城市轨道交通车辆运行控制技术研究进展

摘要：为了更好地满足乘客对出行安全性和便捷性的需求，实现城市轨道交通车辆安全、快速、有序地行驶，对高效精准的城市轨道交通车辆运行控制技术的研究显得尤为重要。本文以时间轴为主线，对城轨车辆运行控制技术的研究进展进行了综述，详细介绍了不同行车组织方法及运行控制技术的特点，阐述了当前城市轨道交通列控系统的基本原理，并对其研究内容和方向进行了展望。

关键词：城市轨道交通;运行控制;行车组织;城轨车辆;列控系统

中图分类号：U231.7                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）09-0208-02

0  引言

随着我国经济的高速发展、城市化进程的持续推进，大量的农村居民转移到城市发展，从而导致城市人口数量急剧增加，城市建设规模逐渐扩大，许多城市的地面交通已经无法满足如此庞大的客运需求。城市轨道交通产业由于其快速便捷的特点迅速发展，越来越多的城市将轨道交通纳入到城市规划中。城市轨道交通作为一种现代化交通工具，具有载客量高、节能、安全、舒适、环保等优势，是低碳环保的绿色交通方式，在缓解城市轨道交通矛盾中起到了重要作用，是解决城市交通问题的主要手段，现在已经成为了各大城市居民优先考虑的交通出行方式。随着城市生活节奏的加快，广大居民对轨道交通出行效率、舒适度、准点率的要求越来越高。目前减小列车行车间距、提高行车效率、改善列车通过能力、低能耗、高度智能是城市轨道交通车辆运行控制系统的发展方向。安全、高效、可靠的城市轨道交通车辆运行控制系统对实现列车高速度、高密度、有秩序地运行有着非常重要的意义。

1  行车组织方法

为了确保列车在区间内的行车安全，列车在区间运行时，必须确认同一区间内没有对向运行的列车，同向运行的多列列车之间进行系统控制使其保持一定的间隔距离，防止发生正面冲突或追尾事故。为了使多列电客车之间保持一定的间隔距离安全行驶，在列车运行时，有两种区间行车组织方法，一种是时间隔离法，一种是空间隔离法。

时间隔离法是指车站每隔一段时间向区间发一列车，使前行列车和追踪列车之间保持一定的时间间隔的行车方法。列车按照规定的时间表通过车站，区间内部没有信号设备。1842年美国的Willian Fothergiel Cooke指出这种隔离方法存在安全隐患，若列车没有按时间表运行或区间列车发生故障停车，都有可能出现列车追尾或其他事故[6]。

空间隔离法是指由车站每隔一段空间间隔向区间发一列车，使前行列车和追踪列车之间保持一定的空间间隔的行车方法。这种方法能够保证列车之间有一定的行车距离，从而有效地确保了行车的安全。1851年铁路行车开始使用电报凭证，这是第一次实现空间隔离行车方法，采用路签或路牌作为列车占用区间的凭证，通过接车站值班员检查区间是否空闲，是早期使用的一种人工闭塞方法。1855年Messrs.George Dugmore和George Millward两人第一次提出了轨道电路的概念，为空间隔离法的发展奠定了基础。

2  基本行车闭塞技术

1911年Sedwick N .Wight第一次提出了闭塞的概念。闭塞是为了保证轨道车辆的运行安全，通过闭塞分区，车站，线路所的设备，使相邻列车之间保持一定的时空间隔，防止发生冲突或追尾事故发生的行车方法。基本行车闭塞法主要有以下几种制式：

①人工闭塞：通过人工设置闭塞机，列车司机从发车站取出路签，到达接车站后交出路签，才能解除闭塞。这种闭塞制式效率太低，现已基本淘汰;

②半自动闭塞：通过人工进行联络手续办理，在车站进站处和出站处分别安装一段不少于25m的专用轨道电路，将专用轨道电路和信号机联系起来，通过信号机颜色的变化来判断区间是否空闲，从而实现半自动闭塞;

③自动闭塞：将站间划分为若干个装设轨道电路的闭塞分区，在每个闭塞分区入口处设置信号机，借助轨道电路将列车和信号机联系起来，信号机的显示随列车位置的变化而变换。

基本行车闭塞法采用的是固定闭塞制式。这种制式的控制采用模拟信号进行轨道信息的处理，根据列车的特点、线路情况、速度等级等来确定闭塞区间的长度，最小的行车间隔距离就是列车的闭塞分区。

基本行车闭塞方法从安全方面讲至少包涵三个方面：可靠的列车定位监测系统;可靠的信息传输系统;可靠的列车间隔控制系统。这三个方面任何一个环节出现问题都有可能导致行车事故的发生。

目前各国广泛采用固定自动闭塞系统，通过轨道电路、信号机等组成信息传输系统，将列车位置传输给列车自动控制系统及司机，控制列车运行速度，保证各列车保持一定的间隔距离，防止列车进入前方占用闭塞区间。

自动闭塞系统在过去的八十年间，无论是保证行车安全，还是提高运输能力都起到了非常重要的作用。随着城市轨道交通系统信息化技术的发展，自动闭塞系统以下几个缺点逐漸凸显：

①随着列车速度的提高或采用新型车辆，闭塞分区的长度与实际运行状况不符。当列车实际运行与计划稍有偏差，容易造成大面积延误;

②无法掌握列车精确的位置和速度信息，追踪驾驶困难，调度人员无法获得最佳的调度方案;

③闭塞区间的划分取决于制动性能最差的列车，系统只适应于制动性能较为一致的车辆，对于性能较好的列车则会降低其区间通过能力。

3  移动闭塞技术

移动闭塞不需要将区间分割为若干个固定的闭塞区间，而是根据连续检测先行列车的位置和速度，使列车之间自动调整间距，并保持一定距离安全运行的行车制式。移动闭塞是相对固定闭塞而言的，固定闭塞有相应的防护信号和闭塞区间，而移动闭塞没有固定的的闭塞区间，闭塞区间的长度随外部条件的变化而变化，列车制动的起点和终点都是动态的。后行列车开始制动的计算点是由目标速度、目标距离及自身列车性能所决定的;目标点是前行列车的尾部，与前行列车的位置、性能、速度及状态信息有关;闭塞区间的起点和终点都是随时变化的，所以叫移动闭塞（Moving Block）。移动闭塞的闭塞分区是逻辑间隔，与实际轨道线路没有对应关系。

移动闭塞使两列车之间的间隔距离最小，最大限度地缩短了列车之间的运行间隔，从而提高了区间内列车的行车密度，极大地提高了线路区段的通过能力。八十年代后期，轨道交通移动闭塞系统基于通信技术和计算机技术得以实现。移动闭塞必须要求列车和地面设备能够完成双向通信，所以一般采用轨道感应环线、裂缝波导、无线通信等技术实现。目前已经有多个国家研制出了不同形式的移动闭塞系统，并广泛使用。

移动闭塞系统相对于固定闭塞系统，具有如下优势：

①移动闭塞系统没有固定的闭塞区间，随着前行列车的移动，行车闭塞区间会随机形成，这样极大地缩短了行车间隔，提高了线路通过能力;

②移动闭塞系统是一个闭环的列车控制系统，能够根据列车的速度和行车间隔进行列车反馈控制，从而使列车运行更加安全;

③根据前行列车的状态信息，后续列车依据自身速度、状态及位置信息计算出本列车的速度，可以最优化地缩短列车运行时间、节省资源、提高乘坐列车的舒适性，为列车自动控制系统的优化提供了一定的便利条件;移动闭塞系统能够实现调度指挥、行车组织管理的自动化，又能实时地采集所有闭塞区间的行车信息，实现城市轨道交通列车运输管理的自动化。同时，移动闭塞系统还省去了信号电缆、区间信号点等设备，将全部信息传输设备安装在机车和车站，便于后续的设备管理和维护;

④移动闭塞系统的闭塞分区随外部环境的改变进行相应的改变，可以适应不同速度，不同类型的地铁车辆，其适应性更强。

近几十年，移动闭塞技术广泛应用到地铁系统中，各种基于移动闭塞的列车自动控制系统被各大公司相继开发并投入不同的地铁公司广泛使用，列车的线路通过能力提高显著。

4  基于通信的列车自动控制技术

随着科学技术的进步，计算机技术的发展，无线通信技术的可靠性有了飞跃的提升，无线通信控制和城市轨道交通的结合成为必然，在移动闭塞技术的原理上逐步实现了基于通信的列车自动控制系统（Communication-Based Train Control， CBTC）。CBTC系统现在已经成为新时期城市轨道交通车辆运行控制的首选。CBTC系统和传统的列车运行控制系统之间存在本质性的区别，传统的列车运行控制系统大多依靠轨道电路实现列车定位，CBTC系统已彻底不再依赖轨道电路，而是通过车-地通信设备实现列车自身的定位，从而有效控制行车间隔和列车的行驶速度。国内外许多学者为了提高基于CBTC的城市轨道交通线路的通过能力，对折返区间的追踪间隔展开了大量研究，考虑信号系统特点，复杂线路条件以及运行变化等因素的影响，对通过能力进行准确估计，從而实现效率更高的城轨列控系统。

基于通信的列车自动控制技术是未来城轨车辆技术发展的方向，代表了国际最先进的水平。CBTC系统进一步缩短了行车间隔，提高了载客量，最大限度地减少了不必要的制动，可靠性高，同时节省了基建投资。

CBTC系统使用高精度列车定位和高容量双向通信技术，具有高灵活性、高自动化和可扩展的优点。CBTC系统利用多列列车的协调控制方法，通过车载传感器实现列车-列车、列车-地面的双向信息传输，从而保证列车在线路上全局部署，安全运行。现代的CBTC系统已经能够实现列车自动检测（ATS）、列车自动防护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）的所有功能，在列车行驶过程中能够实现精确定位停车，车站自动折返并节能运行。CBTC系统物理结构主要由轨旁设备和车载单元组成，轨旁设备和车载单元之间通过数据通讯系统（DCS）相互联系。数据通讯系统（DCS）将CBTC系统各单元、子系统紧密地联系在一起，实现了CBTC系统的高效运行。高效的列车自动控制系统对降低列车之间的行车间隔、优化成本、提高轨道交通的运能及其安全性具有十分重大的意义。

5  结语

城市轨道交通车辆的运行调整是一个非常复杂的问题，随着CBTC系统在城市轨道交通系统中的普及，城市轨道交通车辆运行控制技术基本围绕智能处理方法的主线开展。智能化列车自动调整算法是未来城市轨道交通车辆运行控制技术研究的方向，对于提高列车的运行效率具有非常重要的意义。采用人工智能和传统算法向结合，将实现更加先进的城市轨道交通车辆运行控制系统，相邻列车之间的行车间隔将进一步缩短，这对轨道交通车辆运行调整方案将会提出更高的要求，因此对轨道交通车辆运行调整的研究也同样非常重要。考虑各种不确定因素，将城市轨道交通各子系统进行智能联动，利用计算机铺画列车运行图，提高列车运行效率和乘客的舒适度，将列车运行作为一个完整的大系统，进行全局部署、智能控制将是未来我们努力的方向。

参考文献：

[1]李想，徐霄.CBTC系统移动闭塞制式研究[J].城市轨道交通研究，2015（2）：24-27.

[2]闫丽霞，高云波，李云骢.城市轨道交通移动闭塞列控系统列车追踪间隔研究[J].城市轨道交通研究，2020（3）：34-37.

[3]李伟，唐涛，王呈，等.无线通信延迟对城市轨道交通CBTC列车追踪间隔影响研究[J].铁道学报，2017（7）：73-78.

作者简介：王二虎（1993-），男，天津人，助教，硕士研究生，主要研究方向为城市轨道交通车辆技术教学与研究。