轨道交通国产化CBTC系统技术创新点研究

王 浩，林 湛，杨霓霏，吴 卉

（1.中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081 ）

轨道交通国产化CBTC系统技术创新点研究

王 浩1，林 湛1，杨霓霏2，吴 卉1

（1.中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081 ）

北京地铁亦庄线国产化CBTC 系统的成功应用为北京市轨道交通国产化作出了贡献，本文对其技术特点及创新成果进行分析和研究，期望能为轨道交通信号系统的国产化提供借鉴。

基于通信的列车控制系统；信号系统；国产化；屏蔽门；无线通信；最小系统；仿真测试平台

2010年12月30日开通的北京地铁亦庄线，其信号系统是城轨首套全国产化的基于通信的列车控制系统（CBTC），系统的构成主要包括我国自主开发的列车自动防护/自动运行（ATP/ATO）系统、数据传输系统（DCS）、计算机联锁（CI）系统、列车自动监控系统（ATS）和维修支持系统（MSS）。开通运营以来，信号系统运行正常，完全可以满足地铁亦庄线运营要求。亦庄线CBTC系统取得的成绩为国内轨道交通信号系统建设在设计、研发、集成、测试、工程等各环节留下了可以学习借鉴的宝贵经验和成果。

1 CBTC系统支持的运行等级

亦庄线CBTC系统支持3种运行等级：基于无线通信的车地双向连续通信下ATP/ATO运行（简称CBTC级），通过应答器实现车地点式通信下ATP/ATO的运行（简称BLOC级），无任何车地通信由司机按轨旁信号显示人工驾驶（简称IL级）。CBTC级下地面ATP控制器（区域控制中心ZC）与车载控制器（VOBC）实现位置报告与移动授权连续的交互，轨旁信号灭灯VOBC按移动授权控车，ZC控制CBTC级列车之间的安全间隔实现移动闭塞，最大程度地缩短行车间隔以满足城轨运营大客流的需要。BLOC级下联锁控制轨旁信号同时通过轨旁电子单元（LEU）控制应答器发出点式移动授权，VOBC按照点式移动授权行车，同时司机需要监督信号显示。

2 点式后备BLOC级下的创新点

BLOC的设计目的就是为在无法运行CBTC级时提供基于有源应答器点式控制下的ATP/ATO功能，列车将以固定闭塞方式区间运行，行车安全仍然由车载ATP功能进行监督，ATO自动驾驶仍然可用，与CI模式相比较，这将极大地提高安全性和效率。但与CBTC模式相比较，移动闭塞、临时限速、站台屏蔽门联动等方面的功能也被迫降级，由自动控制转为人工控制，效率降低。为此，亦庄线CBTC系统在点式下屏蔽门联动和站台红灯防误出发方面进行了改进和创新。

2.1 点式下屏蔽门联动

为了乘客候车及乘降车安全，在城轨站台一般都安装有屏蔽门，屏蔽门是常关闭的，只有当列车进站停稳并做好了旅客上下车的准备之后才会开放屏蔽门，只有当屏蔽门关闭情况下，列车才可以动车出站。CBTC有站台屏蔽门联动的功能，当车载ATP/ATO确认开门或关门的命令后，通过无线通信将信息传递给轨旁屏蔽门控制设备，实现站台屏蔽门的自动控制，通常CBTC系统的开关门命令通过无线通道经ZC传送给联锁设备，由联锁设备控制屏蔽门的动作。这种设计的BLOC模式将无法实现屏蔽门联动，只能由司机下车手动操作屏蔽门。

亦庄线信号系统在车站布置了无线设备，通过这种专用于站内的无线系统，VOBC可以直接与车站联锁设备建立通信。接近某站台时，列车会主动向该站的联锁设备发出呼叫并建立安全通信，完全离开站台后，列车与该站联锁设备的通信也随之中断。由于无需ZC系统转发屏蔽门开关门命令，所以这样的车地屏蔽门联动设计可适用于CBTC和BLOC模式。

列车安全靠站后，当人工或ATO进行开关车门操作时，VOBC将同步向CI发送屏蔽门（PSD）打开或关闭的控制信息，CI接收到此命令后，向VOBC回复确认信息，控制对应的PSD按照要求动作，并将PSD的状态信息发送给VOBC。

VOBC向联锁设备发送的开关门命令也属于安全相关信息，需要经安全通道，由安全协议保护，由车载ATP负责建立与联锁设备的安全通信，当列车发出屏蔽门开门命令时，ATP需要对列车是否确实停稳进行安全确认，之后才将开门命令发送给联锁设备。当列车准备启动时，ATP需要检查屏蔽门是否为关闭的状态。

为实现这样的功能，联锁需要增加与列车的通信接口。

2.2 点式下的站内红灯防误出发

欧标应答器有效接收窗口范围为60 cm，对于列车的运行而言仅仅是一个信息点，所以称为点式。在点式后备模式下列车按点式移动授权（MA）行车抵达目标点后停车。当点式级列车进站对标停车后，无法保证车载接收天线处于应答器接收窗口内。一般应答器处于车头前方，这样，当前方开放绿灯时车载设备（ATP/ATO）无法获知。这种情况下，司机需要看前方绿灯，手动驾驶列车缓慢前行，通过应答器以获取新的点式移动授权，这就引入了由于司机误操作而发生误闯红灯甚至挤岔事故的风险，也增加了司机的负担。

亦庄线CBTC系统创新设计，在出站信号机处安装国产的长作用距离有源应答环线装置，简称有源环线，使应答器的信息传输范围延长达4 m。列车进站停车时就能够保证停在环线上。这样当出站信号开放时，处于停稳状态的车载就可以获得前方进路的信息，列车可以在点式ATO模式下自动驾驶出站。也解决了人工驾驶误闯红灯的风险。

当然，非标准的应答器，其在延长应答器信息有限范围的同时也影响了其定位的功能，这是在工程设计时需要注意的问题。

3 无线通信组合传输方式

无线通信对于CBTC系统是关键技术，如果通信不稳定，CBTC级就难以保证，移动闭塞就只能降级为固定闭塞。所以CBTC系统对无线通信的信号质量提出很高的要求。而另一方面，地下、高架等城市轨道多样的线路环境以及来自线路周边甚至旅客便携设备的各种干扰都对城轨信号无线通信带来困难。

区别于铁路使用的GSM-R技术，我国城市轨道交通无线通信主要采用的是基于IEEE802.11系列标准的WLAN 技术，通常选择空间自由波和波导管两种传输方式。

空间自由波就是以一定的间隔在轨旁安装无线接入点（AP， Access Point）和天线，波导管则比较特殊，是一种矩形断面的通长铝合金材料，在其表面每隔一段距离（约6 cm） 刻有一条裂缝。电磁波在波导管中传输并从缝隙中辐射出来，被安装在列车上对应位置的天线接收。

无线AP传输速率会在较复杂地形处急剧下降，而波导管不受地形影响。在丢包率、越区切换能力方面波导管都优于自由波。但是波导管的安装位置必须与车载天线位置对应，安装精度要求较高，需要在区间上、下行沿线全程铺设，所以波导管工程造价高，工程实施困难，后期维护也比较困难。自由波方式工程造价低，工程实施有优势，而且经试验论证，在地形不复杂的地下隧道线路，性能也较为稳定。

亦庄线CBTC系统在国内首次采用自由波结合波导管的组合传输方案：地下隧道区间采用无线AP，地面及高架区间采用波导管。组合方式要求车载无线电台安装4副天线。其中2副自由波天线安装在首尾2端的车顶上方，用于接收和发送空间自由波信号；2副波导管平板天线安装在列车下方，用于波导管收发信号。

组合传输方式结合了2种传输方式的特点，克服了单独采用一种传输方式的不足，实现了复杂环境下车地信息可靠传输并且降低了工程成本。

4 最小系统测试平台

亦庄线CBTC系统研发、工程实施和系统运行能够高效且顺利地进行，很大程度上得益于最小系统测试平台。

最小系统就是实现硬件最小化、功能最大化，同样，在构建测试平台时，也是基于硬件最小系统构建的测试平台，以尽可能低的成本（包括设备成本和时间成本），达到较高的测试覆盖率。亦庄线CBTC仿真测试平台包括了几乎所有与信号系统相关的设备或者组件，可以实现信号系统的全功能仿真，几乎所有状态都可观、可控。

最小系统仿真测试平台可服务于系统设计和验证。在仿真测试平台上可以迅速对工程设计方案进行仿真实现，在设计阶段就可以验证方案可用性，发现潜在风险和设计缺陷。

最小系统仿真测试平台可服务于设备研发测试。可以通过实际设备和仿真设备的不同组合实现不同测试目的的测试平台。另外，通过仿真器，不但能够观察软硬件运行的状态，还可以进行故障注入，验证被测功能在极端情况下的处理情况。在测试平台上保证了系统设备在实验室内与现场的接口与逻辑保持完全一致，所以，通过此平台测试的设备和软件可以直接应用于现场。

最小系统仿真测试平台可服务于故障分析。在最小系统的仿真测试环境下，通过使用真实设备，在实验室内几乎可以完全仿真现场遇到的情况，进而复现现场出现的问题，在实验室就可以对运行阶段产生的问题进行分析，寻找解决方案，有效地提高了解决问题的效率。

5 结束语

北京地铁亦庄线CBTC系统示范工程是我国城市轨道交通行业第一个示范工程，是一个以世界先进水平为目标、带有科学试验性质的工程项目。它的顺利开通标志中国成为继德国西门子、法国阿尔斯通、加拿大阿尔卡特后第4个成功掌握CBTC核心技术并顺利开通应用实际工程的国家，亦庄线CBTC系统中的技术特点和创新成果将对中国轨道交通信号系统的发展具有借鉴意义。

[1]梁九彪. 亦庄线国产CBTC信号系统工程应用 [J]. 市政技术，2010 （S2）.

[2]丁树奎. 城轨交通自主化CBTC技术与工程管理创新 [J].现代城市轨道交通， 2011（3）.

[3]牛英明，黄友能，智国盛，张 扬. 北京地铁亦庄线CBTC示范工程的实施 [J]. 都市快轨交通，2011（4）.

责任编辑 杨利明

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，助理研究员；林 湛，工程师。