CBTC系统下列车移动授权及自动防护原理

CBTC系统下列车移动授权及自动防护原理

陈天池

陈天池

成都地铁运营有限公司四川成都610000

摘要：随着我国轨道交通的发展，基于无线通信的列车控制系统CBTC（CommunicationBasedTrainControl）已逐渐成为我国城市轨道交通控制系统的发展趋势。CBTC系统采用高精度的列车定位、连续的车地双向通信方式，使行车效率大大提高。本文参照某地铁2号线（蛇口线）URBALISTM列车控制系统，介绍了CBTC系统的结构，并详细讨论了CBTC系统下列车移动的授权问题和自动防护的基本原理。

关键词：CBTC系统，列车定位，列车移动授权，自动防护原理

1.引言

CBTC系统已经逐渐成为城市轨道交通信号系统的主流。CBTC系统最大的特点是采用独立于轨道的车地双向通信设备，实时不间断连续传递信息，同时加上列车的精确定位，实现移动闭塞的功能并控制列车移动授权。

2.CBTC系统的结构

一个典型的CBTC系统包括：列车自动监督系统ATS（AutomaticTrainSupervision）、数据库存储单元DSU（DatabaseStorageUnit）、区域控制器ZC（ZoneController）、计算机联锁CI（ComputerInterlocking）、车载控制器CC（CarborneController）和数据通信系统DCS（DataCommunicationSystem，包括轨旁光纤骨干网、网络交换机、轨旁无线接入点以及车载无线设备）。整个系统包括CBTC车载系统和CBTC轨旁系统，并通过DCS联系起来，构成系统的核心部分，实现对列车的控制。

3.列车定位

3.1定位原理

CBTC系统列车位置是由列车本身确定，然后通过DCS系统实时传递至轨旁CBTC设备。某地铁2号线URBALISTM系统采欧式信标进行列车定位，当列车通过信标时，由列车信标天线激活地面上的信标，并向列车发送一个唯一的识别号，CBTC系统可以在列车的运行线路上迅速、准确的捕捉到列车的具体位置。当CC通过一个信标时，CC接收到信标识别并和线路配置数据比较以确定其在线路上的位置。然后将该位置信息报告给ZC。CC周期性地计算其安全位置。在每2次重新定位之间，CC根据测算经过上一个信标之后的位移计算其最大和最小可能位置。列车的实际位置总是在这两个位置之间。这两个最大和最小可能位置之间的距离称为定位误差。随着列车的移动，该误差将由于车轮的空转/打滑效应而增加。该原理保证列车的实际位置总是在最大定位报告和最小定位报告之间。检测到的最大和最小位置将被发送至ZC用于计算自动防护AP（AutomaticProtection）。

由于编码里程计安装在车轮上，列车运行时车轮的打滑、编码里程计固有的误差和车轮磨损误差，而且误差会随着列车的运行距离增加而不断积累。在URBALISTM系统中ATC会自动通过两个相隔21m的重定位信标重新进行初始化校准里程计精度来消除计算误差，如果列车失去定位，系统能通过在线路上的任意位置读取2个连续的信标重定位。

3.2自动防护

移动闭塞要确保线路上列车的安全间隔，ZC根据CC发送的位置报告为控制范围内的每列车建立虚拟的安全包络（AP），它由列车定位的两端定义的：对于通信正常的列车（CBTC），定位的一端被认为是车头，另一端是车尾。此两端之间区域被定义为列车占用区域；对于通信故障的列车（CBTC或点式防护模式），或未装备信号设备的列车，AP为所占用的辅助列车检测区域。CC每隔400ms发送一次位置报告给ZC。主要信息为列车的最大和最小定位和速度，还有列车编号及其相应的时间和时效性。如果列车驶出其自身的自动防护范围之外，ATP将实施紧急制动。列车始终由AP安全地管理。

3.3AP更变

当列车开始行驶时，AP的大小和位置也随着不断变化。每次列车发送新的定位信息时，相应的AP也需要更新。在2个定位报告之间，行驶的列车会在自动防护区域内移动。AP与列车行驶的速度有密切的联系，AP的更变需要考虑列车行驶速度的影响。同时考虑到列车在2个定位报告间延迟期间的移动。

4.车-地通信

在城市轨道交通领域，列车自动控制系统的车-地通信信道主要采用点式和连续式两种通信方式来实现列车与轨旁设备间的信息传输。地到车的信息主要是列车自动防护（ATP）信息，车到地的信息主要是列车动态信息（包括列车位置、速度、驾驶模式、停车保证等）和车载信号设备及列车车辆相关状态信息等。

车-地信息传输系统一般采用基于通信的多服务冗余数据传输系统（DataTransmissionSystemCS），实现地车的双向信息传输。目前主要的CBTC系统实现车-地信息传输的方式有：感应环线、漏泄波导/漏缆、无线传输等。

5.列车定位

目前在国内外城市轨道交通中有多种列车定位方法。依据轨道电路定位的方法主要有基于轨道电路的列车定位技术、测速列车定位方法、基于查询-应答器的列车定位法技术、感应回线车载传感器定位技术及信标定位；基于CBTC的列车定位方法有无线扩频通信定位技术和全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem，简为GPS）等。

（1）无线扩频通信定位技术，采用先进的无线扩频通信、伪码测距和计算机信息处理技术，实现了对复杂环境中列车的实时准确定位及跟踪。其基本原理为：地面设置测距基站和中心控制站，在列车两端安装无线扩频通信发射机；发射机向地面测距基站发射定位信息；测距基站（采用全数字解扩方式）收到定位信息后，使用数字信号处理技术计算出伪距，并通过无线或有线链路送至中心控制站进行信息处理。其定位结果显示在电子地图上，并以无线方式传递到列车上。这种定位方法比较精确，而且是一套完全独立的定位系统。

（2）GPS是一种无线电导航系统，不仅具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力，而且还能实时对运载体的速度、姿态进行测定以及精密授时。目前，GPS提供的定位精度小于10m。为了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS（即DifferentialGlobalPositionSystem，简为DGPS）技术。DGPS引入一个已知位置的误差信息后，定位精确度带来数量级的提高，能实时地给出cm级的定位结果。在此模式下，连续通信使得DGPS不受物理区段的约束，只在逻辑分区之间发生步进（计算机内部模拟的列车从一个区段运动到相邻的区段叫做“步进”），并根据原始的列车位置报文修正列车实际的位置，车次号跟随列车当前的位置步进。

6结束语

目前国内轨道交通使用的传统固定闭塞技术都是依靠轨道本身来传导控制信号，以轨道电路来划分控制区间，从而决定列车间的安全制动距离。与固定闭塞技术相比，基于无线通信的列车控制系统靠沿轨道铺设的简单线路与移动列车间的通信来实现控制，这样就缩短了控制区间单位长度，从而缩短了列车间的安全制动距离。如此就可以精简列车编组，提高发车频率，从而提升轨道交通系统的运客能力。通过使用基于无线通信列车控制系统，可以大幅度地提高线路的运力，由此可以降低运营成本。对于现有系统的升级或者改进，只需要相对简单的软件变革，与利用传统技术的硬件变革相比将大幅降低所需成本。因此从长远看，基于无线通信的列车控制系统无疑将成为发展方向。

参考文献

[1]步兵.CBTC系统中无线通信的可用性分析[D].北方交通大学电信学院，2001.