基于通信的城市軌道交通信號與控制系統研究

王拓輝

摘 要：伴隨著社會經濟的進步，我國的交通運輸建設也在加速發展。尤其是城市軌道交通，在短短的幾年內，地鐵線路網遍布于全國各大城市，這加大了對軌道交通信號控制系統的需求。軌道列車的行駛速度快，高效、準確、及時的信息傳輸在交通運行過程中非常重要，傳統的信息傳輸方式已不能滿足軌道交通運輸的要求。我國的交通信號系統技術還不成熟，還存在信號不兼容、傳輸效率低等問題。本文對不同的軌道交通信號控制系統及CBTC進行了全面的分析，旨在為信號系統技術的革新和改進提供參考。

關鍵詞：通信 城市軌道交通 信號控制系統

Research on Signaling and Control System of Urban Rail Transit based on Communication

Wang Tuohui

Abstract：With the progress of social economy， China's transportation construction，? especially urban rail transit， is also accelerating. In just a few years， the subway line network is spread throughout major cities across the country， which increases the demand for rail transit signal control systems. The speed of rail trains is fast， and efficient， accurate and timely information transmission is very important in the process of traffic operation， and the traditional information transmission method can no longer meet the requirements of rail transportation. China's traffic signal system technology is not mature， and there are still problems such as signal incompatibility and low transmission efficiency. This paper provides a comprehensive analysis of different rail transit signal control systems and CBTCs， aiming to provide reference for the innovation and improvement of signal system technology.

Key words：communication， urban rail transit， signal control system

1 引言

近年來，隨著我國城鎮化建設步伐的加快，城市人口逐漸集中，給城市交通帶來了巨大的壓力。城市軌道交通的建設，在減輕交通壓力的同時，更方便于人們出行。這對城市軌道交通通信提出了更高的要求，傳統的信息傳輸方式已不能滿足目前快速、高效傳遞信息的需求。我國的交通信號系統技術還不成熟，還存在信號不兼容、傳輸效率低等問題。對信號系統的改造是軌道交通建設的重要內容。因此本文對不同的軌道交通信號控制系統及CBTC進行了全面的分析，旨在為信號系統技術的革新和改進提供參考。

2 城市交通信號控制系統存在的問題

2.1 信號兼容性較差

現階段，我國的信號通信系統，引進后一般先用于發達的城市，然后再用于其他城市。地區間信號系統的連通性得不到保證，從而造成區域通信問題。[1]信號兼容問題，會直接影響區域間列車速度的控制，從而引發交通事故。同時信號兼容問題會加大系統維護的難度，嚴重降低了工作效率。

2.2 監控能力不足

城市軌道交通錯綜復雜，一些監控能力較弱的信號系統，不能夠對軌道交通進行及時、全面的監控，不能滿足城市軌道交通正常運行的需求。

2.3 建設成本過高

雖然軌道交通信號控制系統的需求量大，但是我國的軌道交通信號系統研發技術還不成熟，設備多以引進為主，這使得建設成本過高。除此之外，我國城市軌道交通信號系統運行人才也很缺乏。

2.4 信號傳輸效率低

軌道交通信號系統要求，信息要及時準確的傳送，才能滿足目前復雜的軌道交通系統。在我國仍然存在部分系統信息傳輸延時的情況。從而導致列車之間不能及時交換信息，這將是一個很大的安全隱患，嚴重威脅到了乘客的乘車安全。

3 不同軌道交通信號控制系統

3.1 信號控制系統

3.1.1 列車自動防護系統

列車自動防護系統簡稱ATP，主要監測運行相關設備，控制列車行駛速度。該系統具有實時監測列車位置、維持行車距離、故障報警等功能。與自動運行系統、自動監控系統及車輛系統通過接口連接，進行數據的同步交換。該系統將線路信息等地面信息，通過無線傳輸不間斷地傳給列車，然后車載系統會計算出安全行駛速度，若列車速度高于安全速度，自動防護系統就會降低列車的速度，保證列車以安全速度行駛。

3.1.2 列車自動運行系統

列車自動運行子系統也被稱為ATO系統。可以使列車實現自動駕駛，提高了駕駛員的工作效率和乘客乘車的舒適度，降低了能源消耗。該系統通過接收來自地面的信息，控制列車按照車站位點精確停車。

3.1.3 列車自動監控系統

列車自動監控系統即ATS系統。該系統根據構造不同被分為：監視分散型、集中控制型、自制分散型三類。集中控制型設備中有，打印機、繪圖儀UPS等。該系統主要功能為：檢測控制處于調度區段的列車運行、監測控制設備、記錄行車軌跡、統計行車數據并生成報表等功能。[2]

3.2 信號系統的運行優勢

3.2.1 運行具有獨立性

信號渠道在實際的運行過程中具有獨立性的特點，不與其他電路相連接，從而更方便信號控制設備的安裝和維護。

3.2.2 雙向傳輸

能夠完成雙向信息傳輸，具有傳輸速度快，信息傳輸量大的優勢。

3.2.3 安全控制

信號控制系統具有移動閉塞的功能，控制列車保持安全車距，促使列車安全高效地運行，降低了安全事故發生的概率，為乘客的乘車安全提供了保障。

3.2.4 自動駕駛

信號控制系統能夠使列車實現自動駕駛功能，降低了司機的工作強度。信號控制系統通過車載控制器進行列車位置、行車軌跡、行車速度等信息的傳遞。根據接收的信息，結合岔道設計速度規定的因素，信號控制系統對列車進行降速或者提速的控制，使列車保持安全的行車距離和行駛速度。[3]

4 信號控制系統的應用

4.1 ATO控制

4.1.1 信號分級速度控制

列車在行駛過程中速度會有差異性，根據實際情況，分級速度信號控制系統，按照具有階梯式的速度曲線，對列車的速度進行調整。在運用該系統時，要對電路進行有效的規定，軌道電路是用于信號傳輸的介質，選擇能夠傳輸多信息的型號，這樣才能實現列車的信息高效、及時、準確的傳輸，從而增強了對列車速度的控制效果。

4.1.2 目標信號控制

目標信號控制主要是對于列車的行車間距進行有效地控制，同時，依據速度控制的需求，制定控制速度的標準。ATO系統可向地面設備發送行車間距、速度變化、行車指令等信息，通過目標信號控制，可使列車安全平穩地運行，除此之外吧，還可以增加通行車次，滿足軌道交通高效運輸的各項需求。

4.1.3 閉塞控制

ATO系統具有監控軌道電路和傳輸信息兩個系統，控制軌道電路包括：閉塞控制、移動控制、固定控制這三種，其中用得較多的是移動控制。依據列車的具體運行情況、線路控制等各種因素來設定安全行車距離，此種信號控制因沒有固定性，所以稱為閉塞控制。

4.2 ATS系統控制

4.2.1 集中控制

集中控制是指系統對列車的指揮和調度，在實際運行過程中對列車實施控制。主要依據整體行車規劃來進行信號調整，從而行使對列車的控制。電纜傳輸信號具有穩定性、安全性、保真性等特征，運用于集中控制系統中，提高了信息傳輸的效率，從而體現出了集中控制系統的優勢。除此之外，集中控制系統還具有所需設備數量小、操作便利的優勢。在此基礎上，也對信息傳輸的高效性、準確性、實時性提出了更高的要求。

4.2.2 集中監視

在進行車站控制時，控制中心只會對調度計劃、運行信息等進行監督，不直接對列車實施控制，從而有效降低了信號控制的工作量，這便是集中監視控制的優勢。由于集中監視控制不直接與列車交換信息，所以，當控制系統出現問題時，列車還可以保持正常運行，提高了抗系統故障性能。

4.2.3 分散控制

分散控制是城市軌道交通信號控制系統技術發展的產物，其具有可延伸性。結合了集中控制和集中監控的優勢。[4]分散控制方式由控制中心制定調度規劃，然后有序地進行各項監督管理工作，從而提高了調度與控制的效果。分散控制可對列車進行直接控制，能夠有效地進行控制系統與列車之間的信息傳輸。在實際運用過程中，分散控制對設備數量和軟件功能要求較高，因而運行的靈活性更高。

5 基于通信的列車自動控制系統

基于通信的列車自動控制系統即CBTC系統，由ATS、VOBC、ZC、DCS幾部分組成。其工作原理是通過無線通信、控制列車、列車定位三部分，對列車進行精準的定位監控，從而實現高速、準確的雙向信息傳輸。

5.1 ATS子系統

控制中心的工作人員可以通過顯示屏查看ATS提供的列車信息。該系統可以與其他列車控制系統交換信息、傳輸命令，從而對列車進行精確地控制。

5.2 區域控制器

區域控制器即ZC，由MAU和PMI兩部分組成。該系統可以根據障礙地點和交通載荷量，確定列車的行駛權限，以確保列車行駛的安全性。其工作原理是，通過無線通信、控制列車、列車定位三部分，對列車進行精準的定位監控，實現高速、準確的雙向信息傳輸。

5.3 車載控制器

車載控制器的簡稱是VOBC，與列車具有一一對應的關系。根據接收到的速度信號，來監測行駛距離和運行速度，可使列車實現自動駕駛的功能。其數據庫中含有：坡度、信標位置、限速位點及停車位點等所有軌道信息。TOD是ATS和VOBC的接口，提供即時速度、限制速度等信息。

5.4 數據通信系統

即DCS，不是安全系統，主要功能是傳送控制信息，凡是與DCS相連的兩個節點，都可以進行信息交換。

5.5 CBTC系統的優勢

該系統向列車傳遞信息不是依靠軌道電路，而是利用通信網絡，對列車和地面設備進行雙向通信。用具有連續匯報列車位置功能的移動閉塞代替區段閉塞。快速、準確、高效的雙向傳輸信號，是CBTC系統的主要優勢。實時定位列車位置，全面掌握列車的運行情況，可靈活調整列車的行車計劃，提高軌道通過能力。可分類傳輸不同的信息，將同類信息進行集中發送或者集中處理，從而極大地提高了信息傳輸效率。

6 CBTC的應用

目前，在中國已有北京、上海、武漢、廣州、昆明等城市的地鐵應用了CBTC系統。基于該系統的優勢，在我國將會得到更廣泛的應用和發展。[5]

6.1 車－地無線通信

為了保證實現車－地之間的信息交換，連續、高速、實時地進行，在現有的軌道交通運營狀況下，通常設置冗余的兩張網絡，每張都需要達到以下要求：

6.1.1 高速性能

當列車運行速度達到120千米每小時，車－地之間的無線網絡，要達到列車運行時系統控制對信息延時、丟包率的要求。

6.1.2 傳輸效率

傳輸效率在正常情況下，信息從發出到接收之間的時間間隔不超過150ms。

6.1.3 無線傳輸速率

無線傳輸速率，由DCS系統支持的車－地之間的信息傳輸，平均速率超過1Mbps。

6.1.4 丟包率

車尾或者車頭一側的，丟包率要不超過1%。

6.1.5 切換時間

對于車載的無線設備，其漫游時間不超過150毫秒，且總體情況不低于95% ，平均漫游切換時間低于100毫秒。

6.1.6 車－地抗干擾要求

基于實際運營環境分析，可能存在同頻干擾、雜波干擾、電磁干擾等干擾源。可以采用：空間分級、濾波裝置設計等方法來減少其他干擾。

6.1.7 車－地網絡安全要求

車－地的無線網絡，具有合理有效的終端設備、組網設計，專用于信號系統，與互聯網不連接，對信息的格式和流向有嚴格的要求。根據信號系統的運營范圍，其網絡安全等級應為三級保護，車－地無線網絡也要達到同等級的保護，可以采取過濾協議、分配IP等保護措施。

6.2 車－車無線通信

信號系統相當于城市軌道交通的神經中樞，是列車安全高效運行的保障。車－地的控制系統即CBTC，通過地面區域控制器接收從地面傳來的信息，將計算的列車運行信息，發送給車載控制器，從而控制軌道列車安全運行。隨著通信技術的發展，對信號系統的運營方式提出了更高的要求。過于復雜的CBTC接口不利于后期維護，而且所需設備數量多，以至于車－地的信息流量大，通信延時長得不到有效地縮短。

車－車無線通信控制系統，主要由車載控制器接收列車信息。5G移動通信的高效率、大容量、低延時的特點，能夠滿足基于車－車通信的列車道岔控制轉換要求。[6]因此，車－車通信的控制系統，會得到更廣泛的應用。

7 改進策略

隨著城市化的發展，軌道交通在城市交通運輸中將占據愈來愈多的比重。城市軌道交通的建設，不僅在于修建更多的線路，交通信號系統的升級也得跟上。目前，在我國重要的信號系統已實現了國產化，為城市軌道交通建設的發展提供了物質基礎，極大地降低了設備引進的成本。

任何的革新和改造都存在風險性。所有的改造措施都必須在保證列車能夠安全運行的前提下進行。要選擇合適的、成熟的技術，盡量減少對軌道交通正常運營的影響。同時在達到滿足要求的前提下，盡量縮小成本。在具體實施前，要科學制定改造方案，要對系統的轉換尺度進行嚴格的把控。城市軌道交通信號系統的改造，可以采用完全新建系統和維持原有系統兩種方案。

1）維持原有系統

該方案主要對原有的硬件設備進行更換，相應的工作軟件進行適當的分析，對于核心軟件保持原樣。按照建設的目標，對系統進行改進和完善，以滿足線路要求達到的服務水平。

2）新建系統方案

配置一套新的具有主流技術設備的信號系統，即采用CBTC系統。對于新舊系統的兼容性，在所有的新系統設備完全安裝之后，一次性倒切舊系統設備到新系統。

雖然兩種方案在技術和實施上都可行，但是由于實施的難度和技術特點不同，會存在工程實施、運營需求和系統性能、工程投資等方面的差異。

7.1 工程投資方面

選擇維持已有系統方案改造，系統設備購買不能選擇其他供貨商，從而不能控制采購價格。該方案有一個好處是可以控制改造范圍，相應的專業改造費用較低。

相對的新建系統方案，可以自由選擇供貨商，對采購價格可以控制。但是新系統建造，所產生的專業改造費較高。采購價格相同的情況下，維持原有系統改造方案的投入資金較少，但是后期的維保費用較高。

7.2 工程實施方面

維持已有系統方案，工程實施主要是更新硬件，對系統配置、系統參數等不用重新設計，所以，此方案的實施過程比較簡單。該方案可以利用新舊設備的兼容性，對子系統、連鎖控制區等，進行逐個替換。列車設備的改造也可以用這個改造法，從而縮小了過度調試范圍，降低了對正常運營造成的影響。但是新舊設備的過渡倒切工作量大，且在運營過程中會存在新舊兩種設備共存的現象，所以要充分的對系統做穩定性驗證。

完全新建系統方案，需要對系統配置、系統參數等重新做設計，需要對線路、車輛等重要數據重新收集并驗證。新建系統方案設備的施工，完全不影響車輛運營，但是與專業系統的接口需要倒切調試，很有可能造成對正常運營的影響。同時新系統的倒切涉及全線，需要停運完成。

7.3 運營需求和系統性能方面

維持原有系統方式，可以確定在改造后系統性能高于原有系統。可以采取階段施工，對子系統設備進行逐個替換的方式，可達到短期內改善系統的目標，從而提高交通運營效率。

完全新建系統方案，應用CBTC系統，可以提高比原有系統更高的服務水平。

8 結論

我國的軌道交通運輸網將會蔓延更廣闊的區域，實際運行情況會更復雜。對交通信號控制系統不僅要求快速、準確、高效的傳輸信息，還要求其具有更強的抗故障性能。改造和提升信號系統將是城市軌道交通發展急需解決的問題。

參考文獻：

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[2]黃達躍.通信控制系統（CBTC）的城市軌道交通信號控制系統探究[J].交通科技與管理，2021，（14）：44-45.

[3]畢昆.城市軌道交通通信與信號控制研究[J].中國高新科技，2021，（6）：67-68.

[4]朱莉.基于通信的列車控制技術下城市軌道交通軌旁信號的分析[J].城市軌道交通研究，2010，第13卷（8）：77-79.

[5]張惺. 城市軌道交通信號系統大修改造方案分析[J]. 鐵道通信信號， 2021， 第57卷（1）：88-90，94.

[6]陳浩.城市軌道交通信號控制系統軟件安全完整性自動化測試方法研究[J].建材發展導向，2019，（21）.