无线CBTC系统（SPARCS）的海外进展

2012-07-13李婷

铁路通信信号工程技术 2012年1期

1 前言

在亚洲以及一些新兴国家，特别是在经济明显增长的地区，随着社会基础设施建设的稳步进行，城市铁路建设成为不可或缺的一部分，这是目前海外市场的现状。近年来，作为地铁等城市铁路的列车控制形式，CBTC的呼声较高，不仅在欧美各国，在亚洲各新兴国家等也得以广泛应用。中国预计到2020年建成总里程达到7 400 km的地铁，无线CBTC系统的市场前景是非常可观的。

2 CBTC简介

谈到列车控制方法，ATC（Automatic Train Control）是非常著名的，但CBTC（Communicati on Based Train Control）作为一种基于通信的列车控制方式，也是最近的技术动向之一。I E E E（Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准第1474款中规定，“不通过轨道电路，可以利用高精度对列车实行定位”，从而使得“列车和轨旁设备之间的双方向、大容量的数据通信成为可能”，这样的列车控制系统称为CBTC系统。传统的ATC系统，通过轨道将列车使用的速度信号从地面传送到列车，构成列车控制，从这个意义上讲，也不能说就不是CBTC。但是，ATC的通信是单向传输，利用轨道电路实现定位检查，传统的ATC并未包括在CBTC之内。因为地面—列车之间的通信是大容量、双方向的传输，所以CBTC所说的通信一般指无线通信。由于可以利用高精度对列车实行定位，大部分CBTC系统都能实现移动闭塞。CBTC分为在地面无线设备装设天线的空间波方式、使用漏泄同轴电缆（LCX）的LCX方式和使用感应线圈的环线方式。空间波方式和LCX方式使用的无线通信多为数百MHz到数GHz的频率，环线方式使用数十kHz的频率。说到无线CBTC，一般指空间波方式。

3 世界各国的无线CBTC

国外已经开始应用几种无线CBTC系统。在美国纽约地铁的卡纳西线（23.3 mile、24站、212节车厢）引进了阿尔卡特和西门子的2.4 GHz ISM无线CBTC系统。西班牙马德里地铁6号线（23.5 km、27站、49节车厢）使用的是庞巴迪生产的Cityflo CBTC系统，该系统也使用的是2.4 GHz ISM频段的无线CBTC系统。新加坡MRT使用的是阿尔斯通生产的CBTC系统。阿尔斯通与前面两家公司一样，也使用ISM频段，但是除了2.5 GHz外，还有5.8 GHz。使用ISM频段以外的无线CBTC系统，有以欧洲联合体为中心开发的ERTMS（European Rail Traffic Management System）中ETCS（European Train Control System）的3级。但是，ETCS3尚未投入实际使用。虽然ETCS2在地面—列车间使用无线通信，但是它是使用轨道电路和车轴传感器来获取位置信息的固定闭塞系统，不符合IEEE标准第1474条款对于CBTC的定义。但是，该无线列车控制系统在欧洲已经投入实际应用。ETCS使用的无线网络是将作为手机国际标准的GSM应用在铁路通信上的GSM-R网络。

此外，东日本铁道株式会社（JR东日本）开发了ATACS（Advanced Train Administration and Communications System），该无线CBTC系统使用400 MHz频率的独立协议。

4 日本信号开发CBTC的历史

日本信号株式会社（简称“日本信号”）开发CBTC是从1995年开始，当时接手的项目是BART（San Francisco Bay Area Rapid Transit）的AATC（Advanced Automatic Train Control）。当时的BART使用了能够测量无线设备间距离（无线测距）的无线设备，进行了CBTC系统（AATC）的开发工作。公司以获得AATC的技术许可为目标，1999年从美国企业获得了AATC的许可，并在韩国铁道研究院的庆山试验线上，利用轻型车辆的走行试验进行开发。庆山试验线的走行试验获得了德国交通安全环境研究所的安全性评价。后来，由于美国企业放弃该系统的开发，日本信号开始独立研发，其独立开发的无线CBTC列车控制系统SPARCS（Simple-structure and high-Performance ATC by Radio Communication System）由此诞生。

5 SPARCS

日本信号开发的SPARCS系统是利用无线测距技术的列车控制系统，与其他CBTC系统相比，具有以下特征。

1）除了检测地面天线和速度发电机的相对位置之外，还能利用无线测距方式测得绝对位置。这是测试相对位置与绝对位置并用的位置检测方式。

2）线路信息是SPARCS地面设备所具有的数据库方式。

3）与无线LAN等通用无线设备不同，它采用独立协议无线设备。

4）设置在沿线的无线设备间不使用有限通信电缆，而使用无线数据传输方式。

根据最后通过的地面天线的ID和通过后车轮的旋转数相对应的地面天线的相对距离、列车速度等，车载设备形成列车状态信息报告（ATP report）。车载无线设备（VRS）将ATP报告传送给附近沿线的无线设备（WRS）。收到ATP报告的相邻WRS通过依次向相邻或附近的WRS传输信息，将车载设备生成的ATP报告传输至SPARCS地面设备。测得列车附近的数个WRS和VRS之间的距离后，将这个距离数据报告（测距报告）传输给WRS的同时,也传到SPARCS地面设备。SPARCS根据ATP报告和测距报告，实现列车定位。考虑到控制区域内的全体列车和控制区域附近的列车位置、信号状态等，根据列车接到制动命令后到目标停车点所需距离以及车载设备生成ATC目标距离模式曲线所需的限制速度信息和坡度信息等，生成CBTC命令，传送给受控列车。SPARCS地面设备传送来的CBTC命令传送给车站无线设备（SRS）后，经WRS中继后发至VRS。通过VRS收到CBTC命令的车载设备生成ATC目标距离模式曲线，控制列车运行。这样一来，在SPARCS中，地面设备拥有线路区段限制速度和坡度信息等线路信息，将需要的信息实时传送至车载设备。也有一种方式是由车载设备存储这些线路信息，但是每次线路信息发生变化时，需要全部更新存在许多列车中的线路信息数据库。

SPARCS可以实现列车自动运行（ATO）和定位停止控制（TASC）。根据SPARCS地面设备传送来的列车控制信息，生成ATC目标距离模式曲线。根据此曲线，规定目标速度，进行加减速控制，从始发站到下一站的区间，如何能够既考虑乘客的舒适度，又考虑到到达时间，来实现自动行车，使列车自动准确地停在目标停车位置上。

SPARCS无线设备采取时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和频分多址（FDMA）3种方式并用，对减少外部噪音的干扰和提高通信的可靠性能有着很大作用。为使用这些方式，所有的无线设备在时间、PN（Pseudo Noise）符号、密匙、频率等都保持同步。在用于CDMA通信的扩散符号中，加入了多个PN符号的应用，通过RS编码进行纠错，实现高可靠性的无线通信。为避免恶意破坏，无线通信数据都经过加密，使用多个密码。

国外的CBTC无线设备中常用的无线LAN规格是全部公开协议，而SPARCS的协议是完全不公开的。这样，对于怀有恶意者而言，更难实施破坏行动。

在SPARCS中，WRS之间没有有线通信电缆，为了通过无线通信进行数据交换，WRS只负责供应电源。配置在轨道沿线WRS群的无线网络，分别有2条朝向SPARCS地面设备方向的上行电气线路和朝向控制区域末端方向的下行电气线路，共由4条无线线路构成。下行电气线路中，从SPARCS地面设备传到车载设备或无线设备的命令；上行电气线路中，从列车或无线设备传送报告。此外，邻近SPARCS地面设备之间的信息交换也通过无线网络进行。无线设备的收发信功能具有数个无线设备能同时接收的冗余结构，通过在相邻的无线设备间能够进行通信的地方设置WRS，即使1台无线设备发生故障，无线通信也能正常运行。数个车载VRS全都接收向列车传送的CBTC命令。

无线设备虽然具有SRS、VRS、WRS 3种功能，但是这3种功能都是基于同一硬件，通过改写闪存卡的数据，可以改变各自无线设备的功能。因此，作为维护设备准备的无线设备属于第1种类型。

6 在建工程之一——韩国仁川月尾银河轨道（单轨电车）

仁川是仅次于釜山、位列韩国第二的港口城市。月尾岛是非常美丽的观光胜地，包围在代表港口城市的大海之中。月尾岛原本是一个孤岛，后来在大陆与岛屿间填埋，现在车辆可以通行。本项目是建设环月尾岛一周的单轨铁路。仁川市旨在连接仁川站、月尾岛、自由公园、新浦市场和东仁川站，为月尾岛旅游业服务，因此积极推进本项目。计划第一阶段开通仁川站——月尾岛的循环区间，第二阶段开通仁川站——东仁川站区间，第三阶段开通东仁川站——自由公园——仁川站区间。

2008年10月，日本信号第一次接受第一阶段区间中列车控制系统的订单，预计2011年开通。信号装置由运行管理装置、列车自动控制装置、列车自动运行装置以及电气转辙机、信号机等现场设备构成。其中，本公司凭借SPARCS获得了列车自动控制装置以及列车自动运行装置的订单，设备的设置工作已经完成。其他信号装置由韩国企业负责。