CBTC系统在西安地铁2号线的应用探析

高嵘华

（西安铁路职业技术学院，西安 710003）

随着我国城市化进程的加快，优先规划和发展轨道交通，成为越来越多的城市解决交通运输问题、推动城市化进程的最佳选择。集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统，是实现列车快速、高密度、有序运行的关键技术之一，是城市轨道交通调度指挥和安全运营的中枢神经。

城市轨道交通列车自动控制系统在国内外呈现多样化和标准化的趋势。从以往的基于多信息移频轨道电路的固定闭塞制式，到基于报文式轨道电路的准移动闭塞制式，和基于通信的移动闭塞制式（CBTC，Communication Based Train Control），在国内都已相继出现。CBTC是目前最先进的列车运行控制系统，西安地铁2号线列车自动控制系统选用CBTC系统。

1 CBTC系统

1.1 CBTC概述

IEEE将CBTC定义为：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（ATC，Automatic Train Control）。

借助先进的列车定位技术、安全处理器技术和无线通信技术，使得CBTC与传统基于轨道电路的列车控制系统相比，具有以下优点：

（1）通过车- 地间双向信息传输，实现对列车的闭环控制，系统可靠性更高；（2）利用实时列车位置信息，获得最佳通过能力以及最佳列车运行控制，实现系统资源的灵活配置；（3）可以实现移动闭塞；（4）能及时准确获得系统运营的各类实时信息，使旅客服务的智能化；（5）设备主要集中在车站和列车上，减轻设备维护和管理人员的劳动强度。

1.2 移动闭塞

CBTC移动闭塞系统通过实现车－地间实时、双向通信，使地面轨旁信号设备的信息与车载信号设备信息交换，得到前行列车与后行列车分辨率较高位置信息，由此计算出两车之间的相对距离，根据后车的制动性能、实际运行速度和线路参数和预定的安全距离，可实时动态地计算出后车追踪的安全间隔距离。在移动闭塞系统中，因为列车与地面之间信息传递不依靠轨道电路，线路不用被固定划分成闭塞分区，列车运行的间隔是动态的，后车制动的起始点和终点也是动态的，可以根据列车实际速度和实际间隔实时计算调整闭塞分区长度，尽可能缩短列车运行间隔，提高行车密度，使得地铁运营有条件实现小编组、高密度的行车组织模式。

地面轨旁设备实时接收本控制范围内所有列车传来的列车识别号、位置、方向和速度信息，信息刷新周期小于500 ms。同时轨旁设备根据接收到的列车信息，计算各列车的移动授权，并向本控制范围内的每列列车周期性地传送移动授权信息。移动授权由前行列车的位置来确定，随着前行列车的移动而逐渐前移。车载设备根据接收到的移动授权信息以及列车速度、线路参数、司机反应时间等，计算出列车的紧急制动触发曲线和紧急制动曲线，以确保列车不超越现有的移动授权。因此,在移动闭塞系统中，列车运行安全防护点不是在轨道区段的分界点，而是在前行列车车尾后方加上安全距离的位置，它随着列车的移动而移动。移动闭塞具有更大运用灵活性和更小行车间隔，也具备了更大运行调整能力。

目前，我国CBTC系统利用交叉感应电缆环线、漏缆、裂缝波导管或无线电台等4种信息传输媒介实现车－地双向数据传输，数据被循环更新，以保证列车收到即时信息。

2 西安地铁2号线概况

在西安市轨道交通线网规划中，地铁2号线沿西安市南北向主客流走廊布设，属于“交通疏解”型线路。其一期工程北起于铁路北客站，南止于会展中心站共设17座地下车站，线路全长约20.5 km。作为西安市修建的第一条城市轨道交通干线，它穿越了西安市人口稠密、商业网点密集、交通繁忙的城市中心区域和大型客流集散点，具有大运量、高密度、不间断的城市轨道运输要求。高峰小时满足行车最小间隔为初期5 min，近期3.3 min，远期2 min要求。正线线路允许的列车最大运行速度为80 km/h；初、近期列车平均旅行速度36 km/h，远期38 km/h；车辆段出/入段线采用小半经曲线（R=200 m）,出/入段线线路允许的列车最大运行速度均为40 km/h。

3 西安地铁2号线的CBTC系统构成

西安地铁2号线选用基于无线电台的CBTC系统，它由列车自动监控子系统（ATS，Automatic Train Supervision）、列车自动防护子系统(ATP，Automatic Train Protection)、列车自动运行子系统(ATO，Automatic Train Operation)、计算机联锁子系统（CBI，Computer Based Interlocking）和数据通信子系统（DCS，Data Communication System）组成。这5个子系统通过信息传输网构成闭环控制系统，满足地铁的安全及运营要求，系统组成见图1所示。

图1 地铁2号线CBTC系统组成框图

该CBTC系统能够实现基于连续式通信、点式通信及联锁级控制的三级列车控制功能。

第1级：连续式通信级列车控制。在连续式通信级，CBTC系统通过车地双向通信，使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息和列车其它运行信息，并据此计算出每一列车的移动授权，且动态更新，实时发送给列车，这样后行列车追踪目标点就可以是前行列车的尾部加安全距离，从而可以实现移动闭塞，使系统能够获得更小的列车运行间隔。

第2级：点式通信级列车控制。点式通信级列车控制为CBTC的降级系统。当轨旁ATP设备、车地无线通信设备故障等状况下，为运营提供一种降级运营的手段，其移动授权的计算由车载控制器完成，并在特定的地点接受可变应答器传输的信息后更新，保证全线运营不受大的影响。列车行车闭塞方式通常为进路闭塞。

第3级：联锁级控制。联锁级控制为连续式通信或点式通信级列车控制设备故障的底层后备，由地面信号系统为列车运行提供全面的联锁防护。

4 应用效果分析

4.1 系统能力分析

2号线已于2013年7月开通了CBTC系统，目前运行间隔高峰为5 min22 s，平峰为为 6 min 08 s，低谷为8 min 36 s。2号线线路上有5个与其它轨道交通线路的换乘节点，对于线路上的大客流的换乘节点站，在高峰时期可能会造成停站时间的延长而打乱正常运行图，这可通过缩短下一区间的走行时间实现运营调整。CBTC可实现正线80 s～90 s的行车间隔，因而信号系统有较大的调整余量，并具有实时运行调整功能，通过更小的运行间隔来提高运能，提升地铁运营的灵活性，适应2号线远期30对/h的通过能力的要求。

4.2 系统实用性分析

4.2.1 维修性

CBTC系统脱离了轨道电路，信息的传输避免了牵引回流对信号系统的谐波干扰，受外界各种物理因素干扰小，可靠性高，使设备调试和维护成本将降低，给现场安装测试、调试和维护带来很大便利，有利于降低系统全生命周期内的运营成本；同时，由于系统核心通过软件实现，使其在硬件数量上减少，因而可以降低维修费用，从而降低系统全寿命周期成本。

从地铁对维修的快速、准确、少影响行车的发展趋势考虑，运营维修对远程维修信息量的传输要求越来越大，尤其是车载设备以及车辆本身的状态信息、故障信息的传输要求具有高实时性。CBTC系统在轨旁及车载设备之间提供双向、高速、大容量、实时的数据通信链路，可实现高质量的运营维护和满足快速、准确的维修要求。

4.2.2 可靠性和可用性

系统通过关键设备采用多重冗余技术、信息传输的高可靠性、配置后备运行模式、采用相对独立的硬件或软件冗余等措施降低系统的失效概率，提高系统可靠性。基于无线电台CBTC系统,采用无线网络重叠覆盖方式，形成双通道冗余结构，提高系统可用性。

4.2.3 互联互通

由于无线CBTC的各子系统间逻辑接口均通过数据通信系统实现，数据通信系统采用开放的国际标准后，子系统间的接口也可实现标准化。因此采用无线 CBTC 将会有利于实现互联互通。

2号线具有分期建设、分段开通的工程特点，采用CBTC系统利于最大程度地减少对已开通运营线路的运行干扰。系统更易于扩展和升级，不需改变既有硬件结构可满足线路未来的延伸。

4.3 系统运营维护分析

采用无线电台作为传输媒介，轨旁仅在隧道顶部或侧壁安装无线天线、设备箱盒等，轨旁设备相对较少，安装位置不易遭到人为破坏，维护工作量小，对其他专业的维护工作干扰较少，且轨旁设备采用热备冗余结构，可靠性高。无线单元应用标准的商用无线局域网产品，高度通用模块化，长期运营费用低，确保日后的维修和备品支持工作。

系统设备具有完善的自检和自诊断功能，并具备远程测试和诊断功能，设备故障诊断定位到板级。安全无关的电子设备维修到板级，与安全有关的电子设备通过更换电路板，无需现场维修。对于在线维护或一级维护，一旦发现可更换设备失效，可从备品中选择良好设备进行更换，可加速故障恢复过程，缩短子系统的停机检修时间。

5 结束语

目前只有西安与成都实际开通了CBTC（成都地铁于2013年开通CBTC），但应用的成熟度还不如传统的列车控制系统。由于CBTC属于技术领先型系统，是今后城市轨道交通信号ATC系统的发展方向，因此，各城市在应用中积累运营维护经验，优化维修策略，降低系统运营维护成本，同时也为其他线路的建设提供真实的全寿命周期成本比对。

[1]曾小清.基于通信的轨道交通运行控制 [M].上海：同济大学出版社，2007.

[2]GB50157-2003地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.