張 章

CBTC系統(tǒng)在南昌軌道交通1號線的應(yīng)用

張 章

摘 要：南昌軌道交通1號線信號系統(tǒng)采用了基于無線通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)的構(gòu)成、主要工作原理、功能特點以及在南昌軌道交通1號線的應(yīng)用。為保障線路的運營安全和效率提供了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：CBTC；移動閉塞；運營安全；效率；移動授權(quán)

張 章：南昌軌道交通集團有限公司，助理工程師，江西南昌 330038

1　系統(tǒng)構(gòu)成

南昌軌道交通1號線信號系統(tǒng)包括定修段1座（含試車線、培訓(xùn)中心和維護中心）、停車場1座、正線8個控區(qū)、控制中心、維修監(jiān)測子系統(tǒng)以及總共27列列車的車載設(shè)備。信號系統(tǒng)構(gòu)成見圖1，主要組成部分如下。

（1）列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）。通過在控制中心以及8個控區(qū)車站的設(shè)備，為中央及車站調(diào)度員提供用戶界面，完成進路分配、間隔調(diào)整、時刻表生成、區(qū)域封鎖、臨時限速、跳停、事件記錄等以及行車組織有關(guān)的管理功能。

（2）區(qū)域控制器（ZC）。區(qū)域控制器為安全型設(shè)備，由移動授權(quán)單元（MAU）和軌旁聯(lián)鎖（PMI）組成。其中：①移動授權(quán)單元由ATP/ ATO核心計算機單元和其他板卡組成，為3取2配置；②聯(lián)鎖采用1 套2乘2取2結(jié)構(gòu)的安全型計算機組成。

圖1　信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（3）車載設(shè)備。車載控制器（VOBC），由ATP/ATO核心計算機單元和其他板卡組成，為2乘2 取2配置；還有車載無線單元（MR）、車載顯示單元（TOD）、查詢應(yīng)答器天線（TIA）等。

（4）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）。包括有線網(wǎng)絡(luò)部分和無線網(wǎng)絡(luò)部分。其中：有線網(wǎng)絡(luò)部分為包括骨干網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機、安全設(shè)備組成的冗余網(wǎng)絡(luò)；無線網(wǎng)絡(luò)部分采用軌旁無線接入點（AP），車載無線設(shè)備、車-地通信采用具有強抗干擾能力的802.11FHSS技術(shù)，確保系統(tǒng)在運營復(fù)雜的無線環(huán)境中正常工作。

（5）維護監(jiān)測子系統(tǒng)。通過維修監(jiān)測服務(wù)器、磁盤陣列、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、接口服務(wù)器、維修監(jiān)測工作站、打印機、交換機等設(shè)備，實現(xiàn)整個信號系統(tǒng)設(shè)備的集中監(jiān)測和告警處理。

信號系統(tǒng)功能被分配到1個或多個安全型硬件平臺，可以針對不同的應(yīng)用而修改，并支持系統(tǒng)的互用性。

2　系統(tǒng)主要工作原理

2.1列車定位原理

2.1.1列車位置初始化

南昌1號線的線路設(shè)置4個進入/退出點，位于定修段和停車場的進口和出口，還有1個進入/退出點設(shè)置于與2號線的接口。

每個CBTC入口處，都安裝有2個應(yīng)答器。當(dāng)列車接近列車自動控制（ATC）區(qū)域時，一旦檢測到2個連續(xù)的應(yīng)答器、并且確定這2個應(yīng)答器的位置值和車載線路數(shù)據(jù)庫中的一致，則該列車的位置和方向?qū)⒈怀跏蓟?/p>

2.1.2列車定位

車載控制器（VOBC）將會測量它所經(jīng)過的2個連續(xù)的應(yīng)答器之間的距離，并將其與線路數(shù)據(jù)庫中的距離進行比較。如果兩者的差異在限定的誤差里，則列車的位置便確定，而且列車的確切位置及方向也能辨認(rèn)出來。對應(yīng)于每個檢測到的應(yīng)答器，車載控制器將調(diào)整位置不確定性。車載控制器將根據(jù)速度計的輸入來確定列車在2個應(yīng)答器之間的位置。

如果沒有檢測到2個連續(xù)的應(yīng)答器或者檢測到1個非預(yù)期應(yīng)答器，車載控制器將把列車位置設(shè)置為未知。非預(yù)期應(yīng)答器是指檢測到了與數(shù)據(jù)庫中定義的位置不同的應(yīng)答器。

區(qū)域控制器（ZC）根據(jù)列車報告的車頭位置，再加上位置測量誤差值和估計的運行距離，計算出通信列車的車頭位置。

區(qū)域控制器根據(jù)列車報告的車尾位置，再加上位置測量誤差值和潛在的倒溜距離計算得出通信車可能的車尾位置（圖2）。

圖2　列車定位

列車以厘米精度為單位向ATS及區(qū)域控制器報告列車位置。

2.2列車追蹤原理

在正常CBTC運營下，列車間隔是基于移動閉塞原則計算的，這種情況下，列車的移動授權(quán)權(quán)限（LMA）基于前車的精確位置向前延伸。在后備模式下（限制人工模式RM、點式ATP），列車間隔是基于計軸與信號機的固定閉塞系統(tǒng)計算的。

系統(tǒng)采用移動閉塞原理來控制列車間隔。當(dāng)前列車與前行列車的安全距離是基于當(dāng)前列車的即時速度、速度測量的最大誤差、列車位置的不確定性、最不利情況下列車的緊急制動能力、障礙類型等動態(tài)計算的結(jié)果。

車載設(shè)備在區(qū)域控制器發(fā)出的移動授權(quán)權(quán)限下負(fù)責(zé)列車的安全運行。移動授權(quán)權(quán)限被授權(quán)至列車前方的實際障礙物。車載設(shè)備確保由它產(chǎn)生的速度曲線考慮了所有適當(dāng)?shù)陌踩蛩?。這些考慮包括最不利情況下的停車距離和前方障礙物位置的不確定性。

在傳統(tǒng)信號系統(tǒng)中，對后續(xù)列車的移動授權(quán)是根據(jù)前行列車對軌道區(qū)段的占用而給出的。在移動閉塞系統(tǒng)中，區(qū)域控制器根據(jù)列車所報告的位置，加上位置的不確定誤差，從而得出該列車在最不利條件下的位置。區(qū)域控制器將這個列車的位置作為后續(xù)列車的障礙物來計算后續(xù)列車的移動授權(quán)權(quán)限，使之與前方列車盡可能接近。

如圖3、圖4所示，如果前行通信列車向前移動，后續(xù)列車的移動授權(quán)權(quán)限相應(yīng)向前延伸。

移動授權(quán)單元（MAU）從ATS接收到列車A與列車B的進路請求。

圖3　無前車的列車移動授權(quán)權(quán)限（LMA）

圖4　2列ATO列車追蹤

移動授權(quán)單元通過列車B所報告的列車位置，為列車A排列進路與移動授權(quán)。當(dāng)列車B向前移動時，移動授權(quán)單元會逐步解鎖列車B后方的進路以及移動授權(quán)。

隨著列車B向前移動，移動授權(quán)單元將為列車A延伸進路以及移動授權(quán)。

2.3車-地通信原理

信號系統(tǒng)基于車載控制器（VOBC）與區(qū)域控制器（ZC）、車載控制器與ATS之間的連續(xù)雙向通信，提供移動閉塞。

DCS系統(tǒng)確保2個方向上的完全無線覆蓋。

安全通信通過安全子系統(tǒng)間的端對端來保證（移動授權(quán)單元-車載控制器、移動授權(quán)單元-聯(lián)鎖、移動授權(quán)單元-移動授權(quán)單元)。

當(dāng)子系統(tǒng)（移動授權(quán)單元、聯(lián)鎖、車載控制器）創(chuàng)建一個安全信息時，它計算安全編碼，連同應(yīng)用信息一起發(fā)送。接收者（移動授權(quán)單元、聯(lián)鎖、車載控制器）檢查安全編碼，若安全編碼錯誤則拒絕信息。

2.4列車控制原理

車載控制器根據(jù)接收到的來自移動授權(quán)單元的移動授權(quán)權(quán)限計算相應(yīng)的停車點和最大允許速度，以確保列車可以在最差情況下在移動授權(quán)權(quán)限之內(nèi)停車。

車載控制器采用能力強大的奔騰板動態(tài)計算安全距離，滿足2個目標(biāo)：①安全，列車停在移動授權(quán)權(quán)限（LMA）之內(nèi)；②運營效率，列車停車點盡可能靠近LMA。

車載控制器每個周期基于列車參數(shù)、軌道參數(shù)和移動授權(quán)權(quán)限計算速度限制。列車參數(shù)包括列車長度和大小、牽引切除延遲時間、常用制動延遲時間、緊急制動建立時間等。軌道參數(shù)包括保存在車載數(shù)據(jù)庫中的線路限速、坡度等。

移動授權(quán)權(quán)限由移動授權(quán)單元（MAU）確定。移動授權(quán)權(quán)限可以是前車的尾部、軌道的末端、非通信列車占用計軸區(qū)段的邊界。如果移動授權(quán)權(quán)限是前車的尾部，那移動授權(quán)權(quán)限可以基于前車尾部位置延伸。

如果列車實際速度超過緊急制動（EB）應(yīng)用速度曲線，那車載控制器將對列車施加緊急制動（圖5）。

2.5聯(lián)鎖控制原理

在CBTC運行等級下，系統(tǒng)的移動閉塞邏輯由移動授權(quán)單元執(zhí)行，聯(lián)鎖設(shè)備執(zhí)行信號機和轉(zhuǎn)轍機等室外設(shè)備狀態(tài)的驅(qū)動和采集。在CBTC模式下，聯(lián)鎖以列車的實際位置進行解鎖；在聯(lián)鎖和點式ATP運行等級下，聯(lián)鎖設(shè)備執(zhí)行固定閉塞邏輯，以計軸區(qū)段為單位進行分段解鎖。

聯(lián)鎖設(shè)備能判斷保護區(qū)段的設(shè)置時機，后續(xù)列車進路保護區(qū)段的設(shè)置不會影響前行列車的運行和折返作業(yè)。

圖5　安全制動模型

聯(lián)鎖控制的安全聯(lián)鎖包括區(qū)段鎖閉、進路鎖閉、延時解鎖、道岔占用檢測、道岔監(jiān)控和接近鎖閉。

2.6進路控制原理

系統(tǒng)中定義運行線用于進路的排列，1條運行線定義了1組點到點之間的行程，在大多數(shù)情況下，是一個閉合的交路。在中央調(diào)度員選擇好系統(tǒng)運行模式時，由ATS自動完成運行線的分配，或者值班員人工分配運行線，運行線是分配給列車的。

定義和分配不同的運行線，就可以實現(xiàn)自動為列車分配進路、正常的折返交路、反向的折返交路、非正常的往復(fù)進路等。運行線的定義是在設(shè)計階段根據(jù)客戶的實際需要確定的，可以支持所有需要的正常和非正常的進路。通過定義不同的運行線，系統(tǒng)可以方便地支持所有可能的運行場景及折返模式，例如：正向運行及折返，反向運行及折返，短交路折返，往復(fù)運行的運行線等。2.6.1 進路排列及解鎖

根據(jù)分配的運行線，系統(tǒng)為列車排列進路，進路總是排列至列車的下一個可能的停車點，若列車在A站，根據(jù)運行線的分配，其最終目的地是D站，則ATS自動為列車分配至B站的進路，列車在B站停車后，再分配至C站的進路，若列車是需要跳停C站的，則列車在接近C站之前會自動延伸自C站至D站的進路，進路的延伸不影響列車的正常運營。進路隨著列車的位置移動實時的解鎖。

2.6.2CBTC模式下進路的請求和實施

ATS系統(tǒng)為列車分配運行線，并根據(jù)運行線為列車請求進路。在CBTC模式下，ATS系統(tǒng)向移動授權(quán)單元請求進路，移動授權(quán)單元根據(jù)進路請求預(yù)留并授權(quán)進路，包括必要的防護區(qū)段，防護區(qū)段長度視列車模式而定；若列車為CBTC的ATP/ATO列車，防護區(qū)段根據(jù)安全制動模型確定，大于40 m；若是非通信列車或是通信的RM列車，防護區(qū)段按照固定閉塞原則確定。

在非道岔區(qū)段，進路的預(yù)留授權(quán)等由移動授權(quán)單元單獨完成，聯(lián)鎖系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)根據(jù)移動授權(quán)單元的命令開放或關(guān)閉信號機。

在道岔區(qū)段，移動授權(quán)單元會向聯(lián)鎖系統(tǒng)請求道岔區(qū)域的聯(lián)鎖進路，聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)請求轉(zhuǎn)動道岔并鎖閉進路。聯(lián)鎖進路僅限于道岔區(qū)域。

2.6.3后備模式下進路的請求和實施

在后備模式下，移動授權(quán)單元不工作。

在后備模式下，ATS系統(tǒng)向聯(lián)鎖系統(tǒng)請求進路，聯(lián)鎖進路根據(jù)進路請求預(yù)留并授權(quán)進路，包括必要的防護區(qū)段，防護區(qū)段按照固定閉塞原則確定。

值班員也可以手動設(shè)置信號機到信號機的進路。進路可以是自動解鎖進路，即列車經(jīng)過后，進路自動解鎖；也可以是人工解鎖進路，即列車經(jīng)過后，進路不會自動解鎖，條件具備后信號自動開放，為下一列車使用。

2.6.4聯(lián)鎖自動進路

在后備模式，且中央及本地ATS均故障的情況下，聯(lián)鎖系統(tǒng)可以為進入其控制區(qū)的列車自動分配缺省的進路。對于折返站，可以自動分配折返進路，根據(jù)列車的接近條件自動排列和解鎖。

3　系統(tǒng)功能特點

（1） DCS和信號系統(tǒng)的ATP/ ATO是相互獨立的。系統(tǒng)可以與任何提供用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（UDP/IP）通信的標(biāo)準(zhǔn)DCS工作，并滿足信號系統(tǒng)性能需求；網(wǎng)絡(luò)采用跳頻擴頻技術(shù)(FHSS)的802.11，使其可靠性和抗干擾性優(yōu)于用在其他無線系統(tǒng)的如802.11b/g/n技術(shù)，防止WiFi設(shè)備、其他無線局域網(wǎng)系統(tǒng)和藍(lán)牙等的干擾。同時，采用含動態(tài)密鑰保護管理的IP安全的加密技術(shù)用于特定的車載、軌旁和控制中心硬件。

（2） 采用分布式結(jié)構(gòu)。每個聯(lián)鎖區(qū)都配置ATP/ATO設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備及本地ATS設(shè)備。在系統(tǒng)出現(xiàn)1個ATP/ATO區(qū)域故障時有效減少對運營的影響，僅該區(qū)域運行在后備模式下（遵循固定閉塞原則并以點式ATP運營），提供了調(diào)試的靈活性，在土建推遲情況下，為分區(qū)調(diào)試提供可能；線路進行延伸割接時，僅需要升級相鄰區(qū)域的設(shè)備，而不影響其他控區(qū)的聯(lián)鎖，為線路延伸提供方便。

（3） 客戶化配置。系統(tǒng)使用通用的ATP/ATO軟件，并可為下述元素進行配置：不同的線路參數(shù)（坡度、站臺位置、道岔、信號機等）；聯(lián)鎖和ATP/ATO控區(qū)的數(shù)量；專用的列車參數(shù)和特性（列車長度、保證制動率、加速度、牽引施加和切除時延，緊急制動施加時延等）；每個設(shè)備的IP地址等。

（4） 雙向運行。CBTC系統(tǒng)提供完整的雙向運營，線路上任意位置的雙向ATP防護下的ATO，所有的折返運行可在基于ATP防護下的ATO進行；ATC系統(tǒng)可在任意位置任意方向確保安全，不依賴于操作人員。

（5） 多級降級后備方案。為減少設(shè)備故障對運營的影響，系統(tǒng)提供了多級降級運營及后備運營的功能，譬如當(dāng)中央ATS設(shè)備故障后，本地ATS的自動切換提供本地控制；如果由于通信故障引起軌旁ATP故障，系統(tǒng)將提供點式ATP后備運營方案；在CBTC模式下，系統(tǒng)具備點式通信、連續(xù)式通信和非通信列車混合運行的能力；ATP故障時，聯(lián)鎖級的后備運營。

（6） 實現(xiàn)不同編組列車混合運營，系統(tǒng)根據(jù)精確的定位系統(tǒng)傳送列車的位置和長度，軌旁移動授權(quán)單元按照后續(xù)列車的車尾位置與前面列車車尾的距離計算移動授權(quán)，在混合編組運行時無需增加硬件設(shè)備。

4　CBTC系統(tǒng)在南昌1號線的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)相比，CBTC系統(tǒng)在運營能力、運營效率方面有了非常大的提高，列車之間的追蹤間隔不再取決于軌道區(qū)段或計軸區(qū)段，而是列車與列車之間的安全距離，一般為40 m。同時，通過部署可靠的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)和車-地通信，實時傳送列車信息和其他系統(tǒng)信息，確保列車的安全運行和監(jiān)控要求

4.1優(yōu)化的DCS網(wǎng)絡(luò)配置

南昌地鐵1號線的骨干網(wǎng)主要是由高速交換機和單模光纖構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這是基于IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的有線通信網(wǎng)絡(luò)。諸多由層疊軌旁無線單元、發(fā)車表示器和其他冗余接入到骨干環(huán)網(wǎng)上的設(shè)備所構(gòu)成的下層子網(wǎng)。

南昌軌道交通1號線的DCS骨干網(wǎng)包含了CBTC骨干網(wǎng)和ATS骨干網(wǎng)2個部分，通過CBTC骨干網(wǎng)和ATS骨干網(wǎng)的隔離，確保在ATS骨干網(wǎng)出現(xiàn)故障不影響系統(tǒng)正常運營。DCS骨干網(wǎng)由2根單獨線纜的光纖組成環(huán)形結(jié)構(gòu)，這樣可使網(wǎng)絡(luò)可用性和數(shù)據(jù)處理能力得到最大化；以太網(wǎng)第2層網(wǎng)絡(luò)交換機用于創(chuàng)建1個可以支持多達50個交換機的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

如圖6所示，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)分為2張獨立的網(wǎng)絡(luò)，1張網(wǎng)絡(luò)承載CBTC信息，1張網(wǎng)絡(luò)承載ATS信息，雙網(wǎng)之間通過防火墻隔離連接，使得相互之間不受各自的影響，保證網(wǎng)絡(luò)通暢和安全信息的及時處理。在承載CBTC信息的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)單元全部通過保密器件進行設(shè)備鑒權(quán)，如車載ATP/ATO設(shè)備、軌旁聯(lián)鎖和移動授權(quán)單元設(shè)備等，防止非鑒權(quán)設(shè)備混入安全網(wǎng)絡(luò)。

4.2列車正線追蹤能力

和固定閉塞的信號系統(tǒng)不同，移動閉塞的CBTC系統(tǒng)的列車追蹤不再受到軌道電路或計軸區(qū)段的影響。車載控制器通過檢測軌道上的信標(biāo)建立列車在軌道上的位置，當(dāng)檢測到1個信標(biāo)后，列車使用速度傳感器輸入來測量信標(biāo)之間的距離以及運行的距離。數(shù)據(jù)庫包含了所有相關(guān)的軌道信息，如信標(biāo)位置、車站、坡度、土建限速、道岔位置以及信號機位置。

SelTrac MS移動閉塞CBTC系統(tǒng)，車載控制器實時地保持和軌旁設(shè)備的通信，通過連續(xù)地收到來自軌旁的移動授權(quán)權(quán)限來駕駛列車。軌旁移動授權(quán)權(quán)限的計算基于先行列車和其他障礙物的位置來設(shè)定，和軌旁的軌道區(qū)段或計軸區(qū)段沒有關(guān)聯(lián)，大大提高了列車的運營效率，極限情況下，后車與前車的距離只有40 m?？梢源蟠筇岣呦到y(tǒng)運營的效率。

圖6　DCS骨干網(wǎng)總覽　

綜合考慮車輛的性能參數(shù)、土建的限制條件以及適當(dāng)?shù)娜藛T和系

統(tǒng)反應(yīng)時間等因素，上行軌道從雙港路到奧體中心線的追蹤間隔達到82.4 s；下行軌道從奧體中心到雙港路的最終間隔達到87.4 s。

5　結(jié)論

南昌地鐵1號線采用的基于無線通信的信號系統(tǒng)，采用全生命周期的設(shè)計理念，具備成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，提供移動閉塞的雙向ATP/ATO運營能力，加上友好的ATS管理界面和網(wǎng)絡(luò)安全保障，必將為地鐵運營帶來價值。

參考文獻

[1] 南昌軌道交通集團有限公司，南昌市軌道交通1號線一期信號系統(tǒng)設(shè)計概覽[G]. 2013.

[2] 自儀泰雷茲自動化系統(tǒng)有限公司，南昌軌道交通1號線系統(tǒng)設(shè)計概覽[G]. 2014.

[3] 自儀泰雷茲自動化系統(tǒng)有限公司，南昌軌道交通1號線系統(tǒng)性能分析[G]. 2014.

責(zé)任編輯 冒一平

Application of CBTC System on Nanchang Metro Line 1

Zhang Zhang

Abstract:The signaling system of Nanchang metro line 1 adopts the wireless communication based train control (CBTC) system. The paper describes the system configuration, working principle, main features and application on Nanchang metro line 1. And it provides the basis for the safe operation and effi ciency of the line.

Keywords:CBTC, moving block, safe operation, effi ciency, movement authority

收稿日期2014-10-31

中圖分類號：U231.7