列车自动控制系统(ATC)(6)——发展趋势

列车自动控制系统(ATC)(6)——发展趋势

发布时间：2008-05-16 点击次数：4190

为确保轨道交通列车运行安全和提高运输效率，迫切需要装备性能先进、安全可靠的列车运行控制系统(以下简称列控系统)。我国铁路列车运行控制系统经过几十年的发展，已经具备一定基础。但还不能满足我国铁路客运专线和城市轨道交通的发展需求，其列控系统基本还是靠引进。国外系统虽具有先进、相对成熟的特点，但造价高和运营维护成本高，技术受制于人。为此，我国应加快发展适合于我国国情的列控系统。在铁路交通方面，参照欧洲列控系统(ETCS)发展中国列车运行控制系统(CTCS)，并采用专门为铁路划分频段的全球移动通信系统(GSM-R)欧洲标准作为发展我国铁路综合数字移动通信网络的技术标准，用以建设无线列调、无线通信业务和列车控制系统信息传输通道；在城市轨道交通领域参照相关国际标准，采用商用设备(Commercial Off-The-Shelf，简称COTS)技术发展列控系统。在消化吸收国外先进技术的同时，研究新一代基于移动通信的列控系统(CBTC)。

一、CBTC组成和原理

CBTC系统摆脱了用地面轨道电路设备判别列车占用和信息传输的束缚，实现了移动闭塞。在CBTC系统中充分利用通信传输手段，实时或定时地进行列车与地面间的双向通信，后续列车可以及时了解前方列车运行情况，通过实时计算，后续列车可给出最佳制动曲线，从而提高了区间通行能力，又减少了频繁减速制动，改善了旅客乘车舒适度，地面可以及时地向车载控制设备传递车辆运行前方线路限速情况，指导列车按线路限制条件运行，大大提高了列车运行安全性。

图1 CBTC控制系统的组成

一般CBTC系统包括地面无线闭塞控制中心、列车的车载设备、地一车双向的信息传输系统和列车定位系统(图1)。

地面无线闭塞控制中心将根据列车1的位置信息和线路障碍物的状态信息以及联锁状况为后行列车2计算移动授权(Movement Authority，简称MA)，即限制速度值。MA是列车2安全行驶至下一个停车位置所需的一个正式授权实现列车的安全间隔控制。列车安全

间隔距离是根据最大允许车速、当前停车点位置、线路等信息计算得出，信息被动态循环刷新。

CBTC系统的车载控制设备实时比较列车的实际速度与接收到的MA，当列车实际速度超过MA的限制速度，将自动实施常用制动或紧急制动，保证列车安全停在安全点前。

CBTC系统的地一车信息传输系统通常可采用无线通信、地面交叉感应环线、波导管等媒体向车载控制设备传递信息。

为确保安全，CBTC系统中列车必须对自身位置和运行方向进行精确判定。为判定位置，列车的车载计算机与转速计/速度传感器/加速度计(用于测量距离、速度和加速度)及轨旁定位应答器共同合作，实现列车的准确定位。

二、关键技术

1、地-车信息传输技术

地-车信息传输技术则是CBTC系统的关键技术，主要的地一车信息传输方式有几种。

(1)基于环线传输的CBTC系统(图2)。在两轨间敷设交叉型感应环线，环线每隔2 5m或50m交叉1次。它可以用于列车定位，也可作为列车与地面之间的双向数据通信媒体。

图2 基于环线传输的CBTC系统

(2)基于波导管传输的CBTC系统(图3)。漏泄波导管可靠性很高。当地面控制中心发射出的电磁波沿波导管传输时，在波导管内传输的电磁波从波导管槽孔辐射到周围空间，在其外部产生漏泄电场，列车从中获取信息能量，从而实现与地面的通信。同样，列车发出的电磁波，在波导管外部产生漏泄电场，也会耦合到波导管中，实现与控制中心通信。

图3 基于波导管传输的CBTC系统

(3)基于无线自由波传输的CBTC系统(图4)。目前在CBTC系统中，完全采用无线传输的方式有两种：一种是采用移动通信GSM-R作为地-车信息传输的媒介；另一种是采用基于IEEE802．1l系列标准的WLAN无线网络作为地一车信息传输的媒介。

图4 基于无线自由波传输的CBTC系统

基于GSM Phase2+标准的GSM-R，是国际铁路联盟(UIC和欧洲电信标准协会ETSI 为欧洲新一代铁路无线移动通信开发的技术标准。在欧洲，基于ERTMS标准的列控系统(ET CS)，采用GSM-R作为传输系统。GSM-R为地面无线控制中心和车载控制设备之间的数据传输提供安全的无线传输通道。

无线局域网(WLAN)是无线网络领域的一种重要的分支。无线局域网解决方案已经开始成为商务客户宽带网络连接的一种可选方案。

2、列车定位技术

在CBTC系统中，要求列车的定位技术更为安全、可靠。目前典型应用的列车定位技术采用列车车载自身定位与地面绝对位置校正设备有效结合的方式，其中地面绝对位置校正设备包括：应答器、交叉轨道环线、裂缝波导等。当然还有其他一些定位方式，如GPS、无线定位等。

(1)轨旁应答器定位：应答器是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。列车通过后将列车车载测量的距离与该信标在数据库中的位置进行比较，从而消除列车位置测量的误差。

(2)轨旁裂缝波导定位：裂缝波导是一种中空的铝质矩形方管，在其顶部每隔一定间隔开有窄缝，采用连续波频率通过裂缝耦合出不均匀的场强，对连续波的场强进行采集和处理，并通过计数器确定列车经过的裂缝数，从而计算出列车走行的距离，确定列车在线路中的位置。

(3)轨旁交叉电缆环线定位：在整个线路沿线轨道中间铺设电缆环线，列车经过每个环线电缆交叉点时，车载设备检测环线内信号的相位变化，并对相位变化的次数进行计数，从而确定列车运行的位置。

(4)无线扩频通信定位：轨旁电台的位置是固定不变的，所有的电台都由同步时钟精确同步。轨旁计算机或车载计算机利用不同电台传输信息的时间延时可以精确计算出列车的位置。

(5)车载列车设备定位：车载定位设备主要采用速度传感器和加速度计相结合的方

式实现列车移动体的速度和走行距离的测量。

三、主要特点和发展方向

1、特点

与传统的列车运行控制系统不同，CBTC系统可以不再依赖轨道电路进行列车定位，而是通过列车自身产生位置报告，通过车一地双向通信系统实时与地面无线闭塞控制中心进行信息交互传送，从而实现列车的安全间隔和速度控制。它具有如下特点。

(1)大容量睦续双向车一地通信。

(2)地面设备及车载设备均采用安全计算机实时处理列车状态、控制命令，实现连续的间隔控制、进路控制、速度防护、自动驾驶等。

(3)高精度列车定位。

(4)列车运行控制灵活、高精度，可实现移动闭塞。

(5)设备集成度高，可减少地面设备，系统结构简单，并改善可靠性和可维修性，减少全寿命周期成本。

(6)CBTC信息可以叠加在既有信号系统上，便于既有线改造，可实现城市轨道交通的互连互通。

2、发展方向

(1)系统化。现代轨道交通的控制系统已从调度、联锁、闭塞、信号机等设备的简单组合，向集调度指挥、运行控制及自动驾驶为一体的综合自动化方向发展。

(2)网络化。地面局域网、广域网及车一地间的无线通信网将轨道交通的控制中心、车站及列车连成一个有机整体，使指挥中心能够全面了解辖区内的各种情况，灵活配置系统资源，保证系统的安全、高效运行。

(3)信息化。能迅速、准确获得轨道交通运营管理的实时信息，在保证系统安全、高效运营的同时，可大大提高旅客服务水平。

(4)智能化。使调度指挥系统根据实际情况，借助先进的计算机控制技术，及时自动调整列车运行，使整个轨道交通系统运转达到最优化，并大大减低劳动强度。

(5)通信信号一体化。通信技术在轨道交通信号系统中大量运用使通信信号趋于一体，基于通信的列车控制系统(CBTC)正体现了这种一体化特征。

四、结论

随着计算机和通信技术的发展，基于通信的列车运行控制系统(CBTC)是轨道交通信号及列车控制的发展方向，我国目前正在进行

铁路CTCS和城市轨道交通CBT系统的研究攻关阶段，同时也将跟踪国际技术发展趋势，制定我国的安全标准，建立安全认证与评估体系，尽快使我国研制开发出具有自主知识产权的CBTC系统并得以应用。