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第八章导学

第八章基于通信的列车控制系统（CBTC）

要求：

掌握CBTC系统的定义，了解CBTC系统的优点；了解CBTC系统的各种分类方式；掌握CBTC系统的组成和各部分的功能；掌握CBTC系统的基本功能和具体功能；了解CBTC系统的基本原理和特点。

重点：

CBTC系统的组成和各部分的功能；CBTC系统的基本功能和具体功能。

难点：

CBTC系统的基本原理和特点。

本章主要从CBTC技术的优势入手，介绍了CBTC的结构和功能，对列车进行控制的特点，使学生能够对这种先进的列车控制技术有清晰的了解和认识。

第一节CBTC系统简介

一、CBTC系统的定义与优点

随着无线通信技术的飞速发展，无线通信的可靠性、可用性大大提高，基于通信的列车控制（CommunicationBasedTrainControl，CBTC）系统已成为了列车控制系统技术发展的重要趋势。

CBTC技术发源于欧洲连续式列车控制系统。

在数十年的发展过程中，对于CBTC系统的定义逐步趋于统一。

为了更好地规范CBTC的发展，IEEE于1999年制定了第一个CBTC系统相关标准IEEEStd1474.1.1999（IEEEStandardforCommunicationsBasedTrainControl（CBTC）PerformanceandFunctionalRequirements）。

其中明确定义CBTC系统为利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路），双向连续、大容量的车——地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统。

与TBTC系统相比，CBTC系统具备的优点主要有以下几点：

（1）更加安全。

CBTC系统中充分利用通信传输手段，实时或定时地进行列车与地面间的双向通信，后续列车可以及时了解前方列车运行情况；同时，地面可以及时向车载控制设备传递车辆运行前方线路限速情况，指导列车按线路限制条件运行，大大提高了列车运行安全性；

（2）更加高效。

CBTC系统实现了移动闭塞，控制列车按移动闭塞模式运行，由此可以减少列车间隔时间，实现单线上动态列车会车、超车、阻塞等的运行管理，以及确保列车运行与按一定规则制定的运行计划保持一致。

其结果不仅是大幅度地提高线路能力和列车平均运行速度，而且提高了列车运行的可靠性和设备运用率；

（3）更加灵活。

CBTC系统支持双向运行，不会因为列车的反方向运行而降低系统的性能和安全。

系统在运营时，可以根据需要，使用不同的调度策略，并且可以同时运行不同编组长度、不同性能的列车。

如今，CBTC系统已经在城市轨道交通领域逐步投入应用，包括阿尔卡特、阿尔斯通等多家列车控制系统设备提供商均研发出了自己的CBTC系统，并在温哥华、伦敦、巴黎、香港、武汉等多个城市的轨道交通线路上运行。

CBTC系统应用的技术手段是多种多样的，所以具有不同的体系结构。

不同结构完成的功能也是有所差异的，因此对CBTC系统就有分类的必要性。

以下按照目前技术水平对CBTC系统进行参考性的分类。

二、CBTC的分类

1.从闭塞分区的实现来分类

从闭塞分区进行分类可以有下列几种：

（1）基于通信的固定自动闭塞运行控制系统

基于通信的固定自动闭塞运行控制系统（FixedAutoblockSystem，简称CBTC-FAS）表示闭塞分区是固定不变的，采用双向通信技术来达到车——地之间信息交换。

图8-1移动无线通信的CBTC-FAS系统

在每个闭塞分区的始端可以设有固定信号机作为防护，它的信号显示是依据控制中心在计算的基础上给定。

图8-1所示是全部用移动无线通信的CBTC-FAS系统，它经过调制的无线射频RF使移动列车与控制中心相联系，车站控制中心则依据区间各列车的实际分布，计算出保护信号机可以给出的信号，通过无线中继设备与保护信号机线路设备LI/O相连，后者经译码后给出信号显示。

它同时也反馈收到的信息及状态显示送给无线中继设备转控制中心，由此构成信息流的闭环。

与此同时，运行中的列车也随时与线路设备LI/O相联络，报告它的定位与其状态信息等，以构成车——地之间的双向通信。

应该指出，在图8-1所示的CBTC-FAS中可以仍然保留轨道电路，但是它的作用不是为了构成闭塞系统的调节环节，而仅是为了检测列车的存在及其完整性。

正因如此，轨道电路长度要短一些，它的长度可缩短到系统造价不会由于电缆的存在而占有重要成分。

因为轨道电路缩短后，可以获得运输效率的提高。

在CBTC-FAS系统中还可以使用轨道间交叉感应电缆通信，图8-2是示意图。

在图8-2中，移动无线通信方法也可以同时保留。

图8-2轨道间交叉感应电缆传输的CBTC-FAS系统

（2）移动自动闭塞运行控制

移动自动闭塞运行控制系统（CBTC-MovingAutoblockSystem，简称CBTC-MAS）表示这类系统也有闭塞分区，但此时闭塞分区有下列特点：

1）闭塞分区长度是可变的，它是依据列车本身参数及其所在地段参数实时计算出来的；

2）闭塞分区随列车运行而移动；

3）在CBTC-MAS中闭塞分区已经不再应用地面信号，而且也不需要地面信号，它在车载显示屏上，指示出本车距前行列车的距离，或距离下一个车站的距离，等等。

2.根据CBTC中车——地之间通信方式分类

根据CBTC车——地之间通信方式不同又可分为：

（1）采用全程移动无线通信方式（称为RFCBTC），在3.3.2中已经介绍。

（2）采用轨道交叉电缆方式（称为ILCBTC），见图8-2所示。

（3）采用漏泄电缆或漏泄波导方式（在3.3.3中已经介绍）。

（4）采用查询应答器方式，即在每个信号机处相应一侧或轨道间设有双向作用的地面有源应答器，而地面有源应答器之间均有电缆相联。

应答器取得通过列车的运行信息，它向下一个应答器给出正在通过的列车信息，下一个应答器由此给出相应信号显示。

当然在这种系统中，一方面列车设有超速防护系统（ATP），另一方面还应设有连续式无线移动通信系统，同时应与车站联锁设备相连以及与调度集中系统相连。

这种系统仅在列车密度较小、车速较低范围内采用。

（5）采用卫星通信系统，用它构成列车运行间隔控制系统，图8-3是其示意图。

这种系统在1990年日本铁路试用过，卫星在东京150°的静止轨道上运行，它距地面37000km，它是一个通用型通信卫星。

在地面的先行列车将自己列车编号、列车速度、列车位置等信息通过卫星给后续列车，后者经过运算后决定自己可以走行的最高速度。

出于安全，这类系统只在低速、低密度、小运量地区才能应用，因为它缺少安全保障，除非另外增加其他设备。

图8-3日本使用GPS列车控制方式示意图

3.根据应用区间闭塞方式来分类

根据应用CBTC区间闭塞方式来分类，可以有：

（1）CBTC-半自动闭塞方式

这种闭塞方式的特征是：

①两站之间区间只允许有一列车在运行；②任意车站要向区间发车，发车站必须同时与接车站协同操作办理闭塞手续，即接车站同意接车条件下才能办理发车；③发车站要发车，其先决条件是必须检查到区间确实是空闲无车，否则是不安全的，不得发车；④发车站在办理好协同发车手续后才能人工开放出站信号机。

当列车出发后，出站信号机立即自动关闭，在未再次办理发车手续前，该出站信号机不得再次开放；⑤区间运行的列车到达前方接车站，并由车站管理人员确认列车是完整后，该接车站立即关闭进站信号机，并办理解除两站间闭塞手续，使两站间的区间恢复空闲等待状态。

在该CBTC-半自动闭塞系统中，无线通信的作用是出发站给机车司机发出无线机车信号，而发出该信号的显示是与发出出发信号机显示相互关联的。

即前者只是在出站信号机允许发车的显示下才能获得机车信号，此时无线机车信号可以有记录为凭。

此外，区间列车到达接车站前同样可以获得进站信号一样显示的无线机车信号显示，以避免司机在目视路旁信号机时遇到困难，这些显示也都记录在案。

所以，CBTC-半自动闭塞要比TBTC-半自动闭塞更为方便、清楚、有责任感和安全感。

（2）CBTC-自动站间闭塞方式

这种方法与CBTC-半自动闭塞相类似，只是其办理手续是自动的。

具体而言是：

发车站与接车站均有区间是否占用的检查设备，因此发车站要发车，区间占用检查设备自动检查它的确空闲后，两站自动办理闭塞手续，并自动开放出站信号机。

在列车到达接车站并自动检查列车完整性后立即自动关闭进站信号机。

CBTC-自动站间闭塞也同样有无线机车信号，它与CBTC-半自动闭塞方式相似。

CBTC-自动站间闭塞方式的最大优点是：

1）它可以集中遥控闭塞手续，不一定在每个站都要有车站值班人员来检查区间是否空闲、列车是否已完整地到达等人工检测作用，提高劳动生产率；

2）由于一切手续和检测是自动的，它可节省办理闭塞手续的时间，从而可以提高整个区段的通过能力。

当然，在CBTC-自动站间闭塞方式情况下必须投入相应设备，特别需要有冗余设备，用以提高系统的可用性、可靠性与安全性。

（3）CBTC-电子路签闭塞方式

区间闭塞方式的路签闭塞在100年前就开始应用，中国铁路在建国初期也有大量应用。

从20世纪90年代中开始，在计算机技术、电子网络技术及通信技术的推动下，铁路的路签闭塞方式发展为电子路签闭塞方式，即不存在路签实物，而是以软件的形式模拟电子路签，它在有关计算机及网络中按一定的软件协议运行。

4.根据CBTC应用控制技术水平的高低可以进行分类

（1）采用无线数据电台进行车——地之间双向通信构成CBTC的低级系统——CBTC-半自动闭塞系统。

图8-4所示为CBTC无线半自动闭塞，其中列车与车站控制均有无线数据通信设备，但它们作用的距离有限，例如列车接近车站的4～5km范围内才能构成双向无线数据通信。

图8-4CBTC无线半自动闭塞（替换图8-4）

在这类CBTC-半自动闭塞系统中，为了构成半自动闭塞系统，并保证区间只允许存在一个列车运行，所以必须设置类似计轴器之类的设备，如图8-4中用符号T1/T2所示，它是用来检查两站之间运行列车完整性，以确保运行安全。

因为发车站的计轴器计数到列车轴数后，可用有线通知前方站。

当计轴器T2接收到同样轴数的列车后表示列车已完整地撤离两站之间区间，始发站才可能再发出下一列车。

为了保证CBTC系统中数据电台的正常工作，所以在线路上还辅助设置地面应答器A，B，C，其中应答器A提供列车信息：

列车已进入到区间，它的工作频率将变更到新频率，例如原来为频率F1，则现在将是频率F2，这是为了防止无线干扰。

应答器B提供信息，通知经过的列车已进入双向数据传输信息范围，列车应收到接收车站发来的机车信号信息，这是为了保证行车安全用。

各应答器也同时提供列车接近车站的精确里程标。

应答器C告诉通过列车本车站准备了哪个股道接车，运行速度上限值为多少等有关信息。

在该系统中，列车经过应答器B之后，车站与列车上的无线数据通信电台就反复双向通信，其中包括列车告知车站该列车编号、时速、去向等等信息，而车站告知列车应以何种速度进站或站前停车，进站内哪个股道，是停车还是通过等等有关信息。

无线半自动闭塞代表应用技术水平较低级别的CBTC系统，一般适应在新线、运量较小或速度较低、或该地区人烟稀少，生活困难地区，因为所有小车站的设备均可以采用遥测和遥控来指挥，所以可减少信号技术人员或工作人员。

（2）采用应用技术水平较高的CBTC系统，例如，CBTC-MAS系统等。

在众多分类当中，从目前主要的信号系统供货商来说，CBTC主要是采用移动闭塞方式。

第二节CBTC系统的结构与组成

一、CBTC系统的结构

CBTC系统是一个连续数据传输的自动控制系统，利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路），实现双向连续、大容量的车——地数据通信，能够执行列车自动防护（ATP）、列车自动运行（ATO）以及列车自动监控（ATS）。

CBTC系统主要由移动设备（车载设备）、轨旁设备、通信网络、控制中心组成。

如图8-5所示。

图8-5CBTC系统组成框图

无线CBTC采用无线通信系统，通过开放的数据通信网络实现了列车与轨旁设备实时双向通信，信息量大，并通过采用基于IP标准的列车运行控制结构，可以在实现列车运行控制的同时附加其他功能（如安全报警、员工管理及乘客信息发布等）。

目前国际上主要有ALCATEL，ALSTOM，SIEMENS和BOMBARDIER等信号供应商，均开发出了各种的CBTC系统并在全球得到了广泛的应用。

CBTC的基本原理如图8-6所示。

图8-6CBTC系统基本原理

调度控制中心DCC（DispatchControlCenter）控制多个车站控制中心SCC（StationControlCenter），实现相邻SCC之间控制交接。

SCC通过管辖范围内的多个基站BS（BaseStation）与覆盖范围内的车载设备OBE（OnBoardEquipment）实时双向联系。

列车在区段内运行时，通过全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）、查询应答器或里程计装置等实现列车位置和速度的测定，OBE利用无线通过基站BS将列车位置、速度信息发送给SCC。

SCC通过BS周期地将目标位置、速度及线路参数等信息发送给后行列车。

OBE收到信息后，根据前车运行状态（位置、速度、工况）线路参数（弯道、坡度等）、本车运行状态、列车自身参数（列车长度、牵引重量、制动性能等），采用车上计算、地面（SCC）计算或是车上、地面同时计算，并根据信号故障——安全原则，比较、选择的方式，预期列车在一个信息周期末的状态能否满足列车追踪间隔的要求，从而确定合理的驾驶策略，实现列车在区段内高速、平稳地以最优间隔追踪运行。

二、CBTC系统的组成

CBTC系统的通信子系统在车——地之间建立连续、双向、高速的传输通道，列车的命令和状态可以在列车和地面设备之间可靠交换，使地面设备和受控列车紧密地连接在一起。

所以，“车——地通信”是CBTC系统的基础，CBTC系统的另外一个基础则是“列车定位”。

只有确定了列车的准确位置，才能计算出列车间的相对距离，保证列车的安全间隔；也只有确定了列车的准确位置，才能保证根据线路条件，对列车进行恰当的速度控制。

CBCT系统依据列车本身的测速测距和探测地面应答器或其他传感器对列车位置的测量，并查询系统数据库，实现列车的定位。

车——地通信和列车定位共同构成CBTC系统的两大支柱。

一般典型的CBTC系统应当包括：

列车自动监控系统（AutomaticTrainSupervision，ATS）、数据库存储单元（DatabaseStorageUnit，DSU）、区域控制器（ZoneController，ZC）、计算机联锁（ComputerInterlocking，CI）、轨旁设备（WaysideEquipment，WE）、车载控制器（VehicleOnBoardController，VOBC）和数据通信系统（DataCommunicationSystem，DCS，包括骨干网、网络交换机、无线接入点及车载移动无线设备等），CBTC系统整体结构框图如图8-7所示。

其中区域控制中心包括ZC和CI两部分。

整个系统可以划分为CBTC地面设备和CBTC车载设备两大部分，地面和车载设备通过数据通信网络连接起来，构成系统的核心。

各子系统将分别实现CBTC系统所要求的功能。

图8-7典型无线移动闭塞系统的系统结构

（1）ATS子系统

ATS子系统的主要功能是在控制中心显示控制范围内列车运行状态及设备状态。

根据CBTC系统的要求，ATS系统中设置包括操作员工作站、时刻表工作站、培训工作站和其他相应的设备和网络等。

（2）CI子系统

CI子系统的主要功能是监督和直接控制道岔、轨道区段、信号机和其他室外设备，实现各个设备之间的正确联锁关系，保证列车运行安全；对于来自设备的错误操作，具备有效的防护能力；能够根据进路的始端、终端办理进路、取消进路等。

（3）ZC子系统

ZC子系统需要根据从VOBC、CI、ATS和DSU接收到的各种状态信息和数据信息，为位于ZC控制区域范围内的列车生成移动授权MA，并及时将MA通过DCS系统发送给车载VOBC设备以控制列车的运行。

（4）VOBC子系统

在VOBC中，为确保安全，列车必须对自身位置和运行方向进行精确判定。

为判定位置，列车的车载计算机与转速计、速度传感器、加速度计（用于测量距离、速度和加速度）及轨旁定位应答器共同合作，实现列车的准确定位。

（5）DSU系统

在CBTC系统中，列车定位将不再依据轨道电路，而是由车载本身来实现，这样就需要地面和车载同时拥有一个统一的数据库来实现整个系统的调度和协调统一。

数据存储单元DSU即是用来完成整个CBTC系统数据库管理工作的子系统，该数据库将包括静态数据库、动态数据库、配置数据库、参数数据库等。

在CBTC系统中。

数据库的安全性和重要性是显而易见的，因此必须采取冗余设计来实现，其安全可靠性的级别等同于ZC和CI设备。

以上所列举的仅是CBTC系统的典型结构，实际的系统可能由于不同的设备提供商、不同的工程需要而有所差异。

三、CBTC系统的基本原理

列车上的车载控制器VOBC通过探测安装在轨道上的应答器，查找它们在数据库中的位置，然后确定列车所在位置，并且还测量自前一个探测到的应答器起已行驶的距离。

列车车载控制器VOBC通过使用列车到轨旁的双向无线通信向轨旁CBTC设备报告本列车的位置。

CBTC轨旁区域控制器ZC根据各列车的当前位置、速度及运行方向等因素，同时考虑列车进路、道岔状态、线路限速以及其它障碍物的条件，向列车发送移动授权MA信息，即列车可以走多远、多快，从而保证列车间的安全间隔。

如同传统的基于轨道电路的系统，CBTC也以“速度——距离模式曲线（distancetogo）”的原则控制列车。

两种系统的不同之处在于分辨率，在轨道电路系统中，移动授权MA是以轨道电路区段为单位来给出；而在无线CBTC系统中，移动授权MA是基于更为精确的分辨率。

 “移动闭塞”技术将通过CBTC系统得以充分实现，也就是说，无需再在轨道上进行固定长度、固定位置的闭塞分区，而是把每一列车加上前后的一定安全距离作为一个移动的分区，列车制动的起点和终点都是动态的。

列车的安全间距是按后续列车在当前速度下所需的制动距离加上安全余量计算得出的。

列车的最小运行间隔在90秒以上，个别条件下可实现小于60秒的间隔时间。

和传统的固定闭塞、准移动闭塞技术相比，移动闭塞技术实现了车载设备与轨旁设备不间断的信息双向传输，使列车定位更精确、控制更灵活，可以安全有效地缩短列车间隔，提高列车运行的安全性与可靠性，降低列车的运营和维护成本。

第三节CBTC系统的功能

在轨道交通中为保证列车运行安全，须保证列车间以一定的安全间隔运行。

早期，人们通常将线路划分为若干闭塞分区，以不同的信号来表示该分区或者前方分区是否被列车占用等状态，列车则根据信号的指令运行。

不论采取何种信号显示制式，列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车安全间隔。

但由于地铁的特殊条件，对安全的要求更加严格，因此必须配备列车自动防护ATP系统。

ATP通过列车间的安全间隔、超速防护及车门控制来保证列车运行的安全畅通。

在固定划分的闭塞分区中，每一个分区均有最大速度限制，若列车进入了某限速为零或被占用的分区，或者列车当前速度高于该分区限速，ATP系统便会实施紧急制动。

ATP地面设备以一定间隔或连续地向列车传递速度控制信息，该信息至少包含两部分：

本分区最高限速和目标速度（下一分区的限速），列车根据接收到的信息和车载信息等进行计算并合理动作。

速度控制代码可通过轨道电路、轨间应答器、感应环线或无线通信等传输，不同的传递方式和介质也决定了不同列车控制系统的特点。

为了保证安全，地铁ATP在两列车之间还增加一个防护区段，即双红灯区段防护（如图8-8所示）。

后续列车必须停在第二个红灯的外方，保证两列车之间至少间隔一个闭塞分区。

图8-8ATP双红灯区段防护

ATP系统和列车自动运行ATO、列车自动监控ATS一起，组成了列车自动控制ATC系统。

传统的固定闭塞制式下，列车定位的分辨率为一个固定闭塞分区，系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界，为充分保证安全，还必须在两列车间增加一个防护区段，这使得列车间的安全间隔较大，影响了线路的使用效率。

准移动闭塞在控制列车的安全间隔上比固定闭塞更进了一步，它通过采用报文式轨道电路辅之环线或应答器来判断分区占用并传输信息，信息量大，可以告知后续列车其可以继续前行的距离（Distance-to-go），因而允许后续列车根据这一距离合理地采取减速或制动，列车制动的起点可延伸至保证其安全制动的地点，从而可改善列车速度控制，缩小列车安全间隔，提高线路利用效率。

但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍必须在先行列车占用分区的外方，因此它没有完全突破轨道电路的限制。

移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上又更进一步。

通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信，控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。

列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离，便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区（图8-9）。

由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，这时列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。

二、CBTC系统的具体功能

1.列车位置，速度以及方向决定

CBTC系统需要决定每两列车的头部以及尾部的位置，通常误差会控制在10英尺（3.048m）以内。

CBTC系统不需要手动输入列车位置以及列车长度数据。

CBTC系统需要决定每辆列车的速度和方向，通常精度控制在2英里/小时（3.22km/h）内。

2.安全的列车间隔

每辆配有CBTC的列车在CBTC区域内运行时将拥有一个移动授权（MovementAuthority，MA），这是根据运行条件实时计算出来的。

列车的MA计算是基于列车的安全刹车模式的。

总的来说，在任一时刻一辆列车的允许速度都设置为使列车停在前面列车的安全距离内。

一辆给定列车的实时MA还受到其他因素的影响。

其他影响因素包括区间速度限制，设备的速度限制，任何区间的临时速度限制以及CBTC系统及轨旁设备的故障等。

3.超速防护

CBTC超速防护用于防止列车速度超过最大允许速度。

如上所述，列车运行的最大速度是使得列车能够安全停在前面列车安全距离的速度。

其他影响因素包括区间速度限制，设备的速度限制，任何区间的临时速度限制以及CBTC系统及轨旁设备的故障等。

4.零速度探测

当列车速度降到2英里/小时（3.22km/h）以下并持续2s时，CBTC系统应该做出决定。

这项功能的主要目的是使得在规定时间限制内的一个非常规停车得到批准。

CBTC系统的故障会批准一个非常规停车，从而进行紧急刹车。

当列车速度高于“零速度”时，规定列车控制系统控制的车门是不允许打开的。

5.车门开启控制联锁

CBTC系统将禁止列车控制系统开启车门，除非同时满足以下条件：

①列车处于零速度状态；②最小服务刹车程序在车门开启时起作用；③将要开启的车门位于“车门开启区域”。

只有当车门处于站台内并且列车与站台处于同一侧车门开启区域时，才允许车门开启。

6.离站联锁

规定禁止列车移动除非所有车门闭合并上锁。

7.紧急制动

根据应用设计，CBTC系统在紧急情况时能够进行紧急刹车，并能够在条件不满足时制止紧急刹车程序的施行。

在大多数的应用中紧急刹车是在非常规停车末进行的，或者当非常规停车实施后列车刹车服务不能足够地减慢列车速度时进行。

非常规停车通常是由列车防护功能的最大限度刹车实现的，因为列车速度已经超过了规定速度并且人为或自动控制不能够足够地降低列车速度。

非常规停车是不可取的，并且只有在列车速度为零时才能够被重置。

8.线路联锁

如果一条线路进行了联锁，那么CBTC将提供联锁功能来防止列车相撞或者