1．概述
在城市軌道交通中，列車自動控制系統(tǒng)是必不可少的設(shè)備。軌道交通設(shè)置列車自動控制系統(tǒng)的目的：一是確保運行安全；二是提高運輸效率。從目前國內(nèi)情況看，所采用的列車自動控制系統(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沒有自己的列車自動控制系統(tǒng)產(chǎn)品，多渠道進口而又缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。這種情況不僅浪費資金，而且留下了安全隱患。因此，從國家政府到地方政府，目前都高度重視列車自動控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化，為此已進行了大量的工作。
在上海市科委的支持下，上海新華控制技術(shù)（集團）有限公司在該技術(shù)領(lǐng)域已進行了數(shù)年研究，完成了“軌道交通列車自動控制系統(tǒng)（ATC）國產(chǎn)化可行性研究”項目研究，并于2005年2月通過鑒定。在此項目研究的過程中，上海新華控制技術(shù)（集團）有限公司通過大量調(diào)查研究，與國外主導(dǎo)ATC廠家進行深入溝通與合作，積累了豐富的技術(shù)與應(yīng)用經(jīng)驗，并就該領(lǐng)域內(nèi)的國際合作方面邁出了實質(zhì)的步伐。
城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)（簡稱ATC系統(tǒng)）包括：列車自動保護子系統(tǒng)（簡稱ATP子系統(tǒng)），列車自動運行子系統(tǒng)（簡稱ATO子系統(tǒng)），列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（簡稱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行狀況及設(shè)備狀況，通過信息檢測，傳輸及處理，在控制中心一目了然地顯示出來。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，我們已有能力實現(xiàn)國產(chǎn)化。ATO子系統(tǒng)與ATP子系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，其國產(chǎn)化完全取決于ATP子系統(tǒng)。聯(lián)鎖設(shè)備國內(nèi)已有非常成熟的產(chǎn)品。因此，城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化的關(guān)鍵在于ATP子系統(tǒng)的國產(chǎn)化。從國外引進的列車自動控制系統(tǒng)中，由于ATP子系統(tǒng)的制式不同而造成了整個列車自動控制系統(tǒng)相互之間不能兼容。我們對此展開重點研究，并提出與現(xiàn)實結(jié)合緊密并符合該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢的綜合解決方案。
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)字軌道電路的準移動閉塞和基于無線通信的移動閉塞（CBTC）
近二十年來，國際上很多城市軌道交通采用“基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞”作為列車自動控制系統(tǒng)的主要制式，在我國，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，合理的性價比，已經(jīng)具有充分的運行經(jīng)驗，其列車運行間隔（100-150秒）已能滿足絕大多數(shù)軌道交通運營部門的要求，因此，這類制式的列車自動控制系統(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移動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)致了在一個城市或一個地區(qū)的軌道交通網(wǎng)中各條線路的列車不能實現(xiàn)聯(lián)通聯(lián)運。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很大的困難；
弊病之二：大多數(shù)基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞，為了實現(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”，而這對于軌道交通的日常維護工作是非常不利的；
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：“準移動閉塞”距真正意義上的“移動閉塞”還有差距，因此，列車運行間隔的進一步縮短和列車運行速度的提高都將受到限制。
正因為如此，目前國際上的一些生產(chǎn)ATC系統(tǒng)的大公司正把目光瞄準“基于無線的移動閉塞”（RF CBTC）。經(jīng)過近十年的努力，無論在可靠性，安全性方面，還是在兼容性，抗干擾性方面，都已取得了實質(zhì)的進步。
1）技術(shù)方案之一：基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞（圖1）
圖1 基于數(shù)字軌道電路的列車自動控制系統(tǒng)框圖
軌旁ATP計算機將計算列車運行允許速度的有關(guān)參數(shù)，形成報文, 通過數(shù)字軌道電路發(fā)送給在軌道上運行的列車。ATP報文主要有目標距離、目標速度、最大限速、緊急停車、軌道電路編號等安全性數(shù)據(jù)。列車通過車載ATP天線接收這些數(shù)據(jù), 并形成相應(yīng)的速度保護曲線, 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計算機及必要的外圍設(shè)備（如里程儀、ATP天線等）組成。車載ATP計算機根據(jù)測速傳感器給出的列車實際運行速度,根據(jù)接收到的ATP報文信息實施對列車距離和速度的監(jiān)督、緊急停車的監(jiān)督、停車點的監(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：當軌道電路區(qū)段上無車時，軌道電路發(fā)送軌道電路檢測信號和檢測碼；當列車一駛?cè)胲壍离娐穮^(qū)段，立即轉(zhuǎn)發(fā)信息碼。各軌道電路在無車的時候發(fā)送互不干擾的頻率信號作為檢測信號；一旦有車進入軌道電路，軌道電路在給出占用信息的同時，開始以移頻鍵控（FSK）或最小相移鍵控（MSK）方式發(fā)送包含諸如列車運行方向、目標位置、區(qū)間最大速度、目標距離、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確認、列車所在軌道電路的長度等信息的信息碼。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，其性能價格比比較合理，列車運行間隔可達100秒，目前應(yīng)為我國大多數(shù)城市軌道交通的首選方案。
2）技術(shù)方案之二：基于無線數(shù)據(jù)通信（DCS）的移動閉塞
隨著計算機技術(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，簡稱CBTC）。上世紀80-90年代以來，陸續(xù)出現(xiàn)了很多CBTC現(xiàn)場試驗項目，例如法國的ASTREE系統(tǒng)、日本的CARAT系統(tǒng)等。目前，一些大城市開始對原有的地鐵系統(tǒng)進行CBTC改造，具有代表性的項目是美國紐約地鐵的列車自動控制系統(tǒng)改造，其它還有巴黎地鐵13號線，美國舊金山海灣地區(qū)的捷運運輸系統(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，故下面的討論僅針對RF CBTC（以下簡稱CBTC）。
CBTC系統(tǒng)是一個連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣涌刂葡到y(tǒng)，利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路），實現(xiàn)雙向連續(xù)、大容量的車-地數(shù)據(jù)通信，能夠執(zhí)行列車自動防護（ATP），列車自動運行（ATO）以及列車自動監(jiān)控（ATS）。CBTC系統(tǒng)主要由移動設(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 基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?nbsp;CBTC系統(tǒng)框圖
基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿娱]塞，由于其具有其他制式無法達到的優(yōu)越性而深受青睞，毫無疑問，隨著市場的擴大以及價格的下降，它將取代基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞的“主角”地位。
