城市有轨电车通信与信号系统技术

基于通信的列车控制（Communication Based Train Control，简称CBTC）技术，是一种在列车运行控制系统中使用的技术。它的定义为：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的一种连续自动列车控制系统。它不依赖于轨道电路对列车进行高精度定位，利用具有重要功能的车载和轨旁处理器及先进的无线通信、计算机技术，进行大容量、双向车地数据传输，突破了固定闭塞的局限，实现了移动闭塞，在技术上和成本上较传统的信号系统有明显的优势。可以说，CBTC是基于无线通信来实现移动闭塞的，而移动闭塞也是CBTC最重要的应用。因此，要实现CBTC的关键技术就是移动闭塞以及车地通信技术。

利用CBTC技术组成的列车控制系统代表着目前世界上列车运行控制系统的发展趋势，它实现的移动闭塞方式是近年来国际国内推崇的一种闭塞方式。目前的应用和发展已经证明，CBTC所采用的无线移动车地通信技术也是一个具有高可靠性、高安全性的技术。国内各大城市已经开始采用CBTC技术作为城轨控车方案，如广州地铁4号线、5号线，上海轨道交通8号线，北京地铁2号线、4号线、10号线等。

1.车地通信技术

就车地双向信息传输方式而言，车地通信系统又可分为基于感应电缆环线传输方式和基于无线通信传输方式。其中，按无线通信的调制方式可分为跳频扩频（FHSS）、直接序列扩频（DSSS）和正交频分复用（OFDM）；按数据传输媒介的传输方式可分为：无线电台、裂缝波导管、漏缆和GSM-R（铁路专用数字移动通信系统）等方式。其中，无线电台、漏缆等常用在城市轨道交通中，无线电台、裂缝波导管方式在地铁使用，漏缆可在磁浮线使用，而GSM-R一般在铁路线使用。

由于对列车的命令和状态在车辆和地面之间可靠交换，都要靠车地通信来完成，因此车地通信直接影响行车安全，这就要求有可靠和安全的通信技术与设备。基于无线通信的CBTC系统为了满足车地双向通信的需求，必须在线路沿线进行无线场强的覆盖。通常有无线电台、漏泄同轴电缆、裂缝波导管几种传输方式可供选择。

（1）无线电台 根据IEEE 802.11无线局域网的标准，目前广泛采用的是基于2.4GHz的ISM（工业、科学和医用）频带，无线电台方式传输的最大距离约为400m。由于所应用的城市轨道交通线路多穿行于城市区域，其弯道和坡道较多，增加了无线场强覆盖的难度。为了保证场强覆盖的完整性，保证通信的质量和可靠性，无线电台一般在地下线路200m左右设置一套，在地面和高架线路300m左右设置一套。无线电台的体积较小，安装比较灵活，受其他因素的影响小，可以根据现场条件和无线场强覆盖需要进行设计和安装，且安装和维护容易。无线电台在隧道内传输受弯道和坡道影响较大，同时隧道内的反射比较严重，需要考虑多径干扰等问题。无线电台在地面和高架线路安装比较容易，但线路周围不能有高大密集的建筑物，否则也会产生反射和衍射，从而导致传输质量下降和通信速率降低。

无线电台传输距离小，为了保证在一个无线接入点（AP）故障时通信不中断，往往需要在同一个地点设置双网覆盖，进一步缩短了AP布置间距。但这样使列车在各个AP之间的漫游和切换特别频繁，大大降低了无线传输的连续性和可靠性，同时相应的电缆使用量很大。

（2）漏泄同轴电缆 漏泄同轴电缆是在同轴电缆外导体上开有一定形状和间距的槽，使电磁场的能量集中在同轴电缆的内外导线之间，部分能量可以从同轴电缆中的槽孔泄漏到空间中，并和附近的移动电台天线耦合构成无线通道。同轴电缆外导体上开的槽可以有许多形状，各种形状在传输损耗和耦合损耗方面各不相同。

使用漏泄同轴电缆具有对地形适应性强、场强稳定、传输速率高和节省频率资源等优点，在数字化、大容量的移动车辆通信方面有独特的优势。在日本，漏泄同轴电缆在新干线隧道、山梨磁浮列车示范线都有成功的应用。

漏泄同轴电缆上的开槽有着严格的尺寸要求，而且它的收发、中继设备比较复杂，用它来组成通信信道，初期投入很高，这是它的不足之处。

（3）裂缝波导管 目前采用裂缝波导管进行无线传输的信号系统供货商只有法国ALS-TOM公司，其已经在2002年开通的新加坡东北线中得到成功应用。裂缝波导管采用的是一种长方形铝合金材料，在其表面每隔一段距离（约6cm）刻有一条2mm宽3cm长的裂缝，能够让无线电波从此裂缝中漏泄出来。波导管的物理特性和衰减性能很好，传输距离较远（最大传输距离可达到1600m），且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。它还具有漏泄同轴电缆的优点，适合于狭长的地下隧道内使用；但其传输距离要优于泄露同轴电缆，减少了列车在各个AP之间的漫游和切换，大大提高了无线传输的连续性和可靠性。

（4）不同传输方式的比较 以上三种传输方式，各有优点。无线电台由于造价低、维护方便，较多在我国地铁线路的地上部分使用，漏泄电缆价格适中，场强覆盖均匀，较多在地下及隧道使用。在具体的工程设计中采用哪种方式，要结合城轨线路的具体情况，综合考虑方案造价、安装维护方便、整体性价比、切换方便以及线路信息容量和最重要的场强充分覆盖等因素，进行选择。无线车地通信方式大大提高了列车与地面控制中心的通信能力，从而为CBTC系统实现移动闭塞方式，并保证行车安全提供了必要的手段，也是CBTC系统不可或缺的重要组成部分。

2.移动闭塞技术

信号技术的关键是闭塞，也就是使用信号或凭证，遵循一定规律，来保证列车按照空间间隔制运行的技术方法，以“列车不能进入同一个闭塞区间”的规则来保证安全性，如图4-1所示。当有列车驶入闭塞区间时，电流改行经列车车轴，并不会流经继电器，继电器因失去电流而失磁，触点接通红灯电路，信号机显示红灯，禁止后续列车进入。最简单的轨道电路原理如图4-2所示。轨道电路的设计采用了“故障-安全”导向，即使轨道发生了断裂，轨道电路因此阻断，造成继电器失磁，信号机也同样会显示红灯，仍可保障列车行驶安全。当列车驶离整个闭塞区间，继电器便会重新励磁，绿灯便会再次亮起，后续的列车能够继续通行。

列车运行控制系统是保证列车运行安全的核心设备，在信号系统中所占的投资比重最大，并且直接影响列车运营组织方式和列车控制方式。

可选的列控方案包括列车自动驾驶（ATO）、列车超速防护（ATP）、自动闭塞、站间闭塞或仅具备联锁功能的目视追踪等方案。

图4-1 闭塞原理

图4-2 轨道电路原理(www.xing528.com)

（1）ATO系统 列车自动驾驶系统（ATO）可实现对列车运行状态的合理控制，提供自动加速、制动、计算节能运行曲线、精确定位停车、车门与站台门联动、准确对位以及自动折返等功能。

ATO系统目前广泛应用于城市轨道交通工程中，可适应较大运量、高行车密度及高正点率等运输需求，并能有效降低司乘人员的劳动强度。

（2）ATP系统 ATP系统分类主要包括有用于国铁客运专线或高速铁路的CTCS-2和CTCS-3系统，以及用于城市轨道交通的点式ATP系统。

CTCS-2是基于轨道电路传输行车许可（或移动授权——MA）信息的列车运行控制系统。通过多信息轨道电路编码向车载设备提供列车运行前方的空闲闭塞分区数量或联锁进路状态，同时由地面点式应答器提供各闭塞分区长度、线路参数（线路允许速度、坡度等）和临时限速等信息，车载设备根据列车参数（列车限制速度、制动减速度等）、行车许可（即允许走行的空闲轨道长度）等信息实时计算列车允许速度，并在超速时自动报警或实施制动，确保列车运行安全。

CTCS-3是基于无线通信传输行车许可信息的列车运行控制系统。地面设置无线闭塞中心（RBC），负责管理辖区内所有配置CTCS-3车载设备的列车，通过GSM-R无线网络向车载设备提供列车运行前方的空闲区间或联锁进路的长度、线路参数和临时限速等信息，车载设备根据列车参数（列车限制速度、制动减速度等）、行车许可等信息实时计算列车允许速度，并在超速时自动报警或实施制动，确保列车运行安全。

点式ATP系统采用闭塞分区控制列车的运营间隔，在每个闭塞分区的入口设置应答器，用于向车载设备提供信号机是否开放的移动授权信息和线路参数等信息。车载设备根据接收到的移动授权并结合列车性能参数，按照“目标—距离”模式计算列车允许速度曲线，在超速时自动报警或实施制动，实现列车超速防护。

上述三种ATP系统均以闭塞分区边界作为防护目标点，其基础是必须在区间设置闭塞分区，因此需沿线安装轨道检查设备。

CTCS-3列控系统需要配置GSM-R无线通信网络，该网络专属于铁路总公司，一般用于国铁客运专线，不会对外提供服务。

CTCS-2列控系统采用移频轨道电路作为轨道占用检查和列控信息传输设备。

点式ATP系统作为无线CBTC系统的过渡和降级后备控制系统在城市轨道交通中有广泛的应用，其技术比较成熟。点式ATP虽然能保证行车安全，但会大大增加信号工程投资。另一个困难在于，点式ATP主要地面设备需放置于室内，沿线要提供设备房屋，这对位于城区道路的有轨电车工程而言要求比较苛刻。

实际上，是否采用列控系统进行超速防护，在国铁标准中有明确规定，只有当速度超过160km/h时，才必须配置列控系统，而速度较低时，驾驶员有足够的时间确认信号、控制列车，因此可根据地面信号显示目视行车。

城市轨道交通虽然速度不如国铁高，但均配置列控系统，其原因是列车追踪间隔小，站间距短，需频繁起停列车，且准点率要求较高，操控列车的劳动强度大，若仅凭人工控制，驾驶员长期处于紧张状态下极易发生事故，而一旦出现事故，乘客疏散比较困难，同时恐慌情绪会迅速蔓延，其负面影响巨大，运营风险不容忽视，因此最好采用列控系统实施防护。

比较而言，有轨电车线路所处的环境处于开放空间，速度不高，驾驶和乘坐的感觉类似公交车，即使出现意外事故，人员疏散和换乘较为容易，因此可考虑不配置列控系统，而采用目视控车方式。

有轨电车车辆本身的制动能力强，操控性较好，也为目视控车提供了有利条件。以最高车速63km/h，最大下坡33‰坡度为最不利条件计算，车辆常用制动减速度为1.2m/s²，制动距离约为178m；紧急制动减速度为2.8m/s²，制动距离约为62m。若考虑驾驶员确认、操控反应和车辆制动延时共10s的空走时间，则制动距离分别为350m和237m，制动及反应时间约为30s和18s。也就是说，只要保证前后车距离或运行前方防护信号机的距离不小于350m的范围内驾驶员可视并确认空闲，则能实现最不利情况下的行车安全。

（3）自动闭塞 自动闭塞是将区间分割为若干闭塞分区，允许在同一站间区间内有多列车同时运行的行车方式，其目的是减小追踪间隔、提高行车组织能力。

自动闭塞方式下，需根据地面信号显示目视控车。

自动闭塞系统也需要配置大量的室内设备和沿线信号机，能否与现场条件相适应需要进一步慎重研究。其控车基础仍是目视行车，只不过采用自动闭塞时驾驶员确认的是信号机，不采用此系统时，驾驶员确认的是与前方列车的距离。

（4）站间闭塞 站间闭塞在一个区间内只允许1列车运行，大大限制了行车能力。站间闭塞同样需要配置设备房屋，并要安排车站值班员办理闭塞、确认区间空闲，因此与前述几种控车方案相比，对环境适应性没有本质上的改善。

（5）目视追踪 实际上我国已开通的现代有轨电车项目均按目视追踪方式控车，车载设备可提供前车距离、过道岔区等辅助驾驶信息。若项目为非独享路权线路，存在与道路交通的交叉路口，因此也无法完全由信号系统来保证安全，只能被动地放弃列控系统。