城市轨道交通CBTC系统应用研究.docx
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城市轨道交通CBTC系统应用研究
目录
1引言 1
1.1城市轨道交通简述 1
1.2城市轨道交通信号系统概述 2
1.3不同闭塞制式的ATC系统概述 3
1.4主要研究内容 3
2轨道交通CBTC系统概述 4
2.1轨道交通CBTC系统简述 4
2.2轨道交通CBTC系统组成 5
2.3轨道交通CBTC系统工作原理 7
2.4小结 8
3城市轨道交通CBTC系统在长春地铁一号线的应用 8
3.1长春地铁一号线系统方案描述 8
3.2长春地铁一号线系统组成 8
4长春地铁CBTC系统应用中存在的问题及应对措施 10
4.1长春地铁CBTC系统出现的问题 10
4.2针对问题处理过程及原因分析 11
4.3针对CBTC系统出现其他问题分析 11
4.4小结 11
5国内外城市轨道交通CBTC系统的应用现状 12
5.1国外轨道交通CBTC系统的应用 12
5.2国内轨道交通CBTC系统的应用 12
5.3轨道交通CBTC系统未来的发展趋势 14
5.4小结 14
6总结 14
参考文献 15
致谢 16
摘要
伴随着经济社会和城市交通的快速发展，城市轨道交通变得愈来愈复杂，对轨道控制系统通信技术提出了更高的标准。
通信技术虽然已经应用了很多年，但在安全性、效率、自动化水平和联网交互等方面远远无法满足城市轨道交通复杂交通信号的要求。
作为当前最为先进的列车信息技术控制系统，CBTC系统是一种采用先进的计算机通信技术，最大程度保证了城市轨道交通的高效、安全运行。
CBTC系统也成为城市轨道交通未来发展以及现代轨道交通信号发展的重要方向。
本文在内容上首先对城市轨道交通系统与CBTC信号系统进行简要概述，明确了本文的研究思路和研究意义；然后围绕CBTC系统，针对长春地铁采用的CBTC信号系统进行阐述并提出相应故障的解决方案，最后对轨道交通CBTC信号系统的未来发展进行相应的分析。
关键词：
轨道交通系统；CBTC系统；信号系统
ApplicationofCBTCSysteminUrbanRailTransit
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofeconomicsocietyandurbantransportation,urbanrailtransithasbecomemoreandmorecomplicated,andhigherstandardshavebeenputforwardforthecommunicationtechnologyoforbitcontrolsystems.Althoughthetraditionalrailwayinterlockingtechnologyhasbeenappliedformorethan20years,itisfarfrommeetingtherequirementsofurbanrailtransitcomplextrafficsignalsintermsofsafety,efficiency,automationlevelandnetworkinginteraction.Asthemostadvancedtraincontrolsystem,theCBTCsystemisanadvancedcomputercommunicationtechnologythatensurestheefficientandsafeoperationofurbanrailtransit.TheCBTCsystemhasalsobecomeanimportantdirectionforthefuturedevelopmentofurbanrailtransitandthedevelopmentofmodernrailtransitsignals.
Inthispaper,theurbanrailtransitsystemandCBTCsignalsystemarebrieflysummarized,andtheresearchideasandsignificanceofthispaperareclarified.Then,basedontheCBTCsystem,theCBTCsignalsystemadoptedbyChangchunMetroiselaboratedandthecorrespondingfaultsolutionisproposed.Finally,thefuturedevelopmentoftherailtransitCBTCsignalsystemisanalyzedaccordingly.
Keywords：
RailTransitSystemCBTCSystemSignalingSystem
1引言
1.1城市轨道交通简述
1.1.1城市轨道交通的含义
伴随着轨道交通高速以及高密度的运行，轨道交通业务的复杂性、多样性及业务量的快速增加，对于轨道交通车辆的要求也越来越高。
交通拥挤对社会和经济效益有很大的影响。
据统计，中国因为交通拥挤每年造成的经济损失将近1000亿元。
城市轨道具有以下特点：
高容量，快速，能耗低，低污染，安全和准点，它已成为减轻城市交通压力的重要工具。
城市轨道交通在发展过程中，出现了多种多样的类型，如地铁、轻轨、独轨、有轨电车、市郊铁路、磁悬浮系统及自动导向系统等形式。
参考国际上较为通行的统计标准，将城市轨道交通分为地铁、轻轨和有轨电车3大类，其各形式在轨道交通中所占的比例如图1-1所示：
图1-12018年轨道交通各形式所占比例图
1.1.2城市轨道交通系统的设备组成及作用
城市轨道交通系统主要以载轨列车运行为导向，由信号系统控制。
它是一种用于集中和快速旅客运输的轮轨系统。
其设备由线路、车站、车辆、供电、通信信号等。
该系统主要运用在城市的运营管理中，是城市轨道交通的主要设备，也是安全运营的物质基础和技术保障。
其轨道交通系统组成如图1-2所示：
线路和车站
信号和通信
车辆和牵引供电
城市轨道交通系统
其他设备
图1-2轨道交通系统组成框图
1.2城市轨道交通信号系统概述
轨道信号系统是一个庞大的交通控制系统（ATC），既有固定的行车路线，又由自己独立的乘务管理系统，在站厅内还设置了室内照明系统，对于车辆的正常行驶建立信号基础设施等等，这些系统相互独立又相互配合，共同完成运载乘客，为乘客提供舒适的出行服务的使命。
1.2.1列车控制系统的组成
图1-3列车运行控制系统结构框架图
列车运行控制系统是指能够对列车运行的全部或部分进行调度、指挥、保护和控制的系统。
其特点是：
调度指挥系统根据运行图计划发送列车运行指令，列车通过车站和线路获取地面运行信息和命令，车载设备控制列车运行。
在保证列车运行安全的前提下，调整列车与列车之间的距离，以提高行车效率，降低司机的劳动强度，改善工作条件，提高乘客的舒适度。
列车运行控制系统结构框架图如图1-3所示：
1.2.2城市轨道交通信号系统的优点
作为铁路信号控制系统，其自身的特征完全满足于整个铁路交通信号指导载轨列车通行中的任何系统配置，该系统主要的优点是：
（1）保持列车正常速度行驶安全和变速控制行驶稳定
（2）信号传输速度快，数据量大
（3）功能齐全，提高了联锁控制的精度，但两者之间的技术要求低
（4）多种控制模式保证结构组成实现强大功能
1.3不同闭塞制式的ATC系统概述
在城市轨道交通信号系统中，ATC系统的应用最为广返，在不同工作状态和控制环境中的系统模式也多种多样。
系统模式的区分可以从闭塞形式上分成固定、准移动和移动三种形式的闭塞制式。
1.3.1闭塞概念
列车从车站出发到达区间后，必须保证区间内是没有任何列车的，然后按照规定的要求进行运行，防止发生事故和冲突。
这种按照一定规律组织列车间隔运行的方式叫做行车闭塞法，实现闭塞模式的设备称为闭塞设备。
实现区间闭塞的基本方法有：
时间间隔法、空间间隔法
1.3.2闭塞制式
固定闭塞、准移动闭塞与移动闭塞为三种不同的闭塞制式。
（1）固定闭塞
所有列车在正线行驶过程中不知道列车所在的位置，只是通过单纯的轨道电路进行闭塞分区的检测，列车在固定的区间内采取相应的启动及制动措施的方式称为固定闭塞。
（2）准移动闭塞
所有列车在正线行驶过程中，后面的列车可以知道前面列车的距离，可根据这个距离实施相应的制动措施，从而使列车的行车间隔大大缩短，并且提高线路的使用率。
但列车的制动点还是在前行列车所占分区外放，只是在轨道电路的基础上加以查询应答器实现的准移动闭塞模式。
没有真正的将分区剔除。
（3）移动闭塞
正线运行的所有列车均会与轨旁设备进行信息传输，实时汇报其在线路中的位置，并且轨旁设备也将为其计算前方的授权终点，真正意义上的突破了分区的意义，因此称之为移动闭塞模式。
1.4主要研究内容
本文主要以CBTC系统的应用作为研究内容，通过对CBTC系统在实际轨道交通信号系统中的应用，对其未来的发展趋势做出合理的推测，研究内容具体如下：
1.对城市轨道交通系统与CBTC信号系统进行简要概述。
2.介绍CBTC系统的作用、组成和工作原理。
3.针对长春地铁采用的CBTC信号系统进行阐述并提出相应故障的解决方案
4.对轨道交通CBTC信号系统的未来发展进行相应的分析。
2轨道交通CBTC系统概述
2.1轨道交通CBTC系统简述
2.1.1轨道交通CBTC系统的主要特点
CBTC系统的技术优势主要体现在：
该系统在车载端安装有自动定位检测装置，基于双向连续高速数据通信技术，采用车-地双向信息交互方式实现通信，代替了以轨道电路为检测手段的固定闭塞方式。
通过移动闭塞方法，大大缩短了列车与列车之间的行车间隔，提高了整条线路或线网的列车运行效率，实现了列车运行的高效、安全控制。
综上所述，CBTC的主要特点有以下三点:
（1）不依赖轨道电路的高精度列车定位。
（2）能够在短时间内实现连续、大容量的车-地双向数据通信，比传统系统可传输更多的控制和状态信息。
（3）轨旁和车载核心处理器实时处理列车的状态和控制数据，并提供给ATP、ATO和ATS。
2.1.2轨道交通CBTC系统结构及作用
CBTC系统主要包括区域控制器（ZC，ZoneController）、车载控制器（VOBC，VehicleOn-BoardController）、计算机联锁系统（CBI，ComputerBasedInterlocking）、列车自动控制系统（ATS，AutomaticTrainSupervision）、数据通信系统（DCS，DataCommunicationSystem）等。
城市轨道交通CBTC系统结构框图如图2-1所示。
（1）区域控制器ZC
ZC主要作用计算自动保护即AP，由于列车运行中的不准确信息，因此通过AP确定适当的位置；为每辆列车计算其前方的移动终点即EOA，其授权终点具有时间限制下的有效性；管理其防护的区域；向列车传递相应的轨旁设备状态、实时信息与监控屏蔽门状态等。
（2）车载控制器VOBC
在列车运行过程中，各项安全信数据指令和操作，都是通过列车自动防护车载装备和地面设备ATP之间的信息传送功能实现的，以实现列车运行追踪过程的安全控制、列车速度过大的防护和车门与屏蔽门联动控制来确保行车安全；通过ATO实现列车在正线运营的自动驾驶，完成列车区间运行、速度调整及进站定点停车功能。
（3）计算机联锁系统CI
计算机联锁系统利用继电接口接收轨道区段、信号机和道岔设备正常运行数据，信号机、道岔和轨道区段利用设定好的安全信息捆绑在一起，通过网络传输把一切运行数据发送到与之对应的ZC、CC、LATS以及邻站的CI。
（4）列车自动控制系统ATS
ATS系统作为CBTC系统的管理系统，主要实现列车运行过程的监督以及控制，包括列车运行中的识别追踪、进路的自动排列、自动调整列车运行、时刻表及运行图的管理和运行中对记录查看的功能，是对全线列车管理的辅助窗口。
（5）数据通信系统DCS
DCS子系统承载CBTC系统中信号设备之间的数据业务，是CBTC系统中各子系统间数据交互的平台。
DCS子系统分为有线网络部分、无线网络部分和网络管理部分。
图2-1城市轨道交通CBTC系统结构图
2.2轨道交通CBTC系统组成
轨道交通CBTC信号系统中子系统介绍如下：
2.2.1ATS子系统
ATS作为综合监视系统主要的工作就是统监控线路上各列车的位置信息、运行速度及各种基础设备状态，并可以根据客流量的变化情况，调整运行方式及运行间隔。
ATS子系统实现对所有正线中运行的主要信号基础设备道岔、信号机等运行状况的实时监控，将全线列车的运行情况及所记录的运行图的执行情况通过人机窗口反馈给所有的行车值班人员，若列车因其他原因列车的实际运行图与计划运行图有偏离且偏离范围在480s内，可作出相应的调整。
2.2.2ATC子系统
ATC子系统的组成可以分为两个部分，一部分是轨旁ATC设备，另一部分为车载ATC设备组成，第一部分中又包含了ZC、LC、欧式编码器（LEU）、信标组成；第二包含主要由CC、人机界面（HMI）、信标天线、编码里程计组成。
ATC子系统为ATP/ATO子系统。
ATC子系统的结构如图2-2所示：
图2-2ATC系统结构示意图
2.2.3联锁子系统
联锁系统是保证行车安全的技术手段，为了保证列车在正线上的的运行安全，将轨道电路、信号机、转辙机三者之间的相互协调、相互辅助的关系称之为联锁关系，简称联锁（CI/CBI）。
其中实现联锁关系所用到的基础信号设备称之为联锁设备。
从而缩短运行间隔，提高运行效率，保证轨道交通运行的安全性。
2.2.4DCS子系统
DCS系统的主要作用是在双通信模式下得到车-地通信数据并将可靠的通信信息承载下来，CBTC系统中每一个子系统之间都会形成相应的信息传输通道。
在每个设备之间利用有线网络及无线网络两种不同的形式实现双向的通信，通过此方式为各子系统之间做到无缝的信息传输。
2.2.5MSS子系统
维护监测系统（MaintenanceSupportSystem，MSS）具有良好的隔离措施，不影响被监测设备的正常工作，该系统功能为就地及远程监测和报警，具有自动存储和回放功能，数据保留不低于3个月。
通过MSS子系统可以在第一时间了解到故障地点，故障类型，从而为故障处理缩短时间。
2.3轨道交通CBTC系统工作原理
2.3.1轨道交通CBTC系统原理概述
与其它的信号系统存在差别的CBTC系统，之间主要的区别就是它不用利用地面的轨道设备才检查是由分区有被占用，而是采用无线通信的方式，突破了固定闭塞的限制。
2.3.2列车定位原理
在CBTC运行模式下，为了保证安全，必须确认列车的运行方向和位置。
CBTC系统列车检测有两个问题，一个是确认列车位置，车载ATP终端列车定位会检测出列车的位置；另一个是列车的跟踪，是由列车定位和地面ATP中的ATS完成。
对于每辆运行中的列车，列车定位包括两个过程，一个是列车定位的“初始化”阶段，另一个是列车运行中列车位置信息的更新阶段。
CBTC系统中，列车在正线运行信息由列车自身报告，列车将报告自己在线路上的位置状态，为确保安全，列车的车载CC与编码里程计及信标天线设备共同合作，位于线路中的信标用来判定正线所处位置信息为固定值。
位于轨旁的ZC会依据前行列车发送的其位置状态和线路障碍物的状态信息为后续列车计算其EOA，确保后续列车的安全运行。
最具限制的速度曲线
速度：
v
列车不能超越的区域
移动闭塞轻型
前行列车的位置不确定性+后退误差
跟随列车的
位置不确定性
防护点
距离
图2-3最具限制的速度曲线和防护点监督
2.3.3列车控制和自动驾驶原理
列车的控制主要包括防护点和超速监督功能，列车自动控制的任务是安全检测司机当前允许速度符合列车前方的安全限制，否则触动列车的常用制动或紧急制动。
在任何情况下，列车制动服从以下两种安全限制：
最具限制的速度曲线（MRSP）、零速度限制的防护点（POP）,如图2-3所示。
2.4小结
本章主要介绍了轨道交通CBTC系统。
首先介绍了轨道交通CBTC系统结构及作用；然后介绍了CBTC系统的子系统；最后介绍了轨道交通CBTC系统的工作原理，即列车定位原理、列车控制及自动驾驶原理，以及各子系统如何工作、相互作用等。
3城市轨道交通CBTC系统在长春地铁一号线的应用
3.1长春地铁一号线系统方案描述
长春市轨道交通地铁一号线是长春市今年来建成的第一条城市轨道交通地铁线，本文以它为例，介绍CBTC系统的应用在新修建的地铁线路中的作用以及效果。
地铁一号线采用的信号系统是卡斯柯Urbalis888系统。
该系统带宽大,双向自愈功能,组网方式灵活,便于系统扩展,可根据应用需要划分多种逻辑独立的网络。
正线在降级模式下运行时利用AZS350U计轴设备为计轴区段的占用空闲进行检测。
每一个子系统都使用高模块化设计，系统接口之间可以完美对接，使系统在可靠性、安全性、可用性和可维护性以及可扩展性能方面都达了其同等设备的最高性能状态。
3.2长春地铁一号线系统组成
3.2.1ATC子系统
长春地铁一号线的ATC子系统主要是对列车进行保护，满足轨道交通系统的运行要求。
ATC子系统可随时保证列车运行的安全。
两个子系统之间相互配合，当地铁发生故障时能够相互协调工作，以保证列车安全运行和自动控制。
（1）长春地铁一号线ATP子系统功能
ATP子系统能够在列车运行过程中，当地铁超速行驶时，检测到轨道交通地铁的行驶速度并反馈给车载主控系统，保护超速地铁安全行驶；还可以定位当前位置和前车联锁时的位置，保证不互相影响，而且ATP还可以实现追踪技术间隔控制列车，保护地铁，防止发生故障造成意外事故。
同时监测进路口岔道安全，以上所述都是ATP系统功能强大而对地铁一号线起到的积极的作用
（2）长春地铁一号线ATO子系统功能
长春地铁ATO系统可以控制列车运行，通过ATP子系统的防护作用下，实现列车在运行中的自动驾驶，ATO在减少运行时间，对于列车运行自动调整、减少列车的能源损失、列车站台的固定位置挺稳起到了非常有效的作用。
长春地铁一号线采用的Urbalis888系统中将ATC系统作为ATP/ATO系统总成，该系统分为轨旁ATC和车载ATC系统，在ATC系统的应用过程中车载ATC冗余控制的同步问题中，车载ATC设备的车头与车尾进行两套冗余设备，车载ATC的两套冗余设备之间的同步问题已经对列车的正常运营起到了一定的影响。
长春地铁一号线列车上线运营前列车上电时，HMI时间不同步，影响列车整点上线，其问题影响严重。
3.2.2长春地铁联锁子系统
（1）联锁系统组成
长春地铁联锁系统的组成部分主要包括联锁处理子系统（IPS）、人机界面子系统（HMI）、诊断维护子系统（SDM）、冗余网络子系统（RNET）和电源子系统（PWR）。
（2）长春地铁CI系统功能
在CBTC信号系统中，计算机联锁系统采集实时战场状态信息，接收来自其他信号系统的数据和线路操作员的操作命令，执行联锁逻辑操作，控制现场设备，并向其他信号系统发送数据。
计算机联锁系统的关系计算功能主要有：
转辙机控制、站间控制、计轴控制、安全门监控、ESP按钮监督、防淹门监控功能。
并且微机联锁系统还给出战场设备状态表示的接口功能和系统信息查询功能。
3.2.3ATS子系统
（1）控制中心（OCC）
OCC包括调度工作站（调度员计算机、调度长计算机、远程调度长计算机）；时刻表计算机；维护员计算机；运行图计算机；OCC列车运行监控（CATS）应用服务器；CATS数据库服务器；接口通信前置机；双机切换单元；网关工控机；相关设备机柜；培训服务器；培训计算机等。
（2）正线设备集中站
正线设备集中站包括车站ATS分机（LATS）；网络服务器；监测工作站；车站值班员工作站（HMI）;发车计时器和旅客向导接口计算机等。
（3）正线非设备集中站
正线非设备集中站包括车站值班员工作站（HMI）;ATS监测工作站；发车计时器和旅客向导接口计算机；100M网络设备；若干个发车计时器（TDT）。
（4）车辆段
车辆段包括ATS网络服务器；网关计算机；现地工作站；ATS派班终端；车站值班员工作站；100M网络设备；光通信转换器。
3.2.4长春地铁DCS子系统
DCS子系统承载信号系统各信号设备间的数据传输业务，是CBTC信号系统各子系统间数据交互的平台。
DCS系统提供车地车和地面车双向、连续的信息传输通道，由有线网络、无线网络和网络管理组成。
车-地之间的无线通信对信号数据的无线交互质量影响严重，对于现场设备系统之间的信息影响对线路的调试过程有着极其严重的困扰，甚至对于轨道交通在调试完成后的试运营阶段，无线通信之间的影响会是列车在正常运行中由于所接受的无线信息的不可靠性，使列车在运行中启动紧急停车，并且由于列车的无线通信不可靠性，导致轨旁接收到的信息不能够使其给正确的操作命令，使其各个系统之间的控制产生冲突。
简单说长春地铁由于通信的不稳定性导致计轴信息的不准确，使系统ATC动作将计轴系统切除，在此之后要进行区段的计轴复位，如不能够及时的做到复位可能会导致更加严重的后果产生。
3.2.5MSS子系统
（1）MSS子系统组成
MSS系统一般分为服务器、维护工作站及站机三层。
（2）MSS系统功能
维修中心主要对列车行驶的监视和所有信号系统设备的集中监管、故障提示和操作命令的记录功能，并对正线运行的信号设备进行维护管理和支持，对信号员所进行的操作、对象、内容、结果等信息进行相应记录。
并能按要求生成所有信号设备的日表、月表、季表和年表。
控制中心、联锁站通过维护监测子系统的维护计算机实现历史数据保存功能。
通过对日志的内容分析，将历史数据存在的问题和相应的故障报告给维修中心，并且自动建立维护计划根据日志库中存储的应对措施去提供技术支持来对地铁进行维护。
车站、车辆段具有对信号设备运转的工作情况和主要电气参数进行在线测评，包括转辙机参数、轨道电路的参数数据、电缆绝缘测试、对地漏泄检测等。
当设备的工作状态异常或电气性能偏离预定界限时及时报警。
4长春地铁CBTC系统应用中存在的问题及应对措施
4.1长春地铁CBTC系统出现的问题
长春地铁一号线正线以计轴设备作为降级模式下的运行的检测区段是否空闲的设备，正常情况下ATS终端检测上会将相应的计轴区段设置相应的计轴颜色显示代表不同的情况，其长春地铁一号线颜色显示有三种颜色分别代表上述不同的情况，其中紫色对应的是有非通信列车此时正在轨道站点内停留，警示后方车辆慢行；红色则代表有非通信列车此时正在轨道站点内停留；最后由白色显示无，即计轴区段出清，是锁闭进路的一部分；绿色：
区段处于故障锁闭；棕色：
计轴区段被ATC报告失效；闪光：
被ATS切除跟踪；缺省色：
计轴区段空闲，其显示棕色时不影响正常CBTC列车正常运行，信号灯正常开放。
在运营过程中出现，折返线一部分出现棕光带，站台出站信号机正常开放，当列车进站挺稳后前方信号机关闭，采用降级模式下运行至折返轨，当列车具备条件
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