1．概述
在城市軌道交通中，列車自動(dòng)控制系統(tǒng)是必不可少的設(shè)備。軌道交通設(shè)置列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的目的：一是確保運(yùn)行安全；二是提高運(yùn)輸效率。從目前國(guó)內(nèi)情況看，所采用的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的制式是五花八門，相互之間不能兼容。造成這種情況的主要原因在于我國(guó)沒(méi)有自己的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，多渠道進(jìn)口而又缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。這種情況不僅浪費(fèi)資金，而且留下了安全隱患。因此，從國(guó)家政府到地方政府，目前都高度重視列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，為此已進(jìn)行了大量的工作。
在上海市科委的支持下，上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司在該技術(shù)領(lǐng)域已進(jìn)行了數(shù)年研究，完成了“軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）國(guó)產(chǎn)化可行性研究”項(xiàng)目研究，并于2005年2月通過(guò)鑒定。在此項(xiàng)目研究的過(guò)程中，上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司通過(guò)大量調(diào)查研究，與國(guó)外主導(dǎo)ATC廠家進(jìn)行深入溝通與合作，積累了豐富的技術(shù)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并就該領(lǐng)域內(nèi)的國(guó)際合作方面邁出了實(shí)質(zhì)的步伐。
城市軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ATC系統(tǒng)）包括：列車自動(dòng)保護(hù)子系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ATP子系統(tǒng)），列車自動(dòng)運(yùn)行子系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ATO子系統(tǒng)），列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ATS子系統(tǒng)），以及聯(lián)鎖設(shè)備。在這些子系統(tǒng)中，ATS子系統(tǒng)的主要功能是將整條線路的列車運(yùn)行狀況及設(shè)備狀況，通過(guò)信息檢測(cè)，傳輸及處理，在控制中心一目了然地顯示出來(lái)。ATS子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)，與電力監(jiān)控SCADA系統(tǒng)基本一致，我們已有能力實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。ATO子系統(tǒng)與ATP子系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，其國(guó)產(chǎn)化完全取決于ATP子系統(tǒng)。聯(lián)鎖設(shè)備國(guó)內(nèi)已有非常成熟的產(chǎn)品。因此，城市軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵在于ATP子系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。從國(guó)外引進(jìn)的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于ATP子系統(tǒng)的制式不同而造成了整個(gè)列車自動(dòng)控制系統(tǒng)相互之間不能兼容。我們對(duì)此展開重點(diǎn)研究，并提出與現(xiàn)實(shí)結(jié)合緊密并符合該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的綜合解決方案。
2. 技術(shù)制式
目前，ATC具有代表性的有兩類技術(shù)制式：基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞（CBTC）
近二十年來(lái)，國(guó)際上很多城市軌道交通采用“基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞”作為列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要制式，在我國(guó)，北京，上海，廣州，深圳，南京等城市也都選擇這種制式。由于這種制式具有較高的可靠性，合理的性價(jià)比，已經(jīng)具有充分的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其列車運(yùn)行間隔（100-150秒）已能滿足絕大多數(shù)軌道交通運(yùn)營(yíng)部門的要求，因此，這類制式的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)至今仍是軌道交通建設(shè)的首選制式。
然而，隨著軌道交通的發(fā)展，這類制式的弊病也已日益凸顯：
弊病之一：由于目前世界上各種準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的信息傳輸頻率，調(diào)制方式，通信協(xié)議等均不一致，導(dǎo)致了在一個(gè)城市或一個(gè)地區(qū)的軌道交通網(wǎng)中各條線路的列車不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)通聯(lián)運(yùn)。此外，由于系統(tǒng)的組成及所用的器材都不統(tǒng)一，所以給維修和備品備件帶來(lái)很大的困難；
弊病之二：大多數(shù)基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞，為了實(shí)現(xiàn)軌道電路的調(diào)諧和電平調(diào)整，不得不在鋼軌旁側(cè)設(shè)置“軌旁設(shè)備”，而這對(duì)于軌道交通的日常維護(hù)工作是非常不利的；
弊病之三：由于以鋼軌作為信息傳輸通道，因此傳輸頻率受到很大的限制（限制在音頻范圍內(nèi)），導(dǎo)致車-地之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)碼率及信息量較低。此外，其傳輸性能受鋼軌中的牽引回流，鋼軌之間的道床漏泄以及鋼軌下面的防迷流網(wǎng)的影響很大，從而導(dǎo)致傳輸性能不夠穩(wěn)定；
弊病之四：“準(zhǔn)移動(dòng)閉塞”距真正意義上的“移動(dòng)閉塞”還有差距，因此，列車運(yùn)行間隔的進(jìn)一步縮短和列車運(yùn)行速度的提高都將受到限制。
正因?yàn)槿绱耍壳皣?guó)際上的一些生產(chǎn)ATC系統(tǒng)的大公司正把目光瞄準(zhǔn)“基于無(wú)線的移動(dòng)閉塞”（RF CBTC）。經(jīng)過(guò)近十年的努力，無(wú)論在可靠性，安全性方面，還是在兼容性，抗干擾性方面，都已取得了實(shí)質(zhì)的進(jìn)步。
1）技術(shù)方案之一：基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞（圖1）
圖1 基于數(shù)字軌道電路的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖
軌旁ATP計(jì)算機(jī)將計(jì)算列車運(yùn)行允許速度的有關(guān)參數(shù)，形成報(bào)文, 通過(guò)數(shù)字軌道電路發(fā)送給在軌道上運(yùn)行的列車。ATP報(bào)文主要有目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、最大限速、緊急停車、軌道電路編號(hào)等安全性數(shù)據(jù)。列車通過(guò)車載ATP天線接收這些數(shù)據(jù), 并形成相應(yīng)的速度保護(hù)曲線, 保證列車在安全狀態(tài)下行駛。
車載ATP設(shè)備主要由車載ATP計(jì)算機(jī)及必要的外圍設(shè)備（如里程儀、ATP天線等）組成。車載ATP計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)速傳感器給出的列車實(shí)際運(yùn)行速度,根據(jù)接收到的ATP報(bào)文信息實(shí)施對(duì)列車距離和速度的監(jiān)督、緊急停車的監(jiān)督、停車點(diǎn)的監(jiān)督等安全性功能, 并把相應(yīng)的距離、速度等參數(shù)送給駕駛室里的輔助顯示單元, 作為駕駛員操作控制列車的依據(jù)。
這里，軌道電路起著雙重作用：當(dāng)軌道電路區(qū)段上無(wú)車時(shí)，軌道電路發(fā)送軌道電路檢測(cè)信號(hào)和檢測(cè)碼；當(dāng)列車一駛?cè)胲壍离娐穮^(qū)段，立即轉(zhuǎn)發(fā)信息碼。各軌道電路在無(wú)車的時(shí)候發(fā)送互不干擾的頻率信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)；一旦有車進(jìn)入軌道電路，軌道電路在給出占用信息的同時(shí)，開始以移頻鍵控（FSK）或最小相移鍵控（MSK）方式發(fā)送包含諸如列車運(yùn)行方向、目標(biāo)位置、區(qū)間最大速度、目標(biāo)距離、下一段軌道電路區(qū)段的坡度、限速區(qū)間的允許速度、列車所在軌道電路的編號(hào)確認(rèn)、列車所在軌道電路的長(zhǎng)度等信息的信息碼。信息由車載天線接收，并傳送到車上，供ATP設(shè)備使用。
用數(shù)字軌道電路作為車－地通信的通道，是目前使用最為廣泛的方式，其性能價(jià)格比比較合理，列車運(yùn)行間隔可達(dá)100秒，目前應(yīng)為我國(guó)大多數(shù)城市軌道交通的首選方案。
2）技術(shù)方案之二：基于無(wú)線數(shù)據(jù)通信（DCS）的移動(dòng)閉塞
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Communication）和控制技術(shù)（Control）的飛躍發(fā)展，綜合利用3C技術(shù)代替軌道電路構(gòu)成新型系統(tǒng)已成為列車控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，其核心是通信技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了“基于通信的列車控制系統(tǒng)”（Communication based Train control，簡(jiǎn)稱CBTC）。上世紀(jì)80-90年代以來(lái)，陸續(xù)出現(xiàn)了很多CBTC現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，例如法國(guó)的ASTREE系統(tǒng)、日本的CARAT系統(tǒng)等。目前，一些大城市開始對(duì)原有的地鐵系統(tǒng)進(jìn)行CBTC改造，具有代表性的項(xiàng)目是美國(guó)紐約地鐵的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)改造，其它還有巴黎地鐵13號(hào)線，美國(guó)舊金山海灣地區(qū)的捷運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)（BART）等。
基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）具有兩種制式：采用軌間電纜作為傳輸通道的CBTC（稱為IL CBTC）及采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通信的CBTC（稱為RF CBTC），鑒于IL CBTC的電纜易于被盜，且不利于線路養(yǎng)護(hù)，故下面的討論僅針對(duì)RF CBTC（以下簡(jiǎn)稱CBTC）。
CBTC系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)控制系統(tǒng)，利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路），實(shí)現(xiàn)雙向連續(xù)、大容量的車-地?cái)?shù)據(jù)通信，能夠執(zhí)行列車自動(dòng)防護(hù)（ATP），列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）以及列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）。CBTC系統(tǒng)主要由移動(dòng)設(shè)備（車載設(shè)備）、軌旁設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、控制中心組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖3 基于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?nbsp;CBTC系統(tǒng)框圖
基于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿?dòng)閉塞，由于其具有其他制式無(wú)法達(dá)到的優(yōu)越性而深受青睞，毫無(wú)疑問(wèn)，隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大以及價(jià)格的下降，它將取代基于數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的“主角”地位。
