城市轨道交通信号CBTC系统的应用与优化

陈泓锦

摘  要：随着城市化建设进程的不断深入，我国各大城市都已经拥有或者正在规划建设自己的城轨交通系统。在这种发展背景下，选择科学、适用的城市轨道交通信号系统，保证车辆的安全行驶就成为了城市轨道交通建设过程中的一项重要任务。基于此，首先针对城市轨道交通信号的应用模式进行了分析，然后给出了城市轨道交通信号系统的具体应用策略。

关键词：CBTC系统  通信技术  城市轨道交通信号  应用模式

中图分类号：U239.5

Application and Optimization of the CBTC System for Urban Rail Transit Signals

CHEN Hongjin

Lanzhou Modern Vocational College， Lanzhou， Gansu Province，730300 China

Abstract： With the continuous deepening of the urbanization construction process， major cities in China have already owned or are planning to build their own urban rail transit systems. In this context of development， it has become an important task in the construction process of urban rail transit to choose a scientific and applicable urban rail transit signal system to ensure the safe driving of vehicles. Based on this， this article first analyzes the application modes of urban rail transit signals， and then provides specific application strategies for the urban rail transit signal system.

Key Words： CBTC system; Communication technology; Urban rail transit signal; Application mode

进入21世纪以来，随着城市规模的不断扩张和城市人口的不断增加，交通出行成为了城市建设中的一个重点内容，而轨道交通作为一种高效、便捷、无污染的出行方式，成为了城市居民出行的一种新选择，在这种发展情况下，轨道交通逐渐呈现出了多元化和规模化的发展趋势，而交通信号系统作为保障轨道交通正常运行的一个基础，列车的安全运行对其提出了更高的要求。对此，就应结合轨道交通的实际建设情况来建设交通信号系统，不断优化创新交通信号系统的运行模式，提升交通信号系统的运行质量和效率，从而为确保人们出行安全提供强有力的支撑。

1  城市轨道交通信号应用模式

城市轨道交通信号系统主要是由列车运行自动控制系统（Automatic Train Control，ATC）和车辆段信号控制系统两大部分组成。而ATC系统又包含列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，ATS）、列车自动运行子系统（Automatic Train Operation，ATO）和列车自动防护子系统（Automatic Train Protection， ATP）三个子系统，通过这些子系统的相互协同工作，来实现对列车运行的控制。常见的城市轨道交通信号应用模式主要为以下3种。

1.1  ATO自动驾驶模式

列车自动运行子系统（ATO）是城市轨道交通信号系统中的一个重要组成部分，主要用于实现列车的自动驾驶，包括自动加速、自动制动、自动开关车门等功能。在ATO系统的控制下，列车能够根据预先设定的运行图和信号系统的指令，自主地完成列车的运行操作[1]。ATO是一种在ATP设备的加持下来对列车行驶过程中的加速、制动、巡航等功能进行控制的自动驾驶模式，且在该模式下还可以实现列车的自动停靠站，此时，驾驶人员只需对车载ATO以及ATP系统运行状态进行实时监控，就可以完成驾驶任务。

1.2  ATP监督下的人工驾驶模式

在ATP模式下，系统可以结合地面系统所提供的数据信息生成一个对列车运行速度进行实时监控的曲线，从而实现对列车运行状态的监督。在这种情况下，驾驶人员可以根据ATP显示内容来对列车行驶状态进行调整，如果列车运行速度接近了限定速度，ATP系统就会发出警报，提醒司机控制车速，而如果列车运行速度已超过限定速度，ATP系统就会自动介入进行制动。

1.3  限制人工驾驶模式

在该模式中，司机以不超过车载ATP的限制速度行车，列车运行安全由司机负责。当列车超过该限制速度时，ATP车载设备则对列车实施制动。

2  城市轨道交通信号CBTC系统的应用

CBTC（Communication Based Train Control）系统则是一种基于通信的列车控制系统，其利用高精度列车定位、双向大容量车-地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现列车与地面系统的实时双向信息交换[2]。这种系统不再依赖轨道电路等轨旁设备，而是利用车载设备实现列车与地面间的双向通信，并实时地传递列车的位置信息和行车信息，从而实现车-地间信息的实时共享，并据此对列车实施运行控制。CBTC系统结构如图1所示。

将CBTC系统应用于列车调度的重点在于实现对列车运行速度的控制和制动方式的监督。因此在对CTBC系统进行部署的过程中一方面要计算好列车运行的安全保护距离，同时还需要确认列车的折返站通过能力和受力情况。列车的折返站通过能力计算公式如下：

式（2）～（4）中：C为列车受力情况；F为牵引力；W为阻力；B为制动力。

在选择信号系统时，还需要秉持着安全、可靠的原则，同时确保选用的信号系统具备一定的先进性和合理性的成本。对此就需要结合CBTC系统的特征，根据实际所需来选择无线自由波、漏波电缆以及波导管等不同的信息传输方式以便获取最佳的信号数据传输效果。

2.1  ATC子系统应用

由上文的叙述可知，ATC子系统主要包含ATP、ATO和ATS三部分内容，其中ATP主要用于当列车超速或进入危险区域时，ATP子系统会自动采取紧急制动措施，确保列车和乘客的安全。此外，ATP还负责列车间的安全间隔，防止碰撞事故。ATO负责列车的自动驾驶功能。根据ATP提供的安全指令和预定的运行图，自动控制列车的加速、制动和灯光等系统[3]。ATS用于监控和管理整个城市轨道交通网络的列车运行，收集并处理来自ATP和ATO子系统的数据，为调度员提供实时的列车运行信息和控制功能。通过ATS列车员可以根据需要调整列车的运行计划，例如改变列车的停站时间或调整列车的运行间隔。

2.2   DCS子系统应用

集散控制系统（DCS系统）是一种各个子系统间的数据交互平台，其能够为列车安全运行提供双向且连续的信息传输，主要用于实现列车和地面工作站之间的信息数据交互功能。DCS子系统在城市轨道交通中的应用如下。

2.2.1  集中监控

DCS子系统能够对城市轨道交通的各个子系统进行集中监控，包括列车位置、信号状态、设备工况等。它通过采集和整合各种传感器、设备的数据，为运营人员提供全面的系统运行状态视图。运营人员可以利用DCS子系统提供的集中监控功能，实时掌握轨道交通系统的运行状况，迅速发现故障、异常情况，并及时采取相应的措施，确保系统的正常运行。

2.2.2  远程控制

DCS子系统具备远程控制功能，可以对轨道交通系统中的各种设备进行远程操控。这使得运营人员能够根据实际情况，对设备进行实时的调整和控制。在需要调整列车运行参数、改变设备工作状态等情况下，运营人员可以通过DCS子系统进行远程控制，实现在不亲临现场的情况下，完成对系统的灵活控制，提高运营效率和响应速度。

2.2.3  数据分析

DCS子系统还具备强大的数据管理和分析功能。它可以实时存储、处理和分析轨道交通系统产生的各种数据，为运营决策、故障排查等提供有力支持。通过DCS子系统的数据管理和分析功能，运营人员可以对轨道交通系统的运行数据进行深入挖掘，发现问题根源、优化运营策略，并基于数据进行持续改进，提升整个系统的性能和可靠性。

2.3  连锁子系统

通常情况下，在CBTC系统中应用连锁系统来完成对状态信息的采集，并同时接收其他信号传递的数据和操作人员发送的指令，执行操作，从而完成对设备的控制以及和其他系统之间信息数据的共享。例如：连锁系统能够保证列车进路区段、道岔、信号机之间的正确连锁关系，确保列车在站内的安全运行，可以为处于不同模式的列车提供其需要的控制进路。除此之外，连锁系统还可以和ATS系统的交互可以实现列车运行计划和进路的自动调整；与ATP系统的配合可以确保列车的安全间隔和超速防护。

2.4  MSS应用

维护支持系统（Maintenance Suppoort System，MSS）是CTBC系统中的一个重要子系统，主要用于监视信号设备的运行状态并对其进行维护，管理信号维护人员等。其能够在减少维护成本的同时，可以为运营提供更好的保障。例如：在CBTC系统之中，MSS可以实时监测信号设备的运行状态，一旦检测到故障，它会迅速进行故障诊断并尝试自动恢复。如此一来，便可大大提高系统的可用性和稳定性，减少人工干预的需要，并且降低维护成本。

3  城市轨道交通信号CBTC系统优化

3.1  CBTC系统运行中存在的问题

由上述分析可以看出，城市轨道交通信号CBTC系统在轨道交通中的应用体现出了安全、高效和灵活的特点，但轨道交通本身就是一个十分复杂的系统，其运行过程中会受到众多因素的影响，外加CBTC系统在长时间的使用过程中难免也会受到各种因素的干扰，出现问题[4]。综合来看，CBTC系统在应用过程中的问题主要源自以下几点。

3.1.1  软件故障问题

CBTC系统的软件故障问题有可能来源于对系统进行升级维护和二次开发。例如：系统设计阶段可能存在功能逻辑错误、数据处理错误等问题；开发阶段可能存在编码错误、算法错误等；维护阶段可能存在系统配置错误、参数设置错误等。这些都会导致CBTC系统软件运行出现故障，进而影响列车的安全运行。

3.1.2  通信干扰问题

在实际运营中，CBTC系统还会遇到如信号干扰、通信故障、系统故障等问题，这些问题可能会导致列车无法正常运行，或者降低其运行速度。

3.1.3  兼容性问题

在将CBTC系统在与其他系统进行集成时，也可能面临兼容性问题[5]。例如：与乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）、自动售检票系统（Auto Fare Collection，AFC）等的集成可能存在问题，这些都可能影响到服务的一体化和乘客的出行体验。

3.2  城市轨道交通信号CBTC系统优化策略

为了进一步提升其运行的可靠性和稳定性，还需要采用先进的设计理念和科学技术来不断对CBTC系统进行优化完善，进而确保列车运行的效率和安全。对此，可以从以下方面入手来开展优化工作。

3.2.1 提升通信网络的可靠

CBTC系统高度依赖于通信网络进行数据传输。优化通信网络的可靠性，例如通过增加冗余设备、提升网络带宽、优化数据传输协议等方式，可以提高CBTC系统的稳定性和性能。

3.2.2 提升系统的精确度和时效性

通过优化信号处理技术，提高列车定位和测速的精确度，可以使得列车控制更加精确[6]。同时，优化数据传输和处理流程，降低通信延迟，可以提高CBTC系统的时效性。

3.2.3 优化人机交互

优化调度中心的人机交互界面，提供更丰富、更直观的系统运行状态信息，可以帮助调度人员更好地理解和控制系统的运行。

3.2.4 提升兼容性

考虑CBTC系统与其他系统的兼容性，例如与乘客信息系统（PIS）、自动售检票系统（AFC）等的集成，可以提供更加一体化的服务，提高乘客的出行体验。

3.2.5 提高安全性

在优化过程中，始终要把安全放在首位。通过引入更先进的安全技术和策略，例如加密技术、入侵检测系统、防火墙等，可以增强CBTC系统的安全性。

4  结语

综上所述，作为城市轨道交通中的重要组成部分，城市轨道交通信号系统对于保障列车运行安全和推动城市轨道交通建设水平具有十分重要的作用。CTBC系统能够很好地满足当前我国城市轨道交通的需求，因此被广泛应用开来，而要想充分发挥出CTBC系统的优势，就需要结合轨道交通的实际运行情况来对不断对其进行优化和完善。

参考文献

[1]李洁，辛鑫.城市轨道交通信号系统分段式改造方案[J].铁路通信信号工程技术，2023，20（10）：80-85.

[2]刘霞，乔高锋，陈明阳.城轨交通新一代CBTC列车控制系统方案研究[J].铁道通信信号，2023，59（9）：6-11.

[3]张翠红.城市轨道交通信号CBTC系统的应用研究[J].数字通信世界，2023（8）：145-147.

[4]李云，王崇国，殷江宁.基于云边协同的城市轨道交通信号系统方案[J].城市轨道交通研究，2023，26（7）：194-199.

[5]杨洋.上海轨道交通4号线信号系统改造应用方案研究[J].城市轨道交通研究，2023（S1）：78-84.

[6]沈振.城市轨道交通CBTC系统改造为TACS系统施工研究[J].电气化铁道，2023，34（2）：82-85，91.