城市軌道交通信號CBTC系統的應用與優化

陳泓錦

摘??要：隨著城市化建設進程的不斷深入，我國各大城市都已經擁有或者正在規劃建設自己的城軌交通系統。在這種發展背景下，選擇科學、適用的城市軌道交通信號系統，保證車輛的安全行駛就成為了城市軌道交通建設過程中的一項重要任務。基于此，首先針對城市軌道交通信號的應用模式進行了分析，然后給出了城市軌道交通信號系統的具體應用策略。

關鍵詞：CBTC系統??通信技術??城市軌道交通信號??應用模式

中圖分類號：U239.5

Application?and?Optimization?of?the?CBTC?System?for?Urban?Rail?Transit?Signals

CHEN?Hongjin

Lanzhou?Modern?Vocational?College，?Lanzhou，?Gansu?Province，730300?China

Abstract：?With?the?continuous?deepening?of?the?urbanization?construction?process，?major?cities?in?China?have?already?owned?or?are?planning?to?build?their?own?urban?rail?transit?systems.?In?this?context?of?development，?it?has?become?an?important?task?in?the?construction?process?of?urban?rail?transit?to?choose?a?scientific?and?applicable?urban?rail?transit?signal?system?to?ensure?the?safe?driving?of?vehicles.?Based?on?this，?this?article?first?analyzes?the?application?modes?of?urban?rail?transit?signals，?and?then?provides?specific?application?strategies?for?the?urban?rail?transit?signal?system.

Key?Words：?CBTC?system;?Communication?technology;?Urban?rail?transit?signal;?Application?mode

進入21世紀以來，隨著城市規模的不斷擴張和城市人口的不斷增加，交通出行成為了城市建設中的一個重點內容，而軌道交通作為一種高效、便捷、無污染的出行方式，成為了城市居民出行的一種新選擇，在這種發展情況下，軌道交通逐漸呈現出了多元化和規模化的發展趨勢，而交通信號系統作為保障軌道交通正常運行的一個基礎，列車的安全運行對其提出了更高的要求。對此，就應結合軌道交通的實際建設情況來建設交通信號系統，不斷優化創新交通信號系統的運行模式，提升交通信號系統的運行質量和效率，從而為確保人們出行安全提供強有力的支撐。

1??城市軌道交通信號應用模式

城市軌道交通信號系統主要是由列車運行自動控制系統（Automatic?Train?Control，ATC）和車輛段信號控制系統兩大部分組成。而ATC系統又包含列車自動監控系統（Automatic?Train?Supervision，ATS）、列車自動運行子系統（Automatic?Train?Operation，ATO）和列車自動防護子系統（Automatic?Train?Protection，?ATP）三個子系統，通過這些子系統的相互協同工作，來實現對列車運行的控制。常見的城市軌道交通信號應用模式主要為以下3種。

1.1??ATO自動駕駛模式

列車自動運行子系統（ATO）是城市軌道交通信號系統中的一個重要組成部分，主要用于實現列車的自動駕駛，包括自動加速、自動制動、自動開關車門等功能。在ATO系統的控制下，列車能夠根據預先設定的運行圖和信號系統的指令，自主地完成列車的運行操作[1]。ATO是一種在ATP設備的加持下來對列車行駛過程中的加速、制動、巡航等功能進行控制的自動駕駛模式，且在該模式下還可以實現列車的自動停靠站，此時，駕駛人員只需對車載ATO以及ATP系統運行狀態進行實時監控，就可以完成駕駛任務。

1.2??ATP監督下的人工駕駛模式

在ATP模式下，系統可以結合地面系統所提供的數據信息生成一個對列車運行速度進行實時監控的曲線，從而實現對列車運行狀態的監督。在這種情況下，駕駛人員可以根據ATP顯示內容來對列車行駛狀態進行調整，如果列車運行速度接近了限定速度，ATP系統就會發出警報，提醒司機控制車速，而如果列車運行速度已超過限定速度，ATP系統就會自動介入進行制動。

1.3??限制人工駕駛模式

在該模式中，司機以不超過車載ATP的限制速度行車，列車運行安全由司機負責。當列車超過該限制速度時，ATP車載設備則對列車實施制動。

2??城市軌道交通信號CBTC系統的應用

CBTC（Communication?Based?Train?Control）系統則是一種基于通信的列車控制系統，其利用高精度列車定位、雙向大容量車-地數據通信和車載、地面的安全功能處理器實現列車與地面系統的實時雙向信息交換[2]。這種系統不再依賴軌道電路等軌旁設備，而是利用車載設備實現列車與地面間的雙向通信，并實時地傳遞列車的位置信息和行車信息，從而實現車-地間信息的實時共享，并據此對列車實施運行控制。CBTC系統結構如圖1所示。

將CBTC系統應用于列車調度的重點在于實現對列車運行速度的控制和制動方式的監督。因此在對CTBC系統進行部署的過程中一方面要計算好列車運行的安全保護距離，同時還需要確認列車的折返站通過能力和受力情況。列車的折返站通過能力計算公式如下：

式（2）～（4）中：C為列車受力情況；F為牽引力；W為阻力；B為制動力。

在選擇信號系統時，還需要秉持著安全、可靠的原則，同時確保選用的信號系統具備一定的先進性和合理性的成本。對此就需要結合CBTC系統的特征，根據實際所需來選擇無線自由波、漏波電纜以及波導管等不同的信息傳輸方式以便獲取最佳的信號數據傳輸效果。

2.1??ATC子系統應用

由上文的敘述可知，ATC子系統主要包含ATP、ATO和ATS三部分內容，其中ATP主要用于當列車超速或進入危險區域時，ATP子系統會自動采取緊急制動措施，確保列車和乘客的安全。此外，ATP還負責列車間的安全間隔，防止碰撞事故。ATO負責列車的自動駕駛功能。根據ATP提供的安全指令和預定的運行圖，自動控制列車的加速、制動和燈光等系統[3]。ATS用于監控和管理整個城市軌道交通網絡的列車運行，收集并處理來自ATP和ATO子系統的數據，為調度員提供實時的列車運行信息和控制功能。通過ATS列車員可以根據需要調整列車的運行計劃，例如改變列車的停站時間或調整列車的運行間隔。

2.2???DCS子系統應用

集散控制系統（DCS系統）是一種各個子系統間的數據交互平臺，其能夠為列車安全運行提供雙向且連續的信息傳輸，主要用于實現列車和地面工作站之間的信息數據交互功能。DCS子系統在城市軌道交通中的應用如下。

2.2.1??集中監控

DCS子系統能夠對城市軌道交通的各個子系統進行集中監控，包括列車位置、信號狀態、設備工況等。它通過采集和整合各種傳感器、設備的數據，為運營人員提供全面的系統運行狀態視圖。運營人員可以利用DCS子系統提供的集中監控功能，實時掌握軌道交通系統的運行狀況，迅速發現故障、異常情況，并及時采取相應的措施，確保系統的正常運行。

2.2.2??遠程控制

DCS子系統具備遠程控制功能，可以對軌道交通系統中的各種設備進行遠程操控。這使得運營人員能夠根據實際情況，對設備進行實時的調整和控制。在需要調整列車運行參數、改變設備工作狀態等情況下，運營人員可以通過DCS子系統進行遠程控制，實現在不親臨現場的情況下，完成對系統的靈活控制，提高運營效率和響應速度。

2.2.3??數據分析

DCS子系統還具備強大的數據管理和分析功能。它可以實時存儲、處理和分析軌道交通系統產生的各種數據，為運營決策、故障排查等提供有力支持。通過DCS子系統的數據管理和分析功能，運營人員可以對軌道交通系統的運行數據進行深入挖掘，發現問題根源、優化運營策略，并基于數據進行持續改進，提升整個系統的性能和可靠性。

2.3??連鎖子系統

通常情況下，在CBTC系統中應用連鎖系統來完成對狀態信息的采集，并同時接收其他信號傳遞的數據和操作人員發送的指令，執行操作，從而完成對設備的控制以及和其他系統之間信息數據的共享。例如：連鎖系統能夠保證列車進路區段、道岔、信號機之間的正確連鎖關系，確保列車在站內的安全運行，可以為處于不同模式的列車提供其需要的控制進路。除此之外，連鎖系統還可以和ATS系統的交互可以實現列車運行計劃和進路的自動調整；與ATP系統的配合可以確保列車的安全間隔和超速防護。

2.4??MSS應用

維護支持系統（Maintenance?Suppoort?System，MSS）是CTBC系統中的一個重要子系統，主要用于監視信號設備的運行狀態并對其進行維護，管理信號維護人員等。其能夠在減少維護成本的同時，可以為運營提供更好的保障。例如：在CBTC系統之中，MSS可以實時監測信號設備的運行狀態，一旦檢測到故障，它會迅速進行故障診斷并嘗試自動恢復。如此一來，便可大大提高系統的可用性和穩定性，減少人工干預的需要，并且降低維護成本。

3??城市軌道交通信號CBTC系統優化

3.1??CBTC系統運行中存在的問題

由上述分析可以看出，城市軌道交通信號CBTC系統在軌道交通中的應用體現出了安全、高效和靈活的特點，但軌道交通本身就是一個十分復雜的系統，其運行過程中會受到眾多因素的影響，外加CBTC系統在長時間的使用過程中難免也會受到各種因素的干擾，出現問題[4]。綜合來看，CBTC系統在應用過程中的問題主要源自以下幾點。

3.1.1??軟件故障問題

CBTC系統的軟件故障問題有可能來源于對系統進行升級維護和二次開發。例如：系統設計階段可能存在功能邏輯錯誤、數據處理錯誤等問題；開發階段可能存在編碼錯誤、算法錯誤等；維護階段可能存在系統配置錯誤、參數設置錯誤等。這些都會導致CBTC系統軟件運行出現故障，進而影響列車的安全運行。

3.1.2??通信干擾問題

在實際運營中，CBTC系統還會遇到如信號干擾、通信故障、系統故障等問題，這些問題可能會導致列車無法正常運行，或者降低其運行速度。

3.1.3??兼容性問題

在將CBTC系統在與其他系統進行集成時，也可能面臨兼容性問題[5]。例如：與乘客信息系統（Passenger?Information?System，PIS）、自動售檢票系統（Auto?Fare?Collection，AFC）等的集成可能存在問題，這些都可能影響到服務的一體化和乘客的出行體驗。

3.2??城市軌道交通信號CBTC系統優化策略

為了進一步提升其運行的可靠性和穩定性，還需要采用先進的設計理念和科學技術來不斷對CBTC系統進行優化完善，進而確保列車運行的效率和安全。對此，可以從以下方面入手來開展優化工作。

3.2.1?提升通信網絡的可靠

CBTC系統高度依賴于通信網絡進行數據傳輸。優化通信網絡的可靠性，例如通過增加冗余設備、提升網絡帶寬、優化數據傳輸協議等方式，可以提高CBTC系統的穩定性和性能。

3.2.2?提升系統的精確度和時效性

通過優化信號處理技術，提高列車定位和測速的精確度，可以使得列車控制更加精確[6]。同時，優化數據傳輸和處理流程，降低通信延遲，可以提高CBTC系統的時效性。

3.2.3?優化人機交互

優化調度中心的人機交互界面，提供更豐富、更直觀的系統運行狀態信息，可以幫助調度人員更好地理解和控制系統的運行。

3.2.4?提升兼容性

考慮CBTC系統與其他系統的兼容性，例如與乘客信息系統（PIS）、自動售檢票系統（AFC）等的集成，可以提供更加一體化的服務，提高乘客的出行體驗。

3.2.5?提高安全性

在優化過程中，始終要把安全放在首位。通過引入更先進的安全技術和策略，例如加密技術、入侵檢測系統、防火墻等，可以增強CBTC系統的安全性。

4??結語

綜上所述，作為城市軌道交通中的重要組成部分，城市軌道交通信號系統對于保障列車運行安全和推動城市軌道交通建設水平具有十分重要的作用。CTBC系統能夠很好地滿足當前我國城市軌道交通的需求，因此被廣泛應用開來，而要想充分發揮出CTBC系統的優勢，就需要結合軌道交通的實際運行情況來對不斷對其進行優化和完善。

參考文獻

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[2]劉霞，喬高鋒，陳明陽.城軌交通新一代CBTC列車控制系統方案研究[J].鐵道通信信號，2023，59（9）：6-11.

[3]張翠紅.城市軌道交通信號CBTC系統的應用研究[J].數字通信世界，2023（8）：145-147.

[4]李云，王崇國，殷江寧.基于云邊協同的城市軌道交通信號系統方案[J].城市軌道交通研究，2023，26（7）：194-199.

[5]楊洋.上海軌道交通4號線信號系統改造應用方案研究[J].城市軌道交通研究，2023（S1）：78-84.

[6]沈振.城市軌道交通CBTC系統改造為TACS系統施工研究[J].電氣化鐵道，2023，34（2）：82-85，91.