基于通信的列車控制在軌道交通中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

林海香 董 昱

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,730030,蘭州∥第一作者,講師)

基于通信的列車控制(Communication Based Train Control,簡稱為CBTC)技術(shù),是一種在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)ATC(列車自動控制)中使用的技術(shù)。它的定義為:利用(不依賴于軌道電路)高精度列車定位,雙向大容量車-地數(shù)據(jù)通信和車載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的一種連續(xù)自動列車控制系統(tǒng)[1]。它不依賴于軌道電路對列車進(jìn)行高精度定位,并利用具有重要(安全)功能的車載和軌旁處理器及先進(jìn)的無線通信、計算機(jī)技術(shù),進(jìn)行大容量、雙向車-地數(shù)據(jù)傳輸,突破了固定閉塞的局限,實(shí)現(xiàn)了移動閉塞,在技術(shù)和成本上較傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢。可以說,CBTC是基于無線通信來實(shí)現(xiàn)移動閉塞的,而移動閉塞也是CBTC最重要的應(yīng)用。因此,要實(shí)現(xiàn)CBTC的關(guān)鍵技術(shù)就是移動閉塞以及無線車-地通信技術(shù)[2]。

利用CBTC技術(shù)組成的列車控制系統(tǒng)代表著目前世界上列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,它實(shí)現(xiàn)的移動閉塞方式是近年來國際國內(nèi)推崇的一種閉塞方式。目前的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)證明,CBTC所采用的無線移動車-地通信技術(shù)也是一個具有高可靠性、高安全性的技術(shù)。國內(nèi)各大城市已經(jīng)開始采用CBTC技術(shù)作為控車方案,如廣州地鐵4、5號線(建設(shè)中)、上海軌道交通8號線、北京地鐵2、4、10號線(含奧運(yùn)支線)等。國家有關(guān)部門明確指出,地鐵、輕軌的關(guān)鍵設(shè)備,如控制系統(tǒng)和車輛應(yīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化[3]。因此,在軌道交通快速發(fā)展的形勢下,研究CBTC技術(shù),對探索軌道交通信號設(shè)備的國產(chǎn)化方案、加快城市軌道交通事業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CBTC系統(tǒng),有著極大的意義。

1 CBTC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CBTC系統(tǒng)是一種采用先進(jìn)的通信和計算機(jī)技術(shù),連續(xù)控制、監(jiān)測列車運(yùn)行的列車控制系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)移動閉塞方式。采用CBTC這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行列車控制,關(guān)鍵是車載設(shè)備與軌旁設(shè)備間的實(shí)時雙向通信,且信息量大,將帶來信息利用的增值和功能的擴(kuò)展,有利于現(xiàn)代化水平的提高。這種列車控制結(jié)構(gòu),減少了軌旁設(shè)備,便于安裝維修,便于縮短列車編組、加大列車運(yùn)行密度[4]。

IEEE的CBTC標(biāo)準(zhǔn)列舉了典型的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[5]。

圖1 典型的CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可見:整個CBTC系統(tǒng)包括“CBTC地面設(shè)備(含聯(lián)鎖)”和“CBTC車載設(shè)備”;地面設(shè)備和車載設(shè)備通過“數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)”連接起來,構(gòu)成系統(tǒng)的核心。功能框圖中還單獨(dú)列出了“聯(lián)鎖”功能模塊。該功能模塊與CBTC地面設(shè)備連接?？紤]到不同的線路長度可能需要多套的CBTC地面設(shè)備,所以在典型框圖中還列出了“相鄰的CBTC地面設(shè)備”模塊。最后,在CBTC設(shè)備的基礎(chǔ)上,增加ATS模塊,用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的ATS功能。

CBTC地面設(shè)備(含聯(lián)鎖)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)向CBTC車載設(shè)備傳輸控制信息,控制列車運(yùn)行;CBTC車載設(shè)備也通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)向CBTC地面設(shè)備(含聯(lián)鎖)傳送列車信息,形成閉環(huán)信息傳輸及控制。這里的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)就是車-地通信網(wǎng)絡(luò),可由多種通信方式組成,如無線電臺、裂縫波導(dǎo)管和漏纜等方式。

以上列舉的是CBTC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu),實(shí)際的系統(tǒng)可能由于不同的設(shè)備提供商、不同的工程需要而有所差異。但是,所有CBTC系統(tǒng)均采用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)連接CBTC地面和車載設(shè)備,實(shí)現(xiàn)ATP(列車自動防護(hù))功能,其控制列車安全運(yùn)行的核心是一致的。

2 移動閉塞

根據(jù)我國新編《城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件》的名詞術(shù)語,移動閉塞(Moving Block)可定義為:“前方列車與后續(xù)列車之間的最小安全追蹤間隔距離單元不預(yù)先設(shè)定,并隨列車的移動、速度的變化而變化的閉塞方式?！倍毡径x為:“根據(jù)連續(xù)檢測列車的位置和速度,確保防止列車之間的沖突所必須的、可變的并能移動的閉塞區(qū)間?！睆纳鲜鰞蓚€定義可知:移動閉塞必須是沒有預(yù)先設(shè)定的閉塞分區(qū)、可以實(shí)現(xiàn)列車按最小安全間隔的一種閉塞方式,可以連續(xù)檢測列車的位置和速度。因此,移動閉塞處理周期足夠短,離散的采樣可以視為連續(xù)處理。該種理解方式,與當(dāng)今世界研發(fā)的移動閉塞系統(tǒng)的機(jī)理相容。

由于沒有預(yù)先設(shè)置的閉塞分區(qū),不以固定閉塞分區(qū)為列車追蹤的最小單元,而是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行速度、制動曲線和進(jìn)路上列車位置,動態(tài)計算出相鄰列車之間的安全距離,因此,與固定閉塞相比,列車運(yùn)行間隔相對將大大減少,也因此具備更大運(yùn)行調(diào)整能力。基于通信技術(shù)的列控系統(tǒng)的列車速度控制曲線如圖2所示。

圖2 移動閉塞列車自動控制系統(tǒng)連續(xù)曲線速度控制示意圖

由圖2可見,列車間的間隔是動態(tài)的,并隨前一列車的移動而移動。圖中繪制的3條曲線是針對后續(xù)列車的控車一次拋物線制動曲線,它們的制動終點(diǎn)為同一點(diǎn),是根據(jù)后續(xù)列車在當(dāng)前速度下所需的制動距離再加上安全余量計算出來的。列車位置的分辨率一般為10 m范圍內(nèi)[6],確保列車不追尾。因此移動閉塞系統(tǒng)軌旁設(shè)備的數(shù)量與列車運(yùn)行間隔關(guān)系不大,列車行車間隔將極大縮短,提高了線路通過能力。

同時,CBTC系統(tǒng)通過建立車-地之間連續(xù)、雙向、高速的通信,使列車命令和狀態(tài)可以在車輛和地面之間可靠交換;它將系統(tǒng)主體CBTC地面設(shè)備和受控對象列車緊密地連接在一起,計算出列車間的相對距離,保證列車的安全間隔;同時根據(jù)線路的條件,對列車進(jìn)行限速或與地面設(shè)備發(fā)生聯(lián)鎖關(guān)系。因此,CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動閉塞的關(guān)鍵是無線車-地通信。

3 車-地通信

就車-地雙向信息傳輸方式而言,車-地通信系統(tǒng)又可分為基于感應(yīng)電纜環(huán)線傳輸方式和基于無線通信傳輸方式。其中,基于無線通信傳輸方式又具體為:按無線通信的調(diào)制方式可分為跳頻擴(kuò)頻(FHSS)、直接序列擴(kuò)頻(DSSS)和正交頻分復(fù)用(OFDM);按數(shù)據(jù)傳輸媒介的傳輸方式可分為:無線電臺、裂縫波導(dǎo)管、漏纜和GSM-R(鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng))等方式。其中,無線電臺、漏纜等常用在城市軌道交通中,如無線電臺、裂縫波導(dǎo)管方式在地鐵使用,漏纜可在磁浮線使用等;GSM-R在我國一些新建鐵路線使用,如在青藏線,因此這里不再贅述。

由于對列車的命令和狀態(tài)在車輛和地面之間可靠交換都要靠車-地通信來完成,因此車-地通信直接影響行車安全,這就要求有可靠和安全的通信技術(shù)與設(shè)備。基于無線通信的CBTC系統(tǒng)為了滿足車地雙向通信的需要,必須在線路沿線進(jìn)行無線場強(qiáng)的覆蓋。通常有無線電臺、漏泄同軸電纜、裂縫波導(dǎo)管幾種傳輸方式可供選擇。

3.1 無線電臺

根據(jù)IEEE 802.11無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn),目前廣泛采用的是基于2.4 GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用)頻帶,無線電臺方式傳輸?shù)淖畲缶嚯x約為400 m。由于所應(yīng)用的城市軌道交通線路多穿行于城市區(qū)域,其彎道和坡道較多,增加了無線場強(qiáng)覆蓋的難度。為了保證場強(qiáng)覆蓋的完整性,保證通信的質(zhì)量和可靠性,無線電臺一般在地下線路200 m左右設(shè)置一套,在地面和高架線路300 m左右設(shè)置一套?；跓o線電臺通信的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 基于無線電臺通信的CBTC系統(tǒng)框圖

無線電臺的體積較小,安裝比較靈活,受其它因素的影響小,可以根據(jù)現(xiàn)場條件和無線場強(qiáng)覆蓋需要進(jìn)行設(shè)計和安裝,且安裝和維護(hù)容易。無線電臺在隧道內(nèi)傳輸受彎道和坡道影響較大,同時隧道內(nèi)的反射比較嚴(yán)重,需要考慮多徑干擾等問題。無線電臺在地面和高架線路安裝比較容易,但線路周圍不能有高大密集的建筑物,否則也會產(chǎn)生反射和衍射,從而導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降和通信速率降低。

無線電臺的傳輸距離小,為了保證在一個無線接入點(diǎn)(AP)故障時通信不中斷,往往需要在同一個地點(diǎn)設(shè)置雙網(wǎng)覆蓋,進(jìn)一步縮短了AP布置間距。但這樣使列車在各個AP之間的漫游和切換特別頻繁,大大降低了無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性,同時相應(yīng)的電纜使用量很大。

3.2 漏泄同軸電纜

漏泄同軸電纜是在同軸電纜外導(dǎo)體上開有一定形狀和間距的糟,使電磁場的能量集中在同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)線之間,部分能量可以從同軸電纜中的槽孔泄漏到空間中,并和附近的移動電臺天線耦合構(gòu)成無線通道。同軸電纜外導(dǎo)體上開的槽可以有許多形狀,各種形狀在傳輸損耗和耦合損耗方面各不相同。

使用漏泄同軸電纜具有對地形的適應(yīng)性強(qiáng)、場強(qiáng)穩(wěn)定、傳輸速率高和節(jié)省頻率資源等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)字化、大容量的移動車輛通信方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。在日本,漏泄同軸電纜在新干線隧道、山梨磁浮列車示范線都有成功的應(yīng)用。

漏泄同軸電纜上的開槽有著嚴(yán)格的尺寸要求,而且它的收發(fā)、中繼設(shè)備比較復(fù)雜,用它來組成通信信道,初期投入很高,這是它的不足之處。

3.3 裂縫波導(dǎo)管

目前采用裂縫波導(dǎo)管進(jìn)行無線傳輸?shù)男盘栂到y(tǒng)供貨商只有法國ALSTOM公司,其已經(jīng)在2002年開通的新加坡東北線中得到成功應(yīng)用。裂縫波導(dǎo)管采用的是一種長方形鋁合金材料,在其表面每隔一段距離(約6 cm)刻有一條2 mm寬3 cm長的裂縫,能夠讓無線電波從此裂縫中漏泄出來。波導(dǎo)管的物理特性和衰減性能很好,傳輸距離較遠(yuǎn)(最大傳輸距離可達(dá)到1 600 m),且沿線無線場強(qiáng)覆蓋均勻,呈現(xiàn)良好的方向性分布,抗干擾能力較強(qiáng)。它還具有漏泄同軸電纜的優(yōu)點(diǎn),適合于狹長的地下隧道內(nèi)使用;但其傳輸距離要優(yōu)于漏泄同軸電纜,減少了列車在各個AP之間的漫游和切換,大大提高了無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

3.4 不同傳輸方式的比較

以上3種傳輸方式,各有優(yōu)點(diǎn)。無線電臺由于造價低、維護(hù)方便,較多在我國地鐵線路的地上部分使用,漏泄電纜價格適中,場強(qiáng)覆蓋均勻,較多在地下及隧道使用。在具體的工程設(shè)計中采用哪種方式,要結(jié)合城軌線路的具體情況,綜合考慮方案造價、安裝維護(hù)方便、整體性價比、切換方便以及線路信息容量和最重要的場強(qiáng)充分覆蓋等因素,進(jìn)行選擇。無線車-地通信方式大大提高了列車與地面控制中心的通信能力,從而為CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動閉塞方式,并保證行車安全提供了必要的手段,也是CBTC系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。

4 結(jié)語

CBTC系統(tǒng)是不依賴軌道電路,采用高精度的列車定位和連續(xù)、高速、雙向的車-地數(shù)據(jù)通信,通過車載和地面安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)對列車控制的系統(tǒng);列車能以較小的間隔運(yùn)行,可實(shí)現(xiàn)“小編組、高密度”的運(yùn)營模式,這使系統(tǒng)能在同樣滿足客運(yùn)需求的基礎(chǔ)上,縮短旅客的候車時間,縮小站臺長度和候車空間,降低基建投資。

與傳統(tǒng)的基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)(固定閉塞或準(zhǔn)移動閉塞系統(tǒng))比較,其軟件技術(shù)的應(yīng)用多于傳統(tǒng)系統(tǒng),硬件設(shè)備較傳統(tǒng)系統(tǒng)少,較傳統(tǒng)系統(tǒng)在技術(shù)上更具有優(yōu)勢。特別是基于無線通信的CBTC系統(tǒng)的采用,將使軌道交通路網(wǎng)中多條線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通成為可能。雖然現(xiàn)階段CBTC系統(tǒng)還存在著成熟度、應(yīng)用業(yè)績、價格及國產(chǎn)化實(shí)施上還不如傳統(tǒng)ATC系統(tǒng)的不利因素,但其畢竟是采用當(dāng)今先進(jìn)的通信和信息技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)先型系統(tǒng),是今后城市軌道交通信號ATC系統(tǒng)的發(fā)展方向。

上海軌道交通7號線列車

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