基于通信的列车控制系统CBTC

基于通信的列车控制系统CBTC1 CBTC的发展背景近20年来，国际上普遍采用“基于数字轨道电路的准移动闭塞”作为ATC的主要制式。

由于这种制式具有较高的可靠性、合理的性价比，已经具有充分的运行经验，其列车运行间隔（100-150s）已能满足绝大多数轨道交通运营部门的要求，因此，这类系统至今仍是轨道交通建设的首选制式。

然而，随着轨道交通的发展，这类制式的弊病也已日益凸显。

弊病之一:由于目前世界上各种准移动闭塞的信息传输频率、通信协议等均不一致，导致了在一个城市或一个地区的轨道交通网中各条线路的列车不能实现联通联运。

弊病之二:大多数基于数字轨道电路的准移动闭塞，为了实现调谐和电平调整，不得不在钢轨旁侧设置“轨旁设备”，而这对于轨道交通的日常维护工作是非常不利的。

弊病之三:由于以钢轨作为信息传输通道，因此传输频率受到很大的限制，导致车一地之间通信的信息量较低。

此外，其传输性能受钢轨中的牵引回流、钢轨之间的道床漏泄以及钢轨下面的防迷流网的影响很大，而导致传输性能不够稳定。

弊病之四:“准移动闭塞”距真正意义上的“移动闭塞”还有差距，因此，列车运行间隔的进一步缩短和列车运行速度的提高都将受到限制。

所以，从20世纪70年代末到80年代，工业发展的国家对开发以通信为基础的列车运行控制系统感到兴趣，发展十分迅速，这种系统以通信的方式来实现对列车的运行控制，为了表达方便，从20世纪末起，在很多国际会议和论文期刊上开始用一个统一的名字来表达：基于通信的列车控制系统（communication based train control system CBTC），假如说基于轨道电路的列控系统（TBTC）是从19世纪末开始从有到无，到蓬勃发展，构成列车运行控制的第一阶段，则基于通信的列车控制系统（CBTC），标志着构成一个新的发展阶段或新的时代。

由于它的通信容量的大幅度提高，而且实现了车地之间的双向通信，也可进一步应用智能技术，使它迅速发展了起来。

2 CBTC的定义利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路），双向连续、大容量的车一地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统。

CBTC 的定义可以通过它的总特点来描述，即利用无线通信媒体来代替轨道电路达到车一地之间的信息传输，而在此基础上构成的列车运行控制系统，都可称为CBTC系统。

3 CBTC系统的信息传输3.1 查询-应答器查询-应答器是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备，在特定地点实现与地面间的相互通信。

地面的应答器有有源的和无源的两类。

无源应答器:无源应答器在其内部存储器按协议以数码形式存放基础设施数据（限速、线路坡度、线路结构数据等）。

列车驶过无源应答器时，车载应答器首先以一定的频率通过电磁感应的方式将能量传递给地面应答器；地面应答器接收能源后驱动逻辑电路，将存储信息通过天线发送给车载查询器。

有源应答器:有源的应答器由线路侧编码器单元写人运行指令和轨道数据信息，利用自己的能源发送信息。

这种方式最大的缺点是点式传输。

3.2 轨道间交叉回线（LOOP）在两轨间铺设交叉型感应回线，一线固定在轨道中央的道床上，另一线在钢轨的腰部下方，每隔25m（或50m）交叉一次，中央回线就像一个天线，当列车驶过一个交叉点时，利用检测信号电压过零变化引发地址码加1，由中央机车控制中央根据地址码计算出列车的地理位置。

交叉回线不仅可以用于列车定位，也可以作为列车与地面之间的双向通信媒体，得到1.2kbit/s的传输速率。

3.3 漏泄电缆当控制中心发射出的电磁波沿电缆导线传输时，在电缆内传输的电磁波从外导体槽孔辐射到周围空间在其外部产生漏泄场，因而车载设备能够接收到地面发送的信息；同样，车载设备发出的电磁波，在电缆外部产生漏泄场，也会藕合到电缆内，实现与控制中心通信。

3.4 GSM-R（Global System for MobileCommunication-Rail）从集群通信的角度来看，GSM-R是一种数字式的集群系统，能够提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。

利用GSM-R平台的数字传输能力，能传输列车诊断数据，提供货运信息、车载旅客信息服务和其他增值服务等。

GSM-R能满足列车运行速度为0-500km/h的无线通信要求，安全性好，可作为信号及列控系统的良好传输平台。

4 CBTC系统原理4.1 CBTC系统的分类4.1.1 从闭塞分区的实现来分类:(1)基于通信的固定自动闭塞运行控制系统基于通信的固定自动闭塞运行控制系统（CBTC-FAS(Fixed Auto-block System)）表示闭塞分区是固定不变的，它像TBTC-FAS一样，闭塞分区是通过区间牵引计算来求得其长度，而CBTC-FAS与TBTC-FAS的根本区别是前者采用双向通信技术来达到车-地之间的信息交换。

如下图为CBTC-FAS的信息传输图：在CBTC-FAS系统中还有用轨道间交叉感应电缆，以下是示意图。

(2)移动自动闭塞运行控制这类系统也有闭塞分区，此时闭塞分区有下列特点：闭塞分区长度是可变的，它是依据列车本身参数及其所在地段参数实时计算出来的；闭塞分区随列车运行而移动；在CBTC-MAS中闭塞分区已经不再应用地面信号，而且也不需要地面信号，它在车载设备系统显示屏上距前行列车尚有多少距离，或距离进站的距离，等等。

如下图为移动闭塞列控原理：4.1.2 根据CBTC中车-地之间通信方式不同分类采用全程移动无线通信方式采用轨道交叉电缆方式采用漏泄电缆或漏泄波导方式采用查询-应答器方式采用卫星通信方式4.1.3 根据CBTC应用控制技术水平的高低分类（1）采用无线数据电台进行列车与车站之间双向通信来构成CBTC 的低级系统——CBTC-半自动闭塞系统。

（2）采用应用技术水平较高的CBTC系统，例如，CBTC-MAS 系统等。

5 CBTC系统的组成与结构5.1 系统结构CBTC系统是一个连续数据传输的自动控制系统，利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路），实现双向连续、大容量的车-地数据通信，能够执行列车自动防护（ATP）、列车自动运行（ ATO ）以及列车自动监控（ATS）。

CBTC 系统主要由移动设备（车载设备）、轨旁设备、通信网络、控制中心组成。

如下图为CBTC系统框图：无线CBTC采用无线通信系统，通过开放的数据通信网络实现了列车与轨旁设备实时双向通信，信息量大，并通过采用基于IP标准的列车运行控制结构，可以在实现列车运行控制的同时附加其他功能（如安全报警、员工管理及乘客信息发布等）。

调度控制中心DCC （ Dispatch Control Center ）控制多个车站控制中心SCC （ Station Control Center），实现相邻SCC之间的控制交接。

SCC通过管辖范围内的多个基站BS（Base Station）与覆盖范围内的车载设备OBE （ On Board Equipment）实时双向联系。

5.2 系统组成CBTC系统的组成可以分为列车控制和信息传输两大部分：（1）列车控制部分为ATC系统，包括ATP、ATO、ATS三个子系统，完成列车状态信息以及数据信息的处理，并控制列车运行。

（2）信息传输部分采用无线通信系统，进行连续双向的车一地通信，完成列车向地面控制设备传递列车的位置、速度以及其他状态。

6 CBTC系统中关键技术（1）列车定位技术：判明被控列车现在究竟在哪里？以便从此构成动态闭塞区间。

在TBTC系统中，列车的位置只是靠闭塞分区的占用来粗略的定位，即一旦列车进入某一个闭塞分区，不论此闭塞分区的长度，或甚至列车在运行中跨占有两个闭塞分区，对TBTC系统系统而言，它只知道列车占用闭塞分区，不再追问列车是在闭塞分区的头部还是尾部，所以它只是粗略的定位列车信息，这影响了运输效率，但在CBTC中则不然，CBTC系统能计算出它现在据前方列车尾部还剩多少距离，或在距进站信号多少米，从此可以计算出本列车现在应是加速还是减速，还是保持恒速，是继续前进还是制动。

（2）列车-地面之间双向通信技术：它不同于一般通信，因为它要传输的是高可靠重要数据，其内容涉及人命财产，而且不能拖延时间，因为列车一直处于动态之中。

（3）列车完整性检测：因为在不用轨道电路之后，一定要用新的技术方法测量列车是否完整，一旦发生列车中间分离，则对后半截列车分开而失去控制能力时，就有可能发生重大事故。

7 CBTC系统的具体功能CBTC整个系统包括“CBTC地面设备”和“CBTC车载设备”，地面和车载设备通过“数据通信网络”连接起来，构成系统的核心。

下图为典型的CBTC系统的基本功能框图：CBTC的具体功能如下：（1）列车位置，速度以及方向决定CBTC系统需要决定每辆列车的头部以及尾部的位置，误差在10英尺（3.048m）以内；CBTC系统需要决定每辆列车的速度和方向，精度在2英里／小时（3.22km/h）内。

（2）安全的列车间隔每辆配有CBTC的列车在CBTC区域内运行时将拥有一个移动权（MAL) ，这是根据条件实时计算出来的。

列车的MAL 计算是基于列车的安全刹车模式的。

（3）超速防护CBTC 超速防护用于防止列车速度超过最大允许速度。

如上所述，列车允许的最大速度是使得列车能够安全停在前面列车安全距离的速度。

（4）零速度探测这项功能的主要目的是使得在规定时间限制内的一个非常规停车得到批准。

当列车速度高于“零速度”时，规定列车控制系统控制的车门是不允许打开的。

（5）车门开启控制连锁CBTC系统将禁止列车控制系统开启车门，除非同时满足以下条件：①列车处于零速度状态；②最小服务刹车程序在车门开启时起作用；③将要开启的车门位于“车门开启区域”。

（6）紧急制动根据应用设计，CBTC系统在情况需要时能够进行紧急刹车，并能够在条件不满足时制止紧急刹车程序的施行。

在大多数的应用中紧急刹车是在非常规停车末进行的，或者当非常规停车实施后列车刹车服务不能足够地减慢列车速度时进行。

8 CBTC的标准IEEE std 1473-1999车载单元间通信协议标准；IEEE Std 1474.1-1999CBTC性能及功能需求标准；IEEE Std 1475-1999车载控制功能及动力系统、制动系统的接口标准；IEEE Std 1482.1-1999车载事件记录仪标准；IEEE Std 1483-2000铁路运输控制处理器系统安全功能验证标准。

9 我国CBTC的发展历程1994-1998年，我国与瑞典Dalarna大学、Adtranz公司及瑞典国家铁路合作进行CBTC-MAS的可行性研究。

《无线列控系统发展动向调查报告》对国外CBTC技术的发展动向进行追踪，对各系统的安全性各系统的无线方式列控方式进行比较与研究。