城市轨道交通列车运行控制系统综述

【摘 要】城市轨道交通列车运行控制系统（MTCS）以列控车载设备为核心，以地面电务设备为基础，以车地通信网络为载体，实现车-地信息快速高效无损传输，并能根据地面轨旁设备、线路周遭环境、通信网络和列控车载设备等状态可分为CBTC、ITC、CI、隔离等四个列车运行级别与FAO、ATO、ATP、IATO、IATP、RM、RMR、NRM等8个列车运行信号模式。系统可在不同等级设备基础上叠加或减少不同地面与车载设备来构成不同系列的列车运行控制系统，不同等级与模式间的主要差别在于电务设备、列控车载设备、地-车信息传输方式、系统自动化程度等。本文分析了MTCS系统研究现状、系统结构、功能原理以及在列车不同运营场景下的应用等进行了全面深入分析，为地铁现场实际运营、维修维保等提供了有力的技术支撑和指导。

【关键词】城市轨道交通;列车运行控制系统;车载设备;车载设备

1 引言

基于通信的列车运行控制（Communication- Based Train Control，简称CBTC）移动闭塞信号系统，应用计算机、通信、图形技术、网络技术、人工智能和自动控制等先进技术，并结合行车组织、列车运营、维修维保等地铁现场实际运维需求，构建了以行车岗位为核心的集行车调度指挥、区间闭塞、车站联锁和车载运行控制等于一体列车运行控制系统，实现了不同列车运行级别与模式的从车辆维保、整备作业、出库、正线、入加等全过程防护控制与运检修一体化管理，使城市轨道运营指挥与控制实现了自动化、数字化、智能化。同时也实现了车载设备与地面设备之间连续、高速度、大容量、安全、可靠的数据信息交换，促进了城市轨道交通系统技术装备和管理现代化、自动化、智能化，通过轨道电路或计轴实现轨道占用检查，同时结合有源和无源应答器、环线、无线通信等实现列车定位，实现全线列车基于同一运行图运行在基于ATS为行车指挥核心的MTCS下安全高效准点运行。

为确保城市轨道交通列车安全准点高效运行、运检修一体化管理、故障安全导向、设备故障降级无缝衔接有效运行等，实现低碳环保节约能源的目标，结合我国城市轨道交通发展的特点[1][2][3]，本文全面分析MTCS[4]技术相关原理与实现机制，对不同信号厂家列车运行控制系统的差异、同一列车运行控制系统不同信号级别与模式的运营场景等进行了阐述，旨在为城市轨道交通现场实际运营、维修维保等提供了有力的技术支撑和指导。

2 MTCS简介

2.1 MTCS组成结构

MTCS对全线不同列车运行全过程或除隔离模式外的部分作业实现行车组织管理与调度指挥和安全防护与控制的系统，其主要功能特征为：行车调度指挥ATS系统按照列车运行计划并结合计划运行图发出列车运行控制命令与指令，并下达给列车司机、车站值班员和车站自律机等，列车通过车站和线路设备获取经车站自律机、联锁系统和行车调度指挥系统校验后的地面行车信息和命令，并通过控制车载MTCS设备计算列车MRSP限速与相关牵引控制指令，控制列车按运行图时刻表行车。在确保列车运营生产计划、全线列车客流量、运载量等情况下保障全线列车安全准点运行，可通过调整列车运行图运行计划实现列车追踪间隔与停站时间的有序调整，同时需在调度中心向全线车站下达列车运行计划，并结合全线车站运行情况和联锁系统与车站自律机实现列车进路的调整，进而提高列车运行效率，同时也能较好的满足乘客出行的舒适度与体验感。

CBTC系統中的MTCS组成结构与功能原理与欧洲列车控制系统ETCS和中国列车控制系统CTCS相类似，主要由列车车载控制器和地面轨旁设备与电务附属设备组成，车载控制器主要由ATP、ATO、MMI、测速测距单元、车载无线通信单元、车载应答器接收单元等部分构成，地面设备主要由有源应答器、无源应答器、LEU、CI、ZC、DSU等构成，ATS和MSS为列车运行状态监控与设备故障报警和维修提供技术支持。

2.2 MTCS原理与工作机制

MTCS系统各应用等级均采用速度-距离曲线模式控制列车运行，不同应用等级车载和地面设备运用情况不一样，MTCS系统可在低等级的基础上叠加或启用部分设备来实现高等级系统的功能。

2.2.1 MTCS原理

列车自动控制系统ATC包括ATP、ATO、ATS子系统，其中ATP系统中的MTCS系统包括车载和地面两部分，是城市轨道交通自动化系统中保证列车高效准点安全运行的核心关键部分，较好的实现了城市轨道交通系统有序、安全、高效、准点运营的自动控制系统。该系统结合了通信、计算机、自动控制、传感及信息传输等技术，应用于列车运行的智能化控制，在确保安全的前提下，实现列车快速和高密度运行，缩短列车运行时间间隔，提高运输效率，能最大的发挥轨道交通的运输能力[5]。

ATC系统根据速度-距离计算方式可分为固定、准移动和移动三种制式，每一种制式的主要区别在于列车控制方式、车地通信方式、信息传输方式和速度级别。

2.2.2 MTCS运行级别与模式

MTCS系统主要设备序列为：①点式通信信息接收设备、有源应答器、地-车信息传送设备、计轴等;②连续式通信收发设备、地-车无线通信单元等;③ATO系统、CBTC系统、ATS系统;④FAO系统、车辆调系统、乘客调系统等。根据不的同设备序列组成为不同MTCS级别、运行级别与运行模式，具体划分如下表所示。

MTCS1应用设备序列①可以实现进路闭塞，可以凭地面信号机显示通过RM、NRM、IATP模式行车。

MTCS2应用设备序列②可以实现车-地双向大容量信息交换，并能实现列车定位、轨道占用检查等，系统可以实现半自动闭塞与准移动闭塞运行，司机驾驶列车可根据车载信号显示以ATP、IATP、RM、NRM模式运行，轨旁地面信号机可以灭灯或亮灯。

MTCS3在MTCS2与MTCS1基础上增加了ATO系统，列车通过GPS实现列车定位、并辅之轨道电路与计轴实现轨道占用检查，同时应用无线通信系统实现车-地信息双向大容量传输，可实现移动闭塞列车追踪，列车相关运行控制均由系统自动完成，同时当系统或设备故障时可降级为半自动闭塞与准移动闭塞运行。

MTCS4在MTCS3基础上增加了FAO系统，在既有控制中心增加车辆调与乘客调系统，并实现列控、站务与巡视岗位重组，实现了更精细化的职能分工和更高程度的集成与自动化，当前大部分城仍然采用的GOA3制式，只有较少城市采用了GOA4制式实现车上无司机的全自动无人驾驶运行。

3.MTCS应用现状分析

3.1 CASCO系统

3.1.1 系统简介

CASCO信号系统是一套基于无线通信的移动闭塞系统，采用移动闭塞原则，主要由ATP/ATO子系统、联锁子系统、ATS子系统、DCS子系统、维护支持子系统（MSS）和信号集中监测子系统等构成，并以轨道电路与计轴设备作为列车次级检测设备实现系统的降级及后备功能。

该系统通过进路控制与列车防护手段保护乘客及列车的安全;通过运营监督及与旅客信息系统接口提高运营舒适度;通过列车自动化系统对控制列车运行速度与平稳性进行控制，达到规范运营时间及节能的目的，能实现同一信号系统在不同列车、不同线路、不同运营场景高效安全准点运行。

3.1.2 系统功能分析

MTCS在列车首尾各设置一套CC，互为热备。每端的CC设备都会连续的计算其可用性状况，包括计算编码里程计，司控台接口的可用性。一旦工作CC的可用性低于备用CC，头尾冗余车载控制器之间的切换就会立即执行。主备设备之间的转换不影响列车的正常运行。列车每端的CC输入输出单元均采用3取2结构，可保证当某1路输入输出故障时系统的正常工作。列车两端的车载MTCS间仅通过两根网线连接，大大方便车内的施工和维护，同时实现了车载网络冗余。

该系统在站控与中控的转换中，需要同时登陆中心ATS和车站ATS才可实现相应的站控和中控的转变;在排列列车进路时，该系统可以实现进路的预览，并且在取消进路后该进路的始端信号机会出现一个黄色的三角形表明该进路转变为人工控制。

该系统能实现联锁机架、非安全网络节点等的状态显示，同时也能记录查询联锁实时报警信息和联锁机连续运行时间，以及与外部设备的接口状态信息，同时也提供站场回放和采驱码位回的功能。通过故障查询界面能实现不能类型的故障查询与故障代码回溯，能较快好省的实现故障定位，可通过MODEM实现远程诊断接入，提供了以太网和串口与联锁系统进行通信，实现对其他设备的管理与监控。能较好的信号设备以及相关联其他设备的维修保养与运营维护监测。

3.2 THALES系统

3.2.1 系统简介

THALES信号系统有CBTC及后备模式，在CBTC模式下，MAU接收来自ATS的进路请求，然后根据ATS的进路控制序列与控制指令并结合列车位置计划列车移动授权限制LMA。LMA将限制到ATS进路上的最近障碍物或停车点或列车运行终点。

车载MTCS采用单套车载计算机设备，两套车载无线设备、两套车载人机界面、两套车载转速计和三套车载加速度计。其设置均为冗余配置，特别是车载计算机设备采用三取二冗余安全型计算机设备，当其中一个处理单元故障后，冗余三取二会自动降级为二取二，从而保证车载MTCS具有极高的RAMS指标。

3.2.2 系统功能分析

该系统命令执行分两步执行，第一步为点击相应模块右击，菜单选择-初始化，命令确认发出后，在同一个菜单中选择-确认/取消，即可完成对相应命令的下达。所有的信号指示灯都为单灯，开放引导信号时，灯色则为红白各半;在取消进路时，系统会出现延时解锁的现象，进路呈现黑光带，信号机关闭。

该系统与微机联锁系统通过以太网或串口进行通信，能实现全线信号设备的实时信息、网络状态、机架状态、运行参数追踪、历史查询、远程诊断、版本信息校验、外部接口、站场回放、故障查询等功能，能较好的实现信号设备以及与其互联互控的设备的维护维修保养与问题跟踪定位。

3.3 TCT系統

3.3.1 系统简介

TCT信号系统是基于无线通信的列车自动控制系统，该系统采用自主研发的最先进、最小追踪间隔的移动闭塞技术和无线通信技术，实时进行车-地双向通信传送运行状态与控制信息，使后续列车可以实时获取前方列车位置信息并根据列车时刻表算出最优运行曲线使列车高效安全准点运行，为了提高列车进站效率和停车对标精度，该系统增加了环线应答器、低速释放等功能。

MTCS系统车载ATP子系统车头、车尾各一套，头尾两端通过通信线缆相连，用以实现头尾两端设备之间的通信以及车地无线通信的双路冗余。车载ATP子系统采用“3取2”的安全冗余技术，确保了车载子系统的安全性、可靠性及可用性。

3.2.2 系统功能分析

该系统在涉及危险操作时，都会有输入密码的操作，来确保措施的可靠性。在取消自动通过进路后，需要再次点击取消进路，否则信号机依旧为绿灯，只是取消了进路的自动通过能力。在信号重开时，信号重开后，信号机显示黄灯，提醒司机限速通过。该系统可以集中查看以某信号机为始端的所有进路的控制模式（自动/人工）。

该系统能实现全线信号设备以及与其联动联控的相关设备的运行状态与数据接口的检测检视，可通过输出板上电流与电压检测模块定位分析继电器拒动、误动、不动的原因。同时也可通过检测数据实现对继电器前接点采集报警、道岔断表示、灯丝断丝、信号不开放、道岔操不动、轨道电路红光带或其它报警信息等问题的分析定位，能较好的实现全线信号设备与其相关联的设备的检修维护保养。

4.结论

通过对国内外城市轨道交通列车运行控制系统级别模式和列车运行控制系统功能原理以及不同MTCS系统关键技术进行介绍，当前城市轨道交通MTCS的研究与建设重点应从系统功能、运营安全、维护维修、系统差异性、系统自动化与智能化和维护维修智慧化等方面统筹考虑，全面高效有效规划整个城市轨道交通建设、运营、管理、维保等方面。

参考文献：

[1]李晓刚. 车地通信延时对CBTC系统列车运行控制的影响分析.铁路通信信号工程技术，2011年12月，第8卷第6期.

[2]朱宏舟. 试论轨道交通列车运行控制系统. 工程技术.2010 NO.15.

[3]王玺. 城市轻轨列车运行控制系统设备选型. 技术论坛.2009 NO.16

[4]刘宏杰，郜春海，刘 波，陈黎洁. 城市轨道交通列车运行控制系统分级标准研究. 都市快轨交通，2011年第24卷 第4期

[5]石先明，习 博. 城际铁路运营特点及列车运行控制系统功能定位. 铁道勘测与设计，2010（6）.

[6]燕 飞. 列车运行控制系统安全保障与认证方法研究. 中国安全科学学报，2010年12月，第20卷 第20期.

作者简介：

徐斌，（1971-），男，汉族，上海市，本科，部门经理，研究方向：车辆工程。

（作者单位：上海地铁维护保障有限公司车辆分公司）