CBTC系统在南昌轨道交通1号线的应用

张 章

CBTC系统在南昌轨道交通1号线的应用

张 章

摘 要：南昌轨道交通1号线信号系统采用了基于无线通信的列车控制（CBTC）系统。阐述了该系统的构成、主要工作原理、功能特点以及在南昌轨道交通1号线的应用。为保障线路的运营安全和效率提供了基础。关键词：CBTC；移动闭塞；运营安全；效率；移动授权

张 章：南昌轨道交通集团有限公司，助理工程师，江西南昌 330038

1　系统构成

南昌轨道交通1号线信号系统包括定修段1座（含试车线、培训中心和维护中心）、停车场1座、正线8个控区、控制中心、维修监测子系统以及总共27列列车的车载设备。信号系统构成见图1，主要组成部分如下。

（1）列车自动监控系统（ATS）。通过在控制中心以及8个控区车站的设备，为中央及车站调度员提供用户界面，完成进路分配、间隔调整、时刻表生成、区域封锁、临时限速、跳停、事件记录等以及行车组织有关的管理功能。

（2）区域控制器（ZC）。区域控制器为安全型设备，由移动授权单元（MAU）和轨旁联锁（PMI）组成。其中：①移动授权单元由ATP/ ATO核心计算机单元和其他板卡组成，为3取2配置；②联锁采用1 套2乘2取2结构的安全型计算机组成。

图1　信号系统结构

（3）车载设备。车载控制器（VOBC），由ATP/ATO核心计算机单元和其他板卡组成，为2乘2 取2配置；还有车载无线单元（MR）、车载显示单元（TOD）、查询应答器天线（TIA）等。

（4）数据通信系统（DCS）。包括有线网络部分和无线网络部分。其中：有线网络部分为包括骨干网设备、网络交换机、安全设备组成的冗余网络；无线网络部分采用轨旁无线接入点（AP），车载无线设备、车-地通信采用具有强抗干扰能力的802.11FHSS技术，确保系统在运营复杂的无线环境中正常工作。

（5）维护监测子系统。通过维修监测服务器、磁盘阵列、数据处理服务器、接口服务器、维修监测工作站、打印机、交换机等设备，实现整个信号系统设备的集中监测和告警处理。

信号系统功能被分配到1个或多个安全型硬件平台，可以针对不同的应用而修改，并支持系统的互用性。

2　系统主要工作原理

2.1列车定位原理

2.1.1列车位置初始化

南昌1号线的线路设置4个进入/退出点，位于定修段和停车场的进口和出口，还有1个进入/退出点设置于与2号线的接口。

每个CBTC入口处，都安装有2个应答器。当列车接近列车自动控制（ATC）区域时，一旦检测到2个连续的应答器、并且确定这2个应答器的位置值和车载线路数据库中的一致，则该列车的位置和方向将被初始化。

2.1.2列车定位

车载控制器（VOBC）将会测量它所经过的2个连续的应答器之间的距离，并将其与线路数据库中的距离进行比较。如果两者的差异在限定的误差里，则列车的位置便确定，而且列车的确切位置及方向也能辨认出来。对应于每个检测到的应答器，车载控制器将调整位置不确定性。车载控制器将根据速度计的输入来确定列车在2个应答器之间的位置。

如果没有检测到2个连续的应答器或者检测到1个非预期应答器，车载控制器将把列车位置设置为未知。非预期应答器是指检测到了与数据库中定义的位置不同的应答器。

区域控制器（ZC）根据列车报告的车头位置，再加上位置测量误差值和估计的运行距离，计算出通信列车的车头位置。

区域控制器根据列车报告的车尾位置，再加上位置测量误差值和潜在的倒溜距离计算得出通信车可能的车尾位置（图2）。

图2　列车定位

列车以厘米精度为单位向ATS及区域控制器报告列车位置。

2.2列车追踪原理

在正常CBTC运营下，列车间隔是基于移动闭塞原则计算的，这种情况下，列车的移动授权权限（LMA）基于前车的精确位置向前延伸。在后备模式下（限制人工模式RM、点式ATP），列车间隔是基于计轴与信号机的固定闭塞系统计算的。

系统采用移动闭塞原理来控制列车间隔。当前列车与前行列车的安全距离是基于当前列车的即时速度、速度测量的最大误差、列车位置的不确定性、最不利情况下列车的紧急制动能力、障碍类型等动态计算的结果。

车载设备在区域控制器发出的移动授权权限下负责列车的安全运行。移动授权权限被授权至列车前方的实际障碍物。车载设备确保由它产生的速度曲线考虑了所有适当的安全因素。这些考虑包括最不利情况下的停车距离和前方障碍物位置的不确定性。

在传统信号系统中，对后续列车的移动授权是根据前行列车对轨道区段的占用而给出的。在移动闭塞系统中，区域控制器根据列车所报告的位置，加上位置的不确定误差，从而得出该列车在最不利条件下的位置。区域控制器将这个列车的位置作为后续列车的障碍物来计算后续列车的移动授权权限，使之与前方列车尽可能接近。

如图3、图4所示，如果前行通信列车向前移动，后续列车的移动授权权限相应向前延伸。

移动授权单元（MAU）从ATS接收到列车A与列车B的进路请求。

图3　无前车的列车移动授权权限（LMA）

图4　2列ATO列车追踪

移动授权单元通过列车B所报告的列车位置，为列车A排列进路与移动授权。当列车B向前移动时，移动授权单元会逐步解锁列车B后方的进路以及移动授权。

随着列车B向前移动，移动授权单元将为列车A延伸进路以及移动授权。

2.3车-地通信原理

信号系统基于车载控制器（VOBC）与区域控制器（ZC）、车载控制器与ATS之间的连续双向通信，提供移动闭塞。

DCS系统确保2个方向上的完全无线覆盖。

安全通信通过安全子系统间的端对端来保证（移动授权单元-车载控制器、移动授权单元-联锁、移动授权单元-移动授权单元)。

当子系统（移动授权单元、联锁、车载控制器）创建一个安全信息时，它计算安全编码，连同应用信息一起发送。接收者（移动授权单元、联锁、车载控制器）检查安全编码，若安全编码错误则拒绝信息。

2.4列车控制原理

车载控制器根据接收到的来自移动授权单元的移动授权权限计算相应的停车点和最大允许速度，以确保列车可以在最差情况下在移动授权权限之内停车。

车载控制器采用能力强大的奔腾板动态计算安全距离，满足2个目标：①安全，列车停在移动授权权限（LMA）之内；②运营效率，列车停车点尽可能靠近LMA。

车载控制器每个周期基于列车参数、轨道参数和移动授权权限计算速度限制。列车参数包括列车长度和大小、牵引切除延迟时间、常用制动延迟时间、紧急制动建立时间等。轨道参数包括保存在车载数据库中的线路限速、坡度等。

移动授权权限由移动授权单元（MAU）确定。移动授权权限可以是前车的尾部、轨道的末端、非通信列车占用计轴区段的边界。如果移动授权权限是前车的尾部，那移动授权权限可以基于前车尾部位置延伸。

如果列车实际速度超过紧急制动（EB）应用速度曲线，那车载控制器将对列车施加紧急制动（图5）。

2.5联锁控制原理

在CBTC运行等级下，系统的移动闭塞逻辑由移动授权单元执行，联锁设备执行信号机和转辙机等室外设备状态的驱动和采集。在CBTC模式下，联锁以列车的实际位置进行解锁；在联锁和点式ATP运行等级下，联锁设备执行固定闭塞逻辑，以计轴区段为单位进行分段解锁。

联锁设备能判断保护区段的设置时机，后续列车进路保护区段的设置不会影响前行列车的运行和折返作业。

图5　安全制动模型

联锁控制的安全联锁包括区段锁闭、进路锁闭、延时解锁、道岔占用检测、道岔监控和接近锁闭。

2.6进路控制原理

系统中定义运行线用于进路的排列，1条运行线定义了1组点到点之间的行程，在大多数情况下，是一个闭合的交路。在中央调度员选择好系统运行模式时，由ATS自动完成运行线的分配，或者值班员人工分配运行线，运行线是分配给列车的。

定义和分配不同的运行线，就可以实现自动为列车分配进路、正常的折返交路、反向的折返交路、非正常的往复进路等。运行线的定义是在设计阶段根据客户的实际需要确定的，可以支持所有需要的正常和非正常的进路。通过定义不同的运行线，系统可以方便地支持所有可能的运行场景及折返模式，例如：正向运行及折返，反向运行及折返，短交路折返，往复运行的运行线等。2.6.1 进路排列及解锁

根据分配的运行线，系统为列车排列进路，进路总是排列至列车的下一个可能的停车点，若列车在A站，根据运行线的分配，其最终目的地是D站，则ATS自动为列车分配至B站的进路，列车在B站停车后，再分配至C站的进路，若列车是需要跳停C站的，则列车在接近C站之前会自动延伸自C站至D站的进路，进路的延伸不影响列车的正常运营。进路随着列车的位置移动实时的解锁。

2.6.2CBTC模式下进路的请求和实施

ATS系统为列车分配运行线，并根据运行线为列车请求进路。在CBTC模式下，ATS系统向移动授权单元请求进路，移动授权单元根据进路请求预留并授权进路，包括必要的防护区段，防护区段长度视列车模式而定；若列车为CBTC的ATP/ATO列车，防护区段根据安全制动模型确定，大于40 m；若是非通信列车或是通信的RM列车，防护区段按照固定闭塞原则确定。

在非道岔区段，进路的预留授权等由移动授权单元单独完成，联锁系统仅负责根据移动授权单元的命令开放或关闭信号机。

在道岔区段，移动授权单元会向联锁系统请求道岔区域的联锁进路，联锁系统根据请求转动道岔并锁闭进路。联锁进路仅限于道岔区域。

2.6.3后备模式下进路的请求和实施

在后备模式下，移动授权单元不工作。

在后备模式下，ATS系统向联锁系统请求进路，联锁进路根据进路请求预留并授权进路，包括必要的防护区段，防护区段按照固定闭塞原则确定。

值班员也可以手动设置信号机到信号机的进路。进路可以是自动解锁进路，即列车经过后，进路自动解锁；也可以是人工解锁进路，即列车经过后，进路不会自动解锁，条件具备后信号自动开放，为下一列车使用。

2.6.4联锁自动进路

在后备模式，且中央及本地ATS均故障的情况下，联锁系统可以为进入其控制区的列车自动分配缺省的进路。对于折返站，可以自动分配折返进路，根据列车的接近条件自动排列和解锁。

3　系统功能特点

（1） DCS和信号系统的ATP/ ATO是相互独立的。系统可以与任何提供用户数据报协议/互联网协议（UDP/IP）通信的标准DCS工作，并满足信号系统性能需求；网络采用跳频扩频技术(FHSS)的802.11，使其可靠性和抗干扰性优于用在其他无线系统的如802.11b/g/n技术，防止WiFi设备、其他无线局域网系统和蓝牙等的干扰。同时，采用含动态密钥保护管理的IP安全的加密技术用于特定的车载、轨旁和控制中心硬件。

（2） 采用分布式结构。每个联锁区都配置ATP/ATO设备、联锁设备及本地ATS设备。在系统出现1个ATP/ATO区域故障时有效减少对运营的影响，仅该区域运行在后备模式下（遵循固定闭塞原则并以点式ATP运营），提供了调试的灵活性，在土建推迟情况下，为分区调试提供可能；线路进行延伸割接时，仅需要升级相邻区域的设备，而不影响其他控区的联锁，为线路延伸提供方便。

（3） 客户化配置。系统使用通用的ATP/ATO软件，并可为下述元素进行配置：不同的线路参数（坡度、站台位置、道岔、信号机等）；联锁和ATP/ATO控区的数量；专用的列车参数和特性（列车长度、保证制动率、加速度、牵引施加和切除时延，紧急制动施加时延等）；每个设备的IP地址等。

（4） 双向运行。CBTC系统提供完整的双向运营，线路上任意位置的双向ATP防护下的ATO，所有的折返运行可在基于ATP防护下的ATO进行；ATC系统可在任意位置任意方向确保安全，不依赖于操作人员。

（5） 多级降级后备方案。为减少设备故障对运营的影响，系统提供了多级降级运营及后备运营的功能，譬如当中央ATS设备故障后，本地ATS的自动切换提供本地控制；如果由于通信故障引起轨旁ATP故障，系统将提供点式ATP后备运营方案；在CBTC模式下，系统具备点式通信、连续式通信和非通信列车混合运行的能力；ATP故障时，联锁级的后备运营。

（6） 实现不同编组列车混合运营，系统根据精确的定位系统传送列车的位置和长度，轨旁移动授权单元按照后续列车的车尾位置与前面列车车尾的距离计算移动授权，在混合编组运行时无需增加硬件设备。

4　CBTC系统在南昌1号线的应用

与传统的信号系统相比，CBTC系统在运营能力、运营效率方面有了非常大的提高，列车之间的追踪间隔不再取决于轨道区段或计轴区段，而是列车与列车之间的安全距离，一般为40 m。同时，通过部署可靠的骨干传输网络和车-地通信，实时传送列车信息和其他系统信息，确保列车的安全运行和监控要求

4.1优化的DCS网络配置

南昌地铁1号线的骨干网主要是由高速交换机和单模光纤构成的环形结构。这是基于IEEE 802.3以太网标准的有线通信网络。诸多由层叠轨旁无线单元、发车表示器和其他冗余接入到骨干环网上的设备所构成的下层子网。

南昌轨道交通1号线的DCS骨干网包含了CBTC骨干网和ATS骨干网2个部分，通过CBTC骨干网和ATS骨干网的隔离，确保在ATS骨干网出现故障不影响系统正常运营。DCS骨干网由2根单独线缆的光纤组成环形结构，这样可使网络可用性和数据处理能力得到最大化；以太网第2层网络交换机用于创建1个可以支持多达50个交换机的环形网络。

如图6所示，数据传输网络分为2张独立的网络，1张网络承载CBTC信息，1张网络承载ATS信息，双网之间通过防火墙隔离连接，使得相互之间不受各自的影响，保证网络通畅和安全信息的及时处理。在承载CBTC信息的网络中，网络单元全部通过保密器件进行设备鉴权，如车载ATP/ATO设备、轨旁联锁和移动授权单元设备等，防止非鉴权设备混入安全网络。

4.2列车正线追踪能力

和固定闭塞的信号系统不同，移动闭塞的CBTC系统的列车追踪不再受到轨道电路或计轴区段的影响。车载控制器通过检测轨道上的信标建立列车在轨道上的位置，当检测到1个信标后，列车使用速度传感器输入来测量信标之间的距离以及运行的距离。数据库包含了所有相关的轨道信息，如信标位置、车站、坡度、土建限速、道岔位置以及信号机位置。

SelTrac MS移动闭塞CBTC系统，车载控制器实时地保持和轨旁设备的通信，通过连续地收到来自轨旁的移动授权权限来驾驶列车。轨旁移动授权权限的计算基于先行列车和其他障碍物的位置来设定，和轨旁的轨道区段或计轴区段没有关联，大大提高了列车的运营效率，极限情况下，后车与前车的距离只有40 m。可以大大提高系统运营的效率。

图6　DCS骨干网总览　

综合考虑车辆的性能参数、土建的限制条件以及适当的人员和系

统反应时间等因素，上行轨道从双港路到奥体中心线的追踪间隔达到82.4 s；下行轨道从奥体中心到双港路的最终间隔达到87.4 s。

5　结论

南昌地铁1号线采用的基于无线通信的信号系统，采用全生命周期的设计理念，具备成熟的应用经验，提供移动闭塞的双向ATP/ATO运营能力，加上友好的ATS管理界面和网络安全保障，必将为地铁运营带来价值。

参考文献

[1] 南昌轨道交通集团有限公司，南昌市轨道交通1号线一期信号系统设计概览[G]. 2013.

[2] 自仪泰雷兹自动化系统有限公司，南昌轨道交通1号线系统设计概览[G]. 2014.

[3] 自仪泰雷兹自动化系统有限公司，南昌轨道交通1号线系统性能分析[G]. 2014.

责任编辑 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

中图分类号：U231.7