移动闭塞及cbtc技术

移动闭塞
移动闭塞(Moving Block)系统是一种采用先进的通信、计算机、控制技术相结合的列车控制系统，国际上又习惯称为基于通信的列车控制系统
CBTC(Communication Based Train Control)。

在铁路上尚无应用实例，在城市轨道交通中运用较多。

IEEE将CBTC定义为：利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路）双向连续、大容量的车-地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统。

CBTC信号系统能够基于通信对列车进行定位进而实现列车的移动闭塞功能。

所谓闭塞就是指利用信号设备把线路人为地划分成若干个物理上或逻辑上的闭塞分区，以满足安全行车间隔和提高运输效率的要求。

目前，信号闭塞原则是按照ATP/ATO制式来划分的，基本上可以分为三类，即：固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。

随着地铁列车行驶速度不断提升，目前最高速度已达到120Km/小时，如何在高速环境下确保运营安全，缩短行车间隔，提高运营效率，这对地铁车辆、信号系统、通信系统等都提出了极高要求，从最初的固定闭塞到准移动闭塞，再到现在最先进的基于通信的列车控制 CBTC移动闭塞系统的应用，信号系统的持续改进是推动列车提速、保障行驶安全的最关键技术。

与传统固定闭塞、准移动闭塞相比，基于无线通信的移动闭塞系统通过部署在列车上以及轨道旁的无线设备，实现了车、地间不中断的双向通信，控制中心可以根据列车的实时速度和位置动态计算和调整列车的最大制动距离，两个相邻列车能以很小的间隔同时前进，从而提高运营效率，目前所有国内新建地铁线路均采用CBTC信号系统。

移动闭塞的想法产生于60年代，由于当时技术条件的限制，难以变成现实。

到了80年代，计算机技术和通讯技术的飞速发展，为移动闭塞系统的实现创造了条件。

近年来，各国相继投进气力研制基于通讯的列车控制系统CBTC，具有代表性的主要有法国国铁的ASTREE，日本铁道综合技术研究所的CARAT系统、欧
洲铁道同盟研究所的ETCS系统和美国加拿大铁路协会的ATCS系统等。

这些系统的共同点是列车和地面间有各种类型的双向通讯手段，可以在确保列车运行安全的条件下，最大限度地缩短列车运行间隔，进步线路通过能力。

2010年12月30日开通运营的北京地铁亦庄线，采用并全功能开通了具有完全自主知识产权的“基于通信的列车运行控制系统”（CBTC系统），突破了技术与装备的瓶颈问题，扭转了国内长期依靠引进的状况。

移动闭塞系统的工作原理及构成
传统的信号系统
传统的信号系统中采用的“车—地通信”，是一种通过轨道电路实现地面控制系统向列车传输信息的的单向传输系统，所构成的信号系统是固定闭塞或准移动闭塞的信号系统。

传统的固定闭塞信号控制，采用阶梯式速度控制方式，对应每个闭塞分区只能传送一个该分区所规定的最大速度命令码，称为固定闭塞系统。

其特点是线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区、一个分区只能被一列车占用；闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计；列车间隔为若干闭塞分区，而与列车在分区内的实际位置无关；制动的起点和终点总是某一分区的边界；要求运行间隔越短，闭塞分区(设备)数也越多，列车最小运行间隔≥120s；采用模拟轨道电路、轮轴传感器、加点式或环线传输，信息量少。

该方式不易实现列车的舒适、节能控制限制了行车效率的提高。

随着通信技术、计算机技术的发展，为使城市轨道交通系统在技术水平上有所提高，更好地适应小编组、高密度的发展趋势，对于运量较大的城市轨道交通线路的信号系统设计时一般考虑采用准移动闭塞信号系统或移动闭塞信号系统方案。

与固定闭塞不同的是，准移动闭塞信号系统采用一次模式曲线控制方式，并且可以根据地面信号设备提供的目标速度、目标距离、线路状态(曲线半径、坡道等数据)等信息，车载设备计算出适合于本列车运行的模式速度曲线。

制动的起点可以延伸，但终点总是某一分区的边界(根据每个区段的坡道、曲线半径等参数，包含在报文中)；要求运行间隔越短，闭塞分区(设备)数也越多，列车最小运行间隔≥100s；采用报文式数字轨道电路，辅之环线或应答器，信息量较大。

该模式在城轨信号系统中有一定的运用，例如上海地铁2号线和3号线，广州地铁1号线和2号线等。

CBTC移动闭塞系统
基于通信技术的列车控制系统(CBTC)不是通过轨道电路来确定列车的位置，向车载设备传递信息，而是利用通信技术，通过车载设备、现场的通信设备与车站或列车控制中心实现信息交换完成速度控制。

随着技术的发展和需求的牵引，人们开始采用基于无线通信的列车控制系统，也就是采用在列车和轨旁设置无线电台实现列车与地面控制系统之间连续的双向通信，做到真正的双向“车—地通信”，从而实现基于通信的列车控制系统(CBTC)，其技术体制属于移动闭塞系统。

CBTC的基本原理是：ATP地面设备周期性地接受本控制范围内所有列车传来的列车识别号、位置、方向和速度信息。

相应地，ATP地面设备根据接收到的列车信息，确定各列车的移动授权，并向本控制范围内的每列列车周期性地传送移动授权（ATP防护点）的信息。

移动授权由前行列车的位置来确定，移动授权将随着前行列车的移动而逐渐前移。

ATP车载设备根据接收到的移动授权信息以及列车速度、线路参数、司机反应时间等，计算出列车的紧急制动触发曲线和紧急制动曲线，以确保列车不超越现有的移动授权。

因此在移动闭塞系统中，ATP防护点不是在轨道区段的分界点，而是在前行列车车尾后方加上安全距离的位置，它随着列车的移动而移动。

移动闭塞是相对于固定闭塞而言的。

固定闭塞是在区间设置固定的闭塞分区和相应的防护信号，而移动闭塞固然也有防护列车运行安全的闭塞分区，但其闭塞区间是移动的，是随着后续列车和前方列车的实际行车速度、位置、载重量、制动能力、区间的坡度、弯道等列车参数和线路参数的变化而改变，随着列车运行而移动。

根据是否考虑先行列车的速度，移动闭塞的构成分为一下几种：
•考虑先行列车的位置与速度的移动闭塞系统(MB-V方式)这种方式保证在先行列车非常制动停车位置前，后续列车能以常用制动停车。

•不考虑先行列车的速度的移动闭塞系统(MB-VO方式)这种方式只考虑先行列车的位置，不考虑先行列车的速度，即设定先行列车为停车。

显然
MB-VO方式比MB-V方式，车地间需交换的信息量减少了，技术上的复杂
程度减小了，列车之间最小间隔L加大了。

•考虑先行列车速度的准移动闭塞系统(SMB-V方式)。

准移动闭塞(Semi M OvingBlock)采用一次连续速度控制曲线，追踪的目标点为先行列车所占
用的闭塞分区始端。

准移动闭塞在一定的条件下，其缩短列车之间最小间隔的效果接近移动闭塞。

移动闭塞的系统结构
移动闭塞系统的具体结构有多种，但从基本组成上来说，移动闭塞ATC系统通常分为三个层次：治理层、操纵层和执行层，其典型结构如下图2所示。

系统治理中心SMC位于治理层，其任务是同一指挥整个全段内列车运行。

SMC通过先进的计算机和网络技术监视着整条线路的自动操纵，实现ATS的功能及其它中心调度功能。

车辆控制中心VCC位于操纵层，它根据SMC的命令，按移动闭塞原理对列车运行间隔进行控制，并和车站联锁设备相联系，为列车进出站安排接发车进路。

VCC和SMC之间通过现代通讯传输系统(如SDH，OTN等)进行大数据量的双向传输。

车载控制器VOBC位于执行层，它通过和VCC之间不中断的通讯来实现
ATP/ATO功能，控制列车安全高速运行。

通讯方法可采用有线通讯(如交叉感应电缆)或无线的方式(如扩频通讯) 具备冗余校验的车载计算机使列车控制在VCC限定的速度和间隔之内，并以数据报文形式向VCC传回有关车辆位置、速度、运行方向以及子系统情况。

每列车都配置了冗余的车载控制系统，一旦某一个出了问题，另一个会自动启动。

CBTC信号系统分类
列车定位技术在列控系统中具有重要地位，CBTC系统中列车定位信息的主要作用是：为保证安全列车间隔提供依据，CBTC系统对在线的每一列车，能计算出至前行列车尾部距离，或距进站信号点的距离，从而对它实施有效速度控制；作为列车在车站停车后打开车门以及屏蔽门的依据；作为无线基站接续的依据。

•基于基于交叉感应环线技术：以敷设在钢轨间的交叉感应环线作为传输媒介的CBTC系统，在城市轨道交通中已经应用了较长时间。

交叉感应环线
的缺点在于，安装在钢轨中间，安装困难且不方便工务部门对钢轨的日常维修，车－地通信的速率低。

但由于环线具有成熟的使用经验，使用寿命长以及投资少等优点，目前仍继续得到应用。

•基于无线电台通信技术：随着无线通信技术的发展，基于自由空间传输的无线传输技术的在CBTC系统中得到了应用。

无线的频点一般采用共用的
2.4GHz或5.8GHz频段，采用接入点（AP）天线作为和列车进行通信的手
段。

AP的设置保证区间的无线重叠覆盖。

自由空间传输的无线具有自由空间转播，对于车载通信设备的安装位置限制少；传输速率高；实现空间的重叠覆盖，单个接入设备故障不影响系统的正常工作；轨旁设备少，安装与钢轨无关，方便安装及维护的特点。

基于无线电台通信传输方式
CBTC系统，已经在北京地铁10号线成功应用。

•基于漏泄电缆无线传输技术：Alstom的CBTC系统在需要的时候也可采用漏泄电缆传输方式，而新研发的系统采用的不多。

漏泄电缆方式特点是场强覆盖较好、可控，抗干扰能力强。

单点AP的控制距离通常达800m（每侧漏泄电缆长度400m）。

缺点是漏泄同轴电缆价格较高。

•基于裂缝波导管无线传输技术：采用波导系统作为车地双向传输地媒介。

即采用沿线铺设的裂缝波导及与波导连接的无线接入点作为轨旁与列车
的双向传输通道。

该系统的波导系统具有通信容量大，可在隧道及弯曲通道中传输、干扰及衰耗小、无其他车辆引起的传输反射、可在密集城区传输等特点。

波导的另一个优点是传输速率大，可以满足列车控制系统的
需要。

波导的缺点在于安装困难，需全线沿线路安装波导管，安装维护复杂，并且造价高。

CBTC信号系统作为控制列车运行的关键系统，在任何情况下均不允许出现系统故障，保障高安全、高可靠是CBTC系统的最高设计原则，而作为CBTC的统一数据承载平台，DCS数据通讯子系统（Data Communication Subsystem）的安全性、可靠性要求也不言而喻，DCS数据通信网络同样应具有极高的故障自愈能力。

CBTC系统中传递的数据以列车控制命令和列车监控信息为主，数据流量很小，最高带宽不超过100Kb/s，但要求数据传递的高可靠和低时延，当列车以120km/s 行驶时，数据丢失率不能超过1%，最高延时不能大于500ms。

DCS系统由地面有线网、车/地无线通信网、车载有线网三部分组成，由于有线网以太网技术的高带宽和成熟性，DCS系统数据丢包问题和延时瓶颈主要集中在车/地无线通信系统。

目前市场商用WLAN产品在跨AP切换时，最高时延可到2秒，无法在地铁中应用，解决WLAN产品“0”丢包快速切换问题是DCS系统的一个关键技术。

另外CBTC系统车、地通信普遍采用免费2.4G频段的802.11g无线技术，如何避免非法用户接入到DCS无线网中，如何避免正常民用无线信号对列车通信系统造成干扰，也需重点考虑。

移动闭塞系统的主要优点
轨道交通采用移动闭塞的优点如下：
•能轻松达到90S的行车间隔要求，且当需求增长而需要调整运营间隔时，无需改变或增加硬件；运行间隔是指在线路上某一点前后运行的两列车之间的间隔。

在无线CBTC移动闭塞系统中，一个列车车载设备探测轨道上的应答器决定列车的位置，在服务器的数据库中查找他们的位置，并测量自前一个探测到的应答器起，已走的距离。

列车车载设备通过双向无线通信向轨旁CBTC设备报告本列车的位置。

传统的基于轨道电路的信号系统，移动授权权限是以轨道电路区段的分辨率来给出的，其分辨率是一个闭塞分区，分辨率越小列车运行间隔时间越短。

无线CBTC移动闭塞系统能够以更精细的分辨率来连续地监测列车位置。

其分辨率是厘米级，并且系统运行间隔≤90秒。

•可取消区间的信号机、轨道电路等地面设备，降低系统的安装维护用度；
利用其精确的控制能力，可以有效地通过在折返区域调整速度曲线来减少在尽端折返线的过走防护间隔，从而减少折返站的土建用度。

•车上-地面可靠传输的信息量大，便于实现全程无人自动驾驶。

全程无人自动驾驶方式是列车上没有任何驾驶员或工作职员的全自动方式。

站停、发车、运行、折返、进库等过程由操纵控制中心直接治理。

主控中心可以更精确地控制列车按运行图运行，减少了列车在区间不必要地加速、制动，可节省能源，增加旅客舒适度；同时这种方式具备非常高的灵活性，对忽然增长的能力需求和不可预见的事件具备灵敏的反应能力。

•易于实现列车双向运行。

当轨道交通系统因线路、车辆等故障造成运行中断时，可通过组织临时反向载客运行来保持轨道交通系统不中断运作。

•系统不依靠轨道电路检测列车位置、向车载设备传递信息，有利于旧线系统的升级改造的实施，即有利于在不影响既有线正常运营的前提下，能够对系统进行升级改造，将对运营的影响降低最低。