基于通信的列车控制系统.docx

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1、基于通信的列车控制系统CBTC【引导案例】目前，在新建地铁信号系统的方案选择上，采用CBTC无线AP（无线接入点）接入方式的线路己越来越多。采用AP接入，具有本钱较低、通信带宽高、可局部使用商用设备、安装调试方案灵活和施工时间短等优点。现在我国在建或改造的地铁线路中，采用无线AP接入的有北京地铁4号线、10号线和深圳地铁2号线等。欧洲ETCS方案，为了实现欧洲铁路互联互通，车载设备采用ETCS总线，可以灵活地支持与各种传统设备及ETCS车载设备的通信:传输设备有欧洲应答器和欧洲环路，即数据传输速率为565kb/s的磁应答器和采用漏泄电缆的环路；欧洲无线也在进行工程实施。ERTMS系统是为了适应

2、欧洲铁路互联互通的目的，它集联锁、列控和运行管理于一体。西班牙的马德里一巴塞罗拿线采用该系统，列控系统符合欧洲铁路统一标准ETCS二级标准，速度监控方式采用一次连续速度曲线控制模式（又称目标距离一次制动模式曲线方式），列车占用靠UM2000轨道电路，列车定位靠欧洲应答器，车与地双向传输靠无线数传。在城市轨道交通中，基于通信的列车控制系统CBTC（CommunicationBasedTrainContrl）是一种采用先进的通信、计算机、控制技术相结合的列车控制系统。相对于固定闭塞而言又把它称为移动闭塞。移动闭塞是目前线路能力利用效率更高的列车闭塞方式。与固定闭塞方式相比，移动闭塞相当于将区间分成

3、了无数个细小的、连续的闭塞分区，它使得列车间的平安信息传递得更为频繁、及时和详细。因为移动闭塞系统能够比固定闭塞更优地确定列车的位置和传输列车信息，所以移动闭塞系统可以根据列车的动态运行确定更小的列车间隔。同样，取消固定闭塞所需的轨道设备也可以减少维修费用，并且利用列车和路边设备的传输信息通道也可以传输与列车实时运行有关的操纵信息，以提高管理能力和诊断故障设备。因此，采用移动闭塞系统能够更好地满足铁路的需要。典型的基于通信的列车控制系统（CBTC）的结构框图如图5-1所示。由图可见，整个CBTC系统包括CBTC地面设备（含联锁）和CBTC车载设备,地面和车载设备通过“数据通信网络连接起来，构成

4、系统的核心。CBTC设备和ATS设备共同构成基于通信的移动闭塞ATC系统。图5-1列车控制系统(CBTC)的结构框图第一节CBTC系统的特点与分类一、CBTC系统的特点CBTC系统摆脱了用乳道电路判别列车对闭塞分区占用与否，突破了固定或准移动闭塞的局限性，具有更大的优越性和特点：(1)实现列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大。(2)可减少轨旁设备，便于安装维修，有利于紧急状态下利用线路作为人员疏散的通道,有利于降低系统全寿命周期内的运营本钱。(3)便于缩短列车编组、高密度运行，可以缩短站台长度和端站尾轨长度，提高效劳质量，降低土建工程投资；实现线路列车双向运行而不增加地面设备，有利于线路故障或

5、特殊需要时的反向运行控制。(4)可适应各种类型、各种车速的列车，由于移动闭塞系统根本克服了准移动闭塞和固定闭塞系统地对车信息跳变的缺点，从而提高了列车运行的平稳性，增加了乘客的舒适度。(5)可以实现节能控制、优化列车运行统计处理、缩短运行时分等多目标控制。(6)移动闭塞系统，尤其是采用高速数据传输方式的系统，将带来信息利用的增值和功能的扩展，有利于现代化水平的提高。(7)由于移动闭塞系统具有很高的实时性和响应性的要求，因此，其对系统的完整性要求高于其他制式的闭塞方式，系统的可靠性也应具有更高要求。系统传输的可靠性和平安性是系统关注的核心，尤其是利用自由空间波传输信息的基于无线的移动闭塞系统其可

6、靠性和平安性的要求更高。二、CBTC系统的分类CBTC系统就车地双向信息传输方式而言，可分为：基于电缆环线传输方式(ILCBTC):基于无线通信传输方式(RFCBTC);基于其他数据传输媒介的传输方式。RFCBTC系统中通常采用的扩展频谱方式有：直接序列扩频和跳频扩频方式。其他数据传输媒介传输方式有：点式应答器、自由空间波、裂缝波导管和漏缆等方式。直接序列扩频(DS-SS)系统又称为直接用编码序列对载波调制的系统，其编码序列通常是伪随机序列或叫伪噪声码，要传送的信息经数字化后和伪随机序列相加成复合码去调制载波。跳频扩频(FH一SS)系统主要由码产生器和频率合成器组成，发射频率随机地由一个跳到另

7、一个，接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变。欧洲将满足故障一平安的信息传输系统称为按照平安要求构造的通信系统，它严格遵守欧洲电工委员会ENELEC制定的相应标准。ENELEC将平安的信息传输系统分为封闭式和开放式两大类。封闭式平安的信息传输系统一般又分为两类：第一类为用电缆、光缆或数据总线组成的信息传输通道；第二类为轨道电路、轨道电缆或应答器作为信息传输通道。对第一类信息传输通道的平安要求为：必须构成信息传输通道的冗余，防止因个别信息点的故障而发生传输中断；必须通过适当的信道编码方式，使系统对数据传输过程中的偶发性过失具有自动检查和纠错功能。对第二类信息传输通道的平安要求为：必须通过编码技术

8、来确保发送与接收数码的同步；必须通过冗余编码技术来保证数据传输系统具有自检和纠错能力，汉明距应足够大，同一数据至少重复传输3次。开放式平安的信息传输系统，基于无线通信传输方式(RFCBTC),采用开放式平安的信息传输系统，它应针对以下7种威胁提供有效的数据平安防护，以确保信息的真实性、完整性、及时性和顺序准确性。7种威胁为：重复、删除、插入、乱序、破坏、延迟、窃取。针对7种威胁，提出以下要求：信道编码必须附有平安冗余码，汉明距应大于等于15；只要不能绝对排除非授权的访问，就必须使用带密钥的密码技术；当使用密码技术时，推荐使用国际标准ISO/IEC10116所规定的操作模式。以下为使用各种信息传

9、输方式的移动闭塞ATC系统的构成框图，基于电缆环线传输方式的移动闭塞TC系统框图见图5-2：基于无线通信的移动闭塞ATC系统框图见图5-3o图5-2基于电缆环线传输方式的移动闭塞ATC系统框图图5-3基于无线通信的移动闭塞ATC系统框图西门子的CBTC系统是一个平安、可靠、先进、适应线性电机运载、基于无线通信的列车运行控制系统。它由SICAS计算机联锁系统、TRAINGUARDMT移动闭塞式列控系统(ATP/ATO)、VICOSOC系统(ATS)组成。西门子的CBTC系统现应用于广州轨道交通4号线和5号线。还将用于北京地铁10号线、上海地铁10号线、南京地铁2号线等。第二节西门子的CBTC系统

10、结构西门子的CBTC系统由VlCOS、SICAS、TRAINGUARDMT三个子系统组成。它们分为中央层、轨旁层、车载层四个层级，分级实现ATC功能。中央层分为中央级和车站级。在中央级，实现集中的线路运行控制:在车站级，为车站控制和后备模式的功能提供应车站操作员工作站(LOW)和列车进路计算机(TRC)。轨旁层沿着线路分布，它由SICAS计算机联锁、TRAlNGUARDMT系统、信号机、计轴器和应答器等组成。它们共同执行所有的联锁和轨旁ATP功能。通信层在轨旁和车载设备之间提供连续式和/或点式通信。车载层完成TRAINGUARDMT的车载ATP和ATO功能。西门子的CBTC系统结构如图5-4所

11、示。、VICOSVICoS分为中央级的VICoSOC501和车站级的VICoSOCIOl0HMI是列车调度员的操作台。来自SICASECC(ECC元件接口模块)、TRAIN-图5-4西门子的CBTC系统结构ECC一元件接口模块；ODl-操作/显示接口：OPG-速度脉冲发生器；HMl-人机接口：LEU一轨旁电子单元：s&D一检查和诊断；TSCUV一轨旁平安计算机单元。GUARDMT(MT-城市轨道交通)和其他外围系统的动态数据聚集在VICOSOC501的COM效劳器并处理，ADM效劳器负责中心数据存储和报告，FEP(前端效劳器)负责将其他外围系统接入ATS效劳器。二、SICASSICAS主要包括

12、列车进路计算机(TRC)和车站操作员工作站(LOW)。计算机有连接室外设备和轨道空闲检测系统接口。SICAS使用联锁PROFIBUS总线用于SICSECC的内部通信。LOW、TRC和S&D系统宜接与SICASECC和TRAINGUARDMT通信。SICASECCODI(ODI操作/显示接口)和TRAINGUARDMT轨旁设备之间的通信通过一个ATCPROFIBUS总线实现。SICAS和TRAINGUARDMT总线是双通道双向的光纤通信连接。每个通道独立工作并且提供故障一平安的通信。使用两个通道是为系统的高可用性提供冗余。三、TRAINGUARDMTTRAINGUARDMT系统包括ATP/ATO

13、和通信设备。TP/ATO分为轨旁单元和车载单元。轨旁ATP系统与联锁系统、ATS系统、列车(经过轨旁一列车通信系统)以及相邻的ATP系统有双向接口。通过轨旁到列车的通信网络，在轨旁单元和车载单元之间建立了双向通信。在车载结构中，两个相互独立的无线系统的列车单元(TU)分别安装于列车前后的驾驶室内，作为轨旁无线单元AP的通信客户端。这两个TU通过一个点对点的以太网连接，不间断地相互通信。同时，这两个TU分别连接到列车前后的列车控制系统。第三节系统功能与特点、系统功能系统的功能包括ATS功能、联锁功能、ATP/ATO功能、列车检测功能、试车线功能、培训和模拟功能。ATS除了自动进路排列(ARS)功

14、能、自动列车调整(ATR)功能、列车监督和追踪(TMT)、时刻表CnT)、控制中心人机接口(HMl)和报告、报警与文档等主要功能外，还改良和增加了以下功能：在CTC通信级使用双向通信通道；在ATS后备模式下车站级可以输入车次号:适应移动闭塞的控制要求；TRC(列车进路计算机)取代RTU的自动进路排列功能；提供独立的冗余局域网段；在ATS显示列车状态信息；与MCS(主控系统)的接口：与车辆段联锁的接口；提供操作日志(含故障信息)的归档功能；设两个控制中心；车辆段调度员ATS工作站进行出库列车自动预先通知，在规定时间无列车在车辆段转换轨时自动报警。正常情况下，各线的控制中心行使行车调度职权。当各线

15、控制中心的HMI丧失有效的行车调度和控制功能或当运营需要时，系统应能切换至综合控制指挥中心进行调度和控制。系统的切换能人工操作，也可以自动进行，但自动切换时必须经过人工确认。联锁除了轨道空闲处理(TVP)、进路控制(RC)、道岔控制(PC)和信号机控制(SC)等主要功能外，联锁设备与ATS系统相结合，可实现中央ATS和联锁设备的两级控制。根据运营要求，应能自动或人工进行进路控制。其中人工控制分为中央ATS人工和联锁设备人工两类，自动控制分为中央ATS自动、联锁设备自动。人工控制进路优先级高于自动控制进路。根据需要可进行联锁与中央ATS两级控制权的转换。控制权的转换过程中及转换后，未经人工介入各

16、进路的原自动控制模式不变。在特殊情况下，可不经控制权的转换操作强制进行联锁设备的控制。在车站级控制的情况下，如中央级功能完好，仍可设定或者保存中央自动功能（如ATR、ARS）。在车站ATSLAN与中央ATS之间通信中断的情况下，列车将在本地工作站LOW和列车进路计算机TRC的操作下继续运行。ATP/T0功能将根据缺省的停站时间和缺省的自动列车调整值在连续式通信模式和点式通信模式下工作，联锁功能继续。3.ATP/ATO功能ATP/ATO除了ATP轨旁、通信、ATP/ATO车载等主要功能外，还改良和增加了以下功能：不使用PTl的信息交换，相应的功能可以通过双向通信通道在CTC实现；适应线性电机系统的线路条件，满足与线性电机接口的新要求；提供ATO的冗余:ATO控制列车的原理适应移动闭塞的要求。因