基于無線通信的列車自動控制系統施工技術研究

欒維磊

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津300308）

1 引言

隨著經濟的快速發展，我國進入城市化和機動化的加速發展階段，高速鐵路和城市軌道交通得到空前發展?；跓o線通信的列車自動控制系統(CBTC)作為一種先進的列車控制系統，具有速度快、運能大、安全準時等優點，進行CBTC應用技術研究具有必要性[1]。

2 基于無線通信的列車控制系統概述

基于無線通信的列車控制系統（CBTC）是利用連續、大容量的車地間雙向數據通信實現的一種新型連續自動列車控制系統。CBTC借助先進的列車定位技術、無線通信技術，從根本上將基于軌道電路的單向信息傳輸，改變為基于無線的雙向、連續、大容量信息傳輸[2]。CBTC系統的運用有著廣泛的前景，但是CBTC系統目前核心技術一直被國外公司掌握，我國對CBTC系統的研究起步較晚，2002年開始籌劃自主的CBTC關鍵核心技術研發、工程化開發和示范應用等問題，并于2004年正式啟動,目前CBTC的國產化程度不高。

3 基于無線通信的列車控制系統核心內容

3.1 CBTC系統的原理和功能實現

CBTC系統不以閉塞分區作為列車追蹤的最小單元，而是采用一種移動閉塞技術。移動閉塞是基于通信技術的列車控制系統，該系統不依靠軌道電路向列控車載設備傳遞信息，而是利用通信技術實現“車地通信”并實時地傳遞“列車定位”信息。

CBTC主要通過列車自動防護（ATP）、列車自動運行（ATO）、列車自動監控（ATS）、聯鎖（CI）、數據傳輸（DCS）子系統來實現列車控制功能。

ATP列車自動防護子系統是ATC系統的安全核心，主要負責保證列車的運行安全。

CI子系統聯鎖設備是保證列車運行安全的設備，實現列車進路上道岔、信號機、軌道區段正確的聯鎖，因此必須滿足故障——安全原則。

ATO是自動控制列車運行的設備。ATO系統是列車運行自動化系統中的高層次環節，對提高運行效率，提高列車運行的準點率和安全性，實現列車經濟運行等具有重要作用。

ATS子系統是ATC系統的上層管理部分，負責監督、控制和調整列車間的有效運行，是保證地鐵運輸效率、提高服務質量的重要設備。

DCS子系統是一個獨立于其他應用系統的網絡，是完全透明與開放的。DCS子系統的主要作用是在各個信號子系統之間傳輸列車控制信息、ATS信息和維護信息等。

3.2 車地無線通信

3.2.1 車地無線通信的通信方案

車地通信是CBTC關鍵技術之一，傳輸的是涉及行車安全的重要數據信息?；谀壳败嚨赝ㄐ偶夹g的應用情況，針對CBTC系統的車地通信提出以下兩種方案：

方案一：采用WLAN技術的車地通信方案。

基于無線通信技術的移動閉塞ATC系統，其車地通信采用無線局域網技術構建，WLAN技術在開放的2.4GHZ ISM公共頻段中傳輸車地雙向數據通信信息，其主要優點是成本低、設備小、靜止場景數據帶寬寬、應用比較成熟，但同時存在安全性差、覆蓋難、切換頻繁、干擾源多等問題。

方案二：采用TD-LTE技術的車地通信綜合業務通信方案。

LTE是基于OFDMA(正交頻分復用多址接入)技術，由3GPP（第三代合作伙伴計劃）組織制定的全球通用標準，具有100Mbps的數據下載能力。LTE采用了OFDM(正交頻分復用)、MIMO(多輸入多輸出)、HARQ(混合反饋重發)等先進技術有效提高數據速率、頻譜效率和抗干擾性，提供綜合業務承載的優先級調度和高速移動性支持，并通過抗干擾技術和安全機制保證無線數據業務的安全可靠傳輸。

由此可看出，采用LTE技術作為車地通信方案完全能夠滿足信號系統車地通信功能及工程實施進度要求，由LTE作為車地無線通信系統承載地鐵業務已成為城市地鐵建設的趨勢。

綜上所述，推薦采用基于TD-LTE技術的車地通信綜合業務通信方案。

3.2.2 車地無線通信的傳輸方案

CBTC系統全線可以單獨采用天線方式、漏泄同軸電纜方式或者波導管方式進行無線信息傳輸，也可以采用其中的兩種相結合的方式。

方案一：無線電臺

天線方式是指通過天線把符合IEEE802.11標準的無線接入點所發出的信號輻射出去，無線信號在空間的傳播特性符合自由空間的傳播特性。天線方式傳輸的最大距離約為400米，由于軌道交通線路多穿行于城市區域，其彎道和坡道較多，增加了無線場強覆蓋的難度。無線電臺的體積較小，安裝比較靈活，但是存在干擾問題，需要現場場強測試。

方案二：漏泄同軸電纜

采用漏泄同軸電纜的方式，就是把AP發出的無線信號局限在漏泄同軸電纜內傳輸。漏泄同軸電纜方式的傳輸特性和衰減特性較好，傳輸距離較遠，沿線無線場強覆蓋均勻，且呈現良好的方向性分布，抗干擾能力較強。漏泄同軸電纜的安裝要求不是很高，其自身安裝調試完成后維護工作量很小。

方案三：波導管

采用波導管的方式，就是把AP發出的無線信號局限在波導管內傳輸。波導管上有開孔，通過開孔泄露出來的無線信號與車載的無線設備通信。波導管因其波導管物理特性和衰減特性很好，傳輸距離較遠，且沿線無線場強覆蓋均勻，呈現良好的方向性分布，抗干擾能力較強。其傳輸距離要優于漏泄同軸電纜，減少列車在各個AP之間的漫游和切換，提高了無線傳輸的連續性和可靠性。

由于青島地鐵11號線屬于高架線，信號干擾大，站與站距離長，所以正線傳輸媒介采用波導管。

3.3 CBTC故障情況下的降級運行模式及安全性分析

信號系統降級能力，是信號系統在部分故障狀態下實現功能后退的能力，是在自己系統構成基礎上的功能降級運用，是提高系統利用率的重要途徑。信號系統的降級運營模式主要有兩種：聯鎖級降級控制方案；點式ATP/ATO降級控制方案。

在聯鎖級的降級模式下，列車在通過當前開放的信號機后司機無法獲取前方信號機的確切位置及顯示，也就無法知道具體的移動授權信息（前行列車的位置或運營停車點），列車駕駛完全由司機控制，這就給行車安全埋下了一定隱患。

在點式ATP/ATO降級模式下，列車采用AM或CM模式運行，車載ATP對列車實行全功能監控，車載ATP計算列車運行的速度防護曲線，列車在ATO或司機的控制下按照速度防護曲線運行。相較于聯鎖級模式，列車運營的安全、效率以及乘客乘坐的舒適度將顯著提升。

4 基于無線通信的列車控制系統的研究對施工及調試的意義

研究CBTC系統的原理和實現功能的方法，掌握CBTC關鍵技術，對CBTC系統的施工和調試有著積極的作用。對CBTC原理性知識的掌握可以加深管理人員對施工和調試的理解，使得設備的安裝更合理，設備的調試更有效率?？梢允构芾砣藛T融會貫通，在原來的基礎上更加大膽的創新，從而使工藝更美觀。特別是因現場不確定性因素需要調整方案時，管理人員可以從更高的角度考慮問題，從而對問題的處理更加迅速，合理。熟練地掌握CBTC系統的原理性知識和硬件設備對于設備安裝和聯調聯試都很重要，既能節省時間，也能節省財力物力。青島地鐵11號線將基于無線通信的列車自動控制系統與現場安裝施工過程相結合，并建立施工工藝工法，達到了滿意的效果。

5 結語

基于無線通信的列車控制系統是一套健全、高效的系統，通信和傳輸采用的方案都是經過仔細篩選的最佳方案。CBTC相比傳統的鐵路信號系統具有減少電纜敷設及維護，成本低，信息傳輸流量大、效率高、速度快、兼容性強，提高調度中心工作效率等優點?；跓o線通信的列車控制系統的研究也使得施工及調試更準確更高效。