城市轨道交通CBTC技术的研究与发展_科技创新_技术前言_太阳gg娱乐登录
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城市轨道交通CBTC技术的研究与发展

发布时间:2014-07-11 作者: 来源: 字号:

一、CBTC的起源

传统列车的保护系统受到只能对已存在的轨道旁控制回路作列车位置的确定、列车操作指令被限制在几个方向上的道旁设备的信号指示或是驾驶室内少数的速度指令等限制。因而有逐步朝一个连续自动化列车控制系统,利用高解析测定列车的位置,能不受轨道电路的支配、有连续的高容量、双向作用(从列车到道旁边)的数据通讯及具有执行列车运转及道旁处理能力之方向发展。研究人员期望这种系统能够减少铁路轨旁信号线缆的敷设,并同时期望减少线缆的日常维护工作(实际引入轨旁通信设备,带来相应的轨旁维护工作量)以降低列车实行自动控制的成本。它的特点是用无线通信媒体来实现列车和地面的双向通信,用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制。在CBTC中不仅实现列车运行控制,而且可以综合成为运行管理,因为双向无线通信系统,既可以有安全类信息双向传输,也可以双向传输非安全类星系,例如车次号、乘务员班组号、车辆号、运转时分、机车状态、油耗参数等等大量机车、工务、电务等有关信息。利用CBTC既可以实现固定自动闭塞系统(CBTC-FAS),也可以实现移动自动闭塞系(CBTC-MAS)。在CBTC应用中的关键技术是双向无线通信系统、列车定位技术、列车完整性检测等。在双向无线通信系统中,在欧洲是应用GSM-R系统,但在美洲则用扩频通信等其他种类无线通信技术。列车定位技术则有多种方式,例如车载设备的测速-测距系统、全球卫星定位、感应回线等。

二、CBTC的发展

CBTC技术经历多次技术革新,而位于纽约市的公园大道上的电机电子工程师协会(IEEE),拥有超过二十多种有关控制、设计、铁路电车之建造与铁路控制系统等规格标准。也对CBTC技术系统方面制定有两项标准:一个是1999年的IEEE1474.1标准,是关于CBTC性能与功能的规定;另一个是在2003年晚期发布的IEEE1474.2标准,那是对于CBTC系统用户界面之规定。在IEEE1474标准里的CBTC定义:为列车的位置、速度及方位,是藉由一个连续的双向通讯环节,从车辆电脑到道旁电脑来传递的。同样地,也在IEEE1474里有解释,CBTC系统不需要道旁电路来侦察列车。然现今在使用的大部分CBTC系统,均是利用近场电磁感应的环形线路(IL)来传送。以无线电频率(RF)传送为基础的较新的CBTC系统正在浮现而且是这个工业的趋势。

国际上开发和研究CBTC技术的公司也都有自己的相关CBTC产品和技术平台。目前完全被国际上少数几个公司垄断,CBTC以列车与地面的传输信息方式来划分,分无线、环线、漏缆及波导管等几种,带环线的CBTC技术最成熟的是阿尔卡特,无线CBTC技术最成熟的是庞巴迪且有较好的开通业绩。西门子、阿尔卡特号称已有无线CBTC技术,但实际情况是阿尔卡特刚开了一条独轨拉斯维加斯机场线无线CBTC系统。阿尔卡特中标的上海地铁8号线信号系统因故比原计划推迟开通一年。而西门子是兼并了法国马特拉公司而拥有了CBTC技术,环线的CBTC已有业绩,无线的CBTC至今尚未开通过一个,在纽约地铁CBTC系统的改造中,进展不快。在中国国内的广州4、5号线,以及北京10号线均碰到了一些技术障碍,正在积极解决之中。此外,美国GE公司,英国西屋公司,法国CSEE公司,法国AREVA公司均在CBTC领域有涉足,但形不成竞争态势。美国GE公司兼并了美国哈门公司以后开通了一条无线CBTC系统。由于使用了美国休斯公司在伊拉克沙漠风暴中的军用技术,价格昂贵,无人进一步问津。西屋公司的CBTC采用漏缆技术,法国CSEE公司和AREVA公司的CBTC尚在研制实施之中。一个成熟的信号系统应该是以最简洁的系统来实现全部功能,但移动闭塞(CBTC)系统由于尚处于发展初期,地铁轻轨公司为保险起见,在选用移动闭塞(CBTC)系统的同时,增加后备模式,以确保移动闭塞一旦故障或未及时开通时先以后备模式保证列车能以站间闭塞的方式运行。后备模式的选用,可谓保险但不经济,且技术风险(特别是自由无线传输)骤增。

从技术角度来讲,闭塞分固定闭塞和移动闭塞二种,目前世界上最先进的信号系统是:移动闭塞(Moving Block),采用CBTC技术,并实现无人驾驶DTO(Driverless Train Operation),如庞巴迪公司的CITYFLO650系统。此外,还有移动闭塞,采用CBTC技术,半自动列车运行STO(Semi-Automatic Train Operation),如庞巴迪公司的CITYFLO450系统。移动闭塞CBTC系统的特点。

移动闭塞系统摆脱了用轨道电路判别列车对闭塞分区占用与否,突破了固定或准移动闭塞的局限性,具有更大的优越性和特点。

1、实现列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大。

2、可减少轨旁设备,便于安装维修,有利于紧急状态下利用线路作为人员疏散的通道,有利于降低系统全寿命周期内的运营成本。

3、便于缩短列车编组、高密度运行,可以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;实现线路列车双向运行而不增加地面设备,有利于线路故障或特殊需要时的反向运行控制。

4、可适应各种类型、各种车速的列车,由于移动闭塞系统基本克服了准移动闭塞和固定闭塞系统地对车信息跳变的缺点,从而提高了列车运行的平稳性,增加了乘客的舒适度。

5、可以实现节能控制、优化列车运行统计处理、缩短运行时分等多目标控制。

6、移动闭塞系统,尤其是采用高速数据传输方式的系统,将带来信息利用的增值和功能的扩展,有利于现代化水平的提高。

CBTC是城市轨道交通的发展是一个关键节点,实用就是最好的,也是中国特色的发展之路之一。准移动闭塞、固定闭塞其实已能满足我国城轨目前对列控(信号)的要求,移动闭塞CBTC是城轨控制的发展方向。城市轨道交通的列控技术一般领先铁路5到10年,以城轨的实践来带动铁路列控系统的发展,意义深远。建议国家有关部委对城市轨道交通列控(信号)的发展尽快制定出相应的战略,并推动、扶持肩负历史责任的单位承担研发重任,对国内选用自主知识产权的列控信号系统的项目进行政策倾斜,鼓励科技创新。呼吁城市轨道交通建设当局选用列控制式时采取稳妥的方式,以梯队结构选取合适的系统,使中国的城市轨道交通建设沿着正确的轨道前行。

三、特性

CBTC的突出优点是有车——地双向通信,而且传输信息量大,传输速度快,很容易实现移动自动闭塞系统,大量减少区间敷设电缆,减少一次性投资及减少日常维护工作,可以大幅度提高区间通过能力,灵活组织双向运行和单向连续发车,容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等等。由各种研究与实际的操作经验显示,当将通讯式列车控制(CBTC)系统与其他较传统的号誌系统作比较时,应用通讯式列车控制(CBTC)系统提供了较低的开办以及营运成本、较高的容量及在没有牺牲操作速度之下缩短距离、更高的可靠性、更大的安全性而且增强了远距离列车操作的监视与控制之优点。CBTC相比传统的铁路信号系统有着诸多特性,比如:

1、不须繁杂的电缆,转而以无线通信系统代替,减少电缆敷设及维护成本。

2、可以实现车辆与控制中心的双向通信,大幅度提高了列车区间通过能力。

3、信息传输流量大、效率高、速度快,容易实现移动自动闭塞系统。

4、容易适应各种车型、不同车速、不同运量、不同牵引方式的列车,兼容性强。

5、可以将信息分类传输,集中发送和集中处理,提高调度中心工作效率。

四、应用

CBTC可以使用的双向无线通信系统种类很多,例如欧洲使用的是GSM-R系统,美国使用扩频通信等其他多种无线通信系统,中国使用无线自由波、波导管、漏泄电缆或三种互相组合的地车信息传输方式。目前应用CBTC系统的有美国纽约地铁台湾台北捷运文湖线等,中国大陆也有部分城市轨道交通使用了CBTC系统,如武汉地铁1号线上海轨道交通8号线北京2号线北京4号线,机场线、北京地铁亦庄线、北京地铁大兴线、北京地铁房山线,广州地铁(除1、2、8号线)等。其中,北京地铁亦庄线的顺利开通标志中国成为继德国西门子法国阿尔斯通加拿大阿尔卡特后第四个成功掌握CBTC核心技术并顺利开通应用实际工程的国家,实现了全生命周期性价比最高的目标,比引进系统低20%左右。在建项目包括:北京地铁9号线、北京地铁10号线(二期)、广州6号线等。

五、探索

北京交通大学自主知识产权CBTC系统成功上线2011年1月25日北京交通大学就CBTC自主创新及其经验总结召开新闻发布会,北京交通大学校长宁滨教授介绍了CBTC信号系统的基本情况,并对整个系统的推广和产业化推进提出了高新技术走出国门的建设性想法。宁校长表示,就目前来讲,整套技术全面进入市场至少还需要3年时间。宁校长介绍,这套CBTC信号系统是我国轨道交通信号研发团队三代人几十年积累的成果,系统具有:先进、安全、高效、稳定和低成本的特点,同时,北京交通大学结合轨道交通大发展的国家需求,瞄准世界科技前沿,坚定不移的走自主创新道路,历经十年的不懈努力,突破了相关核心关键技术,探索出了一条“政、产、学、研、用”相结合,开展基础理论研究、核心技术研发、实验室仿真、现场试验、中试、示范工程、产品化与产业化的途径。

2002年,北京交通大学利用校科研基金开展CBTC基础理论与科学问题研究;2004年开始至今,北京市科委和科技部连续立项支持北京交大开展CBTC核心技术与共性技术攻关;2007年,国家财政部领导高瞻远瞩立专项支持北京交大,大连快轨公司积极配合,CBTC系统在大连运营线进行了中试,并建设了相关实验平台,同期,由北京地铁运营公司牵头组织了在北京地铁既有线的试验测试;2008年,国家发改委批准“轨道交通运行控制系统国家工程研究中心”的立项建设,同年,北京市政府将亦庄线作为具有自主知识产权的CBTC的示范工程,并由北京市地铁建设管理公司牵头组织实施;2009年,教育部批准北京交通大学成立“北京交控科技有限公司”,整合CBTC联合攻关各单位核心技术人员的力量,充分调动了各方面的积极性,2010年底顺利开通了亦庄线和昌平线示范工程,并使全套技术及系统产品取得了国际通行的SIL4级独立第三方安全认证证书。在新闻发布会上,北京交通大学科技处处长余祖俊教授强调,我国拥有了这套具备自主知识产权的CBTC信号系统后,可以为我国的城市轨道交通建设降低从国外引进CBTC技术20%的成本,加之后期服务、零配件更新等维护成本,全生命周期的成本将更加经济。北京交通大学郜春海教授介绍,这套先进系统也可以直接提升轨道交通驾驶员和中心调度员工作效率,使他们从机械、复杂的操作中解放出来,将更多精力放在关注更高层次的安全运营方面,提升轨道交通的人文关怀和可靠性。

宁滨校长指出,北京交通大学目前已经组建了一支300人左右的实体化团队,致力于CBTC成果推广、技术完善和维护由北京交通大学研发出来的这套CBTC信号系统。郜教授提到,这一套CBTC信号系统大规模的推广和产业化需要一个成果转化的过程,这个过程至少还需要3年时间,在这3年间CBTC信号系统将需要更多的高科技人才,同时如果未来CBTC信号系统技术成果走出国门,将我国的高科技产品带到国外,这样也会为更多国际贸易、外语等专业的高校毕业生提供就业机会。

2010年12月30日,随着北京地铁亦庄线、昌平线顺利开通运营,标志着我国具有完全自主知识产权的CBTC(Communication Based Train Control),基于通信的列车运行控制系统)信号系统示范工程取得了成功,使我国成为继德国、法国和加拿大之后,第四个成功掌握该项核心技术、应用于实际工程并顺利开通运营的国家。

六、结论

CBTC的显著特性是系统可决定列车的位置,高准确度以及不受轨道电路支配。CBTC系统以它在地理方面的连续式列车到轨道边与轨道边到列车的数据通讯网路为特色,准许转换比传统式系拥有更多的控制与状况资讯。轨道旁与列车运输之重要处理程序是在处理列车状态、控制数据以及提供连续自动化列车保护。CBTC也提供自动列车操作与自动列车监督之功能。

CBTC可以被应用在通勤铁路、重铁、轻铁、私人都市捷运系统以及大众运输。因为CBTC不需要轨道塞区间,这个系统很适合橡胶轮胎以及其它非钢铁轮胎系统。CBTC提供了互相操作的特色因此它准许阶段性的执行而不会妨碍到运输操作,而且它也允许多数卖者来供应所需之设备给这个大系统。除了基本的列车自动保护功能,自动列车监督与自动列车操作也有供应,让我们拭目以待吧!

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