新型列车运行控制系统——SCBTC系统

黄新凯 徐 菲

（铁路科技（香港）有限公司，香港）

1 研究背景及现有技术分析

1.1 早期列车控制技术

自19世纪中叶出现火车之后，人们就开始不断研究如何控制火车的安全运行，先后采用了电报、电话、路牌、路签等方式构成列车闭塞系统，使列车之间可以保持一个相对安全的距离，以避免发生相撞事故。然而这些闭塞方式都存在一个很大的缺陷，就是系统本身并不知道轨道上是否有列车真实存在，万一管理疏忽，便有可能引发严重列车追尾相撞事故。

1.2 TBTC列车控制技术

为了解决列车存在及位置检测问题，从19世纪70年代开始出现了轨道电路，以及基于轨道电路的列车运行控制系统（TBTC）。通过轨道电路的作用，不但可以明确指示列车的存在，还因为它是一个实时系统，其反应速度比人工控制要快得多，使之在效率方面也有很大的进步。100多年来，TBTC系统一直都是列车运行控制（特别是地面大铁路系统）的主流技术，其对列车的安全运行无疑起到极大的帮助作用。

然而TBTC系统也存在一些自身难以逾越的缺陷，例如用轨道电路构成系统时，闭塞分区的通过信号灯固然能保护列车运行的安全，但是列车在此闭塞分区内的确切位置，是在始端还是终端则无从知晓，而且也无法知道该列车是处于停止还是运行状态，以及列车的运行速度等，这就不可避免地影响了列车运行的效率。同时轨道电路易受天气影响,可靠性相对较差,万一信号检测或显示出错，就有可能引发灾难性的列车相撞事故。

1.3 CBTC列车控制技术

随着现代自动化、计算机及通信技术的高速发展，从20世纪70年代开始，人们对新一代列车运行控制系统进行了更为深入和广泛的研究，并于20世纪末推出了新的基于通信的列车运行控制系统（CBTC），它不仅在地面大铁路系统中得到推广和应用，更在城市轨道交通中被广泛接受，成为当前地铁及捷运系统列车运行控制的首选技术。

CBTC的出现解决了TBTC无法实现对列车精确定位的问题，从而实现了更安全、更有效的列车运行控制。然而CBTC系统较TBTC复杂，其自动闭塞的可靠性同时依赖于列车定位设备、通信设备及列控中心的可靠性。为了提高整体可靠性，CBTC系统采用了多重冗余的设计方式，例如二取二乘二、三取二等来检测及排除因干扰或故障导致的信号错误，防止列车事故的发生。

1.4 CBTC系统面临的技术困难

客观来说，多重冗余的保护措施对CBTC系统来说是必要及有效的，尽管设备故障及信号干扰事实上不可能完全避免，但这些故障及干扰通常都不会影响到列车的安全，因为CBTC系统采用了较严谨的“故障导向安全”的设计模式。当系统出现设备故障、通信受阻或列车定位失败时，往往会令列车实施紧急制动以确保安全。在这种情况下，系统通常会采用其他替补的闭塞模式运作，或采用限速人工模式，由列车司机手动操作目视通过故障区域。但在替补模式或人工操作下，列车的运行安全是难以保障的。

尽管CBTC代表了当前列车运行控制的最高水平及未来的发展方向，但客观地说，CBTC也有其自身的一些弱点，除通信干扰外，CBTC对轨道列车的兼容性要求也很高。在同一个铁路系统中要实现不同制式的列车混合运行是困难的，如果在铁路中不幸混入与CBTC系统不兼容的列车将可能是一个灾难，因为CBTC系统无法检测所述车辆的存在而令列车发生交通意外。2006年德国一辆高速运行的磁悬浮列车与停在轨道上的一辆工程维修机车发生严重相撞便是一个例证。另外在CBTC系统中，列车运行控制主要是通过计算机程序来实现，列车司机在防范列车相撞事故方面所起的作用非常有限，很多时候列车司机是眼睁睁看着灾难发生而束手无策,因为留给司机反应的时间实在是太少了。

2 关于列车运行的“双保险”

从上述分析中可以发现，无论是TBTC系统还是CBTC系统都不是万能的，都有其各自优缺点。面对这种情况，我们或许会问，能否在铁路系统中同时运行两套不同的控制系统，令其优势互补、互相监督，从而实现列车运行的“双保险”？从理论上来说，双保险模式是有价值的，历史上大部分列车相撞事故都与信号系统有关（不管是设备故障还是人为错误），如果有双保险机制的存在，这些灾难性事故也许就可以避免。然而在现实中，“TBTC+CBTC”的双系统运作是难以实现的，这不仅牵涉到双重投资问题，更牵涉到系统的协调运作问题，因为在这样的一个系统中，只能用CBTC来监测TBTC的操作，即用高精度系统实施对低精度系统的监察，这无疑是令列车降级运行，不利于铁路系统的发展及营运效率的提高。

TBTC及CBTC均为目前列车控制的主流技术，TBTC在地面大铁路系统中占了主导地位，而CBTC则在城市轨道交通中得到广泛应用。如果有一种新的列车控制技术适合构建所述的双保险系统，那么其最好能同时适应TBTC及CBTC的控制要求，并能够与任一系统实现优势互补的运作。例如在TBTC系统中能协助解决列车精确定位问题及恶劣天气干扰问题，以及在CBTC系统中协助解决非兼容列车的检测问题及通信干扰问题，并且具有不低于上述2种系统的定位精度，只有这样才能做到既有效监察列车运行的安全性，同时又不影响列车的营运效率。

3 SCBTC技术分析

3.1 通行信号链概念

为了解决上述问题，本文提出一个通行信号链的概念，以及一个基于所述通行信号链的列车运行控制自动闭塞系统SCBTC-MAS（Signal chain based train control moving autoblock system，以下简称SCBTC），如图1所示。

在SCBTC系统中，通行信号链是列车行驶的依据，通行信号链的长度代表了列车前方的可行距离。通行信号从前方列车(或前方停站)位置发出，并通过沿轨道配置的无线中继设备（轨道设备）传送，当后方列车接收到所述信号之后，便可清楚知道前方列车的位置及其运行状态，并知道自己前方的可行距离。具体计算方式为：

后车可行距离=两车间中继器数目×中继器间距由于SCBTC是一个独立于TBTC/CBTC的第三方信号系统，可以与TBTC/CBTC同步运行而互不干扰。同时还由于SCBTC可提供实时及连续的前方列车位置信息及运行状态信息，这样司机便可有效监察前方轨道的占用情况。即使TBTC/CBTC系统发生信号故障或出现人为操作错误令列车面临险境，列车司机都可以第一时间及时发现所述问题，并可采取有效措施避免列车相撞事故的发生。

3.2 SCBTC的相容性

与CBTC相比，SCBTC不但更为简单，同时也具有更好的相容性，可以兼容不同制式的列车在轨道上混跑，以及可以有效检测轨道前方的脱轨列车、脱钩车厢甚至轨道障碍物，从而避免与之发生相撞。SCBTC系统的中继设备具有轨道车辆及轨道障碍物的检测能力，并可将前方轨道占用信息传送至同一轨道上运行的后方车辆。由于所述轨道占用信息是由轨道设备自行产生的，不依赖于列车及障碍物本身，可有效避免类似2006年德国磁悬浮列车与轨道工程维修机车发生碰撞的事故。要留意的是SCBTC是一个故障导向安全系统，设备故障或障碍物的存在都会令通行信号链断开，可令列车于故障路段前停下，使列车安全得到有效的保障。有关此项功能如图2所示。

3.3 SCBTC的自动驾驶

从图1、2中可以发现，SCBTC通行信号链的信号既可以由前方列车发出，也可以由前方轨道设备发出，同时还可以由前方停车站发出。当通行信号链的信号由前方停车站发出时，所述通行信号可用于引导列车进行入站停车的操作。由于列车运行受控于通行信号链，因此SCBTC系统可通过对通行信号的控制来实现列车自动驾驶（ATO）。在自动驾驶模式中，只要车站红灯变绿，站台上的列车就会自动起行；如果列车前方有其他轨道车辆存在，所述列车便会自动减速并与前车保持一个安全间距；若前方轨道出现信号故障，则列车会自动于故障路段前停车等待信号修复；当列车接近目的地后会自动减速，并于可行距离终点前停车，由此实现列车的自动驾驶功能。

3.4 SCBTC的自检功能

与现有列车运行控制系统相比，SCBTC无疑具有更佳的自我诊断及检测能力，因为SCBTC工作过程本身就是一个自检过程，任何时候系统中的设备出现故障，都会立即于各区间站上显示出故障路段的位置。同时由于SCBTC通行信号链具有再生能力，当系统中有设备故障时，只是在故障设备路段（从几十米到几千米不等）上没有通行信号，而其他路段的信号则完全不受影响。当列车在人工目视操作模式下通过故障路段之后，列车便可自动恢复正常行驶，这可将设备故障对列车运行的影响减至最小。同时由于SCBTC系统主要由相互独立的中继设备组成，只要将有故障的设备更换掉，系统信号就会自动恢复，这使得SCBTC系统维护和故障检修变得十分简易和方便，具体如图3所示。图3中通行信号链（自检信号）由区间站A向B发送，由于设备N故障而令信号链中断，区间站B由此知道路段N及路段N+1之间出现了信号故障。

3.5 SCBTC对列车司机的帮助

SCBTC的一个重大意义在于可以充分发挥列车司机防范列车相撞的作用，这对列车安全运行其实是很重要的，试想如果9.27上海地铁追尾事故中没有列车司机于最后几秒钟的紧急制动，相信事故伤亡人数还会大大增加。不妨再试想一下，如果能有机会让列车司机提前几分钟知道前方列车或轨道通行情况，那么相信所述的事故便可以完全避免。由于SCBTC系统可以实时检测及连续显示前方列车行驶及轨道占用情况，因此其不但可有效避免突发性的列车相撞意外，同时还可消除列车司机驾驶时的精神紧张和压力。

3.6 SCBTC系统的控制精度

SCBTC的控制精度取决于通行信号链的中继器间距，这些中继器间距是列车定位的基本单元，可从几十米到几千米不等，视所述轨道路段列车运行的最高时速及最短列车安全间距等要求而定。在实际应用中也可按所述路段的TBTC/CBTC规格来确定中继器的间距，只要SCBTC的定位精度优于原有列车控制系统精度，就不会影响原有系统的正常运作，同时列车又可以获得SCBTC的信号保护，这便是SCBTC的核心价值所在。

3.7 SCBTC移动闭塞系统

SCBTC主要用于列车运行的自动闭塞控制方面，也可称为一种基于可行距离的移动闭塞系统，而所述可行距离是由通行信号链的长度来确定的，并随列车的运行而改变，因此SCBTC系统不但具有实时闭塞效果，同时也具有最优化的运行效率。进一步地，在系统设计上还可以将有关路段的轨道参数（例如轨道限速、坡度及载重量等）添加到通行信号之中，令于轨道上运行的列车可以根据所述参数及自身车速、载重量及制动力等因素计算出最佳的闭塞距离，从而可实现最有效的列车保护（ATP）及最优化的列车运行控制。

4 结语

SCBTC系统具有简单、可靠、易用的特点，不需要复杂的路旁设备，不依赖于列车控制中心，可以将设备故障、通信受阻及人为错误的风险降至最低。SCBTC的通行信号链可以看作为轨道功能的扩展，其包含了所述路段的轨道是否可行，有多远距离可行，以及轨道坡度、限速、载重量等信息。作者认为，为了确保列车运行安全，SCBTC通行信号链的建立与轨道自身的建立同等重要，所述通行信号链可为所述轨道行驶的列车提供一个有效的安全保障。

SCBTC是作者提出的一个新的列车运行控制概念，本文的目的则是希望能起到一个抛砖引玉的作用，期望社会各界都能共同关注及探讨列车运行的安全问题，如果此举有助于推动相关新技术的发展，促进铁路运输系统的健康成长，提升我国相关产品于国际市场的竞争力，则荣莫大焉。

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