中心和維護中心）、停車場1座、正線8個控區、控制中心、維修監測子系統以及總共27列列車的車載設備。信號系統構成見圖1，主要組成部分如下。

（1）列車自動監控系統（ATS）。通過在控制中心以及8個控區車站的設備，為中央及車站調度員提供用戶界面，完成進路分配、間隔調整、時刻表生成、區域封鎖、臨時限速、跳停、事件記錄等以及行車組織有關的管理功能。

（2）區域控制器（ZC）。區域控制器為安全型設備，由移動授權單元（MAU）和軌旁聯鎖（PMI）組成。其中：①移動授權單元由ATP/ ATO核心計算機單元和其他板卡組成，為3取2配置；②聯鎖采用1 套2乘2取2結構的安全型計算機組成。

圖1　信號系統結構

（3）車載設備。車載控制器（VOBC），由ATP/ATO核心計算機單元和其他板卡組成，為2乘2 取2配置；還有車載無線單元（MR）、車載顯示單元（TOD）、查詢應答器天線（TIA）等。

（4）數據通信系統（DCS）。包括有線網絡部分和無線網絡部分。其中：有線網絡部分為包括骨干網設備、網絡交換機、安全設備組成的冗余網絡；無線網絡部分采用軌旁無線接入點（AP），車載無線設備、車-地通信采用具有強抗干擾能力的802.11FHSS技術，確保系統在運營復雜的無線環境中正常工作。

（5）維護監測子系統。通過維修監測服務器、磁盤陣列、數據處理服務器、接口服務器、維修監測工作站、打印機、交換機等設備，實現整個信號系統設備的集中監測和告警處理。

信號系統功能被分配到1個或多個安全型硬件平臺，可以針對不同的應用而修改，并支持系統的互用性。

2　系統主要工作原理

2.1列車定位原理

2.1.1列車位置初始化

南昌1號線的線路設置4個進入/退出點，位于定修段和停車場的進口和出口，還有1個進入/退出點設置于與2號線的接口。

每個CBTC入口處，都安裝有2個應答器。當列車接近列車自動控制（ATC）區域時，一旦檢測到2個連續的應答器、并且確定這2個應答器的位置值和車載線路數據庫中的一致，則該列車的位置和方向將被初始化。

2.1.2列車定位

車載控制器（VOBC）將會測量它所經過的2個連續的應答器之間的距離，并將其與線路數據庫中的距離進行比較。如果兩者的差異在限定的誤差里，則列車的位置便確定，而且列車的確切位置及方向也能辨認出來。對應于每個檢測到的應答器，車載控制器將調整位置不確定性。車載控制器將根據速度計的輸入來確定列車在2個應答器之間的位置。

如果沒有檢測到2個連續的應答器或者檢測到1個非預期應答器，車載控制器將把列車位置設置為未知。非預期應答器是指檢測到了與數據庫中定義的位置不同的應答器。

區域控制器（ZC）根據列車報告的車頭位置，再加上位置測量誤差值和估計的運行距離，計算出通信列車的車頭位置。

區域控制器根據列車報告的車尾位置，再加上位置測量誤差值和潛在的倒溜距離計算得出通信車可能的車尾位置（圖2）。

圖2　列車定位

列車以厘米精度為單位向ATS及區域控制器報告列車位置。

2.2列車追蹤原理

在正常CBTC運營下，列車間隔是基于移動閉塞原則計算的，這種情況下，列車的移動授權權限（LMA）基于前車的精確位置向前延伸。在后備模式下（限制人工模式RM、點式ATP），列車間隔是基于計軸與信號機的固定閉塞系統計算的。

系統采用移動閉塞原理來控制列車間隔。當前列車與前行列車的安全距離是基于當前列車的即時速度、速度測量的最大誤差、列車位置的不確定性、最不利情況下列車的緊急制動能力、障礙類型等動態計算的結果。

車載設備在區域控制器發出的移動授權權限下負責列車的安全運行。移動授權權限被授權至列車前方的實際障礙物。車載設備確保由它產生的速度曲線考慮了所有適當的安全因素。這些考慮包括最不利情況下的停車距離和前方障礙物位置的不確定性。

在傳統信號系統中，對后續列車的移動授權是根據前行列車對軌道區段的占用而給出的。在移動閉塞系統中，區域控制器根據列車所報告的位置，加上位置的不確定誤差，從而得出該列車在最不利條件下的位置。區域控制器將這個列車的位置作為后續列車的障礙物來計算后續列車的移動授權權限，使之與前方列車盡可能接近。

如圖3、圖4所示，如果前行通信列車向前移動，后續列車的移動授權權限相應向前延伸。

移動授權單元（MAU）從ATS接收到列車A與列車B的進路請求。

圖3　無前車的列車移動授權權限（LMA）

圖4　2列ATO列車追蹤

移動授權單元通過列車B所報告的列車位置，為列車A排列進路與移動授權。當列車B向前移動時，移動授權單元會逐步解鎖列車B后方的進路以及移動授權。

隨著列車B向前移動，移動授權單元將為列車A延伸進路以及移動授權。

2.3車-地通信原理

信號系統基于車載控制器（VOBC）與區域控制器（ZC）、車載控制器與ATS之間的連續雙向通信，提供移動閉塞。

DCS系統確保2個方向上的完全無線覆蓋。

安全通信通過安全子系統間的端對端來保證（移動授權單元-車載控制器、移動授權單元-聯鎖、移動授權單元-移動授權單元)。

當子系統（移動授權單元、聯鎖、車載控制器）創建一個安全信息時，它計算安全編碼，連同應用信息一起發送。接收者（移動授權單元、聯鎖、車載控制器）檢查安全編碼，若安全編碼錯誤則拒絕信息。

2.4列車控制原理

車載控制器根據接收到的來自移動授權單元的移動授權權限計算相應的停車點和最大允許速度，以確保列車可以在最差情況下在移動授權權限之內停車。

車載控制器采用能力強大的奔騰板動態計算安全距離，滿足2個目標：①安全，列車停在移動授權權限（LMA）之內；②運營效率，列車停車點盡可能靠近LMA。

車載控制器每個周期基于列車參數、軌道參數和移動授權權限計算速度限制。列車參數包括列車長度和大小、牽引切除延遲時間、常用制動延遲時間、緊急制動建立時間等。軌道參數包括保存在車載數據庫中的線路限速、坡度等。

移動授權權限由移動授權單元（MAU）確定。移動授權權限可以是前車的尾部、軌道的末端、非通信列車占用計軸區段的邊界。如果移動授權權限是前車的尾部，那移動授權權限可以基于前車尾部位置延伸。

如果列車實際速度超過緊急制動（EB）應用速度曲線，那車載控制器將對列車施加緊急制動（圖5）。

2.5聯鎖控制原理

在CBTC運行等級下，系統的移動閉塞邏輯由移動授權單元執行，聯鎖設備執行信號機和轉轍機等室外設備狀態的驅動和采集。在CBTC模式下，聯鎖以列車的實際位置進行解鎖；在聯鎖和點式ATP運行等級下，聯鎖設備執行固定閉塞邏輯，以計軸區段為單位進行分段解鎖。

聯鎖設備能判斷保護區段的設置時機，后續列車進路保護區段的設置不會影響前行列車的運行和折返作業。

圖5　安全制動模型

聯鎖控制的安全聯鎖包括區段鎖閉、進路鎖閉、延時解鎖、道岔占用檢測、道岔監控和接近鎖閉。

2.6進路控制原理

系統中定義運行線用于進路的排列，1條運行線定義了1組點到點之間的行程，在大多數情況下，是一個閉合的交路。在中央調度員選擇好系統運行模式時，由ATS自動完成運行線的分配，或者值班員人工分配運行線，運行線是分配給列車的。

定義和分配不同的運行線，就可以實現自動為列車分配進路、正常的折返交路、反向的折返交路、非正常的往復進路等。運行線的定義是在設計階段根據客戶的實際需要確定的，可以支持所有需要的正常和非正常的進路。通過定義不同的運行線，系統可以方便地支持所有可能的運行場景及折返模式，例如：正向運行及折返，反向運行及折返，短交路折返，往復運行的運行線等。2.6.1 進路排列及解鎖

根據分配的運行線，系統為列車排列進路，進路總是排列至列車的下一個可能的停車點，若列車在A站，根據運行線的分配，其最終目的地是D站，則ATS自動為列車分配至B站的進路，列車在B站停車后，再分配至C站的進路，若列車是需要跳停C站的，則列車在接近C站之前會自動延伸自C站至D站的進路，進路的延伸不影響列車的正常運營。進路隨著列車的位置移動實時的解鎖。

2.6.2CBTC模式下進路的請求和實施

ATS系統為列車分配運行線，并根據運行線為列車請求進路。在CBTC模式下，ATS系統向移動授權單元請求進路，移動授權單元根據進路請求預留并授權進路，包括必要的防護區段，防護區段長度視列車模式而定；若列車為CBTC的ATP/ATO列車，防護區段根據安全制動模型確定，大于40 m；若是非通信列車或是通信的RM列車，防護區段按照固定閉塞原則確定。

在非道岔區段，進路的預留授權等由移動授權單元單獨完成，聯鎖系統僅負責根據移動授權單元的命令開放或關閉信號機。

在道岔區段，移動授權單元會向聯鎖系統請求道岔區域的聯鎖進路，聯鎖系統根據請求轉動道岔并鎖閉進路。聯鎖進路僅限于道岔區域。

2.6.3后備模式下進路的請求和實施

在后備模式下，移動授權單元不工作。

在后備模式下，ATS系統向聯鎖系統請求進路，聯鎖進路根據進路請求預留并授權進路，包括必要的防護區段，防護區段按照固定閉塞原則確定。

值班員也可以手動設置信號機到信號機的進路。進路可以是自動解鎖進路，即列車經過后，進路自動解鎖；也可以是人工解鎖進路，即列車經過后，進路不會自動解鎖，條件具備后信號自動開放，為下一列車使用。

2.6.4聯鎖自動進路

在后備模式，且中央及本地ATS均故障的情況下，聯鎖系統可以為進入其控制區的列車自動分配缺省的進路。對于折返站，可以自動分配折返進路，根據列車的接近條件自動排列和解鎖。

3　系統功能特點

（1） DCS和信號系統的ATP/ ATO是相互獨立的。系統可以與任何提供用戶數據報協議/互聯網協議（UDP/IP）通信的標準DCS工作，并滿足信號系統性能需求；網絡采用跳頻擴頻技術(FHSS)的802.11，使其可靠性和抗干擾性優于用在其他無線系統的如802.11b/g/n技術，防止WiFi設備、其他無線局域網系統和藍牙等的干擾。同時，采用含動態密鑰保護管理的IP安全的加密技術用于特定的車載、軌旁和控制中心硬件。

（2） 采用分布式結構。每個聯鎖區都配置ATP/ATO設備、聯鎖設備及本地ATS設備。在系統出現1個ATP/ATO區域故障時有效減少對運營的影響，僅該區域運行在后備模式下（遵循固定閉塞原則并以點式ATP運營），提供了調試的靈活性，在土建推遲情況下，為分區調試提供可能；線路進行延伸割接時，僅需要升級相鄰區域的設備，而不影響其他控區的聯鎖，為線路延伸提供方便。

（3） 客戶化配置。系統使用通用的ATP/ATO軟件，并可為下述元素進行配置：不同的線路參數（坡度、站臺位置、道岔、信號機等）；聯鎖和ATP/ATO控區的數量；專用的列車參數和特性（列車長度、保證制動率、加速度、牽引施加和切除時延，緊急制動施加時延等）；每個設備的IP地址等。

（4） 雙向運行。CBTC系統提供完整的雙向運營，線路上任意位置的雙向ATP防護下的ATO，所有的折返運行可在基于ATP防護下的ATO進行；ATC系統可在任意位置任意方向確保安全，不依賴于操作人員。

（5） 多級降級后備方案。為減少設備故障對運營的影響，系統提供了多級降級運營及后備運營的功能，譬如當中央ATS設備故障后，本地ATS的自動切換提供本地控制；如果由于通信故障引起軌旁ATP故障，系統將提供點式ATP后備運營方案；在CBTC模式下，系統具備點式通信、連續式通信和非通信列車混合運行的能力；ATP故障時，聯鎖級的后備運營。

（6） 實現不同編組列車混合運營，系統根據精確的定位系統傳送列車的位置和長度，軌旁移動授權單元按照后續列車的車尾位置與前面列車車尾的距離計算移動授權，在混合編組運行時無需增加硬件設備。

4　CBTC系統在南昌1號線的應用

與傳統的信號系統相比，CBTC系統在運營能力、運營效率方面有了非常大的提高，列車之間的追蹤間隔不再取決于軌道區段或計軸區段，而是列車與列車之間的安全距離，一般為40 m。同時，通過部署可靠的骨干傳輸網絡和車-地通信，實時傳送列車信息和其他系統信息，確保列車的安全運行和監控要求

4.1優化的DCS網絡配置

南昌地鐵1號線的骨干網主要是由高速交換機和單模光纖構成的環形結構。這是基于IEEE 802.3以太網標準的有線通信網絡。諸多由層疊軌旁無線單元、發車表示器和其他冗余接入到骨干環網上的設備所構成的下層子網。

南昌軌道交通1號線的DCS骨干網包含了CBTC骨干網和ATS骨干網2個部分，通過CBTC骨干網和ATS骨干網的隔離，確保在ATS骨干網出現故障不影響系統正常運營。DCS骨干網由2根單獨線纜的光纖組成環形結構，這樣可使網絡可用性和數據處理能力得到最大化；以太網第2層網絡交換機用于創建1個可以支持多達50個交換機的環形網絡。

如圖6所示，數據傳輸網絡分為2張獨立的網絡，1張網絡承載CBTC信息，1張網絡承載ATS信息，雙網之間通過防火墻隔離連接，使得相互之間不受各自的影響，保證網絡通暢和安全信息的及時處理。在承載CBTC信息的網絡中，網絡單元全部通過保密器件進行設備鑒權，如車載ATP/ATO設備、軌旁聯鎖和移動授權單元設備等，防止非鑒權設備混入安全網絡。

4.2列車正線追蹤能力

和固定閉塞的信號系統不同，移動閉塞的CBTC系統的列車追蹤不再受到軌道電路或計軸區段的影響。車載控制器通過檢測軌道上的信標建立列車在軌道上的位置，當檢測到1個信標后，列車使用速度傳感器輸入來測量信標之間的距離以及運行的距離。數據庫包含了所有相關的軌道信息，如信標位置、車站、坡度、土建限速、道岔位置以及信號機位置。

SelTrac MS移動閉塞CBTC系統，車載控制器實時地保持和軌旁設備的通信，通過連續地收到來自軌旁的移動授權權限來駕駛列車。軌旁移動授權權限的計算基于先行列車和其他障礙物的位置來設定，和軌旁的軌道區段或計軸區段沒有關聯，大大提高了列車的運營效率，極限情況下，后車與前車的距離只有40 m?？梢源蟠筇岣呦到y運營的效率。

圖6　DCS骨干網總覽　

綜合考慮車輛的性能參數、土建的限制條件以及適當的人員和系

統反應時間等因素，上行軌道從雙港路到奧體中心線的追蹤間隔達到82.4 s；下行軌道從奧體中心到雙港路的最終間隔達到87.4 s。

5　結論

南昌地鐵1號線采用的基于無線通信的信號系統，采用全生命周期的設計理念，具備成熟的應用經驗，提供移動閉塞的雙向ATP/ATO運營能力，加上友好的ATS管理界面和網絡安全保障，必將為地鐵運營帶來價值。

參考文獻

[1] 南昌軌道交通集團有限公司，南昌市軌道交通1號線一期信號系統設計概覽[G]. 2013.

[2] 自儀泰雷茲自動化系統有限公司，南昌軌道交通1號線系統設計概覽[G]. 2014.

[3] 自儀泰雷茲自動化系統有限公司，南昌軌道交通1號線系統性能分析[G]. 2014.

責任編輯 冒一平

Application of CBTC System on Nanchang Metro Line 1

Zhang Zhang

Abstract:The signaling system of Nanchang metro line 1 adopts the wireless communication based train control (CBTC) system. The paper describes the system configuration, working principle, main features and application on Nanchang metro line 1. And it provides the basis for the safe operation and effi ciency of the line.

Keywords:CBTC, moving block, safe operation, effi ciency, movement authority

收稿日期2014-10-31

中圖分類號：U231.7