郜春海
【摘 要】自主创新的CBTC系统项目实现了“安全、快捷、可靠、准点、舒适、节能、自动化”城市轨道交通的目标。文章从自主创新的CBTC信号系统的研究背景、发展历程、技术创新点及成果转化几个方面进行详细阐述，对我国的自主创新项目的研究具有指导意义。%The paper gives detailed description in several aspects including the background, development, technical innovations and achievements made in the innovation of CBTC signaling system, and provides a reference with guiding significance for study of China's independent innovative projects.
【期刊名称】《现代城市轨道交通》
瓶嘴挤爆胶囊【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】4页(P7-10)
【关键词】酷基城市轨道交通;基于通信的列车控制;自主创新 【作 者】郜春海
【作者单位】北京交控科技有限公司，北京 100070
【正文语种】中 文
【中图分类】水牌制作U231.7
轨道交通系统作为大容量公共交通工具，其安全性直接关系到广大乘客的生命安全。而作为高速度、高密度轨道交通系统的大脑与中枢，列车运行控制系统主要负责调度指挥、间隔控制、进路控制、速度控制及安全防护任务，为此，装备性能先进、安全可靠的列车运行控制系统是确保轨道交通列车运行安全、高效的必须手段。基于通信的列车控制（CBTC）是目前应用于城市轨道交通信号控制领域可持续发展的最先进技术，自2004年以来，我国城市轨道交通新线建设与旧线改造基本上全部采用CBTC系统，CBTC可以实现城市轨道交通高密度、小间隔运行，解决当前发展问题，但核心技术均需依靠国外引进，给中国大陆城市轨道交通发展带来阻碍。每年400 km大规模的建设，引进系统的工期长、造价高、运营维护成本高，带来很多问题。
2010年12月30日，我国自主研发的CBTC信号系统在北京地铁亦庄线示范工程开通运营，这标志着我国摆脱国外的技术垄断，使我国成为世界上第4个成功掌握CBTC核心技术并开通运营的国家。
自主研发的CBTC系统作为一项集控制、通信、网络、集成、运输组织、材料工艺等多学科的综合系统技术，根据国际上发达国家在安全苛求控制系统上的发展历程，以及安全认证的体系要求，从1995年开始就按照全生命周期的要求开展相关的研究工作，其发展历程经历十几年，主要分为以下5个阶段，第1阶段：教授学者提出科学问题进行理论分析；第2阶段：大学牵头开展核心技术研究；第3阶段：运营用户牵头开展现场试验与中试；第4阶段：建设用户牵头开展示范工程；第5阶段：企业牵头开展研究成果产业化；在全过程的5个阶段，政府始终处于搭台支持的角，全过程为自主创新提供政策、技术引导、示范应用等。
信号系统的发展，历经了若干个阶段，从固定闭塞、准移动闭塞，到目前的移动闭塞。早在20世纪60年代，北京交通大学就率先提出CBTC系统的理论并开始进行理论分析和相关的教学与科研。1996年，该研究正式进军城轨信号领域，研发的列车自动防护（ATP）产
品开始应用于北京、大连等地铁线路，1996年，列车自动防护（ATP）系统获得国家“八五”科技攻关重大科技成果奖，1999年，CBTC系统的系列产品DDX型叠加点式信息和LCF型列车超速防护系统获得铁道部科学技术进步二等奖，2001年，北京地铁环线超速防护ATP车载设备（LCF-100DT型）获北京科学技术进步二等奖，2001年，完成了FTGS数字编码轨道电路的信息编码分析，研制了相应的车载接收模块软硬件，研究分析了ATO系统结构，研制了适于地铁的LCF-200DT型超速防护车载设备，并在现场进行接收试验。至此，CBTC系统核心产品列车自动防护（ATP）已取得显著的成绩。2004年，基于通信的列车控制（CBTC）技术研究应用在世界上尚处于起步阶段，北京交通大学响应国家自主创新战略，采用产学研的方式立项进行CBTC核心技术研究及关键设备的研究与开发。2006年该项研究作为“新型城市轨道交通技术”课题之一，得到国家“十一五”科技支撑计划项目的支持。经过努力，基本完成了CBTC系统核心技术的研究与攻关，以及实验室的仿真测试验证，2007年利用1列车在长1.3 km的北京地铁试车线上进行了现场试验与测试。CBTC系统是一个保证行车安全、提高运输效率的重要安全控制系统，在系统投入工程使用前必须投入一定时间的运行考核试验，以进一步完善核心技术，并验证系统的性能。为此，在该项研究成果基础上，在2008年-2009年期间完成在运营线路上的CBTC系统运行考
核试验。2008年，北京交通大学结合研究的CBTC研究成果，申请国家财政专项，在大连实际运营线路上开展CBTC系统的中试试验，利用2列地铁列车在长8.9 km的试验线上进行了为期1年半的综合测试与验证，全面验证了完整的ATC系统功能与性能，各项性能指标均达到国际先进水平。2008年北京市决定设立“北京轨道交通核心技术研发及示范工程”重大专项，以CBTC关键技术和设备为核心，把北京亦庄线建设成自主创新的国产信号系统示范工程。2010年，在亦庄线的建设期间，英国劳氏公司作为第三方安全评估，现场见证CBTC试验，并通过了亦庄线的现场安全认证。2010年12月30日，亦庄线CBTC示范工程正式通过验收并开通运营。
CBTC信号系统的研究及示范应用，在我国形成一个高附加值的高新技术产业链，为我国城市轨道交通的持续发展提供强有力的技术支撑。
2.1 核心技术优势
自主创新CBTC系统研发项目攻克了CBTC信号系统的核心技术，包括开发了基于模型开发的安全计算机平台、基于最佳化的列车自动防护和自动驾驶优化控制技术以及基于多种车-地传输方式的无线系统。首次建立了覆盖安全系统全生命周期的移动闭塞系统设计理论及
技术体系，提出了列车运行安全控制的模型和算法；采用高密度列车追踪防护技术，解决了复杂线路条件下，高速度、高密度列车最小间隔达到90 s追踪控制问题，全天候地保证列车安全运行；采用最佳化列车自动驾驶技术，解决了节能优化驾驶、精确停车问题；首次提出了兼容无线自由波、波导管和漏缆等多种媒介的高可信、大容量车-地双向传输技术，实现了复杂环境下车-地安全信息可信传输；采用基于最小系统及测试案例的仿真、测试、验证技术，实现了原理验证、功能测试、系统集成测试、现场故障数据回放、分析与处理，以及后期系统升级与维护。
自主创新CBTC系统的实施过程中，首次完全按照国际标准、系统化地开展安全苛求系统的思路进行CBTC研发与示范。在全生命周期采用国际铁路安全标准进行安全管理与保障，具有满足国际标准的可靠性、可用性、可维护性和安全性。自主创新CBTC系统取得了国际独立第三方安全认证机构——英国劳氏公司颁发的SIL4级（最高等级的安全性能）证书。
张力计算2.2 主要技术创新
2.2.1 建立了系统设计理论及技术体系，自主研发成套系统装备
糖果装(1）移动闭塞的系统设计理论。建立了移动闭塞下的系统设计理论，实现列车“鱼贯”式、90 s最小间隔的安全追踪。包括单列车多质点的牵引与制动特性模型，单列车复杂线路与气候条件下的多传感器融合精确定位模型，2列车最小间隔信息搜索与预警控制模型，列车的自动协同节能控制模型，大规模列车与地面间的安全控制信息双向传输策略与方法等。
(2）全生命周期的安全苛求系统设计方法。基于欧洲电工标准化委员会（CENELEC）标准，建立全生命周期、基于风险、可全程追溯的系统设计和开发流程，完成CBTC系统风险源识别，建立间隔控制与速度控制等安全模块的可靠性与安全性分析模型，并在综合测试平台进行15万余条测试案例验证。
(3）自主研发的安全计算机平台。基于容错计算机理论，提出了能够防止已知或未知的软件、硬件故障的容错及安全管理（FTSM）机制，通过空间分集与时间分集结合的处理方法实现“故障-安全”。
(4）基于一体化设计、2级调度模式、3种控制的技术装备。实现等级无扰转换与协同控制的装备研制，提出包括列车自动监控(ATS)、列车自动防护(ATP)、列车自动驾驶(ATO)、
计算机联锁(CI)在内、多种干扰因素下的一体化设计，并研制成套的技术装备；构建了移动闭塞、固定闭塞与站间联锁的3级异步、无扰、多车混合运营的复杂协同。
2.2.2 高密度列车追踪防护技术和最佳化列车自动驾驶技术
国内首创车-地协同的高密度列车安全防护技术，解决了高速度、高密度、复杂线路和天气条件下列车的安全追踪与无人折返运行，全天候地保证列车安全。国内首创最佳化列车自动驾驶技术，应用多目标优化理论实现列车在复杂环境下运行时刻表的自动调整；实现复杂线路情况下的节能优化控制；单质点、多质点结合的列车动力学模型，实现列车的超速防护控制；综合考虑停车精度、准点、舒适目标，运用多目标优化方法生成理想运行曲线，设计双自由度鲁棒控制器，实现对理想曲线的高精度跟踪。
2.2.3 多媒介、高可信、大容量车-地传输技术
(1）车-地通信自主创新。自主研发的CBTC系统首次采用无线自由波、漏泄波导管和漏泄电缆3种传输方式互相融合与组合实现列车运行控制信息的车-地双向传输（图1），降低了列车无线传输过程的安全风险，极大地提高了CBTC系统的工程安全性、适应性与灵活性，
确保了CBTC无线传输的稳定可靠。自主研制了中国首套自主知识产权的基于漏泄波导和漏泄电缆的车-地通信系统。
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