城市轨道交通CBTC系统关键技术探讨

彭江海

摘要：随着计算机和通讯技术的飞速发展，自动控制技术也得以迅猛发展，广泛应用于城市轨道交通行业。为提高城市轨道交通的运营效率，人们研发出一种基于无线通信的列车自动控制系统，即CBTC系统。文章主要就轨道交通CBTC系统关键技术进行了相关的分析，以供参考。

关键词：城市轨道交通；CBTC系统关键技术；列车自动驾驶子系统（ATO）

目前我国城市轨道交通运行速度和运行密度的不断提高，实现高水平列车自动驾驶的系统功能则成为CBTC信号系统的关键。

一、CBTC系统及其构成

CBTC系统由ATS子系统、ATP、ATO子系统、联锁子系统、DCS子系统等构成，各子系统均采用模块化设计。ATP子系统是保证行车安全、防止错误进路、防止列车进入前方列车占用区段和防止超速运行的设备。ATP负责全部的列车运行保护，是列车安全运行的保障。ATO即列车自动驾驶，它代替司机操纵列车驱动、制动设备，自动实现列车的启动、加速、匀速惰性、制动等驾驶功能。在ATP系统的基础上安装了ATO系统，列车就可以采用手动方式或自动方式行驶。ATS在ATP和ATO系统的支持下，根据运行时刻表完成对列车运行的自动监控，可自动或由人工监督和控制正线（车辆段、试车线除外），及向调度员和外部系统提供信息。DCS数据通信系统的主要作用是在各个子系统之间传输ATC报文。

（一）CBTC技术组成

CBTC 技术包括：⑴无线通信技术，⑵移动闭塞技术，⑶列车定位技术。由于CBTC 是基于无线通信的列车控制系统，自然离不开通信技术的支持。无线通信的种类很多，常见的有基于OFDM（正交频分复用技术）通信、扩展频谱通信、跳频技术、WLAN（无线局域网）技术。移动闭塞是实现CBTC的关键技术之一，CBTC是这种闭塞方式的应用系统。它与固定闭塞相比，其最显著的特点是取消了以信号机分隔的固定闭塞区间。列车在线路上运营的间隔距离由列车在线路上的实际位置和运行情况确定，闭塞区间随列车的形势，不断变化，故称为移动闭塞。列车定位技术有很多种：⑴轨道电路定位，⑵计轴定位，⑶信标定位（分有源、无源两种，往往两种会同时使用），4、多普勒雷达测速定位等定位方式。

（二）特点

总之，CBTC较传统铁路信号系统有许多功能特殊，如下：

1、以在无线通信系统代替复杂的电缆，从而减少布线和维护成本。

2、车辆与控制中心可以实现双向沟通，通过训练间隔的能力大大提高。

3、信息传输流量，效率高，速度快，易于实现移动自动闭塞系统。

4、容易适应各种车型，不同速度，不同的交通，火车拉着以不同的方式，和兼容性。

5、可以将信息分类，集中传送和集中处理，调度中心，以提高工作效率。

二、城市轨道交通CBTC系统关键技术分析

列车自动驾驶子系统（ATO）利用先进的计算机技术对列车的运行过程进行计算，并获得合理、优化的列车操纵方案。列车自动驾驶不仅能做到降低驾驶人员的工作强度、提升旅客乘车的舒适性，还能有效地提高列车运行效率并节约能耗。

（一）自动驾驶功能

自动驾驶能做到完全自动控制列车在站间的运行过程并可根据列车自动监控子系统（ATS）的调整指令调整区间运行时间，其区间运行时间与规定值误差≤±5%。自动驾驶功能由车站发车、区间速度控制和列车目标制动3部分功能组成。需要考虑的运行指标包括运行时间、能耗、安全性、舒适性、跟随性、停站精度。

1、车站发车功能

（1）在满足ATO启动条件下，允许司机启动ATO系统。

（2）启动ATO后，控制列车速度到目标推荐速度。

2 、区间速度控制功能

ATO负责在自动驾驶（AM）模式下驾驶列车。ATO对列车的速度控制通过伺服控制模块实现，其核心是基于比例、积分、微分（PID）控制原理的伺服控制软件结合模拟0-20 mA电流环硬件电路实现的。伺服控制模块包括实际速度和设定速度（推荐速度）2个基本输入。

（1）实际速度由ATO综合自身计算和ATP发送的速度信息判定，ATO与ATP使用相同的速度传感器，从而确保ATO所确定的速度与同ATP所确定的一个安全速度值相匹配。

（2）设定速度（推荐速度）则由ATO根据从ATP接收安全限速，固定限速以及临时限速等信息，同时，依据非安全制动曲线计算得来的当前点非安全限速综合形成。非安全制动曲线由ATO根据能力守恒的原理实时计算和维护。设定速度是当前列车位置的1个函数，对于设定速度的计算和每一个限速（停车点或限速）相关联，对每一个限速产生1个当前列车位置的局部设定速度。总体的设定速度为所有局部设定速度的最小值。

Vp为ATP防护的安全停车点（POP）作用于位置点P处的最大允许速度；Vo为ATO防护的非安全运营停车点（OSP）作用于位置点P处的最大允许速度；Vl为列车限制速度在位置点P处的最大允许速度；Va为列车限速曲线作用于位置点P处的最大允许速度。

所有设定速度最小值的集合最终形成ATO控车所遵循的推荐速度曲线。基于PID控制的伺服控制模块控制列车在区间跟踪推荐速度曲线，最大限度地保证列车速度贴近推荐速度运行。在加速和减速阶段，为了提升列车运行的平稳度和精确度，ATO采用了恒定的加速度和减速度。

（3）列车目标制动功能

列车目标制动功能使列车精确地停在目标停车位置。

①站台定点停车。

站台的运营停车点由线路数据库来提供。ATO根据下一停车点，综合列车实际位置、速度、列车特性和ATP停车点计算非安全制动曲线，采用最合适的制动率控制列车准确平稳地停在规定的停车点。列车在车站站台的停车精度通常≤±0.3M。

②区间信号停车。区间信号停车功能根据区间停车信号控制列车停在停车信号之前，区间信号停车对于停车精度要求低于车站停车点精度要求。当地面设备允许列车向前行进（发送新的移动授权）时，不需司机任何操作，列车自动前进。

（二）自动折返

ATO系统可以在ATP的监督下控制列车进行自动折返。ATO在车头、车尾两端分别设有自动折返继电器（AR），AR1、 AR2的动作，用以实现列车在自动折返时使车头车尾控制权互换。

列车自动折返作业分为站前折返和站后折返2种模式。

1、站前折返

列车以A方向通过渡线进人站台2，司机按压自动折返按钮并关闭A方向驾驶室，列车通过AR继电器的状态变化自动转换车辆控制端。此时，司机激活B方向驾驶室并控制列车以B方向离开站台2。

2、站后折返

列车以A方向进入站台1，此时，司机按压自动折返按钮并关闭A方向驾驶室，列车自动通过渡线运行至折返线，通过AR继电器的状态变化自动转换车辆控制端，列车以B方向自动运行进人站台2，司机激活B方向驾驶室并控制列车离开站台2。

上述折返进路均由折返车站的联锁系统按预定程序自動排列。

三、结语：

总之，列车自动驾驶（ATO）是完整CBTC系统的重要组成部分。从CBTC系统需求角度，对ATO子系统应实现的关键功能进行的分析和探讨，对于城市轨道交通列车自动控制系统（CBTC）具有参考意义。

参考文献：

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[2]凌祝军.CBTC系统中的联锁技术研究[J].铁道通信信号，2016（9）.

[3]程杰.现代有轨电车主要特征与国内外发展研究[J].城市交通，2015（11）.