CBTC系统的发展历史

文章录入：北京华道众合  文章来源：北京华道众合  添加时间：2019/5/25

城市轨道交通的信号发展史上，列车自动控制系统（ATC）是当前最常用的一种信号系统。ATC系统有多种模式，其技术性能各有不同。
主要有三种：
第一种，单纯使用轨道电路的固定闭塞模式。这种模式下，系统无法知道列车在分区内的具体位置。
第二种，综合使用轨道电路+应答器的准移动闭塞模式。这种模式下，系统可以告知后续列车继续前行的距离，后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，从而可改善列车速度控制，缩小列车安全间隔，提高线路利用效率。但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍必须在先行列车占用分区的外方，因此它并没有完全突破轨道电路的限制。
第三种，基于通信的移动闭塞模式。这种模式下，需要列车实时的向列控中心汇报自己的位置和速度等运行参数，列控中心必须实时的为列车计算运行参数并发送给列车，此种机制的实现，需要连续式双向车-地通信系统支持，一般将这种列车控制方式，称为基于通信的列车控制系统，既CBTC系统。这是当前城市轨道交通信号发展的最新技术，也是其未来发展的最主要方向。
CBTC系统的发展历史
在采用CBTC作为ATC的主要制式之前，基于数字轨道电路和应答器的准移动闭塞是ATC的主要模式。由于这种制式具有较高的可靠性、合理的性价比，已经具有充分的运行经验，其列车运行间隔（100-150s）已能满足绝大多数轨道交通运营部门的要求，因此，这类系统至今仍是轨道交通建设的首选制式。然而，随着轨道交通的发展，这类制式的弊病也已日益凸显。
首先，由于目前世界上各种准移动闭塞的信息传输频率、通信协议等均不一致，导致了在一个城市或一个地区的轨道交通网中各条线路的列车不能实现联通联运。
其次，大多数基于数字轨道电路的准移动闭塞，为了实现调谐和电平调整，不得不在钢轨旁侧设置轨旁设备，而这对于轨道交通的日常维护工作是非常不利。
再次，由于以钢轨作为信息传输通道，因此传输频率受到很大的限制，导致车-地之间通信的信息量较低，而且传输性能也不稳定。
最后：“准移动闭塞”距真正意义上的“移动闭塞”还有差距，因此，列车运行间隔的进一步缩短和列车运行速度的提高都将受到限制。
由于基于准移动闭塞模式ATC有这些弊端，所以，从上个世纪70年代末开始，日本及欧美等国家就开始研发基于通信为基础的列车运行控制系统。
基于轨道电路的列控系统是从19世纪末开始从有到无，到蓬勃发展，把这看作是构成列车运行控制系统发展的第一阶段，那么基于通信的列车控制系统（CBTC），则标志着列车控制系统发展的又一个新的历史阶段。
CBTC是一种采用先进的通信、计算机技术，连续控制、监测列车运行的移动闭塞方式，摆脱用轨道电路判别对闭塞分区占用与否，突破了固定闭塞的局限性；实现列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大，改变了以往列车运行时信息只能由轨旁设备向车上传递，信息量少的缺点；大大减少轨旁设备，安装维修方便，在进一步完善其降级使用模式后，有利于降低运营成本；便于短编组、高密度运行，可缩短站台长度和端站尾轨长度，提高服务质量，降低土建工程投资；CBTC确立“信号通过通信”的新理念，使列车与地面(轨旁)紧密结合、整体处理，改变以往车-地相互隔离、以车为主的状态。这意味着只要车-地通信采用统一标准协议后，就易于实现不同线路间不同类型列车的互联互通。
当前，CBTC系统已经成为城市轨道交通领域的最核心技术之一，国际列车装备及制造巨头在过去几十年里纷纷研制出各种CBTC系统并迅速占领了各地市场。
作为全球城市轨道交通发展最迅速的国家，中国的CBTC市场十分巨大，研制出国产的CBTC系统不仅是降低中国地铁建设成本的需要，更是中国城市轨道交通整个产业逐渐走向国产化的历史要求。
国产CBTC系统
当前，中国的城市轨道交通发展迅速，在北京、上海这样的城市，城市轨道交通已经成为市民出行的首选方式，但城市轨道交通依然很难满足城市快速发展的需求，突出表现就是城市轨道交通的运行效率越来越难以满足市民的出行要求，导致地铁列车拥挤不堪。通过采用CBTC信号系统提高列车运营安全度、提升运行效率、缩短运行间隔便成为当前可选方案之一。
但长期以来，CBTC技术被国外个别大的企业所垄断，为了摆脱长期依赖国外进口技术的局面，我国国内信号厂商紧密跟踪国际技术发展，走自主创新研发道路，经过艰苦努力和技术攻关，探索研制出了具有独立知识产权的、先进的CBTC系统。
其中，中国铁道科学研究院、北京交控科技有限公司、北京全路通信信号研究设计院等企业走在前列。几家单位通过多年的攻关，均研制出不同类型的各种CBTC信号系统，对中国的城市轨道交通建设做出了突出的贡献。
1、FZL300型CBTC系统

FZL300型CBTC系统是北京全路通信信号研究设计院在基于数字轨道电路列控系统FZL100型的基础上，升级而成的新一代CBTC系统。
该系统主要由基于通号集团国产的中心和车站ATS子系统；通号集团国产的DS6-60型计算机联锁子系统；轨旁ATP/ATO设备，采用的是通号集团国产的DS6-60型区域控制器设备、LEU（数据传输设备，用于接收列控中心传送的数据报文并发送给有源应答器和应答器设备以及车-地通信环线设备；基于通号集团国产的FZL.Z20型车载ATP/ATO设备；数据通信子系统，有线通信网络采用基于标准协议的SDH骨干传输设备和高端的交换设备，无线通信网络采用基于WLAN协议的无线接入设备等部分组成。
FZL300型CBTC系统作为通号公司自主研发的ATC系统，其特点十分明显：①能够提供包括ATS、联锁、ATP、ATO、无线及监测设备在内的系统解决方案，且该系统还具有较高的自动化水平，可实现自动运行、时刻表、自动调整、自动进路等功能；②由于加装了TWC环线，系统的点式后备模式可实现3分钟的列车追踪间隔要求，提高了运行效率；③支持不同类型、不同控制等级的列车混运，系统可自动识别上述列车，并自动提供相应的间隔防护；④可实现中心及本地两级控制，在ATS完全故障的情况下，可自动转换至联锁设备控制，对行车调度具有很高的可用性。
根据通号公司发布的信息显示，FZL300型CBTC系统在2008年开始系统的研制工作，2011年完成软件研发和室内测试，2011年底准备开展现场试验工作，2012年，该系统的部分子系统已通过了欧标SIL4级认证，还有一些子系统将相继通过劳氏安全认证。
该系统的各个子系统平台在伊朗地铁，唐山中低速磁浮试验线，长春轻轨3、4号线等工程中均有应用。
2、LCF-300型CBTC系统

LCF-300型CBTC系统是北京交控科技有限公司依托北京交通大学、轨道交通控制与安全国家重点实验室、轨道交通运行控制国家工程研究中心自主创新研发的，目前在国内应用最成熟的一套CBTC系统。
在2010年1月25日大连举行的“CBTC自主创新及其经验总结新闻发布会”上，相关专家评论道，LCF-300型CBTC系统首次采用了自主设计的包含基于无线自由波/波导管的CBTC控制、基于应答器的点式控制及基于计轴的站间联锁控制等三级控制方式的系统方案，完成了区域控制中心、数据通信系统、车载设备等CBTC系统核心设备的工程化样机研制；首次在前期研究成果的基础上，按照工程化标准，在大连快轨三号实际运营线建立的全长8.9公里城轨CBTC系统中试试验线；首次实现了CBTC系统ATO控制下移动闭塞多车追踪运行、区域控制中心切换、无线自由波与波导管结合车地信息传输、屏蔽门控制等ATP/ATO系统的各项功能，系统性地进行了自主研发CBTC系统的静态、动态试验与系统稳定性测试等；试验表明CBTC系统各项技术指标达到中试预期的目标和要求，为北京亦庄线示范工程的成功实施奠定了坚实基础。
另外，LCF-300型CBTC系统是一个基于无线的移动闭塞系统，实现了工程化的拼图式产品体系，且轨旁设备少、设备体积小、价格低；根据列车自主定位，通过计算后续列车的位置，给出最佳制动曲线，切实提高了区间的通过能力；通过与车辆的配合，实现了开门状态下的折返，节省了折返换端时间，提高了系统的折返能力；完整的驾驶台和完备的数据记录故障诊断功能。
目前，该系统已成功获得了英国劳氏总部批准颁发的一般产品安全证书，其主要安全功能满足SIL4要求，且已经已应用于北京地铁亦庄线、昌平线、14号线、7号线等线路，市场反应良好。
3、MTC-Ⅰ型CBTC系统

MTC-Ⅰ型CBTC系统是中国铁道科学研究院和广州市地下铁道总公司联合开发研制。整个系统主要由6个子系统组成：由中心和车站本地控制设备组成的FZy型ATS子系统；TYJL-Ⅲ型二乘二取二安全冗余结构的计算机联锁子系统，包括计轴设备和国产欧标应答器设备；基于CPCI工业计算机平台开发的ATO列车自动运行子系统；包括二乘二取二冗余架构的车载VOBC和轨旁ZC设备组成的ATP列车控制子系统；基于SDH同步数字系列骨干通信网和车-地无线通信网构建的DCS子系统；进行系统设备维修信息收集、管理的TJWX型微机监测子系统。
据了解，MTC-Ⅰ型CBTC系统由以下技术特征：在已有ATS、联锁、系统集成、系统联调等技术资源基础上，继承、开发、集成、创新相结合，完全自主研发的完整的CBTC系统；最大限度地采用统一的安全计算机平台，减少硬件板卡种类，提高系统通用化水平，降低维护成本；提供包括连续级、点式级、联锁级在内的不同运行等级以及多样化的驾驶模式，支持不同类型和编组列车混跑运行；具备点式等级下ATO驾驶模式和站台屏蔽门联控功能。
作为广州地铁参与研制的一套ATC系统，MTC-Ⅰ型CBTC系统已在广州地铁进行了全面的现场试验，并且研发同步由英国劳氏铁路进行了安全认证，所有安全设备都达到了SIL4标准，已经依托广州地铁实际工程，实现工程化应用。
4、iCBTC系统
iCBTC系统是卡斯柯信号有限公司通过引进国外技术，经消化吸收再自主创新研发，且日趋成熟的基于车-地双向无线通信的移动闭塞控制系统。该系统主要由：区域控制器/线路中心单元ZC/LC；数据存储单元DSU；联锁CI；中心及车站ATS；车载控制器CC；LEU等轨旁设备构成。
主要特点有：后车的地址终端（EOA）可以是前车的尾部，不用划分虚拟区段，真正实现了移动闭塞；只需要2条网线即可实现车载设备首尾热备，简化了接口与维护成本；其ATS系统在国内地铁已广泛应用，且与各个厂家进行过接口，拥有更贴近用户习惯的操作界面；适用空间波和波导等多种方式的车-地通信方式，并支持这2种方式在同一线路上的混合配置。
据了解，卡斯柯的iCBTC系统不计划进行点式的安全认证，其研发设计是将点式与CBTC融合，统一进行安全认证。目前该公司正在与上海申通地铁公司合作，在上海10号线已经开展了工程化应用。
应用中的问题
在CBTC系统中，有三个技术是保证CBTC成功的关键，即列车的定位技术、车-地之间的双向通信技术、列车的完整性检测。因此，在当前中国轨道交通行业大力推进国产化的同时，判断我们在应用中所遇到的问题，对中国城市轨道交通的健康发展具有十分重要的现实意义。
根据业内多年对CBTC系统的研究，专家一致认为，在CBTC国产化应用，我们应该注意以下问题：
1、车载冗余控制的转换问题。有的车载设备及网络首尾互为冗余（重复配置系统的一些部件），有的不冗余，只是单端采用二乘二取二或三取二结构的车载ATP冗余设备。当车载设备采用首尾互为冗余时，其车载冗余转换的同步问题不得影响系统的正常工作。
2、前后车运行联动的问题。目前系统虽然支持不同控制级别列车的混跑，但当CBTC级别的列车追踪点式列车，或点式列车追踪CBTC列车时，其前车车载设备在不同的故障情况下、前车在不同控制级、不同驾驶模式下运行对后车运行的影响，以及前后车追踪间隔的设置等，都是必须要解决的问题。
3、闯红灯防护的问题。在点式级别下，由于没有连续的车-地通信，而应答器的作用范围有限，司机很难做到对列车的误启动保护。北京交控公司解决此问题的方法是采用作用范围为4～5m的环线应答器，通过如此设置可对列车误启动起到有效防护。
4、车-地无线传输及同站台换乘车站无线干扰的问题。车-地之间的无线传输对信号传输质量稳定性的影响，以及现场不同系统的复杂信号干扰对线路开通调试带来的困难，甚至在运营阶段由于通信不稳定而导致的列车紧急制动等问题，在系统的研发设计阶段应尽早引起注意。当前4G通信或准4G通信已经逐渐引起业内关注，其稳定的通信信号正逐渐受到各厂家及业主的欢迎。
5、CBTC系统互联互通的问题。CBTC系统的互联互通是未来城市轨道交通网络化建设和运营管理的要求，各方合作推进编制一套适合我国的CBTC系统互联互通技术规范，实现不同厂商地面设备与车载设备间的互联互通，将更有助于CBTC国产化的发展。
随着地铁信号系统的快速发展，国产地铁CBTC系统已经逐渐迈向新的高度。相信有一天，中国人自己的CBTC系统将迈出国门，走向世界，成为真正意义上的大国地铁。

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