城市轨道交通信号系统的发展方向.docx

城市轨道交通信号系统的发展方向0城市轨道交通线网现状信号系统是城市轨道交通的重要组成部分。在线路上连接和有效控制分散的设备。它是一 种高效有序的管理系统，可以确保乘客的安全，缩短运行距离，减少能源消耗，并进行有 效的有序运行。截止到2017年底，我国除港澳台地区外，已经有34个城市相继开通了城市轨道交通线路, 全国开通新线路共165条，运营线路总里程5033公里，在建线路达到6246公里。随着通信与计算机控制技术的不断发展，城市轨道交通线网互联互通与列车全自动驾驶技 术已经成功应用在部分线路上，两种技术相结合所带来的运营成本降低与运行效率提升的 效果是十分显著的，在可靠性方面也更优于人工驾驶。但随着线网规模的扩大，运营能耗 的不断增加已经成为了一个亟待解决的新问题。同时基于车车通信的新型CBTC系统也逐 渐进入了人们的视野。本文将针对上述几个方面，对我国城市轨道交通信号系统今后的发 展做一些简要分析。1线网调度指挥中心与维护系统mmi的应用我国城市轨道交通传统的建设和运营模式已经不能适应线网规模的迅速扩张，出现了线路 中的富余运能不能得到有效利用、客流分布不均衡、车辆与设备等资源无法实现共享等问 题。而互联互通可以突破以往单线建设单线运营的限制，不但可以使乘客在线网中自由流 动，同时还可以让列车、信号设备、工作人员等在线网中实现自由流动，以达到线网资源 共享、网络化运营的目的。城市轨道交通互联互通的主要优势有：（1）对停车场、车辆段、信号设备及检修维护设备 等资源的共享，减少相关用地的征收，降低成本；（2）不同线路间的列车资源共享，达到 灵活调配的目的；（3）通过统一各线路的联锁、ATS、MMI等界面的显示和操作方式，实现 运营人员的流通，减少人工与培训成本；（4）可以令二期、三期工程项目摆脱一期信号系 统供应商的制约，实现公平竞争；（5）便于建立全市统一的线网调度指挥中心与维护系统。在我国实现城市轨道交通线网互联互通的呼声越来越强烈。然而，在传统的基于轨道电路 的ATC系统中，由于各厂家的信号系统采用的架构不同，设备接口与通信协议不一致，只 能采取一些特殊的手段（如全部线路都使用同一厂商的信号系统，或在车上、地面增加其 他厂家的车载、轨旁设备）才能实现互联互通。早期的CBTC系统中多使用WLAN技术进行 传输，但WLAN技术最初的定位是实现室内场景下的无线宽带接入，采用开放频段易受干 扰，对高速移动通信支持不足，信号覆盖也较小。LTE技术能够实现在高速移动下的低时延、高速率的数据传输，为了实现互联互通，工信 部确定了 l.8GHz （1785MHz1805MHz）的LTE频段作为城市轨道交通行业的专用频段。基 于LTE-M平台的CBTC系统无需维护轨道电路与大量轨旁设备，通信传输距离更长，同时 不易受干扰，已经成为了我国新建城市轨道交通线路信号系统的第一选择。城市轨道交通信号系统的选择应提前布局，在规划初期就应该考虑是否加入互联互通，否 则不同线路所采用的编组与车型、限制速度、限界、车辆受电方式等都有所不同，后期改 造难度极大。信号系统的互联互通需要有统一的技术规范进行支持，目前中城协已经发布 了轨道交通CBTC信号系统互联互通建设指导以及相关规范，明确了系统的需求、功能、 架构、接口协议等。但信号系统的互联互通只是城市轨道交通线网互联互通中的一部分，城市轨道交通线网互 联互通涵盖了土建、供电、车辆、培训、运营、维护、安全门、通信信号等多个领域，各 领域之间的有效配合是实现互联互通网络化运营的关键。同时，各城市需要在国家标准下, 基于互联互通技术规范、LTEM规范，结合每个城市自身的特点，编制地方互联互通规范, 以指导城市轨道交通的建设。2全自动驾驶技术的应用全自动驾驶是列车ATO功能的延伸，可以将司机需要执行的操作完全交由列车运行系统自 动实现。除了具有基础的ATO功能外，还能进行列车的自动唤醒与休眠、自动驶入驶出停 车场（车辆段）、自动洗车、自动监控设备状况、自动开关车门等操作，并且具有常规运 行、降级运行和灾害工况等多种运行模式。目前，全自动驾驶技术已经在国内外的多条线路中得到了实践，而且在很多方面相比人工 具有更多优势，例如：（1）由列车运行系统代替人工操作，提高响应速度与运行效率，缩 短行车间隔，降低能源消耗；（2）可以减少由人为误操作引起的事故；（3）降低司机和车 站工作人员的劳动强度，避免长时间重复作业；（4）实现对发车间隔与发车时间的灵活调 整，配合互联互通技术可以在短时间内完成列车的跨线、并线运行调整。全自动驾驶技术强化了控制中心的功能，在控制中心新增了车辆调度及乘客调度功能，并 且可以远程监测列车的车钩、车门、走行部、紧急按钮等设备的实时状况，实时监控列车 状态，增强车辆的调度和维护功能。但与互联互通相同的是，全自动驾驶技术所涉及的领 域也远远超出信号系统所能处理的范围，还需要其他多个领域之间的协调配合。城市轨道 交通中互联互通与全自动驾驶技术的结合，能够有效地提高整体的运行效率，两种技术今 后将一同成为城市轨道交通的发展方向。3 ato运行速度曲线与追踪控制策略随着线网的全面铺开，城市轨道交通所消耗的能源也在不断增加。北京市2008年全市轨 道交通线网的规划用电量为6. 5亿度;而到了 2015年，线网的规划用电量已经达到13. 9 亿度，8年间线网的年耗电量以每年11. 4%的速度快速增长。在运营过程中，城市轨道交通系统消耗的主要能源为电能，基本不消耗其他形式的能源， 列车牵引供电系统的能耗可以占到总体运营能耗的40%50%因此降低列车的牵引能耗是 减少总体能耗与运营成本的有效途径。AT0系统能够实时地调整列车速度，保障列车安全、 准时、舒适、节能地运行，优化AT0运行速度曲线与追踪控制策略是实现节能运行的关键。 目前的优化算法以单列车运行控制为主，主要有解析算法、数值算法和智能算法三种方式, 但普遍无法应用于多车追踪运行的情况。因此能够满足多车追踪运行条件，并且运算速度 适中的AT0节能算法是未来的研究方向，随着全自动驾驶技术的进一步完善，算法带来的 节能效果将会更加显著。4车载设备的功能车车通信系统是目前CBTC系统的主要研究方向之一，与传统的CBTC系统相比，车车通信 系统不设联锁与ZC子系统，前车与后车的车载设备可以直接进行位置交互，后车根据前 车位置信息自动计算移动授权与运行速度曲线。ATS可以直接与车载设备进行通信，将进 路信息发送给车载设备，车载设备接收后与道岔通信，控制道岔与进路的锁闭。车车通信 系统将原本大量轨旁设备中的功能都移至车载设备上实现，降低了系统的复杂性与反应时 间。基于车车通信的信号系统主要优势有：（1）简化原有信号系统的结构，不设联锁与ZC子 系统，减少设备间接口数量，降低成本；（2）减少了整个信号系统中需要传输的数据量， 提高响应速度与传输速度；（3）前后车可实时并直接交互位置信息，不再经过ZC,减少车 载的反应时间，进一步缩短行车间隔；（4）减少轨旁设备的使用，节省大量空间，对于土 建与列车限界的要求更加宽松，降低施工难度。车车通信系统中减少了轨旁设备的使用，但这种优势只有在车载控制器能够完全取代联锁 系统时才能发挥出最大的效果，联锁系统在传统的CBTC系统中占据着十分重要的地位， 而目前车车通信系统中的车载控制器还无法达到现有联锁系统所具有的安全与可靠程度。 而且为了将原本的ZC控制功能转移到车载控制器中，必须确定好故障后有效的降级运行 措施，这些都是车车通信系统目前所面临的问题。车车通信系统现在还没有一个明确的定 位，今后是作为一个完全独立的信号系统存在，还是添加到现有的CBTC系统中作为一个 功能模块目前还没有定论，但车车通信系统减少了系统反应时间并提高了运行效率，具有 广阔的发展空间与潜力。5注点系统的技术应用随着我国各城市的城市轨道交通线网逐渐成形，人们对于城市轨道交通的关注点也逐渐从 规划建设转变为了运营维护，如何实现资源的集中调度、提高运行效率、减少运营能耗成 为了主要的研究方向，互联互通、全自动驾驶、AT0节能与车车通信等技术之间的相互配 合正是实现这一目标的有效手段。