基于通信的城市轨道交通信号与控制系统研究

王拓辉

摘 要：伴随着社会经济的进步，我国的交通运输建设也在加速发展。尤其是城市轨道交通，在短短的几年内，地铁线路网遍布于全国各大城市，这加大了对轨道交通信号控制系统的需求。轨道列车的行驶速度快，高效、准确、及时的信息传输在交通运行过程中非常重要，传统的信息传输方式已不能满足轨道交通运输的要求。我国的交通信号系统技术还不成熟，还存在信号不兼容、传输效率低等问题。本文对不同的轨道交通信号控制系统及CBTC进行了全面的分析，旨在为信号系统技术的革新和改进提供参考。

关键词：通信 城市轨道交通 信号控制系统

Research on Signaling and Control System of Urban Rail Transit based on Communication

Wang Tuohui

Abstract：With the progress of social economy， China's transportation construction，  especially urban rail transit， is also accelerating. In just a few years， the subway line network is spread throughout major cities across the country， which increases the demand for rail transit signal control systems. The speed of rail trains is fast， and efficient， accurate and timely information transmission is very important in the process of traffic operation， and the traditional information transmission method can no longer meet the requirements of rail transportation. China's traffic signal system technology is not mature， and there are still problems such as signal incompatibility and low transmission efficiency. This paper provides a comprehensive analysis of different rail transit signal control systems and CBTCs， aiming to provide reference for the innovation and improvement of signal system technology.

Key words：communication， urban rail transit， signal control system

1 引言

近年來，随着我国城镇化建设步伐的加快，城市人口逐渐集中，给城市交通带来了巨大的压力。城市轨道交通的建设，在减轻交通压力的同时，更方便于人们出行。这对城市轨道交通通信提出了更高的要求，传统的信息传输方式已不能满足目前快速、高效传递信息的需求。我国的交通信号系统技术还不成熟，还存在信号不兼容、传输效率低等问题。对信号系统的改造是轨道交通建设的重要内容。因此本文对不同的轨道交通信号控制系统及CBTC进行了全面的分析，旨在为信号系统技术的革新和改进提供参考。

2 城市交通信号控制系统存在的问题

2.1 信号兼容性较差

现阶段，我国的信号通信系统，引进后一般先用于发达的城市，然后再用于其他城市。地区间信号系统的连通性得不到保证，从而造成区域通信问题。[1]信号兼容问题，会直接影响区域间列车速度的控制，从而引发交通事故。同时信号兼容问题会加大系统维护的难度，严重降低了工作效率。

2.2 监控能力不足

城市轨道交通错综复杂，一些监控能力较弱的信号系统，不能够对轨道交通进行及时、全面的监控，不能满足城市轨道交通正常运行的需求。

2.3 建设成本过高

虽然轨道交通信号控制系统的需求量大，但是我国的轨道交通信号系统研发技术还不成熟，设备多以引进为主，这使得建设成本过高。除此之外，我国城市轨道交通信号系统运行人才也很缺乏。

2.4 信号传输效率低

轨道交通信号系统要求，信息要及时准确的传送，才能满足目前复杂的轨道交通系统。在我国仍然存在部分系统信息传输延时的情况。从而导致列车之间不能及时交换信息，这将是一个很大的安全隐患，严重威胁到了乘客的乘车安全。

3 不同轨道交通信号控制系统

3.1 信号控制系统

3.1.1 列车自动防护系统

列车自动防护系统简称ATP，主要监测运行相关设备，控制列车行驶速度。该系统具有实时监测列车位置、维持行车距离、故障报警等功能。与自动运行系统、自动监控系统及车辆系统通过接口连接，进行数据的同步交换。该系统将线路信息等地面信息，通过无线传输不间断地传给列车，然后车载系统会计算出安全行驶速度，若列车速度高于安全速度，自动防护系统就会降低列车的速度，保证列车以安全速度行驶。

3.1.2 列车自动运行系统

列车自动运行子系统也被称为ATO系统。可以使列车实现自动驾驶，提高了驾驶员的工作效率和乘客乘车的舒适度，降低了能源消耗。该系统通过接收来自地面的信息，控制列车按照车站位点精确停车。

3.1.3 列车自动监控系统

列车自动监控系统即ATS系统。该系统根据构造不同被分为：监视分散型、集中控制型、自制分散型三类。集中控制型设备中有，打印机、绘图仪UPS等。该系统主要功能为：检测控制处于调度区段的列车运行、监测控制设备、记录行车轨迹、统计行车数据并生成报表等功能。[2]

3.2 信号系统的运行优势

3.2.1 运行具有独立性

信号渠道在实际的运行过程中具有独立性的特点，不与其他电路相连接，从而更方便信号控制设备的安装和维护。

3.2.2 双向传输

能够完成双向信息传输，具有传输速度快，信息传输量大的优势。

3.2.3 安全控制

信号控制系统具有移动闭塞的功能，控制列车保持安全车距，促使列车安全高效地运行，降低了安全事故发生的概率，为乘客的乘车安全提供了保障。

3.2.4 自动驾驶

信号控制系统能够使列车实现自动驾驶功能，降低了司机的工作强度。信号控制系统通过车载控制器进行列车位置、行车轨迹、行车速度等信息的传递。根据接收的信息，结合岔道设计速度规定的因素，信号控制系统对列车进行降速或者提速的控制，使列车保持安全的行车距离和行驶速度。[3]

4 信号控制系统的应用

4.1 ATO控制

4.1.1 信号分级速度控制

列车在行驶过程中速度会有差异性，根据实际情况，分级速度信号控制系统，按照具有阶梯式的速度曲线，对列车的速度进行调整。在运用该系统时，要对电路进行有效的规定，轨道电路是用于信号传输的介质，选择能够传输多信息的型号，这样才能实现列车的信息高效、及时、准确的传输，从而增强了对列车速度的控制效果。

4.1.2 目标信号控制

目标信号控制主要是对于列车的行车间距进行有效地控制，同时，依据速度控制的需求，制定控制速度的标准。ATO系统可向地面设备发送行车间距、速度变化、行车指令等信息，通过目标信号控制，可使列车安全平稳地运行，除此之外吧，还可以增加通行车次，满足轨道交通高效运输的各项需求。

4.1.3 闭塞控制

ATO系统具有监控轨道电路和传输信息两个系统，控制轨道电路包括：闭塞控制、移动控制、固定控制这三种，其中用得较多的是移动控制。依据列车的具体运行情况、线路控制等各种因素来设定安全行车距离，此种信号控制因没有固定性，所以称为闭塞控制。

4.2 ATS系统控制

4.2.1 集中控制

集中控制是指系统对列车的指挥和调度，在实际运行过程中对列车实施控制。主要依据整体行车规划来进行信号调整，从而行使对列车的控制。电缆传输信号具有稳定性、安全性、保真性等特征，运用于集中控制系统中，提高了信息传输的效率，从而体现出了集中控制系统的优势。除此之外，集中控制系统还具有所需设备数量小、操作便利的优势。在此基础上，也对信息传输的高效性、准确性、实时性提出了更高的要求。

4.2.2 集中监视

在进行车站控制时，控制中心只会对调度计划、运行信息等进行监督，不直接对列车实施控制，从而有效降低了信号控制的工作量，这便是集中监视控制的优势。由于集中监视控制不直接与列车交换信息，所以，当控制系统出现问题时，列车还可以保持正常运行，提高了抗系统故障性能。

4.2.3 分散控制

分散控制是城市轨道交通信号控制系统技术发展的产物，其具有可延伸性。结合了集中控制和集中监控的优势。[4]分散控制方式由控制中心制定调度规划，然后有序地进行各项监督管理工作，从而提高了调度与控制的效果。分散控制可对列车进行直接控制，能够有效地进行控制系统与列车之间的信息传输。在实际运用过程中，分散控制对设备数量和软件功能要求较高，因而运行的灵活性更高。

5 基于通信的列车自动控制系统

基于通信的列车自动控制系统即CBTC系统，由ATS、VOBC、ZC、DCS几部分组成。其工作原理是通过无线通信、控制列车、列车定位三部分，对列车进行精准的定位监控，从而实现高速、准确的双向信息传输。

5.1 ATS子系统

控制中心的工作人员可以通过显示屏查看ATS提供的列车信息。该系统可以与其他列车控制系统交换信息、传输命令，从而对列车进行精确地控制。

5.2 区域控制器

区域控制器即ZC，由MAU和PMI两部分组成。该系统可以根据障碍地点和交通载荷量，确定列车的行驶权限，以确保列车行驶的安全性。其工作原理是，通过无线通信、控制列车、列车定位三部分，对列车进行精准的定位监控，实现高速、准确的双向信息传输。

5.3 车载控制器

车载控制器的简称是VOBC，与列车具有一一对应的关系。根据接收到的速度信号，来监测行驶距离和运行速度，可使列車实现自动驾驶的功能。其数据库中含有：坡度、信标位置、限速位点及停车位点等所有轨道信息。TOD是ATS和VOBC的接口，提供即时速度、限制速度等信息。

5.4 数据通信系统

即DCS，不是安全系统，主要功能是传送控制信息，凡是与DCS相连的两个节点，都可以进行信息交换。

5.5 CBTC系统的优势

该系统向列车传递信息不是依靠轨道电路，而是利用通信网络，对列车和地面设备进行双向通信。用具有连续汇报列车位置功能的移动闭塞代替区段闭塞。快速、准确、高效的双向传输信号，是CBTC系统的主要优势。实时定位列车位置，全面掌握列车的运行情况，可灵活调整列车的行车计划，提高轨道通过能力。可分类传输不同的信息，将同类信息进行集中发送或者集中处理，从而极大地提高了信息传输效率。

6 CBTC的应用

目前，在中国已有北京、上海、武汉、广州、昆明等城市的地铁应用了CBTC系统。基于该系统的优势，在我国将会得到更广泛的应用和发展。[5]

6.1 车－地无线通信

为了保证实现车－地之间的信息交换，连续、高速、实时地进行，在现有的轨道交通运营状况下，通常设置冗余的两张网络，每张都需要达到以下要求：

6.1.1 高速性能

当列车运行速度达到120千米每小时，车－地之间的无线网络，要达到列车运行时系统控制对信息延时、丢包率的要求。

6.1.2 传输效率

传输效率在正常情况下，信息从发出到接收之间的时间间隔不超过150ms。

6.1.3 无线传输速率

无线传输速率，由DCS系统支持的车－地之间的信息传输，平均速率超过1Mbps。

6.1.4 丢包率

车尾或者车头一侧的，丢包率要不超过1%。

6.1.5 切换时间

对于车载的无线设备，其漫游时间不超过150毫秒，且总体情况不低于95% ，平均漫游切换时间低于100毫秒。

6.1.6 车－地抗干扰要求

基于实际运营环境分析，可能存在同频干扰、杂波干扰、电磁干扰等干扰源。可以采用：空间分级、滤波装置设计等方法来减少其他干扰。

6.1.7 车－地网络安全要求

车－地的无线网络，具有合理有效的终端设备、组网设计，专用于信号系统，与互联网不连接，对信息的格式和流向有严格的要求。根据信号系统的运营范围，其网络安全等级应为三级保护，车－地无线网络也要达到同等级的保护，可以采取过滤协议、分配IP等保护措施。

6.2 车－车无线通信

信号系统相当于城市轨道交通的神经中枢，是列车安全高效运行的保障。车－地的控制系统即CBTC，通过地面区域控制器接收从地面传来的信息，将计算的列车运行信息，发送给车载控制器，从而控制轨道列车安全运行。随着通信技术的发展，对信号系统的运营方式提出了更高的要求。过于复杂的CBTC接口不利于后期维护，而且所需设备数量多，以至于车－地的信息流量大，通信延时长得不到有效地缩短。

车－车无线通信控制系统，主要由车载控制器接收列车信息。5G移动通信的高效率、大容量、低延时的特点，能够满足基于车－车通信的列车道岔控制转换要求。[6]因此，车－车通信的控制系统，会得到更广泛的应用。

7 改进策略

随着城市化的发展，轨道交通在城市交通运输中将占据愈来愈多的比重。城市轨道交通的建设，不仅在于修建更多的线路，交通信号系统的升级也得跟上。目前，在我国重要的信号系统已实现了国产化，为城市轨道交通建设的发展提供了物质基础，极大地降低了设备引进的成本。

任何的革新和改造都存在风险性。所有的改造措施都必须在保证列车能够安全运行的前提下进行。要选择合适的、成熟的技术，尽量减少对轨道交通正常运营的影响。同时在达到满足要求的前提下，尽量缩小成本。在具体实施前，要科学制定改造方案，要对系统的转换尺度进行严格的把控。城市轨道交通信号系统的改造，可以采用完全新建系统和维持原有系统两种方案。

1）维持原有系统

该方案主要对原有的硬件设备进行更换，相应的工作软件进行适当的分析，对于核心软件保持原样。按照建设的目标，对系统进行改进和完善，以满足线路要求达到的服务水平。

2）新建系统方案

配置一套新的具有主流技术设备的信号系统，即采用CBTC系统。对于新旧系统的兼容性，在所有的新系统设备完全安装之后，一次性倒切旧系统设备到新系统。

虽然两种方案在技术和实施上都可行，但是由于实施的难度和技术特点不同，会存在工程实施、运营需求和系统性能、工程投资等方面的差异。

7.1 工程投资方面

选择维持已有系统方案改造，系统设备购买不能选择其他供货商，从而不能控制采购价格。该方案有一个好处是可以控制改造范围，相应的专业改造费用较低。

相对的新建系统方案，可以自由选择供货商，对采购价格可以控制。但是新系统建造，所产生的专业改造费较高。采购价格相同的情况下，维持原有系统改造方案的投入资金较少，但是后期的维保费用较高。

7.2 工程实施方面

维持已有系统方案，工程实施主要是更新硬件，对系统配置、系统参数等不用重新设计，所以，此方案的实施过程比较简单。该方案可以利用新旧设备的兼容性，对子系统、连锁控制区等，进行逐个替换。列车设备的改造也可以用这个改造法，从而缩小了过度调试范围，降低了对正常运营造成的影响。但是新旧设备的过渡倒切工作量大，且在运营过程中会存在新旧两种设备共存的现象，所以要充分的对系统做稳定性验证。

完全新建系统方案，需要对系统配置、系统参数等重新做设计，需要对线路、车辆等重要数据重新收集并验证。新建系统方案设备的施工，完全不影响车辆运营，但是与专业系统的接口需要倒切调试，很有可能造成对正常运营的影响。同时新系统的倒切涉及全线，需要停运完成。

7.3 运营需求和系统性能方面

维持原有系统方式，可以确定在改造后系统性能高于原有系统。可以采取阶段施工，对子系统设备进行逐个替换的方式，可达到短期内改善系统的目标，从而提高交通运营效率。

完全新建系统方案，应用CBTC系统，可以提高比原有系统更高的服务水平。

8 结论

我国的轨道交通运输网将会蔓延更广阔的区域，实际运行情况会更复杂。对交通信号控制系统不仅要求快速、准确、高效的传输信息，还要求其具有更强的抗故障性能。改造和提升信號系统将是城市轨道交通发展急需解决的问题。

参考文献：

[1]张龙.城市轨道交通信号控制方式分析[J].交通科技与管理，2020，（13）：118-119.

[2]黄达跃.通信控制系统（CBTC）的城市轨道交通信号控制系统探究[J].交通科技与管理，2021，（14）：44-45.

[3]毕昆.城市轨道交通通信与信号控制研究[J].中国高新科技，2021，（6）：67-68.

[4]朱莉.基于通信的列车控制技术下城市轨道交通轨旁信号的分析[J].城市轨道交通研究，2010，第13卷（8）：77-79.

[5]张惺. 城市轨道交通信号系统大修改造方案分析[J]. 铁道通信信号， 2021， 第57卷（1）：88-90，94.

[6]陈浩.城市轨道交通信号控制系统软件安全完整性自动化测试方法研究[J].建材发展导向，2019，（21）.