王 浩，林 湛，楊霓霏，吳 卉

（1.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081 ）

軌道交通國產(chǎn)化CBTC系統(tǒng)技術創(chuàng)新點研究

王 浩1，林 湛1，楊霓霏2，吳 卉1

（1.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081 ）

北京地鐵亦莊線國產(chǎn)化CBTC 系統(tǒng)的成功應用為北京市軌道交通國產(chǎn)化作出了貢獻，本文對其技術特點及創(chuàng)新成果進行分析和研究，期望能為軌道交通信號系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供借鑒。

基于通信的列車控制系統(tǒng)；信號系統(tǒng)；國產(chǎn)化；屏蔽門；無線通信；最小系統(tǒng)；仿真測試平臺

2010年12月30日開通的北京地鐵亦莊線，其信號系統(tǒng)是城軌首套全國產(chǎn)化的基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），系統(tǒng)的構成主要包括我國自主開發(fā)的列車自動防護/自動運行（ATP/ATO）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DCS）、計算機聯(lián)鎖（CI）系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）和維修支持系統(tǒng)（MSS）。開通運營以來，信號系統(tǒng)運行正常，完全可以滿足地鐵亦莊線運營要求。亦莊線CBTC系統(tǒng)取得的成績?yōu)閲鴥溶壍澜煌ㄐ盘栂到y(tǒng)建設在設計、研發(fā)、集成、測試、工程等各環(huán)節(jié)留下了可以學習借鑒的寶貴經(jīng)驗和成果。

1 CBTC系統(tǒng)支持的運行等級

亦莊線CBTC系統(tǒng)支持3種運行等級：基于無線通信的車地雙向連續(xù)通信下ATP/ATO運行（簡稱CBTC級），通過應答器實現(xiàn)車地點式通信下ATP/ATO的運行（簡稱BLOC級），無任何車地通信由司機按軌旁信號顯示人工駕駛（簡稱IL級）。CBTC級下地面ATP控制器（區(qū)域控制中心ZC）與車載控制器（VOBC）實現(xiàn)位置報告與移動授權連續(xù)的交互，軌旁信號滅燈VOBC按移動授權控車，ZC控制CBTC級列車之間的安全間隔實現(xiàn)移動閉塞，最大程度地縮短行車間隔以滿足城軌運營大客流的需要。BLOC級下聯(lián)鎖控制軌旁信號同時通過軌旁電子單元（LEU）控制應答器發(fā)出點式移動授權，VOBC按照點式移動授權行車，同時司機需要監(jiān)督信號顯示。

2 點式后備BLOC級下的創(chuàng)新點

BLOC的設計目的就是為在無法運行CBTC級時提供基于有源應答器點式控制下的ATP/ATO功能，列車將以固定閉塞方式區(qū)間運行，行車安全仍然由車載ATP功能進行監(jiān)督，ATO自動駕駛仍然可用，與CI模式相比較，這將極大地提高安全性和效率。但與CBTC模式相比較，移動閉塞、臨時限速、站臺屏蔽門聯(lián)動等方面的功能也被迫降級，由自動控制轉為人工控制，效率降低。為此，亦莊線CBTC系統(tǒng)在點式下屏蔽門聯(lián)動和站臺紅燈防誤出發(fā)方面進行了改進和創(chuàng)新。

2.1 點式下屏蔽門聯(lián)動

為了乘客候車及乘降車安全，在城軌站臺一般都安裝有屏蔽門，屏蔽門是常關閉的，只有當列車進站停穩(wěn)并做好了旅客上下車的準備之后才會開放屏蔽門，只有當屏蔽門關閉情況下，列車才可以動車出站。CBTC有站臺屏蔽門聯(lián)動的功能，當車載ATP/ATO確認開門或關門的命令后，通過無線通信將信息傳遞給軌旁屏蔽門控制設備，實現(xiàn)站臺屏蔽門的自動控制，通常CBTC系統(tǒng)的開關門命令通過無線通道經(jīng)ZC傳送給聯(lián)鎖設備，由聯(lián)鎖設備控制屏蔽門的動作。這種設計的BLOC模式將無法實現(xiàn)屏蔽門聯(lián)動，只能由司機下車手動操作屏蔽門。

亦莊線信號系統(tǒng)在車站布置了無線設備，通過這種專用于站內的無線系統(tǒng)，VOBC可以直接與車站聯(lián)鎖設備建立通信。接近某站臺時，列車會主動向該站的聯(lián)鎖設備發(fā)出呼叫并建立安全通信，完全離開站臺后，列車與該站聯(lián)鎖設備的通信也隨之中斷。由于無需ZC系統(tǒng)轉發(fā)屏蔽門開關門命令，所以這樣的車地屏蔽門聯(lián)動設計可適用于CBTC和BLOC模式。

列車安全靠站后，當人工或ATO進行開關車門操作時，VOBC將同步向CI發(fā)送屏蔽門（PSD）打開或關閉的控制信息，CI接收到此命令后，向VOBC回復確認信息，控制對應的PSD按照要求動作，并將PSD的狀態(tài)信息發(fā)送給VOBC。

VOBC向聯(lián)鎖設備發(fā)送的開關門命令也屬于安全相關信息，需要經(jīng)安全通道，由安全協(xié)議保護，由車載ATP負責建立與聯(lián)鎖設備的安全通信，當列車發(fā)出屏蔽門開門命令時，ATP需要對列車是否確實停穩(wěn)進行安全確認，之后才將開門命令發(fā)送給聯(lián)鎖設備。當列車準備啟動時，ATP需要檢查屏蔽門是否為關閉的狀態(tài)。

為實現(xiàn)這樣的功能，聯(lián)鎖需要增加與列車的通信接口。

2.2 點式下的站內紅燈防誤出發(fā)

歐標應答器有效接收窗口范圍為60 cm，對于列車的運行而言僅僅是一個信息點，所以稱為點式。在點式后備模式下列車按點式移動授權（MA）行車抵達目標點后停車。當點式級列車進站對標停車后，無法保證車載接收天線處于應答器接收窗口內。一般應答器處于車頭前方，這樣，當前方開放綠燈時車載設備（ATP/ATO）無法獲知。這種情況下，司機需要看前方綠燈，手動駕駛列車緩慢前行，通過應答器以獲取新的點式移動授權，這就引入了由于司機誤操作而發(fā)生誤闖紅燈甚至擠岔事故的風險，也增加了司機的負擔。

亦莊線CBTC系統(tǒng)創(chuàng)新設計，在出站信號機處安裝國產(chǎn)的長作用距離有源應答環(huán)線裝置，簡稱有源環(huán)線，使應答器的信息傳輸范圍延長達4 m。列車進站停車時就能夠保證停在環(huán)線上。這樣當出站信號開放時，處于停穩(wěn)狀態(tài)的車載就可以獲得前方進路的信息，列車可以在點式ATO模式下自動駕駛出站。也解決了人工駕駛誤闖紅燈的風險。

當然，非標準的應答器，其在延長應答器信息有限范圍的同時也影響了其定位的功能，這是在工程設計時需要注意的問題。

3 無線通信組合傳輸方式

無線通信對于CBTC系統(tǒng)是關鍵技術，如果通信不穩(wěn)定，CBTC級就難以保證，移動閉塞就只能降級為固定閉塞。所以CBTC系統(tǒng)對無線通信的信號質量提出很高的要求。而另一方面，地下、高架等城市軌道多樣的線路環(huán)境以及來自線路周邊甚至旅客便攜設備的各種干擾都對城軌信號無線通信帶來困難。

區(qū)別于鐵路使用的GSM-R技術，我國城市軌道交通無線通信主要采用的是基于IEEE802.11系列標準的WLAN 技術，通常選擇空間自由波和波導管兩種傳輸方式。

空間自由波就是以一定的間隔在軌旁安裝無線接入點（AP， Access Point）和天線，波導管則比較特殊，是一種矩形斷面的通長鋁合金材料，在其表面每隔一段距離（約6 cm） 刻有一條裂縫。電磁波在波導管中傳輸并從縫隙中輻射出來，被安裝在列車上對應位置的天線接收。

無線AP傳輸速率會在較復雜地形處急劇下降，而波導管不受地形影響。在丟包率、越區(qū)切換能力方面波導管都優(yōu)于自由波。但是波導管的安裝位置必須與車載天線位置對應，安裝精度要求較高，需要在區(qū)間上、下行沿線全程鋪設，所以波導管工程造價高，工程實施困難，后期維護也比較困難。自由波方式工程造價低，工程實施有優(yōu)勢，而且經(jīng)試驗論證，在地形不復雜的地下隧道線路，性能也較為穩(wěn)定。

亦莊線CBTC系統(tǒng)在國內首次采用自由波結合波導管的組合傳輸方案：地下隧道區(qū)間采用無線AP，地面及高架區(qū)間采用波導管。組合方式要求車載無線電臺安裝4副天線。其中2副自由波天線安裝在首尾2端的車頂上方，用于接收和發(fā)送空間自由波信號；2副波導管平板天線安裝在列車下方，用于波導管收發(fā)信號。

組合傳輸方式結合了2種傳輸方式的特點，克服了單獨采用一種傳輸方式的不足，實現(xiàn)了復雜環(huán)境下車地信息可靠傳輸并且降低了工程成本。

4 最小系統(tǒng)測試平臺

亦莊線CBTC系統(tǒng)研發(fā)、工程實施和系統(tǒng)運行能夠高效且順利地進行，很大程度上得益于最小系統(tǒng)測試平臺。

最小系統(tǒng)就是實現(xiàn)硬件最小化、功能最大化，同樣，在構建測試平臺時，也是基于硬件最小系統(tǒng)構建的測試平臺，以盡可能低的成本（包括設備成本和時間成本），達到較高的測試覆蓋率。亦莊線CBTC仿真測試平臺包括了幾乎所有與信號系統(tǒng)相關的設備或者組件，可以實現(xiàn)信號系統(tǒng)的全功能仿真，幾乎所有狀態(tài)都可觀、可控。

最小系統(tǒng)仿真測試平臺可服務于系統(tǒng)設計和驗證。在仿真測試平臺上可以迅速對工程設計方案進行仿真實現(xiàn)，在設計階段就可以驗證方案可用性，發(fā)現(xiàn)潛在風險和設計缺陷。

最小系統(tǒng)仿真測試平臺可服務于設備研發(fā)測試?？梢酝ㄟ^實際設備和仿真設備的不同組合實現(xiàn)不同測試目的的測試平臺。另外，通過仿真器，不但能夠觀察軟硬件運行的狀態(tài)，還可以進行故障注入，驗證被測功能在極端情況下的處理情況。在測試平臺上保證了系統(tǒng)設備在實驗室內與現(xiàn)場的接口與邏輯保持完全一致，所以，通過此平臺測試的設備和軟件可以直接應用于現(xiàn)場。

最小系統(tǒng)仿真測試平臺可服務于故障分析。在最小系統(tǒng)的仿真測試環(huán)境下，通過使用真實設備，在實驗室內幾乎可以完全仿真現(xiàn)場遇到的情況，進而復現(xiàn)現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，在實驗室就可以對運行階段產(chǎn)生的問題進行分析，尋找解決方案，有效地提高了解決問題的效率。

5 結束語

北京地鐵亦莊線CBTC系統(tǒng)示范工程是我國城市軌道交通行業(yè)第一個示范工程，是一個以世界先進水平為目標、帶有科學試驗性質的工程項目。它的順利開通標志中國成為繼德國西門子、法國阿爾斯通、加拿大阿爾卡特后第4個成功掌握CBTC核心技術并順利開通應用實際工程的國家，亦莊線CBTC系統(tǒng)中的技術特點和創(chuàng)新成果將對中國軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展具有借鑒意義。

[1]梁九彪. 亦莊線國產(chǎn)CBTC信號系統(tǒng)工程應用 [J]. 市政技術，2010 （S2）.

[2]丁樹奎. 城軌交通自主化CBTC技術與工程管理創(chuàng)新 [J].現(xiàn)代城市軌道交通， 2011（3）.

[3]牛英明，黃友能，智國盛，張 揚. 北京地鐵亦莊線CBTC示范工程的實施 [J]. 都市快軌交通，2011（4）.

責任編輯 楊利明

Research on technical innovative points of domestic CBTC System of Urban Transit

WANG Hao1, LIN Zhan1, YANG Nifei2, WU Hui1

（ 1. Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China ）

The successful application of domestic CBTC System in Yizhuang Subway contributed to the localization of Urban Transit in China. The analysis and research on its technical characteristics and innovation achievements in this paper could provide a reference for the localization of Signal System of Urban Transit.

Communication Based Train Control System (CBTC); Signal System; localization; platform screen door; wireless communication; minimal system; simulation testing platform

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2013）12-0058-03

2013-07-04

王 浩，助理研究員；林 湛，工程師。