CBTC系统在地铁工程中的应用设计研究

谢侯博

厦门轨道交通集团 福建 厦门 361000

引言

地铁轨道交通为现代城市交通的重要组成部分，极大缓解了路面交通压力，提高土地利用率，但地铁轨道交通具有运营复杂、投入成本高的特点，为保障地铁工程经济效益、社会效益，需借助CBTC系统实现列车有序管理，在多种传感器应用下明确列车位置及速度，为地铁列车通行管理提供便利。

1 地铁CBTC系统移动闭塞解析

移动闭塞是指，后续列车根据先行列车的进路条件及列车间距自动设定设行进速度的闭塞方式，而CBTC系统可建立车地间的信号互通，判断列车实际位置及运行速度，为移动闭塞提供依据[1]。移动闭塞的实现机理为根据先行列车运行情况确保列车安全运行，假设列车间最小距离为S，先后列车速度分别为V1、V2，减速度分别为B1、B2，空走时间分别为T1、T2，可得出最小距离S关系式为：

假设先行列车在移动闭塞模式下的减速度无限大，此时空走时间可得最小距离S关系式为：

由于最小距离S在移动闭塞模式下不受先行列车运行速度影响，因此可将式（2）作为依据判断后续列车安全行进速度，列车运行管理时仅需控制先后列车距离间隔，将该情形判定为相对位置模式，若根据传感器等装置得出最小距离S，在列车车型相同条件下，可将空走时间T1、T2视为一致，列车运行速度均衡，此时可根据先行列车速度V1得知后续列车速度V2，该方式需根据先行列车速度及位置判定后续列车安全行进速度，因此可将该情形判定为相对速度模式。

2 地铁工程CBTC系统功能的实现

2.1 列车自动驾驶系统

系统功能的实现需要在列车自动防护系统的运行维护下进行，具体的应用流程主要根据列车自动监督系统发出的指令执行操作。为了实现列车在站点之间的自动运行，应按照运行图内规定的区间走行时分列车控制地铁列车。为满足站点精确停车要求，可以在自动防护系统的应用下，使用轨旁设备和车地通行设备完成自动控制。在满足列车运行动态调整功能时，自动驾驶系统可以根据列车在高峰或者低峰的状态下了解列车的运行情况，在保障服务质量的前提下借助合适的列车速度曲线进行列车运行的有效控制，使乘客在搭乘列车时感到舒适。

2.2 列车自动监督系统

地铁信号自动监控系统内还包含了一个自动监控子系统，专门负责列车实际运行状态的监督与控制，具体功能内容如下：①对列车运行的识别功能。地铁驶入某段范围内，系统会给出列车车次、运行方向、运行速度、到达时间等信息，工作人员记录资料后，以便对列车基本信息准确识别。②对列车追踪的功能。系统可以根据列车实际位置，结合操作人员提出的请求创建或者删除列车信息。③自动排路功能的实现，列车自动监控子系统可以为车辆提供准确的运行路线，按照目的地实现列车规定时间内的定点停靠，使列车可以在时间内正常运行，维持运行速度稳定。④列车自动调整功能。这里提到的自动调整实际指的是列车在运行中时刻表可以根据列车运动，对列车和时刻表的差值加以控制，使其尽量被控制在最低限度内。⑤对列车时刻表的自动管理功能。地铁列车运行期间，管理人员以相应的编辑方式管理列车时刻表，依靠自动监控系统对时刻表内增加的车次做出妥善调整。

在中央ATS系统内设置自动控制ATS系统，车站内设置本地的ATS系统，专门负责该区域内的自动控制。列车自动监督系统能够对地铁全线范围内的列车运行状态做出监督与控制，本地系统和中央系统之间的ATS设备一同组成局域网，在光纤线路的作用下完成数据高速传输。实际应用中，ATS系统的使用特点主要体现为两方面：一方面，操作人员能够按照自身拥有的权限在工作站进行系统监督和控制；另一方面，ATS系统中如果出现了操作失误，或者故障问题，系统不会对地铁全线列车产生影响。因此，列车自动监督系统也可以被称为非故障安全系统。

2.3 列车自动防护系统

在遵循故障安全的原则下应用列车自动防护系统，对权限内涉及的列车实际占用状态、行驶速度、信号灯指示以及追踪间隔等功能做出检查，保证列车运行安全。整个自动防护系统包含轨旁和车载自动防护系统两部分。为了实现对列车的准确定位，可通过列车实际运行状态了解立车的路线、速度以及距离等信息，判断立车运行期间的安全或者非安全位置，将列车运行的安全位置信息传给防护系统，对列车做出安全防护。为了主动获取列车信息，可根据列车位置的报告信息和道岔位置建立自动追踪占用系统，通过自动防护系统提供的安全和非安全位置信息详细计算安全区间两端的列车位置信息。为了达到停车位置保证目的，列车自动防护系统可以对列车的当前位置和移动速度对比分析，系统接收进路取消指令后，可通过延迟时间实现列车的制动停车。在列车的速度校正方面，列车运行期间会时常存在低速或高速运行状态，传感器收到信息反馈后会自动对驾驶员提出预警，同时地铁信号系统接收到信息后也会自动调整运行速度，使其被控制在可允许范围内。停车期间如果为了让运行速度下降，同时与授权通过的位置合理匹配，将列车运行在定点位置后才能完成停靠。此外，系统还具有防溜车功能，在停车位置中列车应保持静止，如果系统检测到物理位置移动，系统将会紧急制动，确保车辆不会溜车。

列车可以在自动驾驶与防护功能的帮助下进入自动驾驶环境，并在列车启动、加速等环节实现全自动化控制效果，无须人为操作，使列车始终维持在稳定的模式下实现持续化运行。与此同时，CBTC系统的应用可以实现限制性人工驾驶，即采用降级形式的驾驶模式保障列车运行安全。列车在运行期间会有较高限速控制，驾驶人员根据限速显示进入驾驶模式即可安全启动列车，如果想要回归正常驾驶模式，只需切换系统即可。除了限制性人工驾驶模式，系统中还包含非限制性人工驾驶模式，在一定程度上突出了地铁工程信号的自动控制能力，在非限制人工列车驾驶模式下，操作人员应用CBTC系统时应切断车载控制器的输出，按照地面信号和具体的调度指令控制列车驾驶。地铁列车运行期间，列车的行使安全与人员调度需要人工控制，从限制性人工驾驶模式切换到非限制性人工驾驶模式时需要对列车停车调整，避免调整时给列车造成电路紧急制动影响。

3 地铁工程中CBTC系统的具体应用设计

本次选用某地铁工程为设计案例，根据案例实际运行要求，以下采用相对位置模式的移动闭塞展开设计分析，明确该地铁工程列车间安全间隔，借助CBTC系统通讯实时了解列车实际位置，合理控制列车距离，提升该地铁工程承运能力。

3.1 优化车地通信

为满足案例地铁工程隧道线路要求，借助CBTC系统完成车地通信与列车定位，引入相对位置移动闭塞模式，加强车地设备的通信衔接，在最小距离基础上灵活调控列车运行。为保障地铁列车始终处于安全距离范围内，杜绝“追尾”问题，后续列车应根据先行列车运行情况动态调整安全间隔，同时，现阶段CBTC系统多使用802.11系列车地通信协议构成的WLAN组网，具有部署难度低、成本小的特点，以波导管、天线为通信媒介，频段为5.8GHz或2.4GHz，而智能移动终端同样为2.4GHz，易产生信号干扰。针对上述问题，在本次CBTC系统设计中，在现有WLAN组网基础上采用TDD-LTE通信技术，以此为网络构建车地通信CBTC系统，设置A网、B网两套TDDLTE网络，A网、B网分别为10MHz、5MHz带宽，其中A网负责地铁CBTC系统、车载装置间的数据传输工作，B网单独负责地铁CBTC系统的数据传输。结合该地铁案例来看，将其原列车线路设定为“灯泡线”，采用A网、B网两套TDD-LTE网络后将实现车地通信冗余配置，A网、B网同时运作，轨旁无线A网、B网与列车头尾对应配置天线，轨旁AP天线于整个列车线路固定，车载A网、B网仅可与轨旁无线A网、B网实现通信，当地铁列车经“灯泡线”后进入另一线路时，可能产生车头A网、车尾B网分别对应轨旁A网、B网的情况，可对车地通信造成干扰，为避免此问题，在本次地铁CBTC系统设计中，于列车内设置AP天线共4个，采用自动换端方式调换A网、B网，以此确保列车车地通信效果[2]。

3.2 设计追踪间隔

为满足案例地铁工程对列车运行稳定性及工期的要求，采用相对位置移动闭塞模式展开CBTC系统设计，采用系统坐标描述先后列车位置，例如：2号区域、11号轨道单元、正向23m位移可记作“R2，S11，+23”。以轨旁置信标为列车位置校验依据，调配优化列车工程线路，将位置描述误差控制在12m以内，并于设计结束后采用模拟运行模式检验CBTC系统设计效果，在案例地铁工程中，最小追踪间隔为90s，交路折返能力需达105s标准[3]。在实际设计中，将现有轨旁装置设置为一体，如计轴器、联锁、信标、信号机等设备，使CBTC系统在无线通信技术应用下准确判断列车位置，根据追踪间隔监控装备列车运行状态，并设置ATP防护，通信故障或未安装通信装置的列车需要求司机根据移动闭塞标准控制列车行进指数，同样设定ATP列车自动防护系统。为使地铁列车满足不同承运场景，可将两种驾驶模式设置为自动选择程序，所有列车均安装防护装置，便于地铁列车根据实际情况选择运行模式。

3.3 列车精准定位

列车位置关乎运行间隔的优化，且与列车冲突点相关工作存在联系，因此需加强对列车定位检验工作的重视，在案例地铁工程CBTC系统时，借助测速传感器了解列车运行状态，根据轮周长算法得出列车位移情况，为消除由打滑空转引起的位移计算误差，采用多普勒雷达检验车辆位移，补偿误差，此外，为进一步确定列车位置，依托于车载轨道数据库电子地图，衔接信标读取器，将所读取的信标信息与电子地图内容对比，以此获得列车精准定位。为提升多列车的精准定位及安全承运管理控制，在该地铁工程案例中，需严格控制列车装置安装精度及线路信息，具体设置如下：岔尖位置、计轴器位置、信号机位置均为0.10m，坡道信息与线路曲线为0.03m，标准信标、精确信标位置分别为0.08m、0.025m。

4 结束语

综上所述，无线通信等先进技术的应用优化了地铁CBTC系统应用场景，案例地铁工程采用CBTC移动闭塞烯烃，完成了地铁列车的准确定位，明确了列车间最小距离及行进速度，借助CBTC系统消除信号干扰问题，从车地通信、追踪间隔、精准定位三个方面展开优化设计，确保地铁列车有序承运。