第二节　CBTC系统功能

作为一个结构复杂的分布式控制系统，CBTC系统提供了丰富且强大的功能，本节将对CBTC系统的主要功能进行描述，并对CBTC系统各主要组成子系统在各项功能中的分配情况进行介绍。

一系统功能描述

根据城市轨道交通信号系统的功能需求，结合CBTC系统的自身特点，CBTC系统的功能主要分为以下五大类：

（1）保证行车安全；

（2）保护和辅助乘客；

（3）辅助列车运行；

（4）辅助驾驶；

（5）提供技术支持。

1.保证行车安全

保证列车运行、运营中的行车安全，是信号系统最主要的功能，为了实现对列车行车安全的保护，CBTC系统各子系统间需要协同工作，对列车运行进行全方位的监控。

（1）确定轨道占用信息

CBTC，自于车载设备的位置汇报后，根据安全算法，确认列车所占用的轨道区段状况，并以此为依据为后车计算移动授权。

（2）列车追踪间隔控制

根据所确定的轨道占用信息、列车相对位置及障碍物状态，区域控制器将按照移动闭塞原则，为列车计算移动授权。列车移动授权以前车车尾作为闭塞终点，结合安全控制原则，在保证后续列车安全的前提下，缩短列车追踪间隔。

（3）生成信号机强制命令

移动闭塞模式下，司机以信号系统车载设备的显示为基准驾驶列车，地面信号机的显示不作为主要行车依据。因此一般情况下，采用CBTC系统的线路，当系统运行在CBTC级别时，地面信号机采用灭灯显示。但对于降级模式列车，仍以信号显示作为行车依据，故降级列车前方一定范围内的信号机需要点亮。信号机的亮灭由区域控制器根据接近的列车类型进行判断，并生成强制命令发送给联锁系统执行。

（4）列车自主测速定位

列车在运行过程中，CBTC系统车载设备需要持续不断地对自身在线路上的位置进行计算和确认。CBTC系统车载设备包含了用于测速测距的速度传感器、加速度计、雷达，通过测速测距算法，对自身走行距离进行计算。同时，通过获取地面应答器/信标的位置信息，对自身位置进行校准。

（5）列车轮径校正功能

列车的车轮轮径是车载设备进行测速测距的重要参数，因此CBTC系统需对列车轮径进行管理。一般而言，CBTC系统在车辆段或正线设置专门用于进行轮径矫正的应答器/信标设备，布置于平直轨道上，间距固定。当列车匀速通过轮径矫正设备时，车载设备将计算列车轮径，并以计算所得的轮径作为计算依据。

（6）驾驶模式和运行级别管理

CBTC系统提供三级驾驶级别（CBTC级别、点式后备级别、联锁级别）和多种驾驶模式[AM模式（自动驾驶模式）、CM模式（编码人工驾驶模式）、RM模式（限制人工驾驶模式）、EUM模式（紧急非限制人工驾驶模式）等]，根据当前的列车运行状况及线路条件，对驾驶模式及运行级别进行管理。一般情况下，由低级别模式向较高级别模式的转换是自动完成的，而高级别向低级别的转换，特别是安全防护的主体由CBTC系统变为司机的转换（转换至RM模式或EUM模式）必须停车并由司机进行人工确认。

（7）列车追踪速度曲线计算

CBTC系统的车载设备根据自身测速测距情况和区域控制器发送的移动授权等信息，实时计算用于列车追踪及安全防护的速度-距离曲线。曲线包括紧急制动触发曲线、牵引切断曲线（可选）、推荐速度曲线等。车载设备将严格根据速度-距离曲线对列车的速度进行防护。

（8）列车超速防护

根据实时计算所得到的速度-距离曲线，CBTC系统车载设备对列车的运行速度进行严格监控，若列车的运行速度超过推荐速度曲线，设备将发出声光报警提示司机；若列车的运行速度超过牵引切断速度，设备将自动切断列车牵引；若列车运行速度继续上升触及紧急制动触发曲线，则设备将立即实施紧急制动，保证列车在安全防护范围内停车。

（9）退行防护

在列车运行过程中，CBTC系统不但监控列车的运行速度，也会监控列车的运行方向。若列车的运行方向与期望运行方向不相符，系统将判定列车进行了退行。系统允许列车在一定范围内有限的退行，但退行一段距离后即会实施紧急制动提醒司机谨慎操作。一般来说，CBTC系统允许列车三次退行，退行的允许距离为2m、2m、1m。若超过了总计累积误差或总计退行次数，系统将紧急制动不缓解。

（10）红灯误出发防护

当列车在车站停靠时，若出站进路未被排列或其他原因导致出站信号未开放时，CBTC系统将切断列车牵引回路，防止司机因误操作或误判断导致列车越过红灯信号，从而实现对列车安全出站的防护。

（11）列车完整性监督

列车本身的完整性是CBTC系统对列车运行进行安全防护的基础，若列车完整性不能保证，则CBTC系统无法实现对列车的控制和防护。因此，CBTC系统在列车运行过程中需要实时对列车完整性进行监督，一旦丢失列车完整性信号，CBTC系统将立即采取紧急制动措施，最大程度保证列车安全。

（12）管理临时限速

作为运营调整的有效手段，临时限速在出现突发情况需要对线路某一区段进行速度限制时使用。CBTC系统可以对调度人员下达的临时限速进行管理，包括临时限速设置、二次确认、存储、上电确认、取消等一系列作业，保证临时限速命令的完整性。

（13）管理数据库版本

在CBTC系统的各个子系统中，均存在数据库信息，为使系统整体的完整性和一致性得到保证，必须确保各子系统所使用的数据库版本统一。CBTC系统的数据存储单元作为统一的数据源，对各关键子系统提供版本检验，若数据版本不一致，则CBTC系统不能进入列车控制，确保系统的安全性。

（14）联锁功能

联锁子系统是保证列车行车安全的基础设备，主要任务是按一定程序和条件控制道岔、信号，建立列车或调车进路，实现与列车运行和行车指挥等系统的结合，实现进路的人工或自动控制，显示区段占用和进路状态、信号开放和道岔状态、遥控和站控等各种表示和声光报警。

（15）道岔控制功能

道岔是控制线路方向转换的重要基础设备，CBTC系统的联锁子系统提供对于道岔的控制功能，除正常排列进路时的道岔选动、锁闭、解锁外，还提供了特殊情况下控制道岔的单操、单锁、强扳、封锁命令，以便根据运营实际情况，在保证安全的情况下对道岔进行灵活控制。

（16）区域（信号）的封锁和解封

CBTC系统的联锁子系统还提供了区域封锁和信号封锁功能，当运营过程中遇到突发情况，需临时对通过某一区段或信号机的列车进行限制时，可采用封锁命令。命令下达后，相关进路始端信号将不再开放，防止列车越过封锁区域。当突发情况解除时，可通过解封命令取消封锁。

（17）提供车地双向通信

通过车地双向大容量冗余通信网络，CBTC系统实现了车载设备与地面设备的信息交互。在列车运行过程中，系统将实时监测车地双向通信状态，一旦通信延迟超过系统所允许的门限值，系统将立即实施紧急制动，保证列车的运行安全。

2.保护和辅助乘客

除保证列车运行安全外，保护和辅助乘客也是CBTC系统非常重要的功能，系统需要防护车门、安全门、紧急停车按钮等与乘客相关的区域或设备，保证乘客在站台乘降、列车运行过程中的安全。

（1）管理列车车门

CBTC系统对于列车车门的监控是实时的，在区间运行时，若系统监测到车门失去“关闭且锁闭”状态，则将采取切断牵引或紧急制动措施，提醒司机确认车门状态，保证乘客安全。在站台区域，若车门控制方式为自动，则CBTC系统将按照停站时间自动打开、关闭车门，若出现非系统授权的车门打开，系统将限制列车移动，保证站台和车上乘客的安全。

（2）管理站台安全门

站台安全门也被CBTC系统纳入监控范围，在系统运行过程中，将持续监测各站的安全门状态。若在列车进站前，某站安全门打开，则系统将限制列车不可进入站台，以避免发生危险。列车在站正常停车过程中，系统将通过车地无线通信实现车门与站台安全门间的同步开启和关闭。当列车在站台范围内监测到非预期的安全门打开时，将立刻采取措施限制列车移动，保证站台和车上的乘客安全。

（3）检查列车安全停靠站情况

当列车到达站台停车时，为了保证车门与安全门的对准以及乘客的安全乘降，只有当列车停靠在指定区域（称为“停车窗”）内时，系统才允许列车车门及站台安全门打开，否则即便司机发出开门命令，系统也将禁止该命令的执行，以保护站台和车上乘客的安全。

（4）授权驶离站台

当列车进站开关门作业完成，旅客乘降完成后，CBTC系统将对列车的发车条件进行检查，当出站进路已排列且信号开放、所有站台安全门关闭且锁闭、所有车门关闭且锁闭、紧急停车按钮全部未按下等安全条件全部具备后，系统将给出离站移动授权，确保列车能够安全离站。

（5）管理站台紧急停车按钮

站台紧急停车按钮是紧急情况下临时封锁站台的专用设备，也是CBTC系统的防护对象之一。在系统运行过程中，将持续监测各站的紧急停车按钮状态，若在列车进站前，某站紧急停车按钮按下，则系统将限制列车不可进入站台，以避免发生危险。当列车在站台范围内监测到紧急停车按钮按下时，将立刻采取措施限制列车移动，保证站台和车上的乘客安全。

3.辅助列车运行

除去安全防护功能外，CBTC系统为了辅助列车运行，也提供了一系列的功能，这些功能涵盖设备自检、提供驾驶信息、进路控制及运营调整等各个方面，使得运营人员可以方便地对系统工作状态进行了解，并通过CBTC系统对列车运行状态进行监控。

（1）设备上电自检

CBTC系统设备在断电后再次上电时，将进行全面的自检作业，若设备存在故障情况，则将进行声光报警，提示运营人员对设备状况进行检查。

（2）设备自诊断

在运行过程中，CBTC设备将实时不间断对自身运行情况进行诊断，若出现故障情况，将视故障的严重程度进行不同的处理，从而给出报警提示、声光报警直至导向安全侧（宕机，并提示系统降级等）。

（3）车载设备日检

CBTC系统车载设备是系统与车辆、车载广播、TMS等系统的直接接口，除进行设备自身的上电自检外，车载设备还提供了日检功能，以便运营人员对关键接口情况进行验证。日检包括列车试闸、车地无线网络状态监测等内容，还可根据运营需求，实现车载广播测试等功能。

（4）向司机显示详细驾驶信息

CBTC系统车载设备中，包括与司机进行人机交互的车载人机界面（MMI）设备，MMI将向司机显示详细的驾驶信息，包括列车当前最高预设驾驶级别及模式、列车当前实际驾驶级别及模式、列车实时速度、紧急制动触发速度、推荐速度、故障信息、时间信息、车门/安全门状态信息、列车完整性信息、目的地及下一站信息、跳停/扣车/提前发车信息、是否在停车窗内信息、牵引/制动/惰行状态信息等，这些信息用于辅助司机了解系统运行情况，在CBTC系统的安全防护下驾驶列车。

（5）子系统之间通信状态监测

如前所述，CBTC系统是一个复杂的分布式系统，系统设备分布在控制中心、车站、轨旁、车上等各处，系统设备间通过地面骨干网络及车地无线网络实现信息交互。为保证系统功能的完整性、实时性和一致性，CBTC系统在运行过程中将实时监测各子系统间的通信状态，若出现通信中断，将立刻进行提示并进行导向安全侧的处理。

（6）站控遥控切换功能

正常情况下，线路上列车的运行及运营调度由控制中心行车调度统一指挥和控制，此时系统处于遥控状态。系统同时提供站控功能及站遥控切换功能，当某集中区出现需现场确认或现场处理的作业时，车站值班员可通过一定的操作将控制权转换至本地进行处理。待处理完毕后，车站值班员可将控制权再次交回控制中心。

（7）操作防护功能

CBTC系统的联锁系统为车站值班员提供了对进路、道岔、区段的控制功能，这些功能中很多与行车安全直接相关。为了防止值班员误操作对运营秩序和运营安全产生不利影响，这些与安全相关的操作/功能均提供了防护功能，在启用这些功能或进行这些操作时，车站值班员必须输入密码，并进行二次确认，有效地避免误操作的发生。

（8）车站操作员工作站的功能

车站操作员工作站（现地工作站）为车站值班员提供了用于现地控制所需的所有功能，包括进路排列/取消、总人解、站遥控转换、区段故障解锁、自动进路设置/取消、全站点灯、信号元素封锁、扣车、区段复位、道岔单操、道岔单锁、道岔总定/总反、引导进路等。

（9）各级操作工作站权限管理

CBTC系统中，ATS子系统是组成最为复杂的系统，所辖的工作站数量众多，在提供丰富功能的同时，ATS子系统对各级操作工作站及不同用户角色也做出严格的权限管理，使用不同的用户角色登录，仅可获得此用户角色权限范围内的相应权限，避免了误操作的可能性。

（10）进路操作

作为列车运行管理的监控系统，CBTC系统的ATS子系统在控制中心为行车调度提供丰富的进路操作功能，包括按照时刻表/运行图自动触发进路、按照目的地自动触发进路、人工排列进路、人工取消进路、进路属性设置等。

同时，在车站级，ATS系统与联锁系统合设现地控制工作站，在站控级别下，也提供了丰富的进路操作功能，包括人工排列进路、人工取消进路、进路总人解、进路区段故障解锁、进路自动排列等。

（11）列车追踪

在列车运行过程中，CBTC系统持续地对列车位置进行追踪，并通过ATS子系统对列车的车次号进行统一管理，列车的车次窗将随着列车移动而移动，时刻向行车调度及其他运营人员展示列车运行情况及运营任务情况，以便运营人员进行整体把控。

列车位置和车次信息也会发送至现地控制工作站，并展示给车站值班员。

（12）运营调整

为应对运营中可能出现的情况，CBTC系统为运营人员提供了运营调整功能，当偏差较小时，系统自动调整列车运行计划并控制列车运行至正点状态。当偏差较大时，系统发出报警，经调度员确认后对全线列车运行进行调整。

调度员认为有必要对计划运行图/时刻表进行修改时，可人工介入调整列车运行计划，系统自动执行调整计划并控制列车运行。

（13）时刻表/运行图管理与编辑

时刻表/运行图是CBTC系统对列车运行进行自动控制的基础，在系统交付时，将提供基本的时刻表/运行图供运营方使用。系统也提供了强大的时刻表/运行图编辑功能，运营方可在基本时刻表/运行图的基础上进行修改，也可创建全新的时刻表/运行图以供使用。CBTC系统提供时刻表/运行图的检查功能，以保证修改/新建的时刻表/运行图是合理且可用的。

4.辅助驾驶

CBTC系统提供了列车自动驾驶功能，以减轻司机工作量，辅助司机对列车进行驾驶。同时，ATO子系统与其他子系统相互配合，能够提供更多的功能。

（1）列车自动启动

当列车在站台停车时，由于发车时机受到诸多因素的影响和限制，因此需要由司机对列车的发车时机进行判断并启动列车。但列车在区间信号机前停车时，由于没有站台乘降作业，因此情况较为单一。在这种情况下，当列车的移动授权已经向前延伸，系统判断列车继续向前运行安全时，若驾驶模式为自动驾驶模式（AM），则ATO可在ATP的防护下自动启动列车，继续向前运行。

（2）列车运行时分调整

如前所述，ATS子系统可对列车的站间运行进行调整，此项功能是在ATO子系统的配合下实现的。为保证ATO对站间运行时间的精确控制，根据ATS发送的站间运行时间，ATO对牵引、制动与巡航阶段分别调整，来控制列车准点节能运行，ATO子系统可根据ATS的指令实现秒级精度的区间走行时间调整。

（3）管理跳停

跳停作业时列车运营调整的手段之一，用于控制列车在指定站台不停车，直接运行通过。ATO驾驶下的列车可以在接收到ATS的跳停命令后，在ATP的授权下直接驾驶列车越过指定站台。

（4）管理扣车

与跳停作业相同，扣车作业也是列车运营的调整手段之一，用于控制列车在指定站台不发车。ATO驾驶下的列车在接收到ATS的扣车命令后，将自动停于指定站台，若门控方式为自动，在接收到扣车命令后，ATO不会自动关闭车门，保持车门、安全门处于打开状态。

（5）列车节能运行

当列车在区间运行时，反复的牵引制动会导致耗电量远大于经常处于惰行状态下的列车，所以节能最大化就是列车惰行时间最大化。

ATS根据列车运营情况，可通过ATO采用节能运行曲线控制列车运行实施不同的节能运行方案。ATO根据地面控制中心发送的到达目的站的时间和当前运行时间之差，调整对列车牵引制动的控制，保证列车在这个时间段内惰行最大化。

（6）控制列车进站停车

列车进站时，在进站停车过程中，考虑到运行舒适度与效率，ATO计算出既高效且冲击率较小的一次性制动曲线。ATO根据进站停车制动曲线，控制列车采用连续的制动，恒定的制动率，一次性制动至目标停车点。中途制动不缓解，且为了保证进站的运行效率，进站前不设置非线路限速要求的减速。

（7）站间运行时间控制

为保证ATO对站间运行时间的精确控制，根据ATS发送的站间运行时间，ATO对牵引、制动与巡航阶段分别调整，来控制列车准点节能运行。ATO可根据ATS的指令实现秒级精度的区间走行时间调整。

牵引/制动阶段，在保证冲击率符合要求的前提下，ATO根据运行时间控制牵引力与制动力的大小，调整列车的加速和制动时间。巡航阶段，ATO在区间巡航过程中通过计算ATS发送的站间运行级别与当前的运行速度得出可满足的惰行余量，在此基础上尽量保证惰行工况，以实现列车的准点运行并降低列车运行能耗。

（8）自动驾驶舒适度控制

ATO控制曲线以列车性能、载重为基础，充分借鉴优秀司机的驾驶习惯，在保证列车运行效率的同时，优化乘车舒适度。出站牵引过程采用二阶速度曲线，保持冲击率恒定，区间运行过程采用长惰行策略，使得列车在区间大部分走行时间内无冲击运行，进站制动过程采用连续的恒定减速度制动，在确保精确停车的同时，减少进站过程中的列车冲动。

（9）计算牵引和制动命令

当列车在AM模式下，一旦生成离站命令，ATO子系统会给出详细的驾驶命令，包括加速、制动和惰行指令和指令值的大小。

当列车在AM模式下，向列车发送的牵引/制动信息从请求的目标加速度命令转化后得出，同时考虑列车参数，以及当前列车位置和速度。

列车进站时ATO子系统采用连续的制动率制动至目标停车点，中途不缓解，在进站前不会出现非线路限速要求的减速台阶。

（10）管理列车折返

通过连接两端车载设备的贯通线，CBTC系统的车载设备在折返轨时可以方便地交换位置信息，从而实现列车的折返作业。列车在折返过程中仍将保持运行级别。

CBTC系统还提供了无人自动折返功能。在终端站，乘客乘降完毕列车具备发车条件时，司机可通过一系列的作业激活无人自动折返功能，系统将驾驶列车自动进入折返轨，完成换端并自动驶回对端站台，打开车门和屏蔽门，等待司机进行下一步操作。整个过程中无须司机人为操作。

5.提供技术支持

在为运营人员提供用于列车监控的功能的同时，CBTC系统还提供了用于系统问题分析、维护管理的技术支持功能。

（1）时钟同步

为保证CBTC系统使用统一的时钟信息，系统提供时钟同步功能。ATS通过与时钟系统的接口，周期性地获得当前的时钟信息，并向CBTC系统内其他各子系统发出校时命令，各子系统通过ATS发送的时钟信息，统一校准自身时间，从而保证系统整体的时钟同步。

（2）数据记录

为了便于出现故障后的问题分析及了解设备运行状态，CBTC系统各子系统均配备了数据记录功能，记录各子系统的运行状态、命令发送时间、接收时间、执行时间、故障代码、设备报警等信息。基于时钟同步功能，数据记录能够实现出现问题时各系统时间点的统一，便于问题的分析和查找。

（3）系统故障报警

CBTC系统中的信号维护监测（MSS）子系统是整个信号系统的设备状态监测和维护的辅助工具，其设备利用计算机网络和通信技术，完成对信号系统所有设备状态的集中监视和报警，实时监测信号设备的使用情况，定位故障地点，统计故障时间，管理维修作业，以实现预防故障发生，提高系统维护管理水平。

MSS子系统对正线信号系统（包括ATS、ATP、ATO、联锁、DCS等各子系统设备、配套电源设备、计轴设备、室外信号设备、微机监测设备、道岔缺口监测设备等）和车辆段/停车场信号系统（包括联锁系统设备、配套电源设备、微机监测设备、室外信号设备、道岔缺口监测设备等）的工作状态进行监测和报警，并在相应的人机界面上进行集中显示。

（4）培训设备功能

CBTC系统为运营人员提供了独立的培训系统，培训系统为行车运营人员和信号维修人员提供全面丰富的培训内容，可完成室内外模拟培训、实物培训等功能，以满足行车运营人员、信号维修人员的日常培训、现场故障模拟及处理的培训需求。培训系统构成齐全、功能全面、故障信息层次清晰、状态信息全面。

（5）运营记录和统计报表

ATS中，中央调度员和车站值班员的所有操作，列车运行状况和设备工作状态均采用标准的文件格式记录和保存在系统数据库中，保留时间一般为180天，并可进行统计和分析。

中央调度员和车站值班员的所有操作，列车运行状况和设备工作状态能自动或按调度员的指令进行回放和输出到指定的存储及打印设备，CBTC系统为这些数据的外部读取提供软硬件接口。

（6）系统回放

ATS维护工作站是ATS维护平台。在ATS维护工作站上，可以和调度工作站一样监视全线现场信号设备状态和列车运行情况，接口状态监视，设备状态监视，报警管理与查询等；可以对整个系统的参数进行配置；可以对ATS维护工作站所显示的站场状态、列车运行和操作日志等历史数据进行回放；可以对系统保存的历史数据进行查询和备份。

（7）网络管理

地面骨干网络和车地无线网络是CBTC系统的重要组成部分，为更好地对网络进行管理，CBTC系统中配备了网络管理系统，为系统运营和维护提供全方位的网络管理。

网络管理系统管理正线、停车场、车辆段及其列检库等所有站点的DCS设备，可以查询网络设备的工作状态，并可以设定网络设备的参数等。其功能如下：

①展现网络拓扑结构，进行网络拓扑管理；

②及时监测各种网络设备的工作运行状态；

③监控并分析网络流量；

④网络故障报警。

二、系统功能分配

CBTC系统的功能依靠CBTC系统中各子系统（ATS、CI、ATP、ATO、DCS、MSS）协同工作，共同完成，并需要落实到各个子系统，其中，与安全相关的功能由符合SIL4安全完善等级的系统执行，非安全功能合理分配到各子系统实现。

在上述功能划分原则基础上，对ATS、CI、ATP、ATO、DCS、MSS各子系统进行了具体功能划分，见表2-1。

续上表