（一）虚拟闭塞概念
基于Radio通信的CBTC与上述基于感应环线通信的CBTC移动闭塞方式，主要区别在于通信方式的不同，后者两个列车的间隔虽然也是动态的，但这与感应环线的长度及交叉有关，在一定程度上它受硬件设备的物理限制。而无线CBTC可以理解为虚拟闭塞系统，它不是由物理上的闭塞分区定义的，而是由区域控制器内数据库来定义。虚拟闭塞分区的设计是根据对行车间隔的需要而进行划分，而且没有实际硬件设备来限制边界，虚拟闭塞分区的边界很容易进行动态调整。当然其虚拟闭塞分区的数量和长度也不受硬件的物理限制。如图7-5所示。
图7-5 无线CBTC的虚拟闭塞示意图
区域控制器根据占用虚拟分区的前行列车位置，对后续列车发出移动授权，允许运行至虚拟闭塞分区的边界点，这一点便是后续列车的运行的目标点。我们把这目标点，称为正常运行停车点。该目标点与前行列车尾部还留有安全距离（Safety Distance）。它包括最不利情况下，列车启动紧急制动所需的安全距离和附加的防护距离。防护距离是后续列车在最不利情况下的运行距离，在车上通过计算而得，其中还包括列车的不确定因素，如打滑、空转、轮径补偿等。因而这个防护距离，既是固定的也是动态的。移动授权极限点，由区域控制器传给车载控制器。当列车接近移动授权极限点时，降低速度，缩短安全距离。
（二）列车运行控制子系统的功能
如图7-6所示是CBTC列车运行控制系统的基本原理示意图，由图可以看出控制中心ATS、区域控制器、数据库存储单元、车载控制器之间基本的信息流。下面我们先以列车自动控制系统三个子系统的功能进行分析，然后以CBTC物理分层的功能进行分析。
图7-6 CBTC列车运行控制系统的基本原理图
1.ATS子系统功能
ATS子系统为中心调度员提供用户操作界面，ATS的功能主要包括：显示全线线路及系统设备状态；列车运行轨迹；时刻表的生成和执行；列车进路的自动分配；调整列车间隔；时刻表调整；不同运行类型的速度曲线选择；交叉点优先权；站台或者线路区域封锁；为发车指示器设置停站时间；执行临时限速；设置乘客信息系统文本；事件记录以及报告生成；重放；等。可以归纳为：
（1）监视和显示功能。列车位置及功能的监视；列车控制子系统功能状况的监视；道岔、站台、屏蔽门及侵入轨道障碍物的监视和显示。
（2）列车运行调整控制功能。基于运行线分配的列车进路排列，根据系统延迟或调度员要求，调整列车运行参数，按时刻表要求对列车运行进行调整，以保证运行间隔和运行图的实施。
（3）管理、维护。为管理报表、维护及运营分析收集数据，提供完善的人机界面。
（4）接口。提供站台乘客广播系统接口，提供站台旅客向导系统界面，SCADA命令和状态显示，并与远程SCADA单元接口。
（5）车站程序停车。实现车站的程序定位停车，包括车门操作、站台屏蔽门控制命令、与轨旁通信、实现停站时分控制、车载广播的触发、报警监督，并向ATS报告等。
2.ATP子系统功能
基于车-地间无线“通信”，连续地检测整个系统内的列车位置；根据必需的最小安全停车距离，控制列车间的安全间隔；在证实道岔位置正确，并已锁闭的前提下，才允许列车进入该道岔区域；根据安全运行要求，按驾驶模式规定的速度，限制列车运行速度，也可以临时进行速度限制；定位停车点的核准和“零速”检测；实现制动和牵引的联锁；提供车门安全联锁；实现屏蔽门和列车门的联锁；监督所有列车的运行方向；监督列车的倒溜，监督车辆非预期的运动；列车完整性监督；轮径校准，空转/打滑检测和补偿；防淹门和防护隔离门监督；紧急停车按钮监督；关键报警和事件的记录。
3.ATO子系统功能
ATO子系统，根据ATS 所提供的运行类型，提供符合乘客舒适度标准的列车运行速度；为列车在区间运行，提供相应的速度曲线；确认启动坡度；实现车站“跳停”；当车站“扣车”功能启用时，驾驶员可以开/关列车门；实现车站程序定位停车，使停车精度达到±0.25m；提供列车将会打开哪侧门的信息；只有在列车停于定位停车点，并且施加了停车制动的条件下，才能打开车门；关列车门；给司机显示单元（TOD）发送信息；“报警”信息的监控并向ATS 报告。
（三）CBTC系统物理分层的功能分析
从物理位置而言，基于无线通信的CBTC系统包括三个功能层次：中央、轨旁以及车载，如图7-7所示。
图7-7 CBTC 系统功能结构示意图
1.区域控制器的功能
区域控制器是故障导向安全的轨旁子系统。每个联锁区设置一个区域控制器，而且以3取2的冗余配置。由区域控制器实现与所控制区域内所有列车的安全信息通信，完成联锁功能，并向所管辖区域内每列车发送移动授权。区域控制器功能示意图如图7-8所示。
图7-8 CBTC区域控制器功能框图
（1）跟踪列车和发出移动授权。区域控制器基于来自列车的位置报告而跟踪列车，从而为所控制区域内的每列车确定移动授权。列车在3秒内接收不到移动授权信息，也即连续6次失去安全通信，则列车会紧急制动。
（2）排列进路。由ATS完成选路，区域控制器对道岔实施控制和状态监视，当列车通过和接近道岔时，防止道岔的转换，而且在确保道岔转到正确的位置、锁闭之后，才允许列车进入道岔区域。
（3）与ATS通信。处理来自ATS的列车进路命令，向ATS报告道岔状态和轨道占用情况，以及告警、出错信息。
（4）站台屏蔽门的控制和状态监视。
（5）侵入轨道的障碍物的监视和检出。
（6）实现与相邻区域控制器的通信，实现列车在两个相邻区域控制器间的交接，并将列车移动授权由一个控制区管辖区延伸到相邻控制器。(www.xing528.com)
2.车载控制器功能
由车载控制器实现列车自动防护（ATP）和列车自动运行（ATO）的功能。
（1）确定列车位置。
列车在线路上检测到两个相邻的应答器，便实现列车位置定位的初始化。然后列车根据测速传感器和加速度计，对运行过程的距离进一步细化定位，由于线路数据库唯一的定义了线路上的所有位置，所以运行过程中检测到轨道应答器（信标）所提供的同步点信息，实现列车的定位校正。而列车实际定位位置，应根据列车向区域控制器报告的列车车头和车尾位置，加上车头、车尾的不确定误差和在报告传输过程中的运行距离（估计），还应该考虑先行列车尾部潜在的倒溜距离，所以真正的列车“定位”原理示意，如图7-9所示。
图7-9 CBTC列车定位原理示意图
（2）强制执行移动授权控制。
根据区域控制器对列车的移动授权命令，由车载控制器执行移动授权控制，动态计算安全距离，以确定列车目标运行速度，监督由测速传感器测得的实际速度，不超过到达目标点的目标速度，并进行防倒溜监督和障碍移动监督（在自动模式下）。在安全运行速度限制范围，调整列车速度。
（3）车门控制和安全联锁。
只有当列车到达定位停车点，才允许相应侧的车门开启。
（4）列车完整性的检测和根据乘客舒适标准控制列车移动。
车载控制器的功能示意图如图7-10所示。
图7-10 CBTC车载控制器功能框图
案例分享
西门子CBTC系统
西门子的CBTC系统由VICOS、SICAS、TRAINGUARD MT三个子系统组成。它们分为中央层、轨旁层、车载层四个层级，分级实现ATC功能。
中央层分为中央级和车站级。在中央级，实现集中的线路运行控制；在车站级，为车站控制和后备模式的功能提供给车站操作员工作站（LOW）和列车进路计算机（TRC）。
轨旁层沿着线路分布，它由SICAS计算机联锁、TRAINGUARD MT系统、信号机、计轴器和应答器等组成。它们共同执行所有的联锁和轨旁ATP功能。通信层在轨旁和车载设备之间提供连续式或点式通信。车载层完成TRAINGUARD MT的车载ATP和ATO功能。
西门子的CBTC系统结构如图7-11所示。
图7-11 西门子的CBTC系统结构
1.VICOS
VICOS分为中央级的VICOS OC 501和车站级的VICOS OC 101。
HMI是列车调度员的操作台。来自SICAS ECC（ECC，元件接口模块）、TRAIN ECC；ODI（操作／显示接口）；OPG（速度脉冲发生器）；HMI（人机接口）；LEU（轨旁电子单元）；S＆D（检查和诊断）；TSCU_V（轨旁安全计算机单元）。
GUARD MT（MT，城市轨道交通）和其他外围系统的动态数据汇集在VICOS OC 501的COM服务器并处理，ADM服务器负责中心数据存储和报告，FEP（前端服务器）负责将其他外围系统接入ATS服务器。
2.SICAS
SICAS主要包括列车进路计算机（TRC）和车站操作员工作站（LOW）。计算机有连接室外设备和轨道空闲检测系统接口。
SICAS使用联锁PROFI BUS总线用于SICAS ECC的内部通信。LOW、TRC和S&D系统直接与SICAS ECC和TRAINGUARD MT通信。
SICAS ECC ODI和TRAINGUARD MT轨旁设备之间的通信通过一个ATC PROFI BUS总线实现。
SICAS和TRAINGUARD MT总线是双通道双向的光纤通信连接。每个通道独立工作并且提供故障一安全的通信。使用两个通道是为系统的高可用性提供冗余。
3.TRAINGUARD MT
TRAINGUARD MT系统包括ATP／ATO和通信设备。ATP／ATO分为轨旁单元和车载单元。轨旁ATP系统与联锁系统、ATS系统、列车（经过轨旁一列车通信系统）及相邻的ATP系统有双向接口。通过轨旁到列车的通信网络，在轨旁单元和车载单元之间建立了双向通信。
在车载结构中，两个相互独立的无线系统的列车单元（TU）分别安装于列车前后的驾驶室内，作为轨旁无线单元AP的通信客户端。这两个TU通过一个点对点的以太网连接，不间断地相互通信。同时，这两个TU分别连接到列车前后的列车控制系统。
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