CBTC系统资料

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一.移动闭塞系统工作原理和特点

上面我们介绍的是以轨道电路为传输信道，以传输“目标速度”为主要内容的ATC系统，这是当前我国列车自动控制系统的主要模式，从闭塞的概念分析，它们都可以归属于“准移动闭塞”的范畴，后续列车与先行列车之间的行车间隔都与闭塞分区的划分有关，也就是说，后续列车与先行列车不可能运行在在同一个闭塞分区，后续列车必须保证在先行列车所占用的闭塞分区的分界点前停车。如图33所示。

图33. 不同闭塞制式的列车运行间隔示意图

图中所示速度码制式的图例，可以对应于音频无绝缘轨道电路的ATC系统；准移动闭塞的图例可以对应于目标速度制式的ATC系统，这些制式下为了缩短行车间隔，必须缩小轨道区段的长度，当然要增加轨道电路的硬件设备；对于不同列车编组的运行线路，更是难以实现。

移动闭塞（Moving block）是缩小行车间隔，提高行车效率的有效途径，其列车运行的安全保证，不再依赖轨道电路的划分，而基于列车与地面的双向通信，如图33所示，使后续列车与先行列车之间始终保持制动距离，加上动态安全保护距离。

移动闭塞系统相比现有的ATC系统主要有以下特点： 1、可以缩小列车之间的行车间隔；

2、车－地之间的信息交换，不再依赖于轨道电路；

3、车辆控制中心掌握在线运行各次列车的精确位置和速度； 4、列车与控制中心之间保持不间断地双向通信；

5、不同编组（不同长度）的列车，可以以最高的密度，运行于同一线路； 6、ATC系统，从一个以硬件为基础的系统，向以软件为基础的系统演变。

基于通信的列车运行控制系统（Communication - Based Train Control—简称CBTC系统）, 便是支持移动闭塞的列车运行控制系统，它不仅适用于新建的各种城市轨道交通，也适用于旧线改造、不同编组运行以及不同线路的跨线运行。近年来，随着通信技术的发展，尤其是无线通信、计算机网络技术和数字信号处理技术的迅速发展，信号系统的冗余、容错技术完善，在信号这个传统领域为CBTC的发展奠定了基础， CBTC系统已逐渐被信号界所认可，基于感应环线通信的移动闭塞CBTC系统，在我国也已运用于城市轨道交通；而基于无线（Radio）通信虚拟闭塞的CBTC系统，已经在国外多个城市轨道交通中被采纳，我国某些大城市的城市轨道交通也已经决定选用这种制式。下面我们先对基于感应环线通信的移动闭塞CBTC系统进行一些分析，然后对基于无线（Radio）通信虚拟闭塞的CBTC系统作些介绍。

二.基于感应环线通信的移动闭塞制式CBTC系统

移动闭塞系统在城市轨道交通中运用的前提，是实现列车与地面的双向实时通信，而双向通信的地面有线设备，目前主要有两种方式，一种是在全线敷设用于发送微波的波导管，这种制式的移动闭塞，已于2003年初，在国外的城市轨道交通中得到运用；另一种是利用敷设于全线的感应环线进行双向通信，这种制式的移动闭塞，在国外早已经得到运用，目前我国至少有两个城市的轨道交通，决定采用这种制式。由于篇幅所限，尽可能结合国内的实际情况，这里主要介绍基于“感应环线”通信的移动闭塞CBTC系统。

移动闭塞原理示意图，如图34所示。

图34、移动闭塞原理示意图

（一）移动闭塞系统的基本构成

移动闭塞系统由系统管理中心（SMC）；车辆控制中心（VCC）；车载设备（VOBC）；车站控制器（STC）；感应环线通信系统设备； 车场系统设备；车站发车指示器、站台紧急停车按钮、接口等设备组成。如图所示，系统管理中心与车辆控制中心进行双向通信，完成对所有列车的自动监控；车辆控制中心与全线的列车进行不间断地双向通信，所有的列车将其所在的精确位置和运行速度，报告给车辆控制中心；车辆控制中心在完全掌握所有列车的精确位置、速度等信息的前提下，告知各列列车运行的目标停车点；列车接收车辆控制中心发来的目标停车点信息，车载计算机根据允许运行的距离、所在区段的线路条件及列车的性能等，不断地计算运行速度，自动地完成速度控制。车辆控制中心还与车站联锁装置通信，完成列车进路的排列。

1、系统管理中心（SMC）的构成

系统管理中心，对系统进行全面的协调管理，完成所有的列车自动监控功能。其设备设于运营控制中心（OCC），系统的软件/硬件都按模块化的原则设计。其主要硬件部分包括：

（1）系统管理中心工作站。除系统服务器外，还配置调度员工作站、调度长工作站、模拟显示工作站、系统维护工作站、运行图编辑工作站及车场监视工作站。

（2）运行图调整服务器（SRS）。冗余的运行图调整服务器，通过系统管理中心I/O与车辆控制中心相连，以实现运行图调整服务器与车辆控制中心的通信，运行图调整服务器还与SCADA、时钟、无线等系统接口。

（3）数据日志服务器，冗余配置，它可以保留二个月以上的运行数据。

（4）网络通信设施。包括：系统管理中心的双局域网、冗余交换机、与光纤传输通道的冗余接入设施、与培训中心及综合维修基地连接的通信设施等。

（5）车站控制器紧急通路（SCEG），当车辆控制中心出现故障，不能对系统进行控制时，管理中心通过车站控制紧急通路，直接与车站控制器（STC）进行通信连接，实现对在线列车和轨旁设备的监控。车站控制器紧急通路有紧急通路切换开关设备、协议转换单元（PCU）组成，每台协议转换单元可与两台车站控制器进行通信连接。

（6）系统管理中心I/O机架。

（7）投影模拟显示系统。包括：模拟显示控制工作站，及背投模拟显示屏。

还有车场系统管理中心工作站，综合维修基地监测工作站、仿真及培训远程终端设备等。 2、车辆控制中心（VCC）的构成

车辆控制中心，位于运营控制中心，它有以下主要部分构成：

（1）车辆控制中心的中央计算机。中央计算机采取三取二的配置，它包括三台工业级计算机，以及相关的输入/输出接口；三个中央处理单元通过显示/键盘选择开关，来共享一个显示和键盘；还有通用接口盒、电缆分线盒等。

（2）车辆控制中心的I/O机架。主要设备有：多路复用输入设备；中央同步设备；电源、定时器、保险丝等。

（3）车辆控制中心的数据传输架。 （4）车辆控制中心的调度员终端。

（5）中央紧急停车按钮（CESB）。它与车辆控制中心接口，当调度员按下该按钮，将封锁所有的轨道，而且所有的列车立即停车；当紧急停车按钮中插入钥匙后，才可以解除。

车辆控制中心还设有数据记录计算机、打印机等其他设备。 3、轨旁设备

轨旁设备，主要有车站控制器（STC）；感应环线通信系统；系统管理中心的车站工作站等设备。

（1）车站控制器，设于设备集中站，每个车站控制器都有一个道岔安全控制器，其中带冗余的双CPU固态联锁控制器，是车站控制器的核心单元。车站控制器通过双共线调制解调链路与车辆控制中心通信，它有调制、解调器机架、接口盘、电源机架、预处理器及其机架等组成。

（2）感应环线通信系统，位于设备室和轨旁，它有以下设备组成：馈电设备（FID）；入口馈电设备（EFID）；远端环线盒；感应环线电缆；支架等。感应环线电缆由扭绞铜制线芯和绝缘防护层组成，环线敷设于轨道之间，每25米交叉一次。

（3）系统管理中心的车站工作站，由工业级计算机和接入设备组成，其接入光纤通信环网，实现与系统管理中心的远程通信。它与车站控制器接口，实现车站的本地控制；还与旅客信息向导系统等设备接口。

轨旁设备还包括：站台紧急停车按钮；站台发车指示器；车站现地控制盘；及信号机、转撤机等现场设备。

4、车载设备

ATC车载设备主要包括：车载控制器（VOBC）及其外围设备。

（1）车载控制器，由电子单元（EU）、接口继电器单元（IRU）、供电单元等组成。电子单元包括天线滤波器、高频接收器、数据接收器、数据发送器、高频发送器、定位计算机、

双CPU处理单元、输出/输入端口、发送/接收卡、车辆识别卡、输出继电器、距离测量控制、转速表放大器等。接口继电器单元包括：继电器面板、滤波/防护模块、电子单元与接口继电器单元的互联电缆等。

（2）车载控制器的外围设备包括天线，（每个车载控制器设2个接收天线和2个发送天线）；速度传感器，每个车载控制器设二个速度传感器；司机显示盘（TOD），每列车设置两套。

（3）接口。信号系统内部接口包括：与信号监测子系统的接口；与电源子系统的接口；与模拟显示屏的接口；与发车指示器的接口；与中央紧急停车按钮的接口；与信号机、转辙机等继电器控制电路的接口；与车站现地控制盘及站台紧急停车按钮的接口；与车场的接口；人机接口；主系统内部间的接口等。

信号系统外部接口包括：与无线通信系统的接口；与时钟系统的接口；与通信传输系统的接口；与旅客信息系统（包括车上）的接口；与车辆的接口；与车辆管理系统的接口；与电力SCADA系统、FAS系统、BAS系统等的接口等。

（二）系统功能

基于感应环线通信的移动闭塞系统，能实现90秒的最小运行间隔。后续列车与前一列车的安全间隔距离，是根据列车当前的运行速度、制动曲线，以及列车在线路上的位置而动态计算出来。由于列车位置的定位精度高，因此，后续列车可以在该线路区段，以最大允许速度，安全地接近前一列车最后一次确认的尾部位置，并与之保持安全制动距离，如图35所示。

图35.移动闭塞目标点示意图

该“安全距离”是指后续列车的指令停车点（目标点）与前一列车尾部位置之间的一个固定距离，它是以最不利情况发生时，仍能保证安全间隔为前提计算而得。假如列车采用常用制动，列车可以停在目标点，当常用制动失效，实施紧急制动时，除了紧急制动所需时间外，必须增加系统作用时间和牵引停止到紧急制动启动的延时时间，这种情况下列车真正的停车点并不是目标点，而是远于目标点，但必须停在安全距离的范围内。

为了确保列车的安全运行，列车必须连续不断地接收目标点的更新信息，系统设定列车在3秒内，收不到信息，就判断为通信发生故障，迫使列车紧急停车，保证列车运行安全。目标停车点的周期性前移，主要取决于前一列车向前移动，和其他限制被解除。在车辆控制中心，接收来自列车和现场设备的输入报文，当确认输入报文有效后，才产生相应的指令报文。系统管理中心对整个系统内的列车进路，及运行图/时刻表进行管理，并向负责联锁及道岔控制的车辆控制中心发出排列进路的请求，完成道岔联锁功能。一旦车辆控制中心确认道岔已锁在规定位置，才允许列车通过该道岔。在车辆控制层，车载控制器将确保列车的特定功能（如实施速度限制和车门控制等）的安全控制，均在车辆控制中心限制范围内，车载控制器对来自车辆控制中心的报文，校核其冗余性、一致性、合理性，然后解译，并执行该报文。当然它只对该列车（地址）为报头的报文作出反应，如果报文不是特定选址某一列车，那么车载控制器只从该报文提取环线识别号。以识别从一个环线段至下一个环线段的转换。移动闭塞系统功能框图见图36所示。

1、管理层——系统管理中心（SMC）

系统管理中心，负责列车自动控制系统的全面管理。它起着系统与中心调度员及系统其他用户间接口的作用，它除了监控和显示列车位置、调整列车运行、排列列车进路、实现停站时间控制等功能外，还具备以下功能：调度列车投入运营（增加或减少投入运营的列车）；运行图/时刻表管理（包括时刻表的生成、指定和取消）；自动调整列车运行（调整列车速度和停站时间）；监测列车性能的状况并收集ATO数据；自动跟踪列车；监督列车位置、速度、运行方向；指挥列车操作和排列进路（联锁控制）；优化折返作业；列车及线路的报警等。

图36. 移动闭塞系统功能框图

（1）系统管理中心的中央工作站： ① 系统维护工作站

所有工作站都由系统维护工作站管理，也即系统维护工作站对网络中的计算机系统进行维护，该工作站主要监视SMC网络性能，进行记录和对整个系统进行诊断和维护。

② 运行图/时刻表编辑工作站

运行图/时刻表编辑工作站，可以在离线情况下对运行图/时刻表进行编辑，完成的运行图/时刻表文件，通过局域网传送到系统管理中心，也可以进行在线编辑。

③ 调度员工作站

调度员和调度长工作站实时监督在线列车的运行，并可实现列车运行的人工控制。 （2）系统管理中心的车站工作站

所有系统管理中心的车站工作站，都接入光纤通信环网，实现与中央系统管理中心的通信。车站工作站，可以实现与控制中心调度员工作站相同的功能，受系统维护工作站管理，

由调度员授权，并对其授权管辖区域进行控制和监视。车站工作站，对车站控制器（STC）

进行监视和现地控制。可以实现以下本地控制功能。

① 系统在正常情况下，根据控制中心的授权，车站工作站可以对本站进行控制，控制命令通过光纤骨干网首先传回系统管理中心，然后经过车辆控制中心返回本站车站控制器，执行相关命令。

② 当系统管理中心正常，车辆控制中心全面故障的情况下，车站工作站，仍将控制命令首先传回系统管理中心，在中心切换车站控制器紧急通路（SCEG），通过车站控制器紧急通路传递至本站车站控制器，以实施有关控制。

③ 在特殊情况下，由中央授权，车站值班员进行转换操作，车站工作站可以直接与本地车站控制器通信，这时车站工作站可作为现地控制盘使用。

④ 当系统管理中心、车辆控制中心全面故障，车站工作站，实现对车站控制器及室外设备等车站设备的控制。

⑤车站工作站通过光纤通信网，向系统管理中心传输所管辖范围内的表示信息。 ⑥车站工作站，还作为旅客向导系统的接口。 （3）运行图/时刻表调整服务器（SRS）

该服务器的主要功能，是为系统管理中心提供运行图/时刻表调整，和自动排列进路。时刻表调整服务器还可以提供列车运行预测引擎，也即可以预测当前时间之后的一个时间段内，列车运行情况，以便为旅客向导系统提供准确的信息。

当系统管理中心的时刻表调整服务器与车辆控制中心的主连接发生故障（包括时刻表调整服务器故障）时，自动切换开关，将通信连接切换到备用的时刻表调整服务器计算机。

该服务器还完成与其他系统（SCADA、时钟、无线、消防等）进行接口的功能，并实现与车站工作站的通信。

（4）局域网

网络交换机是冗余的，所以单台网络交换机的故障不会造成通讯的丢失。网络交换机为系统管理中心工作站、服务器、打印机等提供局域网连接。

系统管理中心调制解调器连接到车辆控制中心的数据传输架的调制解调器，对来自在线时刻表调整服务器的串行请求报文进行调制，对来自车辆控制中心的响应报文信息进行解调，转换成串行数据格式后，提供给通信处理器使用。

（5）加强型的车站控制器紧急通路（SCEG）

当车辆控制中心发生严重故障，调度员可以避开车辆控制中心，从控制中心对道岔进行人工控制，通过系统管理中心直接与车站控制器通信。

车站控制器紧急通路有转换盒和调制解调器等单元组成，转换盒位于运行控制中心的两台协议转换单元（PCU）之间，（每台协议转换单元与车站控制器进行通信）。协议转换单元与系统管理中心的数据记录服务器有一个串行连接。这些组件使中央调度员可以转移车辆控制中心对道岔的控制，并通过在系统管理中心输入命令直接与车站控制器通信。

在运行控制中心，激活车站控制器紧急通路开关，从物理上断开了车辆控制中心与车站控制器的通信连接，并将系统管理中心与车站控制器连接起来。来自车站控制器的信息从车辆控制中心改变路线到协议转换单元。协议转换单元对信息进行解码，解码后的信息传送到数据记录服务器，并转发至时刻表调整服务器进行处理。

中央调度员，可以在系统管理中心输入道岔转动的请求。请求被送到协议转换单元，协议转换单元发送请求至车站控制器，车站控制器确保道岔安全转换。

2．运营层——车辆控制中心（VCC）

车辆控制中心提供列车自动防护（ATP）功能。具体而言

（1）车辆控制中心子系统，完成集中联锁功能和排列进路功能。也即车辆控制中心接收调度员的指令并按照联锁条件排列进路。

（2）保证列车的自动运行安全间隔和控制列车自动运行。车辆控制中心保证整个系统中列车的安全间隔。车辆控制中心以“前一列车尾部”最后一次确认的位置为基础，考虑到道岔故障、区段封锁等影响安全制动的因素，向后续列车传送与先行列车之间的最小的安全间隔距离信息，也即后续列车运行的目标点。所以列车自动运行而无需司机或调度员干预，是通过列车跟踪和移动授权这两个功能实现。车辆控制中心通过连续地轮询各个车载控制器，实时地得到列车位置信息来跟踪所有列车；移动授权是通过车辆控制中心连续地向车载控制器发送下一个安全停车位置（目标点）信息来实现。

对列车的控制，由车辆控制中心与车载控制器的通信完成，车辆控制中心可以发出实施牵引或制动，设置速度限制和制动率、停车站以及开、关车门等命令。车辆控制中心根据最后一次报告的列车车速和位置、行驶方向、前一列车最后一次被证实的位置、限速、停站和地面设备状态等实时信息，生成一个包含有目标点，最大允许速度和其它指令报文。

（3）车辆控制中心还负责对中央紧急停车按钮、车站站台紧急停车按钮、车站现地控制盘的状态进行监督，并作出反应，这些设备的状态信息，由车站控制器向车辆控制中心提供。

3．动作层——加强型车站控制器（STC）、车载控制器（VOBC）、感应环线等的功能。 （1）车载控制器

①确保列车安全运行

车载控制器负责完成车载ATP/ATO功能。车载控制器不断地与车辆控制中心进行通信，在ATP保护下进行牵引、制动及车门控制。对超速、目标点冒进、及车门状态进行安全监督，以确保列车在允许的包络线内运行；当无法继续安全运行时，自动实施紧急制动。

车载控制器，负责列车在车辆控制中心控制区域的自动运行，每列车装有主/备两套车载控制器，每端一套，车辆控制中心命令其中一套激活工作，另一套处于备用模式，备用车载控制器，监督工作中的车载控制器单元是否正常工作，如果出现故障或车辆控制中心命令切换时，立即接管工作，激活的车载控制器负责车载ATP/ATO的功能。正常情况下，激活工作的ATP/ATO，与列车前部司机显示单元通信，当车载控制器故障时，备用车载控制器激活，并与列车前部显示单元通信。

②车载控制器确保列车的定位精度

车载控制器的定位，以敷设于轨道间的感应环线上的信息，和安装于车辆轮轴的速度传感器的信息为基础，每段感应环线都有对应的环线编号，也即车载控制器通过感应环线编号，及计算从每个环线起点开始的环线交叉点，给线路上的列车初步定位，更进一步的精确定位，要通过速度传感器，来测量列车从上一个交叉点起所走行的距离来实现。车载控制器传送到车辆控制中心的列车位置分辨率为6.25米，它是根据感应环线25m交叉一次，以25m除以4，作为车载控制器向车辆控制中心传送列车所在位置的数据，车载控制器与安装在列车底部的加速计、速度传感器、天线等配合能识别和处理列车车辆的打滑、空转、并进行车轮轮径的补偿。

③解码与编码

车载控制器对发自车辆控制中心的命令进行解码，并控制列车不超出车辆控制中心指令的速度和距离界限；同时向车辆控制中心传送列车位置、速度、行驶方向及车载控制器状态等数据。车载控制器的校核冗余微处理器，通过冗余性、合理性和一致性校核，测试来自车辆控制中心的报文，然后进行解码，车载控制器只对发给自己的报文作出反应。

⑵感应环线通信系统

感应环线数据通信是车辆控制中心和车载控制器之间交换信息的手段，为了进行准确和可靠的数据通信，与传输数据所伴随的冗余位，保证了被干扰的数据不被接受。也即通过在所有包含安全信息的数据信息中，使用循环冗余校验（CRC）来实现的。另外传输的数据被周期性更新。

交叉感应环线与车载控制信息之间进行的双向数据通信。车辆控制中心呼叫区域内的每一列车，并从每一个车载控制器得到信息，通过“通信安全性测量”来保障车―地通信的可靠性和安全性，。

①车―地通信频率

车到地的通信使用的频率为56KHz； 地到车的通信使用的频率为36KHz。 ②车辆控制中心到车载控制器命令报文 报头：用于确定报文的开始部分；

冗余：CRC码，提供信息质量/完整性的检查；

信息内容包括：车载控制器所在环路编号；列车运行目标点；运行方向（上行/下行）；车门控制（开/关，左/右）；最大速度；车载控制器编号；车载控制器命令启动/备用；用于慢行区的目标速度；使用非安全码向车载控制器传递特殊数据；制动曲线；停车；列车编号；车载旅客广播信息号；下一个目的地（车站或轨道区段）；紧急制动控制；当前位置的平均坡度；来自系统管理中心的特殊ATC机车显示信息等。

③车载控制器到车辆控制中心的状态报文 报头：用于确定报文的开始部分；

冗余码，CRC提供信息质量/完整性的描述。

信息内容包括：车载控制器编码；列车操作模式；紧急制动状态；列车门状态（开/关）；列车完整性状态；车载控制器启动/备用；车载控制器所在地实际环路的编号；运行方向（上行/下行）；列车所在环路的位置；实际速度；故障报告（例如：自动门切换位置、ATP倒车状态、无人驾驶状态）等。

（3）加强型车站控制器

车站控制器的控制功能由来自车辆控制中心的指令报文启动，车站控制器采集所有轨旁设备的状态信息，并报告给车辆控制中心。

①正常运营情况下，所有联锁功能都由车辆控制中心完成。车站控制器可在现地操纵模式下，完成道岔转动。也即在中央授权下，将车站控制器所在地的车站工作站，与车站控制器相连，选择现地操纵模式。而当车辆控制中心与系统管理中心故障时，车站控制器自动转为现地操纵模式。当车站控制器处于现地操纵模式时，车站工作站就可以向车站控制器发送指令，并接收车站控制器的状态信息。

②一旦车站控制器处于现地操纵模式时，道岔的只能由车站工作站转换，而不是由车辆控制中心操纵。处于现地操纵模式下的道岔，不允许自动运行模式的列车和ATP防护人工模式的列车通过，只有限制人工模式及非限制模式的列车通过。

① 带冗余的双CPU的固态联锁控制器（INTERSIG）是车站控制器的主要单元。车站控制器 通过双共线调制解调器链路与车辆控制中心通信。车站控制器为车辆控制中心提供联锁逻辑信息；而车辆控制中心将联锁逻辑命令发送给车站控制器，车站控制器执行车辆控制中心的命令，对相应的轨旁设备进行控制。

所以车站控制器所提供的功能可以归纳为：道岔控制和表示采集；监督并报告，中央紧急停车按钮、车站现地控制盘上紧急停车按钮、及站台紧急停车按钮的状态；信号机的点灯和灯丝报警；与车辆控制中心通信；与车站工作站通信等等。 三.基于无线通信（Radio）的虚拟闭塞CBTC系统

上面我们介绍了基于感应环线的移动闭塞CBTC系统，近年来随着无线通信可靠性技术的提高，以及通信协议和国际标准接口的制定，基于无线（Radio）通信的CBTC系统，已在美国旧金山机场投入运行，纽约、西雅图等北美的五个城市正在建设之中，其后，法国的巴黎的13号线、瑞士的洛桑地铁、亚洲的香港竹篙线、韩国国铁及和台湾地区等，都已经决定采用最新的无线（Radio）通信CBTC系统，计不完全的统计，全世界正在建设和已经签署合同的此类系统的线路，多达13条。下面我们简单地介绍一下基于无线(Radio)通信的列车控制系统的系统结构。

微处理器技术的发展，促使ATC系统从一个以硬件为基础的系统向以软件为基础的系统演变；移动通信技术的发展，尤其近5年来，无线局域网（WLAN）技术的成熟，接口标准的制定，开放的标准的数据通信系统(DCS)，极大地推进了无线ATC系统的发展进程。

三.基于无线通信（Radio）的虚拟闭塞CBTC系统

上面我们介绍了基于感应环线的移动闭塞CBTC系统，近年来随着移动通信技术的发展，无线通信可靠性技术的提高，以及通信协议和国际标准接口的制定，基于无线（Radio）通信的CBTC系统，已在国外投入运行。微处理器技术的发展，促使ATC系统从一个以硬件为基础的系统向以软件为基础的系统演变；尤其近5年来，无线局域网（WLAN）技术的成熟，接口标准的制定，开放的标准的数据通信系统(DCS)，极大地推进了无线CBTC系统的发展进程。纽约、西雅图等北美的五个城市正在建设之中，其后，法国的巴黎的13号线、瑞士的洛桑地铁、亚洲的香港竹篙线、韩国的国铁及和台湾地区等，都已经决定采用最新的无线（Radio）通信CBTC系统，计不完全的统计，全世界正在建设和已经签署合同的此类系统的

线路，已超过13条，2005年，我国上海轨道交通8号线也已经决定选用基于无线通信的CBTC技术，这对于推动我国城市轨道交通乃至于铁路系统无线CBTC发展，无疑有着积极的意义。由于无线CBTC系统的相关标准正在制定之中，我国的第一条无线CBTC系统还正在建设的过程中，目前还不可能提供详细的技术资料，下面我们简单地介绍一下基于无线(Radio)通信的列车控制系统的系统结构。

无线CBTC系统是指通过无线通信方式（而不是轨道电路），来确定列车位置和实现车地双向实时通信，从而实现自动控制列车运行的信号系统。列车上的车载控制器，通过探测轨道上的应答器，查找它们在数据库中的方位，确定列车绝对位置，而且列车本身自动测量、计算自前一个探测到的应答器起，已行驶的距离，确定列车的相对位置。列车车载控制器，通过列车与轨旁设备的双向无线通信，向轨旁CBTC 设备报告本列车的精确位置。轨旁CBTC 设备，根据各列车的当前位置、运行方向、速度等要素，同时考虑列车运行进路、道岔状态、线路限速以及其它障碍物的条件，向列车发送“移动授权极限”，即向列车传送运行的距离、最高的运行速度，从而保证列车间的安全间隔距离。 （一）无线CBTC系统设备（例）

无线CBTC系统主要的子系统，有列车自动监控（ATS）系统、数据通信系统（DCS）、区域控制器(ZC)、车载控制器(VOBC)及司机显示等。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，都是基于无线（Radio）通信进行信息交换。

下图为CBTC系统设备的典型配置，它包括控制中心、车辆段、轨旁，以及车载的设备。

图37.CBTC系统设备示意图（例） 1、控制中心内的ATS 设备包括：

2 套冗余ATS 服务器；1 台网络时钟服务器；3 台调度员工作站（每个工作站配有2 台LCD 显示器）；1 台调度员工作站用于车辆段监控；2 台调度员打印机；2 台冗余配置的数据日志记录器；2 台冗余配置的数据记录器；1 台维护工作站和打印机；1 台运行图编辑器和彩色激光打印机；1 台打印服务器；1 台绘图机；2 台高速网络激光打印机。

控制中心设备还包括数据存储单元DSU，这是一个安全设备，它具有3台处理器，为冗余的3 取2 配置。

1、 数据通信系统（DCS）设备所有设备都和数据通信系统（DCS）相连。DCS 设备包括：轨旁光纤骨干网，轨旁无线设备接入点（AP），车载无线设备，联锁站和控制中心室的网络和交换机 。

3、分布式的轨旁设备

在具有联锁功能的车站，配有区域控制器（ZC）和其它相关设备。区域控制器 具有3台处理单元，为冗余的3 取2 配置。而且区域控制器是模块化结构，具有可再配置、可再编程和可扩展性。所有区域控制器设备和数据通信系统骨干网的连接都是冗余（双）连接。

每个联锁车站设有一个ATS 工作站，该工作站与数据通信系统系统冗余连接。在中央ATS 故障时，可以进行本地控制。每个联锁车站都有一台数据记录器，记录区域控制器之间传送和接收的网络信息。 4、车载设备：

列车上的设备包括：一个车载控制器（VOBC），两个移动无线设备和两个司机显示器（TOD）。车载控制器具有3 台处理单元，为冗余的3 取2 配置。车载控制器也是模块化结构，具有可再配置、可再编程和可扩展性。

司机显示与车载控制器接口，给出以下显示：对司机的信息显示。最大允许速度、当前运行速度、到站距离、列车运行模式、停站时间倒计时、系统出错信息等。司机输入信息。输入司机身份、列车运行模式、及其它开关、按钮的输入。

（二）CBTC系统的系统结构

CBTC系统结构概念示意图，如图38所示，，从CBTC系统结构概念图可以看出，CBTC的主要组成部分有：ATS： 列车自动监控子系统DSU： 数据库存储单元ZC ： 区域控制器VOBC：车载控制器DCS ：数据通信系统（包括骨干网、网络交换机、无线接入点、及车载移动无线设备）；

系统的安全型组成部分，是列车上的车载控制器(VOBC)，轨旁区域控制器(ZC)和位于中央的数据库存储单元(DSU)

列车控制子系统之间的逻辑接口有：列车自动监控（ATS）与区域控制器；ATS与车载控制器；ATS与司机显示；ATS与数据通信系统（DCS）；区域控制器与车载控制器（本区域内的列车）；区域控制器与区域控制器；车载控制器与司机显示；车载控制器与车载控制器（同一列车）。

1、 车载控制器（VOBC）车载控制器，通过检测轨道上的应答器，从数据库中检索所收到的数据信息，以建立列车的绝对位置；车载控制器测量应答器之间的距离，并测量自探测到一个应答器后，列车所行驶的距离。数据库包括了所有相关的轨道信息，包括道岔位置、线路坡度、限速、停站地点等。

车载控制器具备列车自动防护（ATP）子系统和列车自动运行（ATO）子系统的所有功能。车载控制器主动开始与区域控制器（ZC）的通信。这意味着当列车进入区域控制器的控制区域时，无论是刚刚进入系统、或从一个区域控制器区域转移至另一个区域，列车会向区域控制器发送信息，表示列车已经进入该区域控制器的管辖区域。车载控制器, 通过数据通信系统与控制中心ATS直接通信。ATS 周期性地接收到从各列车发来的列车所在位置和列车状态报告。

图38.CBTC系统结构概念示意图

2、 区域控制器（ZC）

区域控制器，接收其控制范围内列车发出的所有位置信息；根据控制中心列车自动监控子系统ATS的进路请求，控制道岔、信号机，并完成联锁功能；并根据所管辖区域内轨道上障碍物位置，向所管辖区域的所有列车提供各自的移动授权；所谓“障碍物”包括列车、关闭区域、失去位置表示的道岔，以及任何外部产生的因素，如紧急停车按钮、站台屏蔽

门、防淹门和隔离保护门的动作等；区域控制器，还负责对相邻ZC 的移动授权请求作出相应，完成列车从一个区域到另一个区域的交接。 3、 列车自动监控子系统（ATS）

列车自动监控（ATS）子系统是一个非安全子系统，它为控制中心调度员提供人机界面。ATS的线路显示屏上，显示线路状态、信号设备状态、各列车位置、列车工作状态；同时也提供调度员的各种调度命令功能，如临时限速、车站“跳停”、关闭区域等。

ATS还具有远程控制系统所具有的设备诊断功能，包括列车的车载ATC设备的状态检测。 ATS发出排列列车进路指令。它向区域控制器发送对应于每列车的排列进路指令，排列进路的指令必须和列车所接收的进路相一致。如果排列的进路不正确（如：列车A 分配到列车B 的进路），相应的车载控制器将会检测到道岔设置和本列车的运行进路不符，从而阻止列车通过该道岔。

中央ATS（CATS）设备，位于控制中心。车站ATS(LATS)设备，位于区域控制器所在的联锁集中站的信号设备室。 4、数据库存贮单元（DSU）

数据库存贮单元，是一个安全型设备，它包含了其它列车控制子系统使用的所有数据库和配置文件。区域控制器和车载控制器之间，使用一个安全的通信协议，从数据库存贮单元下载线路数据库。线路数据库都有一个版本号，在每个区域控制器和数据库存贮单元 之间每隔一定时间，就会对版本号进行交叉检测。当列车第一次进入系统时、以及之后每隔一定时间，在车载控制器和区域控制器之间也会进行相同的检测。 5、线路示意图的数据库表示

基于无线通信的CBTC系统，轨旁定向天线与车载天线之间，通过无线基站蜂窝网进行信息交换。无线蜂窝网采用重叠方式布置，保证信息的不间断交换。

轨旁区域控制器向列车发送的数据信息中，主要是至目标停车点的“进路地图”信息，即线路的拓扑结构。线路示意图由一系列的节点和边线来表示，包括轨道的分叉、运行方向的变更以及线路尽头等位置，这些都归纳为“节点”。不同节点的位置是数据库的主要内容。而连接两个“节点”的线路称为“边线”（Edge）。每个边线均有一个从起始节点到终止节点的默认运行方向，“边线”上的任何一点均由其与起始节点的距离来表示，这称为“偏移”（Offset）。所以线路上的位置均有“边线”、“偏移”矢量来定义，包括车站站台、道岔、应答器、速度区域边界、不同坡度的线路段等等。

这些距离信息对于列车定位至关重要，因此这种方式的CBTC在轨旁，还设有用于定位校正的信标。

6、数据通信系统（DCS）

数据通信系统开放性的系统设计原则是：对所有列车控制子系统提供IEEE 802.3（以太网）接口；对列车控制子系统是透明的；符合实时和吞吐量要求。列车控制子系统之间发送和接受IP 报文，其中大多数列车控制子系统是移动的。数据通信系统对于这些传输的信息是完全透明的。

数据通信系统传送的是安全控制信息，但它本身不是一个安全系统。IEEE802.3 以太网标准用于整个局域网（LAN）；IEEE802.11 跳频、扩频技术的无线标准，用于网络内的所有无线移动通信。

与数据通信系统相连的任何两个节点之间，可以相互通信。数据通信系统可以在下列设备之间传送信息：区域控制器和相邻的区域控制器；区域控制器和车载控制器；ATS 和区域控制器；ATS 和车载控制器；ATS 和数据库存贮单元；数据库存贮单元和车载控制器；数据库存贮单元和区域控制器。 （1）数据通信系统（DCS）结构

数据通信系统，对所有的列车子系统都是透明的，子系统之间的通信采用UDP/IP协议，数据通信系统完成报文通路，由于列车控制数据只占用不到10％的数据通信系统带宽，所以允许系统实现其它附加功能，如旅客广播系统（站台和车内）、旅客向导系统（站台和车内）、远程SCADA设备，以及车载视频监视系统等。

数据通信系统的系统结构图39所示。

图39.无线CBTC的数据通信系统结构框图

（2）如何保证数据通信安全

由于采用无线通信，所以使数据通信公开化，如何保证数据通信的安全是个难题，为此采用以下解决方案：

DCS安全系统使用标准的通信协议和动态的密钥管理，确保报文认证和编码的保密性，认证授权支持IKE协议，以使管理所有的密钥（证书）信息。也即所有对数据通信系统的接入，都要经过一个保安器件，所有收到的无效报文都由保安器件识别抛弃，中央认证机构，向保安器件发布认证授权证书，见图40所示。

通信协议由三个核心部分组成：真实性报头（AH）：证实一个信息包的发送身份，并证实该信息包的真实性；封装的保安有效报文（ESP）：在传输前，将一个包加密和证实；因特网密钥交换（IKE）：管理发送器和接收者保安密钥的传送（动态密钥，不断更新）， 所以一个基于开放标准的数据通信系统，提供了单一无缝隙的IP网络，有良好的IEEE 802.3接口功能，一个符合IEEE 802.11接口标准的无线局域网，并向下兼容，有充裕的带宽，可用于先进的列车控制和辅助车载性能。

图40.无线CBTC数据通信系统安全结构示意图

（3）采用开放标准接口

作为列车控制子系统间的接口标准为IEEE 802.3；作为无线通信接口标准为IEEE 802.11。IEEE 802.3和IEEE 802.11均支持互联网协议IP。 （4）列车与轨旁间采用两条数据通道

两套车载无线设备均与车载控制器连接（冗余），所以区域控制器通过两个轨旁无线设备向车载控制器传送报文。车载控制器也分别通过两个车载无线设备向区域控制器发送应答信息。

（5）无线通信技术（例）

IEEE 802.11 其指定FHSS（跳频扩频）的运营频率范围为：2.4～2.485GHz，带宽为79MHz。FHSS采用正交跳频序列，以防干扰。支持分段序列传输。支持多个WLAN蜂窝，具有桥接能力。

轨旁无线蜂窝，以100％的重叠率进行设计，保证在一个无线基站故障时，列车信号不丢失。至于车载无线设备与哪一个轨旁无线基站进行通信，取决于对信号强度的计算，如果本蜂窝区域的无线信号强度，低于某一门限值，车载无线设备会自动转换到下一个有可接收信号强度的轨旁无线电蜂窝。

（三）无线CBTC“虚拟闭塞”的主要功能

1、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。见图40所示。

图41.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)。参见图32和图34。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。

1、 列车运行控制子系统的功能

图42.CBTC列车运行控制系统的基本原理图

图42所示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。 （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；根据必须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；并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。 2、 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43所示。

图43.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，而且以三取二的冗余配置。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44所示。

（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。

图44.CBTC区域控制器功能框图

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。车载控制器的功能示意图如图46所示。

（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45所示。

图45.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。

图46.CBTC车载控制器功能框图

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