丁文君

摘? ?要：文章基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，依據(jù)系統(tǒng)的移動(dòng)閉塞功能分類(lèi)，結(jié)合西安地鐵2號(hào)線(xiàn)的隧道運(yùn)行情景，闡釋基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)分析了列車(chē)精準(zhǔn)定位、虛擬占用及TDD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用性，以為多列車(chē)混合運(yùn)行的安全監(jiān)測(cè)提供有效支撐。

關(guān)鍵詞：列車(chē)控制信號(hào)系統(tǒng);移動(dòng)閉塞;分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù);信號(hào)干擾

1? ? CBTC系統(tǒng)的基本構(gòu)成

基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（Communication-Based Train Control，CBTC）源于歐洲連續(xù)式列車(chē)控制系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信和自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)在技術(shù)和應(yīng)用上得到突破性的發(fā)展，并成為國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的神經(jīng)中樞，是確保地鐵車(chē)輛安全運(yùn)行的應(yīng)用支撐。CBTC系統(tǒng)與軌道電路相互獨(dú)立，通常采用基于802.11系列協(xié)議的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）組網(wǎng)，進(jìn)行車(chē)地的雙向、連續(xù)、大容量數(shù)據(jù)通信，該種通信方式具有可移動(dòng)、成本低、易于部署等特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞。

整體而言CBTC系統(tǒng)由地面設(shè)備和車(chē)載設(shè)備兩大模塊構(gòu)成，且兩者可以通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車(chē)地的雙向通信，以此構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的主體功能框架。系統(tǒng)中配設(shè)了自動(dòng)列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train System，ATS），可用于監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行、信號(hào)設(shè)備等情況，管理運(yùn)行圖、排列進(jìn)路。在CBTC系統(tǒng)中還設(shè)置了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)，利用專(zhuān)門(mén)的控制軟件對(duì)車(chē)站信號(hào)、進(jìn)路、道岔之間的聯(lián)鎖關(guān)系進(jìn)行處理，并可自動(dòng)采集、處理相關(guān)信號(hào)，將地鐵車(chē)站運(yùn)行中的操控指令和信息輸入計(jì)算機(jī)，根據(jù)內(nèi)置的計(jì)算條件便可實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)鎖關(guān)系的邏輯運(yùn)算和判定，而后，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出，指令執(zhí)行設(shè)備和機(jī)構(gòu)完成對(duì)列車(chē)運(yùn)行的監(jiān)控。

2? ? CBTC系統(tǒng)的移動(dòng)閉塞技術(shù)的模式分類(lèi)

CBTC系統(tǒng)可基于車(chē)地雙向通信，通過(guò)連續(xù)檢測(cè)先行列車(chē)的位置和速度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，其應(yīng)用設(shè)計(jì)原理是后續(xù)列車(chē)以前行列車(chē)尾部為追蹤目標(biāo)點(diǎn)，在最小安全追蹤間隔距離下，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。設(shè)定前后兩列車(chē)的最小間隔距離為S，其速度、減速度、空走時(shí)間各為V1，V2，B1，B2，T1，T2，據(jù)此可得：

結(jié)合式（1），CBTC系統(tǒng)移動(dòng)閉塞模式下，若前行列車(chē)的B1減速度為無(wú)限大，T1空走時(shí)間為0，此時(shí)前后列車(chē)的最小安全間隔為：

利用式（2），可求解得出后續(xù)列車(chē)的安全運(yùn)行速度，因?yàn)樵撘苿?dòng)閉塞模式無(wú)需考量前行列車(chē)的速度，僅需關(guān)注列車(chē)位置的處理方式，故而，定義為相對(duì)位置模式。同時(shí)，若式（1）中距離S給定，由前行列車(chē)的速度V1可獲得后續(xù)列車(chē)的速度V2，對(duì)相同車(chē)型而言，若空走時(shí)間一致，則列車(chē)間的速度可視為均衡，即行車(chē)間隔近似0，因?yàn)樵撃Ｊ揭粤熊?chē)的限度速度及位置來(lái)確定后續(xù)列車(chē)的安全運(yùn)行速度，故而，定義為相對(duì)速度模式。

3? ? CBTC系統(tǒng)在地鐵工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，CBTC系統(tǒng)的移動(dòng)閉塞技術(shù)存在不同的應(yīng)用模式，而基于西安地鐵2號(hào)線(xiàn)工程運(yùn)行穩(wěn)定的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用相對(duì)位置的閉塞模式，通過(guò)自動(dòng)環(huán)段、列車(chē)定位、分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）車(chē)地移動(dòng)通信等技術(shù)，完成安全間隔內(nèi)列車(chē)的安全運(yùn)行，以縮短車(chē)輛運(yùn)行距離，提高地鐵的承運(yùn)能力。

3.1? 車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合西安地鐵2號(hào)線(xiàn)工程的特點(diǎn)，為滿(mǎn)足不同隧道情景的線(xiàn)路條件，簡(jiǎn)化CBTC系統(tǒng)應(yīng)用，該地鐵采用相對(duì)位置的移動(dòng)閉塞模式，利用“車(chē)地通信”和“列車(chē)定位”技術(shù)，將地面設(shè)備和受控列車(chē)融合為一體，基于最小安全間隔來(lái)靈活調(diào)控列車(chē)運(yùn)行能力，而不再依賴(lài)于軌道電路。此時(shí)，列車(chē)安全間隔為動(dòng)態(tài)的，后續(xù)列車(chē)跟據(jù)前行列車(chē)的位置和速度而隨時(shí)變動(dòng)，以確保列車(chē)的安全制動(dòng)距離，規(guī)避“追尾”。鑒于CBTC系統(tǒng)的車(chē)地通信多采用802.11系列協(xié)議的WLAN組網(wǎng)，雖具有成本低、易部署的特點(diǎn)，但其多采用2.4 GHz或5.8 GHz頻段，且以天線(xiàn)、波導(dǎo)管及漏纜等作為通信媒介，而現(xiàn)有移動(dòng)終端設(shè)備也采用2.4 GHz頻段，無(wú)法規(guī)避無(wú)線(xiàn)通信之間的干擾問(wèn)題。針對(duì)此，可在原有WLAN基礎(chǔ)上，以兼容方式應(yīng)用TDD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)，構(gòu)建兩套TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)承載CBTC系統(tǒng)的車(chē)地通信，在承載多業(yè)務(wù)和頻率資源的條件下，A網(wǎng)采用PIS 10 MHz帶寬，綜合承載CBTC系統(tǒng)、PIS、車(chē)載監(jiān)控整設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，B網(wǎng)另行運(yùn)行5 MHz帶寬，以單獨(dú)承載CBTC業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。

CBTC系統(tǒng)下，西安地鐵2號(hào)線(xiàn)的列車(chē)段線(xiàn)路原來(lái)布設(shè)為“燈泡線(xiàn)”，但是由于車(chē)地通信重新設(shè)計(jì)之后采用A網(wǎng)、B網(wǎng)冗余配置方案，即A，B網(wǎng)同時(shí)運(yùn)行，軌旁AP天線(xiàn)方向在整個(gè)線(xiàn)路固定設(shè)置，列車(chē)頭尾對(duì)應(yīng)軌旁的無(wú)線(xiàn)A網(wǎng)、B網(wǎng)固定配置天線(xiàn)，車(chē)載的A，B網(wǎng)天線(xiàn)只能與軌旁A，B網(wǎng)的AP天線(xiàn)進(jìn)行通信，若列車(chē)通過(guò)“燈泡線(xiàn)”，轉(zhuǎn)向另一線(xiàn)路，可能產(chǎn)生車(chē)頭車(chē)載B網(wǎng)天線(xiàn)、車(chē)尾車(chē)載A網(wǎng)天線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)軌旁的無(wú)線(xiàn)A網(wǎng)、B網(wǎng)的AP天線(xiàn)，影響車(chē)地正常通信。為解決該問(wèn)題，可在車(chē)頭車(chē)尾配設(shè)4個(gè)AP天線(xiàn)，通過(guò)自動(dòng)換端實(shí)現(xiàn)A，B網(wǎng)的調(diào)換，確保車(chē)地的正常通信[1]。

3.2? 列車(chē)追蹤間隔設(shè)計(jì)

CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，因移動(dòng)閉塞存在不同應(yīng)用模式，在西安2號(hào)地鐵中，在工期和運(yùn)行穩(wěn)定性的雙重要求下，該地鐵將采用相對(duì)位置的移動(dòng)閉塞模式，利用系統(tǒng)坐標(biāo)的概念描述列車(chē)位置。例如以“R1，S12，+24”描述了列車(chē)在1號(hào)區(qū)域、12號(hào)軌道單元、正向24 m位移的位置。運(yùn)用軌旁置信標(biāo)作為相對(duì)位置校驗(yàn)，依據(jù)工程線(xiàn)路調(diào)配適宜的位置，將列車(chē)位置描述的誤差性控制在12 m。同時(shí)，通過(guò)CBTC系統(tǒng)模擬運(yùn)行，西安2號(hào)地鐵列車(chē)的最小追蹤間隔為90 s，運(yùn)行交路折返路的能力需達(dá)到105 s要求。移動(dòng)閉塞技術(shù)應(yīng)用下，設(shè)計(jì)的列車(chē)追蹤間隔如圖1所示。

CBTC在地鐵工程應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，將聯(lián)鎖、計(jì)軸、信號(hào)機(jī)、信標(biāo)、無(wú)線(xiàn)通信等軌旁設(shè)備融合為一體，讓CBTC系統(tǒng)可準(zhǔn)確識(shí)別和判定進(jìn)路中列車(chē)的位置，進(jìn)而根據(jù)移動(dòng)閉塞的追蹤間隔對(duì)裝備列車(chē)進(jìn)行監(jiān)控，并給予連續(xù)性ATP防護(hù)，對(duì)于存在通信故障的裝備列車(chē)、未裝備的列車(chē)均由司機(jī)根據(jù)站間閉塞要求控制列車(chē)，并給予防闖紅燈的防護(hù)。為實(shí)現(xiàn)兩種列車(chē)駕駛模式的自動(dòng)切換和選擇，車(chē)載系統(tǒng)整合了CBTC設(shè)備和闖紅燈防護(hù)設(shè)備，如此，各列車(chē)可依據(jù)自身情況運(yùn)行，在軌旁設(shè)備監(jiān)控下不同列車(chē)可以混合運(yùn)行方式獲得同步監(jiān)控。

3.3? 列車(chē)位置精準(zhǔn)定位設(shè)計(jì)

運(yùn)行列車(chē)運(yùn)行位置的精準(zhǔn)定位，關(guān)系虛擬占用的形成、列車(chē)沖突點(diǎn)的設(shè)置、運(yùn)行間隔的調(diào)整，故而，需對(duì)列車(chē)位置進(jìn)行檢測(cè)和校驗(yàn)。西安地鐵2號(hào)線(xiàn)在CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，車(chē)載設(shè)備可采用測(cè)速傳感器，依據(jù)輪周長(zhǎng)原理，計(jì)算列車(chē)位移，且為規(guī)避列車(chē)運(yùn)行打滑空轉(zhuǎn)造成的位移誤差，利用多普雷達(dá)車(chē)輛位移檢測(cè)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。同時(shí)，為確保列車(chē)位置識(shí)別，可運(yùn)用車(chē)載軌道數(shù)據(jù)庫(kù)中的電子地圖，融合地面信標(biāo)讀取器的信標(biāo)信息讀取，將讀取的信息與電子地圖對(duì)比，完成列車(chē)位置的定位[2]。

列車(chē)位置定位中，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和多列車(chē)移動(dòng)閉塞區(qū)間內(nèi)的安全運(yùn)行控制，線(xiàn)路信息及軌旁設(shè)備安裝的精度設(shè)置如下：線(xiàn)路曲線(xiàn)及坡道信息為0.03 m，道岔岔尖位置為0.10 m，信號(hào)機(jī)位置為0.10 m;計(jì)軸器位置為0.10 m，標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)位置為0.08 m，精確信標(biāo)位置為0.025 m，輪徑效驗(yàn)信標(biāo)位置為0.08 m/0.06 m。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通的創(chuàng)新建設(shè)，依托于計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展而來(lái)的地鐵CBTC系統(tǒng)得以深化應(yīng)用，而西安地鐵2號(hào)線(xiàn)正是采用該種移動(dòng)閉塞的CBTC列車(chē)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用，完成列車(chē)位置準(zhǔn)確定位、排除WLNA通信干擾問(wèn)題，上述結(jié)合應(yīng)用地鐵的特點(diǎn)，就CBTC系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中面臨的技術(shù)難題進(jìn)行分析，從列車(chē)定位、追蹤間隔、車(chē)地雙向通信等幾個(gè)技術(shù)層面，進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計(jì)分析，可為相關(guān)問(wèn)題的解決提供有效指引。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙劍華.一種集中冗余式架構(gòu)CBTC系統(tǒng)方案的設(shè)想[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2019（8）：65-68.

[2]丁軍.淺談地鐵信號(hào)系統(tǒng)的施工技術(shù)要點(diǎn)及調(diào)試[J].通訊世界，2019（8）：70-71.