城市轨道交通车辆运行控制技术研究进展

乔宇

摘 要：随着城市生活节奏的加快，大多数居民对轨道交通的效率、舒适性和准时性提出了越来越高的要求。目前，缩短列车间距、提高列车效率、提高列车容量、低能耗、高智能化是城市轨道交通车辆运行控制系统的发展方向。城市轨道交通车辆安全、高效、可靠的运行控制系统，对于实现列车的高速、高密度、有序运行具有重要意义。

关键词：轨道交通;车辆运行;控制技术

中图分类号：U248.48 文献标识码：A

0 引言

城市轨道交通作為主要的现代化交通工具，具备了快捷、节能、安全、舒适等优势，是低碳环保的绿色交通方式，在缓解城市轨道交通矛盾中起到了重要作用，是解决城市交通问题的主要手段，现在已经成为了各大城市居民优先考虑的交通出行方式。城轨车辆运行控制技术的研究就不同行车组织方法及运行控制技术的特点，阐述了当前城市轨道交通列控系统的基本原理，并对其研究内容和方向进行了展望。

1 行车组织方法

为保证区间行车安全，列车在区间运行时，必须确认同一区间内无列车反向运行，并在同一方向运行的多列车之间进行系统控制，使它们之间保持一定的距离，防止正面冲突或追尾事故的发生。为了保证多辆电动客车之间保持一定距离，保证行车安全，在区间组织列车运行有两种方法，一种是时间隔离法，另一种是空间隔离法。

空间隔离法是车站每隔一个空间间隔向区间发送一列列车，使前方列车与追踪列车保持一定的空间间隔的列车运行方法。这种方法可以保证列车之间有一定的距离，从而有效地保证行车安全。1851年，电报证书用于铁路运营。这是首次实现空间隔离运行。利用路标或路标作为列车占用区段的凭证，由接站值班人员检查区段是否空闲，是早期的人工闭塞方法。1855年，George Dugmore和George Millwardfirst提出了轨道电路的概念，为空间隔离方法的发展奠定了基础。

2 基本行车闭塞技术

2.1 人工闭塞

列车司机通过人工设置闭塞机，从始发站取下出口标志，到达接收站后交上路标，进行闭塞拆除。这种闭塞系统效率太低，已基本消除。

2.2 半自动闭塞

通过人工联系程序，在车站出入口设置一段不小于25 m的专用轨道电路，将专用轨道电路与信号机连接，通过信号机颜色的变化判断该段是否空闲，实现半自动闭塞。

2.3 自动闭塞

车站分为若干闭塞区段，并安装轨道电路。在每个闭塞区段的入口处设置一个信号机，通过轨道电路将列车与信号机连接起来。信号的显示随列车位置的变化而变化。

基本分块法是固定分块法。这种控制系统利用模拟信号对轨道信息进行处理，根据列车的特性、线路状况、速度等级等确定闭塞区段的长度，最小间隔为列车的闭塞区段。

在安全方面，列车基本闭塞方法至少包括三个方面：可靠的列车定位监控系统;可靠的信息传输系统;可靠的列车间隔控制系统。这三个方面的任何一个问题都可能导致交通事故。

目前，固定式自动闭塞系统在各国得到了广泛的应用。信息传输系统由轨道电路和信号机组成，将列车位置传输给列车自动控制系统和司机，控制列车运行速度，保证每列车保持一定的间隔距离，防止列车进入前方占道区段。

近80年来，自动闭塞系统在保障交通安全、提高运输能力方面发挥了非常重要的作用。随着城市轨道交通信息技术的发展，自动闭塞系统的以下缺点逐渐凸显：

（1）随着列车速度的提高或新车辆的采用，闭塞区段的长度与实际运行情况不符。当实际列车运行与计划稍有偏离时，容易造成大面积延误。

（2）掌握列车的准确位置和速度信息困难，跟踪行车困难。

（3）闭塞区段的划分取决于制动性能最差的列车，该系统只适用于制动性能相同的车辆，而制动性能较好的列车的区段能力将降低。

3 移动闭塞技术

移动块不需要将部分划分为几个固定块部分。相反，它是一种列车运行模式，连续检测领先列车的位置和速度，自动调整列车之间的距离，并为安全运行保持一定距离。移动块相对于固定块。固定闭塞有相应的保护信号和闭塞区段，移动闭塞没有固定闭塞区段。块段长度随外界条件的变化而变化。列车制动的起点和终点是动态的。后退列车启动制动的计算点由目标速度、目标距离和列车本身的性能决定;目标点是前方列车的尾部，与前方列车的位置、性能、速度和状态信息有关;块段的起点和终点随时变化，因此称为移动块。移动闭塞的闭塞分区是逻辑区间，与实际轨道线路没有对应关系。

移动闭塞最大限度地缩短了两列车之间的距离，最大限度地缩短了列车运行间隔，提高了区间列车密度，大大提高了线路区段的通过能力。20世纪80年代末，基于通信技术和计算机技术实现了轨道交通移动闭塞系统。移动闭塞需要车地设备完成双向通信，因此一般采用钢轨感应环、缝隙波导、无线通信等技术来实现。目前，许多国家都开发了不同形式的移动闭塞系统，并得到了广泛的应用。

与固定闭塞系统相比，移动闭塞系统具有以下优点：

（1）移动闭塞系统中没有固定闭塞段。随着列车的前行，运行闭塞区段将随机形成，大大缩短了行车间隔，提高了线路通过能力。

（2）移动闭塞系统是一种闭环列车控制系统，可根据列车速度和间隔进行列车反馈控制，使列车运行更安全。

（3）后续列车可根据前一列车的状态信息，根据自身的速度、状态和位置信息计算列车的速度，优化列车的运行时间，节约资源，提高列车的舒适性，为列车自动控制系统的优化提供了一定的便利条件;移动闭塞系统不仅可以实现调度指挥和行车组织管理的自动化，还可以实时采集各闭塞区段的行车信息，实现城市轨道交通列车运输管理的自动化。同时，移动闭塞系统还节约了信号电缆、区间信号点等设备，并将所有信息传输设备安装在机车和车站，便于后续设备管理和维护。

（4）移动闭塞系统的闭塞分区随外部环境的变化而变化。它能适应不同速度、不同类型的地铁车辆，适应性更强。

近几十年来，移动闭塞技术在地铁系统中得到了广泛的应用。各种基于移动闭塞的列车自动控制系统已经被各大公司开发出来，并被各地铁公司广泛应用。列车线路通过能力明显提高。

4 基于通信的列车自动控制技術

随着科学技术的进步，计算机技术的发展，无线通信技术的可靠性有了飞跃的提升，无线通信控制和城市轨道交通的结合成为必然，在移动闭塞技术的原理上逐步实现了基于通信的列车自动控制系统（Communication Based Train Control，CBTC）。CBTC系统现在已经成为新时期城市轨道交通车辆运行控制的首选。CBTC系统和传统的列车运行控制系统之间存在本质性的区别，传统的列车运行控制系统大多依靠轨道电路实现列车定位，CBTC系统已彻底不再依赖轨道电路，而是通过车-地通信设备实现列车自身的定位，从而有效控制行车间隔和列车的行驶速度。国内外许多学者为了提高基于CBTC的城市轨道交通线路的通过能力，对折返区间的追踪间隔展开了大量研究，考虑信号系统特点，复杂线路条件以及运行变化等因素的影响，对通过能力进行准确估计，从而实现效率更高的城轨列控系统。

CBTC系统使用高精度列车定位和高容量双向通信技术，具有高灵活性、高自动化和可扩展的优点。CBTC系统利用多列列车的协调控制方法，通过车载传感器实现列车-列车、列车-地面的双向信息传输，从而保证列车在线路上全局部署，安全运行。现代的CBTC系统已经能够实现列车自动检测（ATS）、列车自动防护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）的所有功能，在列车行驶过程中能够实现精确定位停车，车站自动折返并节能运行。CBTC系统物理结构主要由轨旁设备和车载单元组成，轨旁设备和车载单元之间通过数据通讯系统（DCS）相互联系。数据通讯系统（DCS）将CBTC系统各单元、子系统紧密地联系在一起，实现了CBTC系统的高效运行。高效的列车自动控制系统对降低列车之间的行车间隔、优化成本、提高轨道交通的运能及其安全性具有十分重大的意义。

5 结论

城市轨道交通车辆运行调整是一个非常复杂的问题。随着CBTC系统在城市轨道交通系统中的推广，城市轨道交通车辆的运行控制技术基本上是围绕智能化处理方法这一主线展开的。智能化列车自动调整算法是未来城市轨道交通车辆运行控制技术的研究方向，对提高列车运行效率具有重要意义。考虑到各种不确定因素，城市轨道交通子系统的智能联动，利用计算机绘制列车运行图，提高列车运行效率和乘客舒适度，将列车运行作为一个完整的大系统，进行全局部署和智能控制将是我们今后努力的方向。

参考文献：

[1]陈超.我国城市轨道交通车辆产业发展战略研究[D].大连交通大学，2010.

[2]于丹丹.基于可靠性的城市轨道交通车辆架修模式优化及方法研究[D].南京理工大学，2017.

[3]柏业金.城市轨道交通车辆再生制动能量的分析与存储系统的研究[D].西南交通大学，2013.

[4]王二虎.城市轨道交通车辆运行控制技术研究进展[J].内燃机与配件，2021（9）：208-209.

[5]汪忠海.城市轨道交通车辆技术现状与展望[J].城市轨道交通，2020（11）：48-51.

[6]余晴，邹艳.城市轨道交通车辆制动系统故障检修探析[J].数字通信世界，2018（8）：272-273.

[7]彭精华.城市轨道交通车辆运行仿真研究[D].西南交通大学，2005.

[8]李想，徐霄.CBTC系统移动闭塞制式研究[J].城市轨道交通研究，2015（2）：24-27.

[9]闫丽霞，高云波，李云骢.城市轨道交通移动闭塞列控系统列车追踪间隔研究[J].城市轨道交通研究，2020

（3）：34-37.