CBTC系統在地鐵工程中的應用設計研究

謝侯博

廈門軌道交通集團 福建 廈門 361000

引言

地鐵軌道交通為現代城市交通的重要組成部分，極大緩解了路面交通壓力，提高土地利用率，但地鐵軌道交通具有運營復雜、投入成本高的特點，為保障地鐵工程經濟效益、社會效益，需借助CBTC系統實現列車有序管理，在多種傳感器應用下明確列車位置及速度，為地鐵列車通行管理提供便利。

1 地鐵CBTC系統移動閉塞解析

移動閉塞是指，后續列車根據先行列車的進路條件及列車間距自動設定設行進速度的閉塞方式，而CBTC系統可建立車地間的信號互通，判斷列車實際位置及運行速度，為移動閉塞提供依據[1]。移動閉塞的實現機理為根據先行列車運行情況確保列車安全運行，假設列車間最小距離為S，先后列車速度分別為V1、V2，減速度分別為B1、B2，空走時間分別為T1、T2，可得出最小距離S關系式為：

假設先行列車在移動閉塞模式下的減速度無限大，此時空走時間可得最小距離S關系式為：

由于最小距離S在移動閉塞模式下不受先行列車運行速度影響，因此可將式（2）作為依據判斷后續列車安全行進速度，列車運行管理時僅需控制先后列車距離間隔，將該情形判定為相對位置模式，若根據傳感器等裝置得出最小距離S，在列車車型相同條件下，可將空走時間T1、T2視為一致，列車運行速度均衡，此時可根據先行列車速度V1得知后續列車速度V2，該方式需根據先行列車速度及位置判定后續列車安全行進速度，因此可將該情形判定為相對速度模式。

2 地鐵工程CBTC系統功能的實現

2.1 列車自動駕駛系統

系統功能的實現需要在列車自動防護系統的運行維護下進行，具體的應用流程主要根據列車自動監督系統發出的指令執行操作。為了實現列車在站點之間的自動運行，應按照運行圖內規定的區間走行時分列車控制地鐵列車。為滿足站點精確停車要求，可以在自動防護系統的應用下，使用軌旁設備和車地通行設備完成自動控制。在滿足列車運行動態調整功能時，自動駕駛系統可以根據列車在高峰或者低峰的狀態下了解列車的運行情況，在保障服務質量的前提下借助合適的列車速度曲線進行列車運行的有效控制，使乘客在搭乘列車時感到舒適。

2.2 列車自動監督系統

地鐵信號自動監控系統內還包含了一個自動監控子系統，專門負責列車實際運行狀態的監督與控制，具體功能內容如下：①對列車運行的識別功能。地鐵駛入某段范圍內，系統會給出列車車次、運行方向、運行速度、到達時間等信息，工作人員記錄資料后，以便對列車基本信息準確識別。②對列車追蹤的功能。系統可以根據列車實際位置，結合操作人員提出的請求創建或者刪除列車信息。③自動排路功能的實現，列車自動監控子系統可以為車輛提供準確的運行路線，按照目的地實現列車規定時間內的定點停靠，使列車可以在時間內正常運行，維持運行速度穩定。④列車自動調整功能。這里提到的自動調整實際指的是列車在運行中時刻表可以根據列車運動，對列車和時刻表的差值加以控制，使其盡量被控制在最低限度內。⑤對列車時刻表的自動管理功能。地鐵列車運行期間，管理人員以相應的編輯方式管理列車時刻表，依靠自動監控系統對時刻表內增加的車次做出妥善調整。

在中央ATS系統內設置自動控制ATS系統，車站內設置本地的ATS系統，專門負責該區域內的自動控制。列車自動監督系統能夠對地鐵全線范圍內的列車運行狀態做出監督與控制，本地系統和中央系統之間的ATS設備一同組成局域網，在光纖線路的作用下完成數據高速傳輸。實際應用中，ATS系統的使用特點主要體現為兩方面：一方面，操作人員能夠按照自身擁有的權限在工作站進行系統監督和控制；另一方面，ATS系統中如果出現了操作失誤，或者故障問題，系統不會對地鐵全線列車產生影響。因此，列車自動監督系統也可以被稱為非故障安全系統。

2.3 列車自動防護系統

在遵循故障安全的原則下應用列車自動防護系統，對權限內涉及的列車實際占用狀態、行駛速度、信號燈指示以及追蹤間隔等功能做出檢查，保證列車運行安全。整個自動防護系統包含軌旁和車載自動防護系統兩部分。為了實現對列車的準確定位，可通過列車實際運行狀態了解立車的路線、速度以及距離等信息，判斷立車運行期間的安全或者非安全位置，將列車運行的安全位置信息傳給防護系統，對列車做出安全防護。為了主動獲取列車信息，可根據列車位置的報告信息和道岔位置建立自動追蹤占用系統，通過自動防護系統提供的安全和非安全位置信息詳細計算安全區間兩端的列車位置信息。為了達到停車位置保證目的，列車自動防護系統可以對列車的當前位置和移動速度對比分析，系統接收進路取消指令后，可通過延遲時間實現列車的制動停車。在列車的速度校正方面，列車運行期間會時常存在低速或高速運行狀態，傳感器收到信息反饋后會自動對駕駛員提出預警，同時地鐵信號系統接收到信息后也會自動調整運行速度，使其被控制在可允許范圍內。停車期間如果為了讓運行速度下降，同時與授權通過的位置合理匹配，將列車運行在定點位置后才能完成停靠。此外，系統還具有防溜車功能，在停車位置中列車應保持靜止，如果系統檢測到物理位置移動，系統將會緊急制動，確保車輛不會溜車。

列車可以在自動駕駛與防護功能的幫助下進入自動駕駛環境，并在列車啟動、加速等環節實現全自動化控制效果，無須人為操作，使列車始終維持在穩定的模式下實現持續化運行。與此同時，CBTC系統的應用可以實現限制性人工駕駛，即采用降級形式的駕駛模式保障列車運行安全。列車在運行期間會有較高限速控制，駕駛人員根據限速顯示進入駕駛模式即可安全啟動列車，如果想要回歸正常駕駛模式，只需切換系統即可。除了限制性人工駕駛模式，系統中還包含非限制性人工駕駛模式，在一定程度上突出了地鐵工程信號的自動控制能力，在非限制人工列車駕駛模式下，操作人員應用CBTC系統時應切斷車載控制器的輸出，按照地面信號和具體的調度指令控制列車駕駛。地鐵列車運行期間，列車的行使安全與人員調度需要人工控制，從限制性人工駕駛模式切換到非限制性人工駕駛模式時需要對列車停車調整，避免調整時給列車造成電路緊急制動影響。

3 地鐵工程中CBTC系統的具體應用設計

本次選用某地鐵工程為設計案例，根據案例實際運行要求，以下采用相對位置模式的移動閉塞展開設計分析，明確該地鐵工程列車間安全間隔，借助CBTC系統通訊實時了解列車實際位置，合理控制列車距離，提升該地鐵工程承運能力。

3.1 優化車地通信

為滿足案例地鐵工程隧道線路要求，借助CBTC系統完成車地通信與列車定位，引入相對位置移動閉塞模式，加強車地設備的通信銜接，在最小距離基礎上靈活調控列車運行。為保障地鐵列車始終處于安全距離范圍內，杜絕“追尾”問題，后續列車應根據先行列車運行情況動態調整安全間隔，同時，現階段CBTC系統多使用802.11系列車地通信協議構成的WLAN組網，具有部署難度低、成本小的特點，以波導管、天線為通信媒介，頻段為5.8GHz或2.4GHz，而智能移動終端同樣為2.4GHz，易產生信號干擾。針對上述問題，在本次CBTC系統設計中，在現有WLAN組網基礎上采用TDD-LTE通信技術，以此為網絡構建車地通信CBTC系統，設置A網、B網兩套TDDLTE網絡，A網、B網分別為10MHz、5MHz帶寬，其中A網負責地鐵CBTC系統、車載裝置間的數據傳輸工作，B網單獨負責地鐵CBTC系統的數據傳輸。結合該地鐵案例來看，將其原列車線路設定為“燈泡線”，采用A網、B網兩套TDD-LTE網絡后將實現車地通信冗余配置，A網、B網同時運作，軌旁無線A網、B網與列車頭尾對應配置天線，軌旁AP天線于整個列車線路固定，車載A網、B網僅可與軌旁無線A網、B網實現通信，當地鐵列車經“燈泡線”后進入另一線路時，可能產生車頭A網、車尾B網分別對應軌旁A網、B網的情況，可對車地通信造成干擾，為避免此問題，在本次地鐵CBTC系統設計中，于列車內設置AP天線共4個，采用自動換端方式調換A網、B網，以此確保列車車地通信效果[2]。

3.2 設計追蹤間隔

為滿足案例地鐵工程對列車運行穩定性及工期的要求，采用相對位置移動閉塞模式展開CBTC系統設計，采用系統坐標描述先后列車位置，例如：2號區域、11號軌道單元、正向23m位移可記作“R2，S11，+23”。以軌旁置信標為列車位置校驗依據，調配優化列車工程線路，將位置描述誤差控制在12m以內，并于設計結束后采用模擬運行模式檢驗CBTC系統設計效果，在案例地鐵工程中，最小追蹤間隔為90s，交路折返能力需達105s標準[3]。在實際設計中，將現有軌旁裝置設置為一體，如計軸器、聯鎖、信標、信號機等設備，使CBTC系統在無線通信技術應用下準確判斷列車位置，根據追蹤間隔監控裝備列車運行狀態，并設置ATP防護，通信故障或未安裝通信裝置的列車需要求司機根據移動閉塞標準控制列車行進指數，同樣設定ATP列車自動防護系統。為使地鐵列車滿足不同承運場景，可將兩種駕駛模式設置為自動選擇程序，所有列車均安裝防護裝置，便于地鐵列車根據實際情況選擇運行模式。

3.3 列車精準定位

列車位置關乎運行間隔的優化，且與列車沖突點相關工作存在聯系，因此需加強對列車定位檢驗工作的重視，在案例地鐵工程CBTC系統時，借助測速傳感器了解列車運行狀態，根據輪周長算法得出列車位移情況，為消除由打滑空轉引起的位移計算誤差，采用多普勒雷達檢驗車輛位移，補償誤差，此外，為進一步確定列車位置，依托于車載軌道數據庫電子地圖，銜接信標讀取器，將所讀取的信標信息與電子地圖內容對比，以此獲得列車精準定位。為提升多列車的精準定位及安全承運管理控制，在該地鐵工程案例中，需嚴格控制列車裝置安裝精度及線路信息，具體設置如下：岔尖位置、計軸器位置、信號機位置均為0.10m，坡道信息與線路曲線為0.03m，標準信標、精確信標位置分別為0.08m、0.025m。

4 結束語

綜上所述，無線通信等先進技術的應用優化了地鐵CBTC系統應用場景，案例地鐵工程采用CBTC移動閉塞烯烴，完成了地鐵列車的準確定位，明確了列車間最小距離及行進速度，借助CBTC系統消除信號干擾問題，從車地通信、追蹤間隔、精準定位三個方面展開優化設計，確保地鐵列車有序承運。