基于無線通信的列車控制技術與互聯互通

摘　要　分析了基于無線通信的列車控制系統的技術經濟發展促進了A TC 系統從一個以硬件為基礎向以軟優勢。采用基于無線通信的列車控制系統可實現互聯互通, 并有利于設備的國產化。結合國外實施互聯互通的經驗和中國國情,指出該技術對于上海新線建設及將來的互聯互通是一種可行的方案。
關鍵詞　列車自動控制, 無線通信的列車控制, 互聯互通

基于通信的列車控制(Communication2Based Train Control , 簡為CB TC) 系統采用先進的通信、計算機技術,對列車實現連續控制。它擺脫了軌道電路對列車占用的判別方式,突破了固定閉塞的局限性,可以實現移動閉塞。本文將從列車控制技術的發展著手,探討無線CB TC 的技術經濟優勢及對于實現互聯互通和項目設備國產化的優越性,并對其在國內的應用前景提出了看法。
1 　列車控制技術的發展和CBTC
列車自動控制(A TC) 系統的發展依賴于市場的需求以及各種新興的技術基礎。過去25 年中微處理器的發展以及過去5 年中移動通信的發展, 對A TC 技術的發展產生了重要的影響。微處理器的件為基礎的系統的演變,而移動通信技術的發展也將極大影響A TC 系統發展的進程(見圖1) [ 2 ] 。

圖1 　列車控制技術的發展
　　無線CB TC 采用無線通信系統,通過開放的數據通信網絡實現了列車與軌旁設備實時雙向通信, 信息量大,并通過采用基于IP 標準的列車控制結構,可以在實現列車控制的同時附加其它功能(如安全報警、員工管理及乘客信息發布等) 。
目前國際上諸如Alcatel , Alstom , Siemens , Bombardier 和Westinghouse 等信號供應商。均開發出了各自的CB TC 系統并在全球得到了廣泛的應用。
2 　無線CBTC 與互聯互通
2. 1 　無線CBTC 的技術與經濟優勢
由于無線CB TC 可采用移動閉塞的制式,列車能以較小的間隔運行,可使運營商實現“ 小編組,高密度”的運營模式,這使系統可在同樣滿足客運需求的基礎上,縮短旅客的候車時間,縮小站臺長度和候車空間,降低基建投資;同時,由于系統核心通過軟件實現,使其在硬件數量上大大減少,因而可以降低維修費用,從而降低系統生命周期成本。
2. 2 　采用無線CBTC 可實現互聯互通
在城市軌道交通領域,互聯互通指的是接口間的列車控制的安全標準、導軌的模型化以及列車控制信息傳遞協議等。因此,要達到真正的互聯互通, 就必須重新設計系統接口[ 3 ] 。由于無線CB TC 的各控制子系統間的邏輯接口均通過數據通信系統實現,數據通信系統采用開放式的國際標準后,子系統間的接口也可實現標準化;而通過采用序列號、循環冗余校驗等方法進行對安全關聯數據的保護和接入防護,可有效保證開放數據通信系統的數據安全,因此采用無線CB TC 將會有利于實現互聯互通。
在對既有的點式列車自動防護(A TP) 傳輸系統或編碼數字軌道電路的改造中,采用無線CB TC 對其車載設備和軌旁設備進行一定的改造后(主要是增加網絡接口和無線控制子系統),可實現既有信號系統與無線CB TC 的疊加,從而達到既有線路與新的無線CB TC 線路的互聯互通。
通過模塊化的結構、強有力的接口設計和事件描述,無線CB TC 強調系統應用層和開發層的獨立性,而強調應用層之間的接口標準。采取開放式的國際標準可以使國內廠商從系統部分元件的國產化著手(如通信系統等),逐步實現整個系統的國產化。
2. 3 　國外的互聯互通項目
2. 3. 1 　歐洲的城市軌道交通管理系統U GTMS
城市軌道交通管理系統(Urban Guided Transport Management System , 簡為U GTMS) [4 ] 是由歐洲委員會于2000 年提出的一個研究項目,旨在歐洲范圍內建立一個城市軌道交通領域內的共同標準和規則,以提高公共交通系統的使用效率和安全,降低系統和社會成本,并使交通系統更加靈活以滿足運營商的需要。項目的參與者來自于運營商、系統供應商和科研院校。研究范圍包括: 信號與聯鎖、列車控制、列車管理系統、供電監控及維護輔助系統等。U GTMS 的目標是定義一個完全開放系統的功能、系統要求及接口的規范。
U GTMS 分三個階段進行:第一個階段的主要任務是回顧和評價歐洲鐵路運輸管理系統(ER TMS) 的功能需求規格書,進行ER TMS 以及柏林、倫敦、馬德里、紐約和巴黎的先進項目與U GTMS 的基準比較( Benchmarking ) , 定義U GTMS 的功能需求規格書(FRS) 。第二個階段將完成FRS , 建立系統需求規范書(SRS) ,建立功能接口標準I/ F 形式/ 安裝/ 功能接口規范書(FORM Fit Functional Interface Specifications , 簡為FFFIS) 。第三個階段將進行實際規模的示范線試驗。
與U GTMS 同時進行的還有國際電聯IEC(In2 ternational Electro2technical Commission) 的標準化項目IEC W G40 , 旨在建立城市軌道交通線路、線網的交通控制,以及管理系統的功能、系統和接口規范。共有7 個國家(法、中、加、日、德、意、美) 及15 個運營商和供應商參與這個標準化項目。
2. 3. 2 　巴黎公共運輸局(RA TP) 的地鐵13 號線
經過公開招標,RA TP 選擇了阿爾卡特的6530 Seltrac S30 作為地鐵13 號線的解決方案。該技術將使列車的運行間隔從現有的105s 縮至90s 。它采用無線數據通信,通過虛擬閉塞方式來提高線路通過能力。系統可實現列車自動運行(A TO) 和列車自動防護(A TP) 功能。此外,設計上的模塊化使系統可實現線路的混合模式運行,并預留了向無人駕駛模式發展的空間。為了不影響線路的正常運營, 升級改造工作均在晚間進行。阿爾卡特的系統可以疊加在現有的系統之上,因此可以順利完成系統的升級改造。13 號線將于2005 年完成現場測試。
對于互聯互通的接口標準, RA TP 采用開放的國際標準而不是由某個企業作為”領跑者”制定。據悉,巴黎3 、5 號線的信號系統升級也已開始公開招標,并且這次招標是將系統的車載部分、軌旁部分和通信系統部分分成了5 個合同包分別進行招標,其中車載2 個,軌旁2 個,通信系統1 個。
2. 3. 3 　紐約地鐵(N YCT) 的Canarsie 線
在Canarsie 項目一期中,N YCT 要求3 個供應商在一個信號改造區段示范其CB TC 技術。經過示范, N YCT 認為CBTC 是最適合改造其信號系統并實現互聯互通的方案,并選擇了一家供應商(Siemens) 作為項目“領跑者”和另外兩家供應商(Alcatel ,Alstom) 作為“跟隨者”。在項目二期, CB TC 將被安裝并作為N YCT 的CBTC 技術的標準。按照安裝合同,“ 領跑者”必須提供詳細的互聯互通的接口規范以便兩個“跟隨者”能按照規范生產兼容產品并進行示范試驗。
對于互聯互通的氣隙接口標準,紐紐地鐵采用了由“領跑者”制定的非開放的標準,Alcatel 決定購買其通信設備,而Alstom 決定開發兼容產品。
3 　在中國城市軌道交通的應用
3. 1 　在武漢和廣州的應用
2002 年5 月,武漢輕軌率先一步,決定使用阿爾卡特公司的Seltrac S40 系統。該系統采用移動閉塞技術,能夠實施可靠的列車自動監控(A TS) 并能使4 節編組列車以80 km/ h 的最高速度在高架雙線上安全運行。系統通過指揮中心的主電腦控制列車運行,可實現無人駕駛、定點停車和無人自動折返,但為了安全需要仍配備了司機。系統采用車載信號系統,另外仍安裝軌旁信號機以作應急用。此外,系統還設有一套“功能后退模式”,以確保在極罕見的情況下系統發生了影響正常運營的故障時運營不會中斷。其首期工程將在2004 年投入運營。
2003 年5 月,廣州地鐵3 號線也決定采用Seltrac S40 作為其列車控制系統。該系統可使列車行駛速度高達120 km/h , 并大大縮短行車間隔,從而大幅度提高運營效率。該線將在2006 年投入運營。
3. 2 　在上海的應用前景
隨著通信及計算機技術的不斷發展,采用無線CB TC 作為新的列車控制技術或替代原有的信號系統已經成為國際上大多運營商的共識。
上海目前的5 條軌道交通線路采取了4 種不同的信息制式,互不兼容。按照市委和市政府“站高一點,看遠一點,想深一步”的精神,考慮到上海市軌道交通即將形成網絡的前景,對新建線路信號系統的規范化以及對既有信號系統的升級改造以實現全網的互聯互通已經成為當務之急[ 5 ] 。因此, 在選擇A TC 系統技術與制式時,必須充分考慮以下幾點:
第一,有利于實現不同線路間的互聯互通,應采取開放式的國際標準而非某一家供應商的標準;
第二,積極吸取國內外的經驗教訓,開放市場, 鼓勵競爭,減少備件品種,防止壟斷,減少培訓,降低系統的生命周期成本,實現系統可持續發展;
第三,對于新建線路,必須充分考慮成本-效益比,以及為將來的系統升級預留空間;
第四,對既有線路的升級改造,必須考慮既有系統的充分利用和近期實施的可能性,分步實施,逐步升級。
無線CB TC 具有卓越的技術經濟優勢,同時由于采取了開放的國際標準,使系統有可能實現互聯互通, 并有利于實現項目設備國產化, 因此無線CB TC 在國內的應用前景是十分廣泛的。

參考文獻
1 　黃鐘. 上海城市軌道交通A TC 系統的發展策略. 城市軌道交通研
究,2003(1) :6
2 　Alcatel TSD. Seltrac 移動閉塞系統結構和功能. 2003
3 　Peter L udikar. Taking a logical approach offers interoperability bene2 fits. Railway Gazatte International. J une 2002 :307
4 　Jean2Paul Richard. Strategies and guidelines to upgrade/ standardize urban railway signalling systems. U GTMS first issue final report , Jan. 2002
5 　陳永生,徐金祥. 上海軌道交通信號制式的多樣性及其對策. 城市軌道交通研究,2002(4) :29