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轨道交通，通向美好生活
轨道交通信号与控制态
CBTC技术
作者：Karsten Rahn、Andreas Steingrover
徐纪康 整理
1、以列车为中心的方法
将尽可能多的功能转移到车载控制单元，从而在极端情况下消除轨旁控制单元。
理想的完全以列车为中心的方法
理想的完全以列车为中心的CBTC方法旨在省略轨旁的任何逻辑。这也意味着设置道岔位置、占用/出清轨道区段功能也包含在车载逻辑中。
车载单元上有1个线路地图，包括所有要控制的轨旁设备。每列列车都直接与轨旁设备（如道岔或站台屏蔽门）以及附近的其他列车通信。为了实现移动授权，列车需要控制和检查线路地图中列出的轨旁设备状态。因为这是设想的列车进路。出于列车安全间隔功能的要求，需要考虑前后其他列车的位置。然后可以完全在车载上计算移动权限。
当列车运行时，需要释放轨旁资源，以给其他列车使用。例如，一旦完全通过道岔，该道岔资源就被释放，然后后续列车可能会将其设置在另一个位置。
上图实线说明了这种理想的以列车为中心的方法的逻辑通信链路。不同的颜色表示与不同类型元素的通信。前后列车需要在大于制动距离（通常为250m或更多）的距离上相互通信。为了设定一个时间点，必须考虑额外的距离，500m或更多的距离必须通过无线电通信作为最小值。常用的无线电5.9GHz频段的技术通常无法满足这一要求，尤其是当轨道弯曲且高程发生变化时，这对于地铁轨道来说是常见的。
可以看出，每列列车以及在某种程度上，轨旁设备都需要同时建立多个通信链路。例如，离开站台的列车需要不断与站台屏蔽门控制器通信，以检查门的关闭和锁闭状态，并与乘客紧急柱塞控制器（PEPC）和工作人员保护钥匙开关（SPKS）通信，以检查每个门的“未激活”状态。同时，列车需要与前一列列车通信以检查其尾端在哪里（有安全余量），并与后一列列车通信以提供自己的安全尾端位置。
而且，对于临时限速功能来讲，需要一个单独的轨旁控制器来实现临时限速功能。它可能覆盖部分线路甚至整条线路。临时限速设备需要与该区域内的所有列车通信，以防遗漏已经设置的临时限速。
只要列车在相互影响的区域范围内，列车就会单独与每个设备保持通信状态。对于站台来讲，要求直到列车完全离开离开站台区域。对于列车进路上的道岔和侧防道岔，通信将持续到它们被完全出清为止。而且，部分道岔可能需要同时与多列列车进行通信，例如，对于侧防道岔来讲，如果列车在两条轨道上移动，就会发生这种情况。
设想如下场景：在同一轨道上，如果列车追踪间隔很短时，后车试图提前设置前方道岔位置时，但是该道岔位置仍被前车占用。
而且，在这种理想的以列车为中心的方法中，所有列车都需要配备CBTC。因此，在未配备CBTC或非通信列车混跑的场景下，比较复杂。
一般来说，在地铁应用中，尽可能避免沿轨道分布电子设备。特别是在隧道区域，空间有限，维护人员只能在夜间短暂的工程时间或需要中断乘客运营时才能进入。因此，任何电子设备最好集中在专用信号设备室，主要是在车站大楼，以便即使在列车运行期间也能轻松快速地维护或维修。此外，不间断电源的工作区域仅限于信号机房，避免了沿轨道的干扰等。所以，合适的以列车为中心的解决方案如下图所示。
2、以轨旁为中心的方法
当从列车的角度出发，有不同的权限限制，这取决于前车的位置、前方的未锁闭道岔或出于多种原因设置的移动授权。然后，使用最严格的限制点作为列车的最终移动授权。
在完全以列车为中心的方法中，列车将其位置传达给后车，反之亦然，从前车获得安全的移动授权。相比之下，在以轨旁为主的系统中，信息可以通过轨旁控制单元进行路由。因此，只有轨旁和所有必要的列车之间的通信，而不是列车之间的通信。
标准的以轨旁为中心的方法
这是与IEEE 1474相对应的标准CBTC方法，其中车载部分负责本地化、监督列车完整性并向轨旁报告重要位置。轨旁根据现场设备状态和所有跟踪列车的位置报告，为范围内的每列列车生成移动授权。
上图说明了这种以轨旁为中心的标准方法。直接的列车对列车通信是不必要的，只需要与中央轨旁控制单元的持续通信保持不变。
轨旁必须跟踪其区域内的所有列车。一个简单的算法确定每列列车最严格的权限，并与各自的轨旁ZC进行通信。
如果次级列车检测系统连接到轨旁，则与非通信列车的混合运行成为可能。这在降级的情况下是有利的，例如在车载发生故障的情况下，或者当没有装备车载的列车需要运行时。
理想的完全以轨旁为中心的方法
以轨旁为中心的CBTC，更多的车载功能转移到轨旁。这本质上符合中央控制的地铁运营原则。
车载功能变成了简单的读取天线、读取里程计传感器和确认列车完整性，以及牵引制动、紧急制动和车门的控制。用于定位、速度控制、速度监督和车门控制的CBTC算法和逻辑被转移到轨旁控制单元。车载部分变成了一个简单的控制器，只处理输入和输出。
显然，比较有利的是，轨旁可以在安全云中执行，以实现最大的可靠性、性能和硬件独立性。因为车载控制器只是为列车提供接口，现代无线数据通信的通信延迟极低。
这种完全以轨旁为中心的方法兼容了混合运行。在理想情况下，精确的列车定位功能可以通过通过定位雷达或UWB等技术，实现从车载转移到轨旁。但需要在轨旁部署更多的电子设备，包括车站之间或隧道内。
3、结论
理想的以轨旁为中心的解决方案符合城市轨道交通的一般范式，尤其是依赖于中央交通控制的地铁，每列列车的运行都是中央调度发布指挥的。
以列车为中心的解决方案仍需中央来实现列车自动调节和基于时刻表的运行。
只有当所有列车运行和客流量得到协调适配时，轨道交通才能实现最大效率。这就是在地铁系统上实施中央时间表的原因。
素材来源：读者投稿
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