（电气工程专业论文）城市轨道交通通信信号试验基地建设.pdf

北京交通大学专业硕士论文 m t b s f ：平均无故障运行时间； m t t r ：平均故障修复时间； m s t p ：多业务传输平台； m i b ：管理信息库； n r m ：非限制人工驾驶模式； o s i ：开放系统互联； p a ： 车站广播系统； p c ：个人计算机： p d i ：站台发车计时器； p e s b ：站台紧急停车按钮； p i i s ：旅客向导系统； p s d ：安全门； q o s ：服务质量； r f ：无线扩频通信； r a m s 安全性、可靠性、可用性、可维护性 r m ：限制人工驾驶模式； r s ：车辆系统； s c a d a ：电力监控系统； s d h ：光同步数字传输系统； t b ：中国铁道部标准： i p ：i n t e m e t 协议： t f t ：薄膜工艺： t m s ：列车管理信息系统； u p s 不间断电源； w a n ：广域网 第9 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 致谢 本论文的工作是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的，王立德教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 王立德老师对我的关心和指导。 王立德教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向王立德老师表示衷心的谢意。 王立德教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，续明进、周明等同学对我论文中的系统集成 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人刘东辉，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 生k 。 三! 室銮堕茎兰主些堡主堡塞 摘要 本文介绍了当今世界城市轨道交通信号系统发展趋势和我国城市轨道交通 信号系统现状，论述了建设轨道交通通信信号试验基地的必要性和迫切性，分 析了在铁科院环行道建设轨道交通通信信号试验基地的有利条件，提出了城市 轨道交通通信信号试验基地建设方案和总体目标。指出建设城市轨道交通综合 试验基地，通信信号系统达到以下四大主要目标： 对进口设备进行测试与检验，验证其是否适合我国测试轨道交通工程项目 的要求；为我国自主研发城市轨道交通信号系统提供测试与试验基地，加快信 号系统国产化进度；进行通信信号系统与其它专业的联合测试与检验，验证其 接口是否正确，特别是信号与车辆间的接口；为其它试验和测试提供安全保护 和通信、数据传输手段，提高其它试验的安全性和先进性。 关键词：城轨交通、通信信号系统、试验基地 北京交通大学专业硕士论文 a b s t r a c t ： t h es i t u a t i o no fp r ca u t o m a t i o ns y s t e ma p p l i c a t i o ni nu r b a n m a s st r a n s i ti si n t r o d u c e d s e v e r a ls u bs y s t e ms u c ha st r a i nm o n i t o r i n gs y s t e m ，t o t a l a u t o m a t i o ns y s t e mi ns t a t i o n ，s t a t i o na n df l o o rt e s t i n gs y s t e m ， s i g n a l i n gs y s t e m ，t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa l ed i s c u s s e di n d e t a i l ap r o p o s a li sg i v e na b o u tt h ed i r e c t i o no fd o m e s t i c a l l y p r o d u c t i o no f u r b a nm a s st r a n s i ta u t o m a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：u r b a nm a s st r a n s i t ，a u t o m a t i o ns y s t e m ，t r a i n m o n i t o r i n gs y s t e m ，s t a t i o ne q u i p m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ( e m c s ) ，s t a t i o na n df l o o rt e s t i n gs y s t e m , a d v a n c e t r a i nc o n t r o l ( a t c ) ，p o w e r s c a d a s y s t e m ,s i g n a l i n gs y s t e m , t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，u r b a nr a i lt r a n s i ts i g n a l 第5 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 1 、城市轨道交通信号系统发展趋势 城市轨道交通信号系统的发展大致经历了固定闭塞、准移动闭塞和移动闭 塞三个阶段，这三种制式的主要区别在于地面与车载设备的信息传输方式不同， 从而决定t n 车安全防护模式的不同，固定闭塞采用模拟轨道电路，地面向车 载设备传送t o 2 0 种信息，列车采用阶梯式安全防护，满足列车运行安全防护 的功能：准移动闭塞采用数字编码轨道电路，地面向车载设备传送数十位数字 编码信息，列车可实现一次模式曲线式安全防护，缩短了列车运行闻隔，提高 了舒适度；移动闭塞采用无线通信方式( 环线或空间波) ，可实现车地双向大数 据量信息传输，列车可实现一次模式曲线式安全防护，并且其防护点能够随前 车的移动适时更新，有利于进一步缩小行车间隔，提高运输效率。以下是各种 闭塞制式的代表产品： 1 1 、西屋a t c 系统 西屋a t c 系统是固定闭塞方式，采用j t c 无绝缘模拟轨道电路，其轨道电 路特性及系统构成如下： 1 1 i 、j t c 无绝缘轨道电路特性 信息载频：4 0 8 0 、4 3 2 0 、4 5 6 0 、4 8 0 0 、5 0 4 0 、5 2 8 0 、5 5 2 0 、6 0 0 0 h z 低频信息：2 8 、3 2 、3 6 、4 0 、4 4 、4 8 、5 2 、5 6 、6 0 、6 4 、6 8 、7 2 、7 6 、8 0 h z 共1 4 种低频信息 调制方式：f s k 最小道床电阻：2 0 i o n 分路灵敏度：0 3 q 轨道电路长度：4 0 4 0 0 m 调谐区长度：6 5 6 8 m 第1 0 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 1 1 2 、系统结构 图1 西屋 t c 系统结构 1 1 3 、车载设备结构 常爿j 制动 d i u 一司机接口单元( d r i v e r s i n t e r f a c e u n i t ) 图2 西屋a t c 系统车载设备结构 紧急 制动 第1 l 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 1 2 、u s s i 的a t c 系统 u s s i 的a t c 系统中的列车占用检查和车载信号功能是通过无绝缘音频数字 轨道电路系统( u s s ia f 一9 0 4 t m ) 来完成，属于准移动闭塞方式。安全和非安全轨 旁逻辑是使用安全和非安全微处理器，安全逻辑使用u s s im i c r o l o k i i 系统， 非安全逻辑使用n v l e 系统；车载a t c 是使用u s s im i c r o c a b 车载系统来完成。 数据传输系统( d t s ) 实现信号设备室之间的数据传输及信号设备室与控制 中心之间传输命令和显示反馈。 a t c 系统按设备安装位置可分成以下三个分类： 轨旁一现场设备、信号设备室、信号控制室 车载一车上的设备和单元 中心一位于控制中心的a t s 设备 整个系统的控制是通过调度员使用a t s 功能来完成的，这些调度员分布在 全线的不同位置，包括控制中心和本地轨旁n v l e 集中站。根据具体的运行模式， 列车驾驶员可通过车载a t c 来完成行车控制，这一功能是运营规定所允许的。 o c c 与轨旁及轨旁信号设备室( s e r ) 之间的通信是通过业主通信专业提供的数据 传输系统( d t s ) 来完成的。d t s 在不同的集中站之间传递命令和显示反馈。车载 设备与轨旁设备之间的通信是由车地通信系统( t w c ) 来完成。轨旁a t c 设备与车 载a t c 设备问的安全信息传送是通过u s s ia f - 9 0 4 t m 轨道电路完成。 下图是a t c 系统的总体结构框图。图中显示了a t c 系统中不同环节的相互 关系。 第1 2 页共5 6 页 第13 页共5 6 页 匝镁翼蠕曦o-属匈hn匝 崃科算凼喜趟 议秘书隧爿啦扑k赠杈慑罢 北京交通大学专业硕士论文 1 2 1 、轨旁a t c 设备 轨旁信号系统控制设备安装在天津地铁一号线设备集中站内的信号设备室 ( s e r ) 和信号控制室( s c r ) 中。轨旁系统包括了下列主要子系统： 1 2 1 1 、 m i c r o l o ki i 控制器 u s s i 的m i c r o l o k l i 是一个以微处理器为基础的电脑和接口通信系统。作为 安全联锁控制器和a f 一9 0 4 轨道电路的安全控制器。 “联锁m i c r o l o ki i ”专用于完成轨旁联锁逻辑的安全控制功能( 转辙机控制， 信号机等) 。该系统使用一个单独的6 8 3 2 2 安全微处理器板，并通过其特有的安 全结构包括软件分散和自诊断功能。与联锁设备的接口是通过专用i o 板来完成 ( 继电器、灯等) 。每个m i c r o l o k i i 系统包括冗余设置的在线和备用单元，如果在 线单元发生故障，备用单元会自动转换成在线状态。在线单元监测备用单元的工 作状态，一旦备用单元故障，它将向o c c 和本地显示报警。 “轨道m i c r o l o ki i ”用于控制a f - 9 0 4 轨道电路。a f - 9 0 4 轨道占用状态信息 在轨道电路之间的传递是通过由m i c r o l o ki i 管理的主从串行通讯连接来完成 的。6 8 3 2 2 的c p u 板提供串行通道和相关软件。 1 2 1 2 、 非安全逻辑发生器( n v l e ) 和车站控制电脑( s c c ) s e r s 内将安装冗余的n v l e 设备，s c r s 内将安装s c c 计算机。每个n v l e 和s c c 计算机包括处理器、显示器和键盘。s c c 计算机替代了传统的本地控制盘( l c p ) ， 并增加了功能。 在s e r s ，冗余的n v l e 为o c c 与联锁设备之间的通信提供了接口。s c c 计算机 通过l a n 与n v l e 设备连接。 在s c r 中，一个单套( 非冗余) s c c 计算机使得本地调度员在紧急情况时用它来 操作联锁设备使得交通畅通。通过办理和取消进路和在区域内强制限速等方式， 使得本地调度员来控制列车通过联锁区间。这个s c c 计算机也允许维护工程师检 测转辙机和信号机的工作状态，并确认如道岔位置反馈和相敏轨道电路占用等输 第“页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 入。 n v l e 接口仿真程序被用来监测或仿真任何串行口。这些程序是通过使用带有 串口的笔记本电脑来执行。这些程序带有测试每一个n v l e 输入输出比特的功能。 1 2 1 3 、a f 一9 0 4 轨道电路 a f 一9 0 4 数字轨道电路是一个安全子系统，它用于在正线上判别轨道区段的占 用并将这一信息发送给联锁m i c r o l o ki i 系统( 通过轨道m i c r o l o ki i 系统) ，来 完成安全数据处理及与o c c 的通信。a f 一9 0 4 也被用来以数字编码方式将车载信号 数据耦合到钢轨中以便使车上的w i c r o c a b 系统接收。每个a f - 9 0 4 轨道电路系统 通过相邻轨道电路的终端信号通信。 a f 一9 0 4 轨道电路使用数字式频移键控( f s k ) 数据传输方式传输多种类、大数 据量的信息给车上。s e r 内安装的a f 一9 0 4 机柜使用非冗余的处理器和i o 通道组 合。c u 耦合单元和5 0 0 m c m 电缆安装在钢道旁，把a f 一9 0 4 信号发送到钢轨上并将 轨道区段占用信息反馈回机柜 1 2 1 4 、 车地通信( t w c l t w c 系统包括轨旁和车载部分。轨旁部分包括一个轨旁通信处理器和一个安装 在站台区域内钢轨之间的感应环线。处理器与s e r 中的n v l e 连接来接收和发送0 c c 信息。当列车到达安装有t w c 感应通信环线的车站时( 与车上天线相关联) ，地面 把车次号和运行方向等信息传送到车上，车载设备把列车信息包括车次号和车长 的确认等通过车站环线从车上传到轨旁。 1 2 1 5 、a f 0 一c 零速及列车停稳检测 u s s i 的a f 0 一i i c 系统包括轨旁和车载单元。轨旁单元包括一个能产生特定频 率的发送模块和一个对应的接收模块。发送模块可以产生一个特定的频率并由安 装在停车区尾部的一对发送装置发送出去；接收模块则可以接收由安装在列车上 的a f 0 一i i c 天线所发出的特定频率当列车到达车站停车区内由a f o i i c 所定 第1 5 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 义的区域并停稳( 零速) 后，轨旁接收设备就检测到了由车载天线发出的信号， 并将此信息( 通过继电器) 传递给轨旁的m i c r o l o c k l i 系统。这个信号被轨旁的 控制系统用于打开站台屏蔽门。 1 2 2 、车载a t c 设备 车载a t c 系统包括运输系统车辆车载控制所需的全部环节。每个车载控制系 统的基本子系统和部件包括： a t p 、a t 0 t w c 子系统的电子设备机柜包括双套冗余的a t p 子系统，一套 a t o 1 r 霄c 子系统和a f 0 一c 接收和发送单元 一个带有专用电源的操作员状态显示单元( a d u ) 一个a d u 辅助单元 z 个a t p ( 车载信号编码) 接收线圈和接线盒 2 个独立速度传感器 1 个t w c 天线 1 2 3 、中央a t c 设备 电脑系统将尽可能采用商用硬件平台。系统具有分布式的网络结构并有冗余 的服务器处理器，一个冗余的以太l a n 网，带有图形显示和处理能力的操作员计 算机，和一个全线显示屏( 业主提供) 。 一个数据传输系统( d t s ) 在整个系统形成a t c 系统的内在结构。业主提供的d t s 设备是通过分布式光缆来连接的。o t s 系统采用了冗余的双环网络结构，作为所有 a t c 集中站之间的通信干线。 第1 6 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 1 3 、阿尔卡特c b t c 移动闭塞系统 1 3 1 、系统概要 阿尔卡特的$ 4 0 基于无线的c b t c 系统，以s e l t r a c 雪为基础，是目前世界上 最先进的无线c b t c 移动闭塞。与传统的基于轨道电路的信号系统相比，s e l t r a c 提供了优越的运行间隔和传输能力。 阿尔卡特的c b t c 使用移动闭塞技术。这种技术在保证系统安全的条件下，提 供了最优的性能，通过缩小前后两列车的距离，使得运行间隔尽可能的小。由于 使用了无线通信，轨旁设备的数量大大减少了，相应地，轨旁设备的安装和调试 工作也减少了 1 3 1 1 、与传统信号系统相比，c b t c 的优点 与传统的基于轨道电路的信号系统相比，阿尔卡特无线c b t c 系统具有下列优 势： 缩短运行间隔 运行间隔是指在线路上某一点前后运行的两列车之间的间隔。设计定义的闭 塞分区越短，运行间隔也就越小。阿尔卡特的c b t c 移动闭塞系统的运行间隔是9 0 秒或更短。而对于传统的基于轨道电路的信号系统，若采用较短的运行间隔，则 需要更多的硬件设备，从而造成成本增加。 硬件数量减小到最少 阿尔卡特的无线c b t c 系统使得轨旁安装的设备只有轨旁无线单元、应答器、 接近盘。同时，列车占用检测系统( 轨道电路，计轴) 也能集成到系统中，以防 护维修列车。更少的轨旁设备就意味着更简单的维护过程和更低的生命周期成本。 传统的轨道电路需要在沿线安装昂贵的硬件设备，从而使得安装和维护的成本增 加。 基础设施投资减少 阿尔卡特无线c b t c 系统通过提高行车密度，可以缩短列车编组。列车长度缩 第1 7 页共s 6 页 北京交通大学专业硕士论文 短，就可以使得站台长度和折返线长度缩短，从而降低了基础设施的投资成本。 而传统的轨道电路信号系统则受限于列车折返处的轨道区段长度，就无法做到这 一点。 灵活的系统 阿尔卡特无线c b t c 系统克服了传统的基于轨道电路的信号系统的不足，能够 处理有不同速度和制动性能以及不同长度的不同列车。 优越的性能和安全性 与基于轨道电路的列车定位系统相比，阿尔卡特无线c b t c 系统能够以更精细 的分辨率来连续地监测列车位置。c b t c 移动闭塞系统的分辨率是厘米级的，而基 于轨道电路的信号系统的分辨率是一个闭塞区段。列车位置检测的分辨率越高， 信号系统的性能就越好。 c b t c 系统能够实时检测出不能达到预期性能的故障列车，从而使系统或者调 度员及时做出反应，调整系统运营状况此外，阿尔卡特的c b t c 系统采用节能机 制，使系统最大化节能。 1 3 2 、系统配置 c b t c 系统结构如下图所示。其主要组成部分如下： a t s 列车自动监控 d s u 数据库存储单元 t r z c三重区域控制器 t r v o b c 三重车载控制器 o c s 数据通信系统( 包括骨干网、网络交换机、无线接入点及车载移动无 线设备 系统的安全型组成部分是列车上的三重车载控制器( t r v o b c ) ，轨旁三重区域 控制器( t r z c ) 和位于中央的数据库存储单元( o s u ) 。 第1 8 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 f a s ，b a s c i o c i , j s c a hh d e p o t ，y a r d d 椭d d l p 仳c ，p () t s () i n t e r t o d d n g a 副p d s yr 、 v 车辆尉停车场联锁 0 跚 s w 岫e $ 道岔s w i t c h e s 道岔 s i g n a l s 信号 帆s 帕怕i s 信号机 x bc o u n t e r 计轴 c： l ，r z cl l t r z c c ： a 】c l ec o u n t e r 计轴 e m e r g e n c yb u t t o n se m e r g e n c y b u t t o n s 紧急停车按钮蟹急停车按钮 p b 廿o m td o o r sp l a t f o r md o o r s 屏蔽门 屏蘸门 n 豢覆缪鬻溺鬻湖熙f 抽c r n e t燃鬻戮潮繁瀚慰糯t r a c k f i d e u 豳麓溺溺溺黼滋隧鍪鍪溺互聃。瀚漉减浚麓笺篱麓蕊墓雾爹 轨旁 删咖v 恨u 一 心 1 o n l x 班r d 车载 l 。剖t n o b c 卜一j 图4 阿尔卡特c 5 1 c 移动闭塞正线系统结构概念图 1 3 2 1 、三重车载控制器( t r v o b c ) 三重车载控制器( t r v o b c ) 通过检测轨道上的应答器，同时使用存储在车载 数据库中的信息，来建立列车的位置。数据库包括了所有相关的轨道信息，包括 停站位置、坡度、线路速度限制、道岔位置等。三重车载控制器( t r v o b c ) 测量 应答器之间的距离，并测量自探测到一个应答器后，列车所行驶的距离。 第1 9 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 三重车载控制器( t r v o b c ) 主动开始与三重区域控制器( t r z c ) 的通信。这 意味着当一辆列车通过车载数据库建立了自己的位置后，同时也就知道自己进入 了哪一个三重区域控制器的区域。无论是刚刚进入系统、或从一个三重区域控制 器区域转移至另一个，都会主动向所在三重区域控制器发送信息，表示列车已经 进入该三重区域控制器区域。 三重车载控制器通过数据通信系统与a t s 直接通信。a t s 周期性的从各车 辆收到位置和状态报告。 三重车载控制器执行a t p 和a t o 功能。每辆列车装备一套3 取2 配置的三重 车载控制器。 1 3 2 2 、三重区域控制器( t r z c ) 在轨旁的三重区域控制器( t r z c ) 可以接收其控制范围内列车发出的所有位 置信息它也有能力和轨旁设备接口，包括道岔、信号机、站台紧急停车按钮、 站台屏蔽门等。 t r z c 根据从a t s 收到的进路请求，控制道岔、信号机，并执行联锁功能。 t r z c 根据轨道上障碍物的位置，向辖区内的所有列车提供移动授权。所谓 “障碍物”包括列车、关闭区域、失去位置表示的道岔，以及任何外部产生的因 素，如紧急停车按钮、站台屏蔽门等。 t r z c 还负责对相邻t r z c 的移动授权请求作出响应，完成列车从一个区域控 制器到另一个区域控制器的交接。 1 3 2 3 、列车自动监控( a t s ) a t s 是一个非安全的冗余子系统，它为中央操作员提供人机界面。a t s 在线 路显示屏上显示线路状态和各列车位置，同时也提供接口软件执行各种功能，如 临时限速、车站跳停、关闭区域等。a t s 能够检测系统中的所有设备。 a t s 负责准确地排列列车进路。a t s 将向三重区域控制器发送每列车的进路 第2 0 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 请求。这些进路请求必须和分配给该列车的进路一致。如果排列的进路不正确 ( 如：列车a 分配到列车b 的进路) ，该t r v o b c 将检测到道岔设置和本列车进路 不符，从而阻止列车通过道岔 中央a t s 设各位于控制中心 a t s 车站设备位于各个车站。本地工作站的功能与控制中心工作站的功能相 同，但本地工作站一般配置为只具有某指定线路区域的权限。联锁车站的本地工 作站还增加了对后备模式切换控制和在本地三重区域控制器范围内排列进路的 功能。 1 3 2 4 、数据库存贮单元( d s u ) 数据库存贮单元( d s u ) 是一个安全型设备，它包含所有的c b t c 子系统使用 的所有数据库和配置文件。 t r z c 和t r v o b c 使用一个安全的通信协议从d s u 下载线路数据库。线路数据 库都有一个版本号，在每个t r t _ j c 和d s u 之间每隔一定时间，就会对版本号进行 交叉检测。当列车第一次进入系统时、以及以后每隔一定时间，在t r v o b c 和t r z c 之间也会进行相同的检测。 1 3 - 2 - 5 、数据通信系统( d c s ) d c s 是一个独立的系统，按照开放标准和工业标准接口设计。d c s 主要负责 在一个列车控制子系统和另一个列车控制子系统之间发送和接受i p 报文，其中 大多数列车控制子系统是移动的。在无线c b t c 系统中，使用开放的数据通信系 统( d c s ) 有以下优点： 所有列车控制子系统均使用i e e e8 0 2 3 ( 以太网) 接口； d c s 对列车控制子系统是透明的； 符合实时和吞吐量要求 d c s 对于这些传输的信息是完全透明的。虽然d c s 传送安全控制信息，但它 第2 l 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 本身不是一个安全系统。i e e e 8 0 2 3 以太网标准用于整个局域网( l a n ) ，而 i e e e 8 0 2 1 1 跳频扩频无线标准用于网络内的所有无线移动通信。i e e e 8 0 2 1 1 是 唯一用来支持移动通信的标准。通过使用这些开放的公认的工业标准， a l c a t e l d c s 系统保证了设备供应可以来自多个供应商，并为将来系统的扩展和 改进提供了广阔空间。 列车控制子系统( a t s ，d s u ，t r v o b c ，t r z c ) 彼此之间使用用户数据报协议 ( u d p ) 直接通信。列车控制子系统和d c s 之间的直接接口使用i e e e8 0 2 3 的信 息格式。d c s 使用无线连接方式在列车和轨旁设备之间传递信息。 和d c s 相连的任何两个节点之间可以相互通信。d c s 可以在下列设备之间传 送信息： t r z c 和相邻的t r z c t r z c 和t r v 0 b c i t s 和t r z c a t s 和t r v o b c a t s 和d s u d s u 和t r v o b c d s u 和t r z c 1 3 3 、a t c 系统功能 a t c 系统功能包括：列车自动保护( t p ) ，列车自动运行( a t o ) 和列车自 动监控( a t s ) 。 a t c 系统的安全部分由车载t r v o b c 、具备联锁功能的轨旁t r z c 以及位于控 制中心的d s u 组成。这些设备之间的通信通过非安全的数据传输系统( o c s ) 来 完成。通信的安全性通过使用序列号和每个报文中的循环冗余校验( c r c ) 来进 行保证。认证运算法则应用于每个报文中，只有安全设备知道产生序列号的运算 法则，以防止d c s 系统中非安全设备引起的破坏。 t r v o b c 通过检测轨道上的应答器，并使用收到的应答器数据从数据库搜索 第2 2 页共铀页 北京交通大学专业硕士论文 信息，来建立列车的位置。t r v o b c 使用速度传感器的输入来测量应答器之间的 距离，并测量列车行驶的距离数据库包括了所有相关的轨道信息，包括停站、 坡度、线路速度限制以及道岔位置等。 在轨旁的t r z c 可以接收其控制范围内所有列车发出的位置信息，以及道岔、 计轴、紧急停车按钮、屏蔽门等的状态信息。 t r z c 根据所有障碍物的已知位置，对区域内所有列车给出授权范围。并且 对相邻t r z c 的移动授权请求作出响应。 系统根据轨道上的障碍物为所有列车提供安全的列车自动保护。障碍物包括 列车、敌对进路，或者外部的指令，譬如按下的站台紧急停车按钮等。 三重区域控制器负责列车的跟踪，并根据从a t s 收到的命令排列进路。 a t s 提供列车调整和准确地捧列进路。 列车控制系统的基本原理如下图2 ： s - 1 由s 道# 挂盅 w t 5 t 图5 阿尔卡特c b t c 系统结构的原理图 第2 3 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 1 3 3 1 、列车自动防护( a 丁p ) 列车自动防护包含了负责列车安全运行的a t c 系统的安全型功能。a t p 子系 统的基本责任是： 防止由于列车敌对运行所引起的冲撞； 防止由于非正常的车门打开、倒溜等事故而使旅客发生危险； 防止由于列车超过土建限制速度或者命令速度而导致对线路的损害或者使 列车发生危险。 a t p 设计专门提供了以下功能： 采用基于通信的方法连续检测整个系统内的列车位置； 根据必需的最小安全停车距离来控制列车间的安全间隔； 除非证明道岔已被操纵到位并且锁闭在正确的位置，否则不允许列车进入该 道岔区； 根据安全运行、临时速度限制和驾驶模式规定的速度，限制列车速度； 站台对准和零速检测； 制动和牵引联锁 屏蔽门和列车门联锁； 监督整个系统内的列车运行方向； 监督列车的倒溜： 监督车辆非预期的运动； 监督车辆牵引受阻； 提供车门安全联锁； 列车完整性监督； 轮径校准； 空转打滑检测和补偿； 紧急停车按钮监督； 关键报警和事件的记录 第“页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 1 3 3 2 、列车自动运行( a t o ) 列车自动运行( a t o ) 包括a t c 系统的控制功能，如速度调节、站台程序停 车和车门控制等。a t o 命令总是受a t p 监督。a t c 系统内的a t o 子系统主要提供 以下功能： 符合乘客舒适度标准的列车运行； 为两个站间的列车运行提供不同的速度曲线； 车站跳停； 坡道启动； 列车哪一侧开门信息( 在停车点前预先确定的距离) ； 站台程序停车，使停站精度达n + - o 3m o 5 切； 只有在列车到位对准并且施加了停车制动的条件下，才能打开车门； 关列车门； 停站时间结束，系统将提示司机关闭车门当司机开始关门，t r v o b c 会向 t m i s 发送一个车门即将关闭的报文； 若车站扣车功能启用，列车门需要司机开关； 给t o d 发送信息； 报警监控并向a t s 报告。 列车自动监控( a t s ) a t s 子系统提供自动列车控制系统( a t c ) 的管理功能，并且为中心调度员 ( c o o ) 和a t c 系统提供接口。a t s 本质上是监控，因此，任何a t s 发出的对列 车、道岔或者其它安全型子系统的命令都不会影响安全；安全型子系统会阻止所 有非安全动作的执行。 a t s 的基本功能如下： 为中心调度员提供用户操作界面 全线线路显示：列车和设备 时刻表生成和执行 第2 5 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 自动列车进路分配 调整列车间隔 时刻表调整 不同运行类型的速度曲线 交叉点优先权 站台或者线路区域封锁 车站扣车 车站跳停 为发车指示器设置停站时间 执行临时限速 设置旅客向导广播系统信息 事件记录以及报告生成；以及 调度员操作事件重放 第2 6 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 2 、我国城市轨道交通信号系统现状 我国城市轨道交通信号系统起步较晚，目前国内厂商尚不能提供整套的a t c 系统，在城市轨道交通建设时只能整系统进口或关键子系统进口，而国外厂商为 保证系统的完整性和安全性，同时也为了保护其本身的利益，为信号系统的国产 化设置了重重障碍。 这种现状已经严重阻碍了我国城市轨道交通事业的发展，首先，进口信号系 统价格昂贵，增加了建设投资；其次，采用进口设备对今后的系统维护和服务造 成了巨大困难，特别是对于系统的更新改造或延长线建设，由于只能选择既有的 制式，不利于降低建设投资；第三，对于建设有多条地铁( 轻轨) 线路的城市， 如果采用多种信号制式，由于信号制式不同，无法实现互联互通，不能实现资源 共享，造成很大的资源浪费。 国外几大城市也同样存在上述现象，为此纽约地铁、巴黎地铁正在进行全面 改造，以解决互联互通问题，纽约地铁采取的策略是试图开发一个通用的车载设 备，使得所有列车能在各条线路上运行，但该策略在实施过程中遇到了很大阻力； 巴黎地铁采取的策略是把信号系统划分为地面子系统、无线信息传输子系统和车 载子系统，规定和规范接口方式和协议，不同的厂商能够提供不同的子系统，实 现子系统的互换，打破了由一家厂商垄断的局面，由于该策略方案合理，定位准 确，因此其实施比较顺利。 对于采用轨道电路( 无论是模拟轨道电路还是数字轨道电路) 进行地车信息 传送的系统，由于其信息定义、信息接收与处理、列车控制模式等都存在较大差 异，轨道电路划分、轨道电路结构、甚至轨道电路采用的电缆都各不相同，对于 上述方案的实施有很大的难度。而对于基于无线信息传输的c b t c 系统，由于采 用商业标准的无线传输设备实现车地信息传输，有可能进行子系统分割，实现互 联互通。 “十五”期间，根据我国城市轨道交通信号系统的发展现状，不同制式的 第”页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 a t c 系统采取不同的国产化策略。对于采用模拟轨道电路方式的a t c 系统，由于 轨道电路信息量较少，可以采用成熟的国产a t s 子系统和联锁子系统与其结合， 对其轨道电路设备和车载设备实现国内加工生产，北京1 3 号线首次在正线使用 国产计算机联锁和a t s 系统，重庆轻轨也是采用国产计算机联锁和a t s 系统；对 于采用数字轨道电路方式的a t e 系统，由于各子系统间信息交换量较大，一般采 用通信方式进行信息传输，国外厂商为保证系统的完整性和安全性，同时也为了 保护其本身的利益，不愿意公开接口协议，国产子系统很难溶入其系统中，因此 国产化方案只能采取国内加工生产的方式；例如在上海地铁二号线和津滨轻轨 中，从u s s i 进口设备散件，在国内加工机柜并完成组装、测试等工作，为了进 一步国产化，国内还对其部分印刷版进行了国产化，在津滨轻轨中，u s s i 公司 把a t s 子系统向铁科院通号所旌行技术转让，铁科院通号所承担了下列几方面的 工作：采用u s s i 技术和软件承担a t s 子系统的设计、生产、调试和开通；完成 p f 轨道电路设计、设备生产、调试等工作；承担工厂设备调试和测试工作；承 担现场设备安装督导、开通调试和测试等工作；承担车载a t c 设备安装督导、测 试等工作；承担系统开通使用后的售后服务工作。 虽然在“十五”期间，城市轨道交通信号系统进行了一系列国产化工作，但 我们应当清醒地看到，信号系统的关键技术仍掌握在国外公司手中，国内尚不能 提供完整的a t e 系统。 第2 8 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 3 、建设轨道交通通信信号试验基地的必要性和迫切性 如上所述，城市轨道交通信号系统经历了固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞 三个阶段，对于移动闭塞的c s t c 系统，目前我国乃至世界也尚处于发展初期阶 段，我们应该认真研究分析国外成功的经验，将a t c 系统分割为a t s 、联锁、轨 旁、无线传输、车载等子系统，制订接口方式、协议和标准，直接使用国内已经 成熟的产品，引进、消化吸收关键设备和技术，实现子系统招标，加快国产化进 度，最大限度地提高国产化率，最终到达具有完全自主知识产权的a t c 系统。因 此，c b t c 系统的国产化应是今后a t c 系统国产化的重点。 目前城市轨道交通信号系统的研发和国产化工作一是要组织精兵强将，马上 开展工作，并在财力物力上与以大力支持。二是要尽快建设轨道交通信号系统试 验、检测基地。因为轨道交通信号系统是一个复杂、庞大的工程，直接涉及人民 生命和国家财产的安全，由此各条线路的a t c 系统招标要求都是“具有工程实用 业绩”，而国产化信号系统恰恰面临无处进行试验和测试的环境，缺乏实用业绩。 通信信号作为城市轨道交通系统工程中的子系统，在我国还未能跟上整体前 进的步伐，目前我国城市轨道交通建设中通信信号系统特别是信号系统还基本依 赖进口。由于信号系统直接关系到列车运行的安全和效率，城市轨道交通项目都 要求选用有使用业绩的、成熟先进的信号系统，而国内信号系统尚处于研究、开 发阶段，缺乏使用业绩，也无试验平台，因而形成一个死循环。正是由于通信信 号系统在城市轨道交通中的特殊地位，使得一种新的通信信号设备的诞生往往要 经历相当长的研究试验周期，占用极为宝贵的试验现场。而试验的方法、试验的 手段、试验的充分性和试验的科学性，不仅体现设备的研制水平，更关系到设备 投入现场运用后的质量。有资料表明，国外一些城市轨道交通较发达国家在重视 现场运营实践的同时，还建立了以列车运行自动化和行车指挥自动化为主体的通 信信号综合研究中心和模拟试验中心。把本来需要花费大量人力、物力和时间的 现场试验工作移植到综合试验中心来完成，有效地提高了科研的水平和质量，缩 第2 9 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 短了科研开发的周期。目前我国通信信号设备的研究、开发、检验，以及引进通 信信号先进技术的消化吸收，尚无这种试验条件。为此，建设一个城市轨道交通 综合试验、测试基地非常必要而且是刻不容缓的事情。 目前我国已建成2 0 条城轨交通线，营业里程达到4 7 4 5 0 3 k i n ，尚有6 座特 大城市( 北京、上海、广州、天津、成都、沈阳) 在建2 l 条线，里程5 1 1 8 8 5 k m 。 2 0 0 5 年国家又批准了杭州、哈尔滨等城市建设地铁。“十五”期间，中国城市轨 道交通建设总投资达2 ，0 0 0 亿元；在“十一五”期间，全国特大城市的地铁和轻 轨通车里程将超过1 ，5 0 0 k m ，还将投资2 ，0 0 0 亿元。据悉，目前在国内4 9 座百 万人口以上的特大城市中，有2 5 座城市近中远期规划修建轻轨。有的己得到了 国务院的批准，并开始了工程的前期工作；有的还在申报中。据不完全统计，这 2 5 个城市的总规划里程超过5 ，0 0 0 k m ，投资估算超过8 ，0 0 0 亿元。 为保证中国城市轨道交通稳定有序和快速地发展，国务院出台了一系列方针 政策。如国务院办公厅关于加强城市快速轨道交通建设管理的通知( 国办发 2 0 0 3 8 1 号，2 0 0 3 年9 月2 7 日) ，国务院办公厅于2 0 0 5 年9 月2 3 日转发的建 设部、发展改革委、科技部、公安部、财政部、国土资源部等6 部委“关于优先 发展城市公共交通的意见”的通知( 国办发( 2 0 0 5 ) 4 6 号) 。各城市以国务院的 这些文件为指导，编制了轨道交通新时期的发展战略规划。据不完全统计，2 5 个大城市轨道交通网络规划( 近中远期) 里程总长度约有6 5 3 5 7k m 。大约需要 6 0 ，0 0 0 辆城轨车辆，约投资人民币3 ，5 0 0 4 0 0 0 亿元。这么多的车辆、这么多 的投资都需要有一个权威性的试验基地，用来检验产品的质量，对产品进行最终 鉴定，以保证顺利安全可靠地投入运营。 如此大的需求，预示着我国这个新兴产业的形成，加速国产化将具有现实的 战略意义，而建设综合试验基地就是为加速城轨机电系统国产化提供试验平台。 第3 0 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 4 、在铁科院环行道建设轨道交通通信信号试验基地的有 利条件 铁科院环形试验线是包括美、俄、捷、罗在内的世界五个环行铁道试验线之 一。经过近五十年的续建和改造，使这个亚洲唯一的试验专用线具有了相当规模， 已完成了机车、车辆、线路等一系列重大试验五百余次。尤其是近年来又完成了 我国万吨列车、旅客列车的扩大编组、准高速列车以及普通旅客列车的提速试验， 并创造了我国试验列车最高运行速度2 1 2 6 公里的新记录。 2 0 0 2 年经国家发改委的批准，利用国债资金，在铁道科学研究院的北京东 郊环行试验基地，利用现有的环形试验线，进行了城市轨道车辆试验配套改造工 程( 以下称为一期工程) ，工程投资为2 4 7 3 万元。改造的内容为：在小环线上对 供电系统进行改造；新建长3 0 0 m 的线路( 最小径曲线半径8 0 米) ，新建4 0 0 0 k v a 直流牵引换流站，即在内环复线上，进行i ) c 1 5 0 0 v 接触网和d c 7 5 0 v 第三受流轨 的改造和建设，并将直流电源引入试验室；在站场上建设1 5 0 m 长的r 2 5 m r s 0 m 特小半径曲线。使我国环行铁道具备了城市轨道交通车辆一定的试验能力，为我 国城市轨道交通的发展搭建了试验平台。 这次改造后，进行了国产化地铁列车的调试、整备及试验，这些是：称重试 验、车辆制动静态传动效率试验；整车气密性试验；压缩空气设备动作试验：微 机控制的模拟电空制动装置试验( a w 0 ) ；制动系统故障导向安全试验；安全防护 联锁试验；司机室前灯和客室照度试验( 以上试验利用环行试验基地原有试验设 施) ；噪声测试；受电弓性能测试；起动加速性能试验；牵引能力和制动能力试 验( 其中电机温生试验是利用列车起动一制动起动一制动完成的，且判定电机 功率不合格，无法给出牵引特性和制动特性曲线) ：再生制动和电阻制动转换试 验；防空转试验；网压波动试验；列车故障运行能力试验。此外还进行了惰性基 本阻力试验( 列车达到一定速度后冲入大环线进行) 在一期工程建设投入运行的基础上，我院提出了二期工程建设的方案，该方 第3 l 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 案拟将城轨试验线建于大环试验线内侧，北半环与大环试验线并行。南半环利用 既有内环复线( 城轨试验线) ，与北半环封闭成环状，即在内环复线直线部分两 端分别采用高架式立交和下沉式立交跨越既有东西r l o o o m 与北半环相连，试验 线全长可达8 6 k m 。 图6 铁科院环行试验线线路图 5 、城市轨道交通通信信号试验基地建设方案 目前，国内外城市轨道交通信号系统，车地信息传输方式主要有轨道电路方 式和基于通信的方式。 对于采用轨道电路( 无论是模拟轨道电路还是数字轨道电路) 进行地车信息 传送的系统，不同的信号系统由于其信息定义、信息接收与处理方式、列车控制 模式等都存在较大差异，轨道电路划分、轨道电路结构、甚至轨道电路采用的电 缆都各不相同，很难建设通用的试验平台，达到进行各种试验和校验的目的，因 此对于采用轨道电路的信号系统，城市轨道交通环行线综合试验基地仅建设基础 设施，包括电源、基础信号设备、电缆槽道等，提供一个最基础的试验与测试平 台，使得其信号设备能很快在环行线安装调试，完成测试与检验的目的。 对于基于通信的c b t c 系统，为了满足对不同制式的c b t c 系统进行测试与检 第3 2 页共5 6 页 北京交通大学专业硕士论文 验的目的，首先应建设基础设施，包括电源、基础信号设备、光纤通信骨干网等， 提供一个最基础的试验与测试平台，使得其信号设备能很快在环行线安装调试， 完成测试与检验的目的。 同时，考虑到技术发展趋势和国内项目建设的主流，应该针对基于无线通信 的c b t c 系统进行针对性地加强，提前建设好z c