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摘 要：CBTC技术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，实现列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大。本文重点介绍了徐州地铁一号线CBTC信号系统的设计方案，详细阐述了CBTC系统的总体构成、主要功能及系统原理。
关键词：CBTC;ATP;ATS;ATO;联锁
徐州市城市轨道交通一号线一期工程西端起点位于龟山西侧的路窝村站，止于高铁徐州东站站，采用高可靠、高安全、先进的、完善的CBTC信号系统。
1 CBTC系统总体构成
正线配置完整的ATC系统，包括列车自动监控子系统、连续式列车移动控制子系统、计算机联锁子系统，以及数据通信子系统，正线信号系统的构成。此外，在控制中心、设备集中站和维护部配置了相应的维护监测子系统设备。试车线配置与正线一致的ATP轨旁设备及相应的试验设备，提供试车功能。培训中心设置具有地面和车载ATC功能培训设施，提供培训功能。车辆段/停车场配置相应的信号设备。
ATS子系统由控制中心设备和分布于全线设备集中站、非设备集中站设备组成，通过冗余的网络连接。控制中心的应用服务器和数据库服务器充分考虑了冗余设置，以便提高系统的可用度。当一台服务器故障时系统自动切换到备机运行，不影响系统的正常运行。ATP/ATO子系统在连续式通信条件下，列车自动防护和列车自动驾驶功能保证列车的安全监督和连续运行。正线联锁子系统配置了3套西门子SICAS联锁，位于杏山子、徐州火车站及徐州东站。车辆段/停车场系统由联锁系统和信号集中监测设备构成。联锁系统是一个SIL4级别的安全子系统，可以保证安全高效的控制进路，管理现场转辙机，信号机等室外设备。DCS子系统由多个物理完全独立的子系统有线网络和车-地通信无线网络组成。无线LTE通信系统，为轨旁和车载子系统之间提供了透明、连续、双向、基于LTE的数据传输，保证了列车控制应用系统在轨道交通系统中的通畅运行以及车地之间连续大容量的数据传输，通信通过漏缆实现。
2 CBTC系统主要功能
CBTC信号系统提供列车自动防护功能（ATP），列车自动运行功能（ATO），计算机联锁（CI）、列车自动监控（ATS）和维护监测（MSS）等功能。
ATS系统自动根据时刻表以及系统内置的调整策略对列车进行合理的运营控制;对信号设备进行监控，实时反应各设备和列车的运行状况，操作人员可根据需要通过人机界面（HMI/LOW）对系统运行进行控制;在中央ATS出现故障时由本地ATS自动接管控制任务，保证整个轨道交通系统的不间断的安全运行。ATP / ATO由负责安全功能的列车自动防护ATP和非安全功能的列车自动驾驶ATO构成。系统设备位于轨旁（ATP）和每列车上（ATP和ATO）。联锁子系统根据联锁条件检查轨道区段、转辙机和信号机室外设备，建立进路，确保进路上轨道区段、道岔、信号机之间的安全联锁关系，防护外来的错误操作，符合故障——安全原则。同时，联锁向ATS和轨旁ATP提供进路、轨道区段、信号机和道岔的状态信息。MSS子系统主要是对全线信号设备的工作状态进行在线监测和实时报警，并能辅助维护人员对报警和维护工单进行统计分析，导出报表。
3 CBTC系统原理
3.1 列车定位原理
列车定位是基于通信列车车载OBCU提供的列车位置信息，各子系统ATS、CI和地面WCU_ATP实现对列车的准确跟踪和安全控制。系统结合下列信息来确定列车定位：安装在线路上某些位置的应答器的检测。每个应答器发送一个包括识别编号（ID）的应答器报文，由列车接收。在ATP车载计算机单元的线路数据库里存有应答器的位置，这样列车就知道它在线路上的确切位置;由测速电机和雷达共同执行的列车位移测量;道岔位置。
3.2 车—地通信原理
数据通信子系统基于开放的业界标准，有线通信部分采用IEEE802.3以太网标准，无线通信部分采用TD-LTE技术，最大程度地采用成熟设备。
DCS系统采用A/B双网设计，A网和B网是两个完全相同、相互独立的网络，并行工作，互不影響。每个网络中均包含：轨旁骨干网络、车载数据通信网络、车地双向通信网络。
DCS系统分为中央、轨旁和车载等三大子系统。中央子系统由一个中央系统路由器（CSR）组成，该路由器安装在机房。管理、综合业务和诊断功能在网络管理系统（NMS）上实现。NMS同样安装在机房。轨旁子系统由LTE设备组成，LTE基站沿轨道分布在轨旁。中央子系统和轨旁子系统通过综合承载网络连接。车载子系统由每列列车上的两个车载列车单元组成，每个车载单元分别连接到车载LTE收发设备。两个列车单元之间通过一个以太网连接相互链接在一起。
Airlink工作状态类似一个普通的路由器。TGMT应用通过以太网接口和TCP/IP协议发送和接受信息，这些应用本身无需知道列车正在运行。
列控信息应用通过主设备集中站的无线通信服务器WCC与LTE通信系统接口。无线通信服务器WCC通过内部动态数据库重新打包数据并增加相关路由信息。
无线通信服务器WCC通过交换机向LTE骨干网转发新数据包，所有环网是冗余的。
主设备集中站的LTE核心网络设备与中央系统路由器，连接到轨旁TGMT设备。并通过LTE基站建立与列车的通信连接。
3.3 列车控制原理
在任何情况和时间下，列车控制服从以下两种安全限制：零速度限制的防护点（PoP）;安全速度曲线（VSP）。
防护点代表了绝对不允许越过的限制点。如果前行信号装备列车定义了一个防护点，则前行列车的位置不确定性因素和后退公差已经考虑在内。防护点取决于采用的运行模式。在移动闭塞模式下，防护点位于前行列车的尾部，包括位置不确定性因素和后退误差。一般来说，综合以下情况进行判断：前行列车的安全尾端加上后退误差（若前行列车已定位且运行在连续式通信级）;计轴器区段边界;与信号机位置相关的防护点;联锁安全距离的末端（若配置且监督安全距离）;其他的安全防护点，如车挡。
安全速度曲线（VSP）是对列车所在轨道区段范围内绝对不能超过的速度极限。VSP是存储在线路数据库中的静态速度限制和由线路操作员设定的临时速度限制的最小值。
4 总结
徐州地铁一号线CBTC系统充分利用了先进的LTE通信技术，实时地进行列车于地面间的双向通信联络，使得后续列车可以及时了解前方列车运行的实际间隔距离，通过计算后续列车即可给出最佳制动曲线，既提高了区间通行能力，又减少了频繁减速制动操作，改善了旅客乘车舒适度。
参考文献：
[1]雷锡绒.基于无线通信的列车控制系统中的数据通信子系统分析[J].城市轨道交通研究，2012（4）：106-109.
[2]王军平，卢晓宇.城市轨道交通LTE综合承载CBTC与专用无线集群业务[J].城市轨道交通研究，2017（S1）：1-7.
关键词：CBTC;ATP;ATS;ATO;联锁
徐州市城市轨道交通一号线一期工程西端起点位于龟山西侧的路窝村站，止于高铁徐州东站站，采用高可靠、高安全、先进的、完善的CBTC信号系统。
1 CBTC系统总体构成
正线配置完整的ATC系统，包括列车自动监控子系统、连续式列车移动控制子系统、计算机联锁子系统，以及数据通信子系统，正线信号系统的构成。此外，在控制中心、设备集中站和维护部配置了相应的维护监测子系统设备。试车线配置与正线一致的ATP轨旁设备及相应的试验设备，提供试车功能。培训中心设置具有地面和车载ATC功能培训设施，提供培训功能。车辆段/停车场配置相应的信号设备。
ATS子系统由控制中心设备和分布于全线设备集中站、非设备集中站设备组成，通过冗余的网络连接。控制中心的应用服务器和数据库服务器充分考虑了冗余设置，以便提高系统的可用度。当一台服务器故障时系统自动切换到备机运行，不影响系统的正常运行。ATP/ATO子系统在连续式通信条件下，列车自动防护和列车自动驾驶功能保证列车的安全监督和连续运行。正线联锁子系统配置了3套西门子SICAS联锁，位于杏山子、徐州火车站及徐州东站。车辆段/停车场系统由联锁系统和信号集中监测设备构成。联锁系统是一个SIL4级别的安全子系统，可以保证安全高效的控制进路，管理现场转辙机，信号机等室外设备。DCS子系统由多个物理完全独立的子系统有线网络和车-地通信无线网络组成。无线LTE通信系统，为轨旁和车载子系统之间提供了透明、连续、双向、基于LTE的数据传输，保证了列车控制应用系统在轨道交通系统中的通畅运行以及车地之间连续大容量的数据传输，通信通过漏缆实现。
2 CBTC系统主要功能
CBTC信号系统提供列车自动防护功能（ATP），列车自动运行功能（ATO），计算机联锁（CI）、列车自动监控（ATS）和维护监测（MSS）等功能。
ATS系统自动根据时刻表以及系统内置的调整策略对列车进行合理的运营控制;对信号设备进行监控，实时反应各设备和列车的运行状况，操作人员可根据需要通过人机界面（HMI/LOW）对系统运行进行控制;在中央ATS出现故障时由本地ATS自动接管控制任务，保证整个轨道交通系统的不间断的安全运行。ATP / ATO由负责安全功能的列车自动防护ATP和非安全功能的列车自动驾驶ATO构成。系统设备位于轨旁（ATP）和每列车上（ATP和ATO）。联锁子系统根据联锁条件检查轨道区段、转辙机和信号机室外设备，建立进路，确保进路上轨道区段、道岔、信号机之间的安全联锁关系，防护外来的错误操作，符合故障——安全原则。同时，联锁向ATS和轨旁ATP提供进路、轨道区段、信号机和道岔的状态信息。MSS子系统主要是对全线信号设备的工作状态进行在线监测和实时报警，并能辅助维护人员对报警和维护工单进行统计分析，导出报表。
3 CBTC系统原理
3.1 列车定位原理
列车定位是基于通信列车车载OBCU提供的列车位置信息，各子系统ATS、CI和地面WCU_ATP实现对列车的准确跟踪和安全控制。系统结合下列信息来确定列车定位：安装在线路上某些位置的应答器的检测。每个应答器发送一个包括识别编号（ID）的应答器报文，由列车接收。在ATP车载计算机单元的线路数据库里存有应答器的位置，这样列车就知道它在线路上的确切位置;由测速电机和雷达共同执行的列车位移测量;道岔位置。
3.2 车—地通信原理
数据通信子系统基于开放的业界标准，有线通信部分采用IEEE802.3以太网标准，无线通信部分采用TD-LTE技术，最大程度地采用成熟设备。
DCS系统采用A/B双网设计，A网和B网是两个完全相同、相互独立的网络，并行工作，互不影響。每个网络中均包含：轨旁骨干网络、车载数据通信网络、车地双向通信网络。
DCS系统分为中央、轨旁和车载等三大子系统。中央子系统由一个中央系统路由器（CSR）组成，该路由器安装在机房。管理、综合业务和诊断功能在网络管理系统（NMS）上实现。NMS同样安装在机房。轨旁子系统由LTE设备组成，LTE基站沿轨道分布在轨旁。中央子系统和轨旁子系统通过综合承载网络连接。车载子系统由每列列车上的两个车载列车单元组成，每个车载单元分别连接到车载LTE收发设备。两个列车单元之间通过一个以太网连接相互链接在一起。
Airlink工作状态类似一个普通的路由器。TGMT应用通过以太网接口和TCP/IP协议发送和接受信息，这些应用本身无需知道列车正在运行。
列控信息应用通过主设备集中站的无线通信服务器WCC与LTE通信系统接口。无线通信服务器WCC通过内部动态数据库重新打包数据并增加相关路由信息。
无线通信服务器WCC通过交换机向LTE骨干网转发新数据包，所有环网是冗余的。
主设备集中站的LTE核心网络设备与中央系统路由器，连接到轨旁TGMT设备。并通过LTE基站建立与列车的通信连接。
3.3 列车控制原理
在任何情况和时间下，列车控制服从以下两种安全限制：零速度限制的防护点（PoP）;安全速度曲线（VSP）。
防护点代表了绝对不允许越过的限制点。如果前行信号装备列车定义了一个防护点，则前行列车的位置不确定性因素和后退公差已经考虑在内。防护点取决于采用的运行模式。在移动闭塞模式下，防护点位于前行列车的尾部，包括位置不确定性因素和后退误差。一般来说，综合以下情况进行判断：前行列车的安全尾端加上后退误差（若前行列车已定位且运行在连续式通信级）;计轴器区段边界;与信号机位置相关的防护点;联锁安全距离的末端（若配置且监督安全距离）;其他的安全防护点，如车挡。
安全速度曲线（VSP）是对列车所在轨道区段范围内绝对不能超过的速度极限。VSP是存储在线路数据库中的静态速度限制和由线路操作员设定的临时速度限制的最小值。
4 总结
徐州地铁一号线CBTC系统充分利用了先进的LTE通信技术，实时地进行列车于地面间的双向通信联络，使得后续列车可以及时了解前方列车运行的实际间隔距离，通过计算后续列车即可给出最佳制动曲线，既提高了区间通行能力，又减少了频繁减速制动操作，改善了旅客乘车舒适度。
参考文献：
[1]雷锡绒.基于无线通信的列车控制系统中的数据通信子系统分析[J].城市轨道交通研究，2012（4）：106-109.
[2]王军平，卢晓宇.城市轨道交通LTE综合承载CBTC与专用无线集群业务[J].城市轨道交通研究，2017（S1）：1-7.