论文部分内容阅读
摘要： 随着我国城市轨道交通和客运专线及高速铁路的飞速发展，两种列成运行控制系统应运而生，即CBTC（Communications-based Train Control）和CTCS（Chinese Train Control System）列车运行控制系统。CBTC技术发源于欧洲连续式列车控制系统，经多年的发展，取得了长足的进步。CTCS是铁道部立项自主研发的适合我国国情的新一代列车运行控制系统。
关键词：列车控制系统；CBTC；CTCS；联锁；轨道电路
1 CBTC列控系统
基于通信的列车控制（CBTC）系统独立于轨道电路，采用高精度的列车定位和连续、高速、双向的数据通信，通过车载和地面安全实现对列车的控制。如今包括阿尔卡特、西门子、阿尔斯通等多家列车控制系统设备提供商均开发了自己的CBTC系统，并在温哥华、伦敦、巴黎、香港、武汉等多个城市的轨道交通线上运行。
1.1 CBTC系统的结构：
整个无线CBTC系统包括的子系统有列车制动监控（ATS）系统、数据通信系统（DSC）、区域控制器（ZC）、车载控制器(VOBC)及司机显示(TOD)等，子系统之间的通信基于开放的、标准的数据通信系统。地面与移动的列车之间都基于无线通信进行信息交换。
1.2 CBTC系统的基础
CBTC系统引入了无线通信子系统，建立车地之间连续、双向、高速的通信，列车的命令和状态可以在车辆和地面设备之间可靠交换，使系统的主体CBTC地面设备和受控对象列车紧密的连接在一起。所以，“车地通信”是CBTC系统的基础，CBTC系统的另外一个基础则是“列车定位”。只有确定了列车的准确位置，才能计算出列车间的相对距离，保证列车的安全间隔；也只有确定了列车的准确位置，才能保证根据线路条件，对列车进行限速或者与地面设备发生联锁。
1.2.1 车地通信原理
CBTC采用无线通信系统进行车地通信。无线通信系统包括轨旁无线单元(WRU)和车载无线单元(OBRU)两个部分。WRU位于轨旁，OBRU位于列车上，它们之间能够进行双向通信，轨旁无线单元是一个无线集线器，将无线信号接入有线以太局域网。移动设备能在轨旁无线单元间漫游，在一个扩展服务装置内，所有的轨旁无线单元有相同的ID。当轨旁无线单元间的覆盖范围叠加的时候，移动设备就能无缝地从一个覆盖区切入到另外一个覆盖区。这就意味着当列车从一个覆盖區移动到另一个覆盖区时，不会发生任何网络链接的中断。OBRU是列车上的无线设备，并能通过无线链接接入轨旁网络。
1.2.2 列车定位原理
在CBTC系统中列车定位是通过车载VOBC测量它所经过的两个连续的应答器之间的距离，并将其与轨道数据库中的距离进行比较。如果两者在限定的误差内，则列车的位置便确定，而且列车的确切位置及方向也能被辨认出来。对应于每个检测到的应答器，VOBC将调整定位不确定性偏差。
在两个应答器之间，列车位置由输入的转速计信号而确定。如果没有检测到2个连续的应答器或者检测到一个意料之外的应答器，VOBC将把位置设置为未知。意料之外的应答器是指与数据库中定义的位置不同的应答器。
区域控制器ZC根据列车报告的车头位置，再加上位置测量误差值和估计的运行距离计算得出通信列车在最差情况下的车头位置；根据列车报告的车尾位置，再加上位置测量误差值和潜在的倒溜距离计算得出通信车在最差情况下的车尾位置。然后VOBC将向ATS发送列车位置，列车位置用区段和偏移表示。
2 CTCS列控系统
CTCS 列控系统是基于我国国情而开发的列车运行控制系统，划分为0～4级，CTCS的应用登记划分有两个特点：各应用登记是根据功能和设备配置来划分的，其主要差别在于地对车信息传输的方式和线路数据的来源，推荐再用目标距离控制模式，即一次连续制动方式。
目前我国时速200km//h以上的铁路主要采用CTCS-2级和CTCS-3 级列控系统。
2.1 CTCS-2列控系统
CTCS-2是基于ZPW-2000轨道电路和点式应答器实时传输列车运行许可信息和线路数据的列车运行控制系统，车载设备采用目标距离模式监控列车安全运行。CTCS-2 级列控系统改变了传统的信号控制方式，可以连续、实时的监督列成的运行速度，自动控制列车的制动系统，提高线路的通过能力，实现列成的超速防护。有效的解决了不同速度值列车高密度混合运行、动车组跨线运行、系统设备互联互通等技术难题。
2.1.1 CTCS-2 级列控系统的两个子系统
（1）地面子系统
生成列车控制所需要的全部基础数据，例如运行速度、间隔时分等，并将地面传来的信号进行信息处理，形成列车速度控制数据及列车制动模式，用来监督或控制列车安全运行。
地面子系统由以下部分组成：车站列控中心（包括地面电子单元LEU）、点式信息设备（应答器）和轨道电路等。
车站列控中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面电子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列成行车许可命令，并通过车-地信息传输系统给车载子系统，保证其辖区内的列车安全。
点式信息设备采用应答器。应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，运用数字编码技术，向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数和临时限速信息等。应答器分无源应答器和有源应答器两种，无源应答器提供的信息主要包括线路的坡度、闭塞分区或轨道电路长度、载频、线路固定限速等。有源应答器接收车站列控中心的信息包，并向列车传送，它提供的信息主要包括进路信息和临时限速信息。
轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地-车信息的功能，一般采用ZPW-2000 系列轨道电路。
（2）车载子系统
以车载安全计算机为核心，实现对列车运行控制信息的综合处理，生成目标距离模式曲线，防止列车超速运行，保证列车运行间隔。车载子系统由连续信息接收模块、点式信息接收模块、测速模块、设备维护记录单元、车载安全计算机、人机界面和运行管理记录单元等组成，并预留有无线通信接口。
2.2 CTCS-3 级列控系统
CTCS-3 级列控系统是保证高速列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一，是科技部、铁道部《中国高速列车自主创新联合行动计划》重要内容。实现CTCS-3 级列控系统技术创新，对中国铁路控制系统的技术发展和技术装备现代化具有深远的意义。CTCS-3 级列控系统基于GSM-R无线通信实现车-地信息双向传输、无线闭塞中心（RBC）生成行车许可，满足300～350km/h运行速度、最小运行间隔3分钟的列车运营要求。
2.2.1 CTCS-3 级列控系统的组成
（1）地面设备
地面设备由无线闭塞中心（RBC）、列控中心 (TCC）、ZPW- 2000 ( UM ）系列轨道电路、应答器（含LEU）、 GSM-R 通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机（VC）、GSM-R 无线通信单元（RTU）、轨道电路信息接收单元（TCR)、应答器信息接收模块（BTM）、记录单元（RU/DRU）、人机界面（DMI）、列车接口单元（TIU) 等组成。
RBC 根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并通过 GSM-R 无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给车载设备；同时通过 GSM-R 无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息。TCC 接收轨道电路的信息，并通过联锁系统传送给 RBC；同时，TCC 具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、站间安全信息传输、临时限速功能，满足后备系统需要。应答器向车载设备传输定位和等级转换等信息；同时，向车载设备传送线路参数和临时限速等信息，满足后备系统需要。应答器传输信息与无线传输的信息的相关内容含义保持一致。
（2）车载设备。
车载安全计算机根据地面设备体统的行车许可、线路参数、临时限速等信息和动车组参数，按照距离连续速度控制模式生成速度曲线，监控列车安全运行。
3、结束语
基于无线的CBTC列车控制系统主要应用在城市轨道交通中，它以简洁、灵活、高效的特点控制列车按移动闭塞方式运行，极大的缩短了列车运间隔。适应地铁交通密集高效的行车特点。CTCS级列控系统为适应高速铁路的需要而开发的系统。通过上面的分析我们不难得出结论，就CBTC和CTCS-3级列控系统而言它们有着诸多相同之处，唯一的不同就是CTCS-3级列控系统还需要轨道电路来检查列车占用状态。当前CTCS-3级列控系统的成功，为CTCS-4级：即完全基于无线传输信息的列车运行控制系统提供了坚实的基础。
注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词：列车控制系统；CBTC；CTCS；联锁；轨道电路
1 CBTC列控系统
基于通信的列车控制（CBTC）系统独立于轨道电路，采用高精度的列车定位和连续、高速、双向的数据通信，通过车载和地面安全实现对列车的控制。如今包括阿尔卡特、西门子、阿尔斯通等多家列车控制系统设备提供商均开发了自己的CBTC系统，并在温哥华、伦敦、巴黎、香港、武汉等多个城市的轨道交通线上运行。
1.1 CBTC系统的结构：
整个无线CBTC系统包括的子系统有列车制动监控（ATS）系统、数据通信系统（DSC）、区域控制器（ZC）、车载控制器(VOBC)及司机显示(TOD)等，子系统之间的通信基于开放的、标准的数据通信系统。地面与移动的列车之间都基于无线通信进行信息交换。
1.2 CBTC系统的基础
CBTC系统引入了无线通信子系统，建立车地之间连续、双向、高速的通信，列车的命令和状态可以在车辆和地面设备之间可靠交换，使系统的主体CBTC地面设备和受控对象列车紧密的连接在一起。所以，“车地通信”是CBTC系统的基础，CBTC系统的另外一个基础则是“列车定位”。只有确定了列车的准确位置，才能计算出列车间的相对距离，保证列车的安全间隔；也只有确定了列车的准确位置，才能保证根据线路条件，对列车进行限速或者与地面设备发生联锁。
1.2.1 车地通信原理
CBTC采用无线通信系统进行车地通信。无线通信系统包括轨旁无线单元(WRU)和车载无线单元(OBRU)两个部分。WRU位于轨旁，OBRU位于列车上，它们之间能够进行双向通信，轨旁无线单元是一个无线集线器，将无线信号接入有线以太局域网。移动设备能在轨旁无线单元间漫游，在一个扩展服务装置内，所有的轨旁无线单元有相同的ID。当轨旁无线单元间的覆盖范围叠加的时候，移动设备就能无缝地从一个覆盖区切入到另外一个覆盖区。这就意味着当列车从一个覆盖區移动到另一个覆盖区时，不会发生任何网络链接的中断。OBRU是列车上的无线设备，并能通过无线链接接入轨旁网络。
1.2.2 列车定位原理
在CBTC系统中列车定位是通过车载VOBC测量它所经过的两个连续的应答器之间的距离，并将其与轨道数据库中的距离进行比较。如果两者在限定的误差内，则列车的位置便确定，而且列车的确切位置及方向也能被辨认出来。对应于每个检测到的应答器，VOBC将调整定位不确定性偏差。
在两个应答器之间，列车位置由输入的转速计信号而确定。如果没有检测到2个连续的应答器或者检测到一个意料之外的应答器，VOBC将把位置设置为未知。意料之外的应答器是指与数据库中定义的位置不同的应答器。
区域控制器ZC根据列车报告的车头位置，再加上位置测量误差值和估计的运行距离计算得出通信列车在最差情况下的车头位置；根据列车报告的车尾位置，再加上位置测量误差值和潜在的倒溜距离计算得出通信车在最差情况下的车尾位置。然后VOBC将向ATS发送列车位置，列车位置用区段和偏移表示。
2 CTCS列控系统
CTCS 列控系统是基于我国国情而开发的列车运行控制系统，划分为0～4级，CTCS的应用登记划分有两个特点：各应用登记是根据功能和设备配置来划分的，其主要差别在于地对车信息传输的方式和线路数据的来源，推荐再用目标距离控制模式，即一次连续制动方式。
目前我国时速200km//h以上的铁路主要采用CTCS-2级和CTCS-3 级列控系统。
2.1 CTCS-2列控系统
CTCS-2是基于ZPW-2000轨道电路和点式应答器实时传输列车运行许可信息和线路数据的列车运行控制系统，车载设备采用目标距离模式监控列车安全运行。CTCS-2 级列控系统改变了传统的信号控制方式，可以连续、实时的监督列成的运行速度，自动控制列车的制动系统，提高线路的通过能力，实现列成的超速防护。有效的解决了不同速度值列车高密度混合运行、动车组跨线运行、系统设备互联互通等技术难题。
2.1.1 CTCS-2 级列控系统的两个子系统
（1）地面子系统
生成列车控制所需要的全部基础数据，例如运行速度、间隔时分等，并将地面传来的信号进行信息处理，形成列车速度控制数据及列车制动模式，用来监督或控制列车安全运行。
地面子系统由以下部分组成：车站列控中心（包括地面电子单元LEU）、点式信息设备（应答器）和轨道电路等。
车站列控中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面电子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列成行车许可命令，并通过车-地信息传输系统给车载子系统，保证其辖区内的列车安全。
点式信息设备采用应答器。应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，运用数字编码技术，向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数和临时限速信息等。应答器分无源应答器和有源应答器两种，无源应答器提供的信息主要包括线路的坡度、闭塞分区或轨道电路长度、载频、线路固定限速等。有源应答器接收车站列控中心的信息包，并向列车传送，它提供的信息主要包括进路信息和临时限速信息。
轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地-车信息的功能，一般采用ZPW-2000 系列轨道电路。
（2）车载子系统
以车载安全计算机为核心，实现对列车运行控制信息的综合处理，生成目标距离模式曲线，防止列车超速运行，保证列车运行间隔。车载子系统由连续信息接收模块、点式信息接收模块、测速模块、设备维护记录单元、车载安全计算机、人机界面和运行管理记录单元等组成，并预留有无线通信接口。
2.2 CTCS-3 级列控系统
CTCS-3 级列控系统是保证高速列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一，是科技部、铁道部《中国高速列车自主创新联合行动计划》重要内容。实现CTCS-3 级列控系统技术创新，对中国铁路控制系统的技术发展和技术装备现代化具有深远的意义。CTCS-3 级列控系统基于GSM-R无线通信实现车-地信息双向传输、无线闭塞中心（RBC）生成行车许可，满足300～350km/h运行速度、最小运行间隔3分钟的列车运营要求。
2.2.1 CTCS-3 级列控系统的组成
（1）地面设备
地面设备由无线闭塞中心（RBC）、列控中心 (TCC）、ZPW- 2000 ( UM ）系列轨道电路、应答器（含LEU）、 GSM-R 通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机（VC）、GSM-R 无线通信单元（RTU）、轨道电路信息接收单元（TCR)、应答器信息接收模块（BTM）、记录单元（RU/DRU）、人机界面（DMI）、列车接口单元（TIU) 等组成。
RBC 根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并通过 GSM-R 无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给车载设备；同时通过 GSM-R 无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息。TCC 接收轨道电路的信息，并通过联锁系统传送给 RBC；同时，TCC 具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、站间安全信息传输、临时限速功能，满足后备系统需要。应答器向车载设备传输定位和等级转换等信息；同时，向车载设备传送线路参数和临时限速等信息，满足后备系统需要。应答器传输信息与无线传输的信息的相关内容含义保持一致。
（2）车载设备。
车载安全计算机根据地面设备体统的行车许可、线路参数、临时限速等信息和动车组参数，按照距离连续速度控制模式生成速度曲线，监控列车安全运行。
3、结束语
基于无线的CBTC列车控制系统主要应用在城市轨道交通中，它以简洁、灵活、高效的特点控制列车按移动闭塞方式运行，极大的缩短了列车运间隔。适应地铁交通密集高效的行车特点。CTCS级列控系统为适应高速铁路的需要而开发的系统。通过上面的分析我们不难得出结论，就CBTC和CTCS-3级列控系统而言它们有着诸多相同之处，唯一的不同就是CTCS-3级列控系统还需要轨道电路来检查列车占用状态。当前CTCS-3级列控系统的成功，为CTCS-4级：即完全基于无线传输信息的列车运行控制系统提供了坚实的基础。
注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开