基于無線通信的列車控制技術(shù)與互聯(lián)互通

摘　要　分析了基于無線通信的列車控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)了A TC 系統(tǒng)從一個(gè)以硬件為基礎(chǔ)向以軟優(yōu)勢。采用基于無線通信的列車控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通, 并有利于設(shè)備的國產(chǎn)化。結(jié)合國外實(shí)施互聯(lián)互通的經(jīng)驗(yàn)和中國國情,指出該技術(shù)對于上海新線建設(shè)及將來的互聯(lián)互通是一種可行的方案。
關(guān)鍵詞　列車自動(dòng)控制, 無線通信的列車控制, 互聯(lián)互通

基于通信的列車控制(Communication2Based Train Control , 簡為CB TC) 系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信、計(jì)算機(jī)技術(shù),對列車實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞。本文將從列車控制技術(shù)的發(fā)展著手,探討無線CB TC 的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢及對于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和項(xiàng)目設(shè)備國產(chǎn)化的優(yōu)越性,并對其在國內(nèi)的應(yīng)用前景提出了看法。
1 　列車控制技術(shù)的發(fā)展和CBTC
列車自動(dòng)控制(A TC) 系統(tǒng)的發(fā)展依賴于市場的需求以及各種新興的技術(shù)基礎(chǔ)。過去25 年中微處理器的發(fā)展以及過去5 年中移動(dòng)通信的發(fā)展, 對A TC 技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。微處理器的件為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的演變,而移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展也將極大影響A TC 系統(tǒng)發(fā)展的進(jìn)程(見圖1) [ 2 ] 。

圖1 　列車控制技術(shù)的發(fā)展
　　無線CB TC 采用無線通信系統(tǒng),通過開放的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了列車與軌旁設(shè)備實(shí)時(shí)雙向通信, 信息量大,并通過采用基于IP 標(biāo)準(zhǔn)的列車控制結(jié)構(gòu),可以在實(shí)現(xiàn)列車控制的同時(shí)附加其它功能(如安全報(bào)警、員工管理及乘客信息發(fā)布等) 。
目前國際上諸如Alcatel , Alstom , Siemens , Bombardier 和Westinghouse 等信號供應(yīng)商。均開發(fā)出了各自的CB TC 系統(tǒng)并在全球得到了廣泛的應(yīng)用。
2 　無線CBTC 與互聯(lián)互通
2. 1 　無線CBTC 的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢
由于無線CB TC 可采用移動(dòng)閉塞的制式,列車能以較小的間隔運(yùn)行,可使運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)“ 小編組,高密度”的運(yùn)營模式,這使系統(tǒng)可在同樣滿足客運(yùn)需求的基礎(chǔ)上,縮短旅客的候車時(shí)間,縮小站臺(tái)長度和候車空間,降低基建投資;同時(shí),由于系統(tǒng)核心通過軟件實(shí)現(xiàn),使其在硬件數(shù)量上大大減少,因而可以降低維修費(fèi)用,從而降低系統(tǒng)生命周期成本。
2. 2 　采用無線CBTC 可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通
在城市軌道交通領(lǐng)域,互聯(lián)互通指的是接口間的列車控制的安全標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)軌的模型化以及列車控制信息傳遞協(xié)議等。因此,要達(dá)到真正的互聯(lián)互通, 就必須重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)接口[ 3 ] 。由于無線CB TC 的各控制子系統(tǒng)間的邏輯接口均通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用開放式的國際標(biāo)準(zhǔn)后,子系統(tǒng)間的接口也可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化;而通過采用序列號、循環(huán)冗余校驗(yàn)等方法進(jìn)行對安全關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的保護(hù)和接入防護(hù),可有效保證開放數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全,因此采用無線CB TC 將會(huì)有利于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。
在對既有的點(diǎn)式列車自動(dòng)防護(hù)(A TP) 傳輸系統(tǒng)或編碼數(shù)字軌道電路的改造中,采用無線CB TC 對其車載設(shè)備和軌旁設(shè)備進(jìn)行一定的改造后(主要是增加網(wǎng)絡(luò)接口和無線控制子系統(tǒng)),可實(shí)現(xiàn)既有信號系統(tǒng)與無線CB TC 的疊加,從而達(dá)到既有線路與新的無線CB TC 線路的互聯(lián)互通。
通過模塊化的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)有力的接口設(shè)計(jì)和事件描述,無線CB TC 強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用層和開發(fā)層的獨(dú)立性,而強(qiáng)調(diào)應(yīng)用層之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。采取開放式的國際標(biāo)準(zhǔn)可以使國內(nèi)廠商從系統(tǒng)部分元件的國產(chǎn)化著手(如通信系統(tǒng)等),逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的國產(chǎn)化。
2. 3 　國外的互聯(lián)互通項(xiàng)目
2. 3. 1 　歐洲的城市軌道交通管理系統(tǒng)U GTMS
城市軌道交通管理系統(tǒng)(Urban Guided Transport Management System , 簡為U GTMS) [4 ] 是由歐洲委員會(huì)于2000 年提出的一個(gè)研究項(xiàng)目,旨在歐洲范圍內(nèi)建立一個(gè)城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)的共同標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則,以提高公共交通系統(tǒng)的使用效率和安全,降低系統(tǒng)和社會(huì)成本,并使交通系統(tǒng)更加靈活以滿足運(yùn)營商的需要。項(xiàng)目的參與者來自于運(yùn)營商、系統(tǒng)供應(yīng)商和科研院校。研究范圍包括: 信號與聯(lián)鎖、列車控制、列車管理系統(tǒng)、供電監(jiān)控及維護(hù)輔助系統(tǒng)等。U GTMS 的目標(biāo)是定義一個(gè)完全開放系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)要求及接口的規(guī)范。
U GTMS 分三個(gè)階段進(jìn)行:第一個(gè)階段的主要任務(wù)是回顧和評價(jià)歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)(ER TMS) 的功能需求規(guī)格書,進(jìn)行ER TMS 以及柏林、倫敦、馬德里、紐約和巴黎的先進(jìn)項(xiàng)目與U GTMS 的基準(zhǔn)比較( Benchmarking ) , 定義U GTMS 的功能需求規(guī)格書(FRS) 。第二個(gè)階段將完成FRS , 建立系統(tǒng)需求規(guī)范書(SRS) ,建立功能接口標(biāo)準(zhǔn)I/ F 形式/ 安裝/ 功能接口規(guī)范書(FORM Fit Functional Interface Specifications , 簡為FFFIS) 。第三個(gè)階段將進(jìn)行實(shí)際規(guī)模的示范線試驗(yàn)。
與U GTMS 同時(shí)進(jìn)行的還有國際電聯(lián)IEC(In2 ternational Electro2technical Commission) 的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目IEC W G40 , 旨在建立城市軌道交通線路、線網(wǎng)的交通控制,以及管理系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)和接口規(guī)范。共有7 個(gè)國家(法、中、加、日、德、意、美) 及15 個(gè)運(yùn)營商和供應(yīng)商參與這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目。
2. 3. 2 　巴黎公共運(yùn)輸局(RA TP) 的地鐵13 號線
經(jīng)過公開招標(biāo),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(shù)將使列車的運(yùn)行間隔從現(xiàn)有的105s 縮至90s 。它采用無線數(shù)據(jù)通信,通過虛擬閉塞方式來提高線路通過能力。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)運(yùn)行(A TO) 和列車自動(dòng)防護(hù)(A TP) 功能。此外,設(shè)計(jì)上的模塊化使系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)線路的混合模式運(yùn)行,并預(yù)留了向無人駕駛模式發(fā)展的空間。為了不影響線路的正常運(yùn)營, 升級改造工作均在晚間進(jìn)行。阿爾卡特的系統(tǒng)可以疊加在現(xiàn)有的系統(tǒng)之上,因此可以順利完成系統(tǒng)的升級改造。13 號線將于2005 年完成現(xiàn)場測試。
對于互聯(lián)互通的接口標(biāo)準(zhǔn), RA TP 采用開放的國際標(biāo)準(zhǔn)而不是由某個(gè)企業(yè)作為”領(lǐng)跑者”制定。據(jù)悉,巴黎3 、5 號線的信號系統(tǒng)升級也已開始公開招標(biāo),并且這次招標(biāo)是將系統(tǒng)的車載部分、軌旁部分和通信系統(tǒng)部分分成了5 個(gè)合同包分別進(jìn)行招標(biāo),其中車載2 個(gè),軌旁2 個(gè),通信系統(tǒng)1 個(gè)。
2. 3. 3 　紐約地鐵(N YCT) 的Canarsie 線
在Canarsie 項(xiàng)目一期中,N YCT 要求3 個(gè)供應(yīng)商在一個(gè)信號改造區(qū)段示范其CB TC 技術(shù)。經(jīng)過示范, N YCT 認(rèn)為CBTC 是最適合改造其信號系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的方案,并選擇了一家供應(yīng)商(Siemens) 作為項(xiàng)目“領(lǐng)跑者”和另外兩家供應(yīng)商(Alcatel ,Alstom) 作為“跟隨者”。在項(xiàng)目二期, CB TC 將被安裝并作為N YCT 的CBTC 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。按照安裝合同,“ 領(lǐng)跑者”必須提供詳細(xì)的互聯(lián)互通的接口規(guī)范以便兩個(gè)“跟隨者”能按照規(guī)范生產(chǎn)兼容產(chǎn)品并進(jìn)行示范試驗(yàn)。
對于互聯(lián)互通的氣隙接口標(biāo)準(zhǔn),紐紐地鐵采用了由“領(lǐng)跑者”制定的非開放的標(biāo)準(zhǔn),Alcatel 決定購買其通信設(shè)備,而Alstom 決定開發(fā)兼容產(chǎn)品。
3 　在中國城市軌道交通的應(yīng)用
3. 1 　在武漢和廣州的應(yīng)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(tǒng)。該系統(tǒng)采用移動(dòng)閉塞技術(shù),能夠?qū)嵤┛煽康牧熊囎詣?dòng)監(jiān)控(A TS) 并能使4 節(jié)編組列車以80 km/ h 的最高速度在高架雙線上安全運(yùn)行。系統(tǒng)通過指揮中心的主電腦控制列車運(yùn)行,可實(shí)現(xiàn)無人駕駛、定點(diǎn)停車和無人自動(dòng)折返,但為了安全需要仍配備了司機(jī)。系統(tǒng)采用車載信號系統(tǒng),另外仍安裝軌旁信號機(jī)以作應(yīng)急用。此外,系統(tǒng)還設(shè)有一套“功能后退模式”,以確保在極罕見的情況下系統(tǒng)發(fā)生了影響正常運(yùn)營的故障時(shí)運(yùn)營不會(huì)中斷。其首期工程將在2004 年投入運(yùn)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(tǒng)。該系統(tǒng)可使列車行駛速度高達(dá)120 km/h , 并大大縮短行車間隔,從而大幅度提高運(yùn)營效率。該線將在2006 年投入運(yùn)營。
3. 2 　在上海的應(yīng)用前景
隨著通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,采用無線CB TC 作為新的列車控制技術(shù)或替代原有的信號系統(tǒng)已經(jīng)成為國際上大多運(yùn)營商的共識(shí)。
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(diǎn),看遠(yuǎn)一點(diǎn),想深一步”的精神,考慮到上海市軌道交通即將形成網(wǎng)絡(luò)的前景,對新建線路信號系統(tǒng)的規(guī)范化以及對既有信號系統(tǒng)的升級改造以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的互聯(lián)互通已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急[ 5 ] 。因此, 在選擇A TC 系統(tǒng)技術(shù)與制式時(shí),必須充分考慮以下幾點(diǎn):
第一,有利于實(shí)現(xiàn)不同線路間的互聯(lián)互通,應(yīng)采取開放式的國際標(biāo)準(zhǔn)而非某一家供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn);
第二,積極吸取國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),開放市場, 鼓勵(lì)競爭,減少備件品種,防止壟斷,減少培訓(xùn),降低系統(tǒng)的生命周期成本,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)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(tǒng)升級預(yù)留空間;
第四,對既有線路的升級改造,必須考慮既有系統(tǒng)的充分利用和近期實(shí)施的可能性,分步實(shí)施,逐步升級。
無線CB TC 具有卓越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,同時(shí)由于采取了開放的國際標(biāo)準(zhǔn),使系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通, 并有利于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)備國產(chǎn)化, 因此無線CB TC 在國內(nèi)的應(yīng)用前景是十分廣泛的。

參考文獻(xiàn)
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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