基于通信的列车控制系统概述.docVIP

西南交大的课件第1节 基于通信的列车控制系统概述列控车载设备、列控地面设备徐啸明，中国铁道出版社，2007闭塞与列控付世善，中国铁道出版社，2006 1.CBTC的发展前提和前景19世纪中叶出现火车之后，立即就有人研究如何控制火车安全运行问题。早期，为了保证列车的安全，所以采用人骑马作为列车运行先导，以后又用过在一定距离设置导运人员，挥旗来表达列车可否安全前行。1930年在英国开始第一次应用横木式带灯光的信号机，而美国在1932年采用在柱子上挂黑球或白球来对列车指示停车或通过。1941年臂板信号才正式诞生在英国。1932年莫尔斯电报机发明后，很快就引人到铁路。1941年英国人提出闭塞电报机专利，并于1951年在英国铁路获得普及应用。1976年发明了电话，又为铁路应用构成电话闭塞，这种方法至今在特殊情况下，如地震、洪水后等应急时尚有应用。除了上述两种方法，还有应用路签机和路牌机方法，1979年英国人泰尔(Tyres)发明电气路牌机，即两相邻车站各有一个路牌机，它们之间有电气联接，两站之间有列车运行，一定要领到一个路牌才能作为运行的凭证。而在平时，在一个时间内只允许有一个路牌从中取出，以此保证行车安全。1999年英国人韦布和汤姆森( Webb and Thomson)发明了电气路签机，它工作原理与电气路牌机相似，即平时在一组路签机中只能取出一枚路签供运行的列车司机作为行车凭证。从宏观来分析，列车运行控制系统实际上包含下列几个部分：1. 车站的列车运行控制系统它一般以车站联锁来表达。在一个车站内，将车站内的道岔，进站、出站、调车信号机，车站主干线、车站股道等三大部分之间按一定联锁关系构成系统，为列车创造行车进路或调车进路，它既要保证行车安全，又要保证行车效率。2. 区间的列车运行控制系统它是指列车在所有车站与车站之间运行的控制系统，其目的是保证它们的安全运行、提高行车效率和提供信息。3. 驼峰编组站运行控制系统从逻辑控制使用来区分，上述三方面系统是各自独立的，即它们的硬件系统和软件系统都独立，它们的研究开发、设计、生产、使用等可以彼此不相干。但是从信息流而言，这三者之间有着千丝万缕的联系，因为任何旅客列车运行，都要经过车站和区间，而货物列车则不仅有经车站、区间之外还有驼峰编组站。从微观而言，人们经常把列车运行控制系统指的是区间列车运行控制系统，而且往往简称为列车运行控制系统，但实际上在车站范围的列车运行控制也属于此范畴。在TTS-R中，列车运行控制系统占有重要的地位，因为它是协调运输中速度、密度和载重三者之间关系，它也是提供列车运行实时信息等关键所在。在区间列车运行控制中，最基本的问题有以下三方面：CBTC的发展前提和背景(点击开始播放)(1) 要保证任何一个运行中的列车是安全的，即它要与前行列车保持足够的安全距离，不撞前行车，同时也要防护本列车，使后续列车也与本列车保持一个安全距离。为此，就必须决定本列车应该按什么速度行车，安全是行车的基本要求。(2) 在保证行车安全的前提下，还要使行车有效率。业主、旅客和货主三者都对此有共同要求，而且它也是表征一个国家经济是否发达的标志之一。(3) 在信息社会里，有关列车运行的信息也极为重要。因为运行管理者只有知道所有列车信息，它才能统筹管理；旅客关心的是列车什么时候开，什么时候到达目的地，中间又经过什么地方，沿路有否好风景；货主关心的是什么时候可将托运的货物送走，运行列车现在又在哪里?它什么时候到达货物目的地?因此，列车运行中首先要提供最原始的“3W”信息，即：1WWhen什么时间2WWhat什么列车3WWhere在哪里有了一系列基础信息之后，才能派生出二次、三次等多次相关信息。基于通信的列车控制(Communications-based Train Control， CBTC)系统独立于轨道电路，采用高精度的列车定位和连续、高速、双向的数据通信，通过车载和地面安全设备实现对列车的控制。CBTC已在全世界范围内发展，它不仅在地面大铁路得到推广应用，而且在城市轨道交通系统，包括地下铁道或快捷运输线路也给以青睐。基于通信的列车控制利用先进的通信、计算机技术。突破了固定闭塞的局限，实现了移动闭塞，在技术和成本上较传统的信号系统有明显的优势。该技术无需在轨道上进行固定长度、固定位置的闭塞分区，而是把每一列车加上前后的一定安全距离作为一个移动的分区，列车制动的起点和终点都是动态的。列车的安全间距是按后续列车在当前速度下所需的制动距离加上安全余量计算得出。列车的最小运行间隔在90s以内，个别条件下可实现小于60 s的间隔时间。与传统的固定闭塞、准移动闭塞技术相比移动闭塞技术实现了车载设备与轨旁设备不间断的信急双向传输，使列车定位更精确、控制更灵活，可以安全有效地缩短列车间隔，提高列车运行的安全性与可靠性。降低列车的运营和维护成本。CBTC技术发源于欧洲连续式列车控制系统，经过多年的发展，取得了长足的进步。包括阿尔卡特、西门子、阿尔斯通等多家列车控制系统设备提供商均开发出了自己的CBTC系统，并在温哥华、伦敦、巴黎、香港、武汉等多个城市的轨道交通线路上运行。我国于2004年投入运营的武汉轻轨是国内第一条采用CBTC方案的城市轨道交通线路。然而对于仍在运营的轨道交通系统，如何在不影响服务的条件下应用先进的信号系统，是运营商在考虑对信号系统进行升级时必须而对的问题。迄今为止最大的，实现不同厂商CBTC系统设备互连互通的CBTC项目正在纽约地铁进行，并准备将该技术用于改造纽约地铁信号系统。1999年，电气和电子工程师协会轨道交通运输车辆接口委员会(IEEE Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee， IEEE RTVISC)制定并颁布了CBTC技术标准IEEE Std 1474.1一1999 KIEEE基于通信列车控制的性能和功能要求(第一版)(IEEE Standard for Communications-Based Train Control(CBTC)Performance and Functional and Functional Requirements，以下简称标准)。准标准详细定义了CBTC系统的功能，并规定了CBTC系统的列车运行间隔、安全性和可用性等技术指标。第2节 CBTC的特点 1.CBTC的特点移动闭塞系统通过列车与地面间连续的双向通信。实时提供列车的位置及速度等信息，动态地控制列车运行。移动闭塞制式下后续列车的最大制动目标点可比准移动闭塞和固定闭塞更靠近先行列车，因此可以缩小列车运行间隔，使运营公司有条件实现“小编组，高密度”，从而使系统可以在满足同等客运需求条件下减少旅客候车时间，缩小站台宽度和空间，降低基建投资。此外，由于系统采用模块化设计，核心部分均通过软件实现。因此使系统硬件数量大大减少，可节省维护费用。移动闭塞系统的安全关联计算机一般采取三取二或二取二的冗余配置。系统通过故障安全原则对软、硬件及系统进行量化和认证，可保证系统的可靠性、安全性和可用度。无线移动闭塞的数据通信系统对所有的子系统透明，对通信数据的安全加密和接入防护等措施可保证数据通信的安全。由于采取了开放的国际标准，可实现子系统间逻辑接口的标准化，从而有可能实现路网的互联互通。采取开放式的国际标准也使国内厂商可从部分部件的国产化着手，逐步实现整个系统的国产化。在对既有点式ATP或数字轨道电路系统的改造中，移动闭塞系统能直接添加到既有系统之上。因此对于混合列车运行模式来说，移动闭塞技术是非常理想的选择。与传统的基于轨道电路的列车控制系统比较，CBTC系统的优势主要表现在以下几点：1. 更简洁从硬件结构看，系统以控制中心设备为核心，车载和车站设备为执行机构，车、地列车控制设备一体化。从功能上看，联锁、闭塞、超速防护等功能通过软件统一设备实现，不再分隔。因此，整个系统摆脱了积木堆叠式结构，而是一个统一的整体。系统结构更简洁。2. 更灵活系统不需要新增任何设备，自然支持双向运行，而且不因为列车的反方向运行，降低系统的性能和安全。所以，CBTC系统在运营时，可以根据需要，使用不同的调度策略。此外，还表现在CBTC系统可以处理多条线路交叉，咽喉区段列车运行极其复杂的情况。另外CBTC系统内可以同时运行不同编组长度、不同性能的列车。3. 更高效系统可以实现移动闭塞，控制列车按移动闭塞模式运行，进一步缩短列车运行间隔。另外，CBTC系统可以进一步优化列车驾驶的节能算法，提高节能效果。CBTC目前已成为铁路运输及信号的技术人员和管理人员极度关注的问题， CBTC能得到如此广泛的推广和应用，主要和CBTC的使用特点有关系。1. 安全方面目前TBTC系统中的控制停息流是开环的，即发送者只管发送，并不能确切知道接收者是否真正接收到所需信息，这并不能保证行车安全。CBTC的特点(点击开始播放)2. 运输效率方面由于TBTC系统是固定自动闭塞系统，所有闭塞分区一经设计计算好，信号机就有固定位置，而每个闭塞分区的长度要求完全满足最坏列车的运行安全的需要。所谓最坏列车，指它的牵引吨位是设计书中规定最重的，制动率也最低，有规定的运行速度，并且这种情况下在该地区的坡道值和弯道值条件下能够在该闭塞分区内刹住车。这些条件显然对于“好车”(主要是牵引吨位少、制动效率好等)有潜在的运输效率。一旦规定了最高运行速度，在投产后，实际速度必须在规定范围之下。因此，即使存在线路桥梁、车辆、机车有提速的可能，信号也限制了它们的发展，使得运输效率受到限制，除非重新进行设计计算。3. 工程设计方面在信号闭塞分区长度设计，即区间信号机的布置有严格的牵引计算来规定，工程设计人员必须一个闭塞区接着一个闭塞区进行设计。如果在投产后意欲提高运量，提高运行速度，加大运行密度，必须严格核实闭塞分区工程的可能性，这是比较费周折的。4. 信息方面随着信息社会的发展，对在线路上运行的列车，调度、旅客和货主三者愈来愈希望能得到它们的实时信息，以便调度员决定要否修正运行图，旅客能知道列车是否晚点，货主能知道托运货物何时能达目的地等等。5. 投资方面在一次投资方面，希望减少因敷设电缆所需的40%的资金，并且希望新系统的性能/价格要比原有的更高；在日常维护投资开销方面，希望提高劳动生产率来减少维护费用。6. 在天气影响方面希望避免晴天、雨天、下雪等影响，对原轨道电路必须经常作适当调整，以避免道碴受这些条件影响而带来不稳定性，由此可能造成不安全性。7. 抗干扰方面希望减少在TBTC系统中轨道电路受牵引回流带来的干扰，以致使系统可能带来不稳定性和不安全性。8. 维护工作方面希望减少信号工人原来对轨道电路要沿线步行目视维护的繁重体力劳动。9. 信息共享方面希望列车的各种信息、多媒体通道等能为铁路信号之外其他工种能共享信息，特别是机务、车辆、公安、工务、运输等，特别希望能用多媒体信息，而且有车一地间的双向通信。CBTC的特点(点击开始播放)10. 改建方面TBTC-FAS系统大部分是单向运行线路，要改为双向运行，必须进行改建，而改建过程必定会严重影响运行，而且改造费用巨大。11. 与城市轨道交通共存问题由于城市轨道交通系统一般都是客运、且运行密度大、速度中等、站间距离短和列车在站停留时间短等特点，所以它的列车运行系统在TBTC方面难以与地面大铁路交通系统相兼容，但应用CBTC系统后，这类系统就容易相互兼顾，大交通管理同样可以容易实现城市交通管理。12. 通信媒体方面有各种形式移动无线通信、漏泄电缆或各种漏泄波导、卫星通信、卫星定位、感应电缆等。13. 计算机方面有各类小型、高可靠计算机，计算机控制用芯片、快速的数字信号处理芯片、各类接口芯片。14. 控制方面有智能技术的高速发展、各类纠错和检错技术来实现闭环控制、安全控制等。15. 可靠性方面有各类冗余技术、避错技术、反馈纠错技术、高可靠纠错、检错编码方案等。16. 器材和工艺方面小型、微型元器件的容易购买，生产工艺更趋于标准化。17. 接口方面各类接口标准及接口器材芯片的容易实现。18. 认识方面信息技术、高新技术的发展，促使铁路信号技术提高技术水平和对这些技术的认识，感到这是发展方向，会给人们带来进步，而且对CBTC的信赖性也在逐步增加。基于需要与可能的结果，使CBTC在20世纪最后年份发展极为迅速，而在21下纪初期的发展势头将会更引人注目。地铁信号和列车自动保护系统(点击开始播放)在轮轨交通中，为保证列车运行安全，须保证列车间以一定的安全间隔运行。早期，人们通常将线路划分为若干闭塞分区，以不同的信号表示该分区或前方分区是否被列车占用等状态。列车则根据信号显示运行，不论采取何种信号显示制式，列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车安全间隔。 地铁的信号原理也基于此，但由于地铁的特殊条件对安全的要求更加严格。因此必须配备列车自动保护(ATP)系统。ATP通过列车间的安全间隔、超速防护及车门控制来保证列车运行的安全畅通。在固定划分的闭塞分区中，每一个分区均有最大速度限制。若列车进入了某限速为零或被占用的分区，或者列车当前速度高于该分区限速，ATP系统便会实施紧急制动。ATP地面设备以一定间隔或连续地向列车传递速度控制信息。该信息至少包含两部分：分区最高限速和目标速度(下一分区的限速)。列车根据接收到的信息和车载信息等进行计算并合理动作。速度控制代码可通过轨道电路、轨间应答器、感应环线或无线通信等传输，不同的传递方式和介质也决定了不同列车控制系统的特点。为了保证安全，地铁ATP在两列车之间还增加了一个防护区段，即双红灯区段防护，如下图所示。后续列车必须停在第一个红灯的外方，保证两列车之间至少间隔一个闭塞分区。图12-3-1-1 示意移动闭塞-基于通信列控系统(点击开始播放)传统的固定闭塞制式下，系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。为充分保证安全.，必须在两列车间增加一个防护区段，使得列车间的安全间隔较大，为此影响了线路的使用效率。准移动闭塞在控制列车的安全间隔上比固定闭塞进了一步。它通过采用报文式轨道电路辅之环线或应答器来判断分区占用传输信息，信息量大；可以告知后续列车继续前行的距离，后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，列车制动的起点可延伸至保证其安全制动的地点。从而可改善列车速度控制，缩小列车安全间隔，提高线路利用效率。但准移动闭塞中后续列车的最大日标制动点仍必须在先行列车占用分区的外方。因此，它并没有完全突破轨道电路的限制。移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上更进了一步。通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信，控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离，这样便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区，见下图。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。图12-3-2-1 移动闭塞示意移动闭塞的线路取消了物理层次上的分区划分，而是将线路分成了若干个通过数据库预先定义的线路单元。每个单元长度为几米到十几米之间，移动闭塞分区即由一定数量的单元组成，单元的数目可随着列车的速度和位置而变化。分区的长度也是动态变化的，线路单元以数字地图的矢量表示。早期的移动闭塞系统是通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机(VOBC)与车辆控制中心(VCC)之间的连续通信。现今，大多数先进的移动闭塞系统己采用无线通信系统实现各子系统间的通信。在采用轨旁基站的无线通信系统中，系统一般考虑100%的无线信号冗余率进行基站布置，以消除在某个基站故障时可能出现的信号盲区。CBTC系统引人了通信子系统，建立车地之间连续、双向、高速的通信，列车的命令和状态可以在车辆和地面设备之间可靠交换，使系统的主体CBTC地面设备和受控对象列车紧密的连接在一起。所以，“车地通信”是CBTC系统的基础，CBTC系统的另外一个基础则是“列车定位”。只有确定了列车的准确位置，才能计算出列车间的相对距离，保证列车的安全间隔。也只有确定了列车的准确位置，才能保证根据线路条件，对列车进行限速或者与地面设备发生联锁。所以说车地通信是CBTC系统中的一条“明线”，列车定位则是CBTC系统的“暗线”，车地通信和列车定位共同构成CBTC系统的两大支柱。第4节 CBTC系统的原理 1.车地通信原理 2.列车定位原理 3.列车完整性检测的原理车地通信原理(点击开始播放)列车一地面间双向通信技术，它是标志CBTC不同于TBTC的根本点。这类双向通信方式与一般语音和数据的双向通信在要求上又有不同，主要反映在要求高可靠性、实时性和安全可用性等多个方面，它类似于航空指挥通信。但是在实际环境方面不同，因为列车与地面之间有隧道、山区、高层建筑；它们在指挥范围方面也有不同，因为列车经历几公里到几百公里范围内必有车站，而且区间又有多个列车在运行，车站又有不少列车停留；此外，列车又有电气化干扰等。所以车一地之间双向通信是比较复杂的问题。从目前已经开发应用而言，车一地之间双向通信方式有下列几种：(1) 查询应答器即如前所述，分为有源和无源两种类型。这种方法的主要问题是只能实现点式通信，而不能实现连续式通信。(2) 轨道交叉电缆方法它可以实现连续双向信息。(3) 漏泄波导方法它可以实现连续双向通信。(4) GSM-R法它是GSM连续无线通信系统的铁路专用系统。(5) 扩展频谱法(Spread Spectrum Radio)是无线通信方式之一，早期它由军方开发应用中具有良好抗干扰性能。扩展频谱中“扩展”的含义是它使用比传输该信号所应有的频谱更宽，一般它使用两种方法：一种称为跳频(Frequency Hopping)法，另一种是直接序列法(Direct Sequence)。在跳频法中，传输端按某种事先已经的人为随机序列型式的有规则的时隙来传送信号，而最终结者则译出相应信息。直接序列法是在系统传送端发送一种清楚的随机型数据位，而接收者懂得此类形式，然后将它译成原有信息形式。在上述两种方法中，直接序列法应用更为广泛。(6) TETRA无线通信法。(7) 卫星通信法。(8) 其他无线电通信方法。CBTC系统的通信子系统主要有两种形式：一种是系统初期基于感应环线电缆的感应环线通信系统；另一种是新近发展比较快的无线通信系统。SelTrac. S40系统采用感应环线通信系统，沿线路铺设铜质芯线、外皮绝缘的无屏蔽电缆，即感应环线电缆。环线电缆发送端连接通信发送设备，使环线电缆中保持一定强度的恒定电流。在列车上，安装有接收天线和发送天线，接收天线通过电磁感应，接收地面感应环线发送的信息。反过来，当车载发送天线发送信息时，地面感应环线又变成为接收天线，接收车载设备发送的信息，从而实现车地双向通信。感应环线通信系统的有关参数如下表所列。车地通信采用主从应答方式，地面车辆控制中心VCC为通信主站，各个车载控制器VOBC为从站。VCC按顺序轮流向VOBC发送命令，并要求相应的VOBC应答。VCC和VOBC通常的轮循周期为0.5秒，并保证最长3秒钟内，列车和地面能够交换信息一次。一个VCC通常连接多根感应环线，列车可以运行在不同感应环线上.所以，VCC还要负责确定列车在哪根环线上，然后将对应的命令发送到相应的感应环线上。无线通信技术正在带领CBTC系统进入新的发展阶段。特别是基于IEEE 902.11标准的无线局域网技术不断发展成熟，CBTC系统可以直接采用由第三方厂商提供的基于开放标准的无线通信平台，提高了系统集成度，并且减少了轨旁设备，系统的可维护性进一步增强。无线局域网不仅提供物理层和数据链路层服务，还提供网络层和运输层服务(即TCP/IP协议)。这使得车地通信更加透明，只要知道车载CBTC设备的IP地址，地面CBTC设备就可以直接向通信子系统发送信息，由通信子系统负责将该信息路由传递至车辆。而不再像感应环线通信系统那样，需要由VCC确定将信息发送到哪一根环线。从而进一步简化了地面CBTC设备的软、硬件结构。列车定位原理(点击开始播放)在TBTC系统中列车的位置只是靠闭塞分区占用来粗略定位。一旦列车进人某一个闭塞分区，不论该闭塞分区的长度，甚至列车在运行中跨占有两个闭塞分区，对TBTC系统而言，它只知道列车占用闭塞分区，而不追问列车是在闭塞分区的头部还是尾部，所以它只是粗略地提供定位信息，因此会影响运输效率。但在CBTC则不然，它必须提供精确的定位，即列车的头部是在什么坐标，在已知列车长度情况后，也必然知道列车的尾部在何位置。CBTC系统中对列车提供精确定位的作用有以下两点：1.从保证安全出发，一旦知道列车头部位置，CBTC系统就能计算出它现在距前方列车尾部还剩余多少距离，或在距进站信号/标志还有多少距离，从此可以计算出本列车现在应是加速前进还是减速前进，或保持恒速，是继续前进还是制动，假如是制动，则应采用何种级别制动，是常用制动还是紧急制动等等。总之，从行车安全出发，要绝对保证不发生追尾前车或闯红灯。2.从提高运输效率出发，在允许条件下计算出本列车是否还可以提速或其他操作，保证与前行列车之间的间距(Headway)达到最小。目前已经投人实际应用的列车定位技术有：(1) 用车轴转速转测距定位法(2) 查询一应答器法(3) 轨道感应电缆法(4) GPS法(5) 无线电信号距离测量法(6) 光纤陀螺法(7) 多谱勒雷达法(8) 漏泄波导法(9) 漏泄电缆法列车完整性检测原理(点击开始播放)在原有TBTC系统中通过应用轨道电路自然而然地能完成列车完整性检测。因为只要一旦列车在中间环节发生断勾等而残留一节或几节车辆在区间，轨道电路的分路状态立即可以检测，但现在CBTC系统不采用轨道电路，因此必须通过其他方法来检测列车完整性。一种解决检测列车完整性的最好方法是在列车尾部安装无线发信装置，它能发出无线电信号给本列车的机车上车载装置。一旦该信号中断，就可以认为列车完整性出现问题。对于客运列车，在列车尾部安装尾部发信装置理论上是比较容易解决，当然它也有一系列实际问题，如哪个部门来负责管理，如何确定发送的信号内容，如何不受干扰，同时它也不干扰其他装置等等。对于货物列车应用此法则比较困难。理论上，在我国，按铁道部颁发的铁路技术管理规程第190条规定，在货物列车尾部须挂列尾装置，它的目的是为安全、效率、减少调车作业量等等，在此列尾装置中自然也可以安装“列车完整性信息发送装置”，但它也同样面临着管理、调度、维护、责任者等多方面问题。另一种解决检测列车完整性问题方法是司机通过检查列车制动气管压力是否有突变来判断，或者通过某种电子装置检测其压力变化来确定。因为在正常状态，列车管压力是平稳的，若发生列车车辆车钩断裂而分成两部分时，压力会立即发生异常。对这种方法，已经有人试验过，理论上是无问题，但实际上也有一定工程技术问题需要解决，诸如：车辆制动管的漏气，“关门车”的存在等等。总之，在实现CBTC时，列车完整性的检测必须得到很好的解决。第5节 典型移动闭塞系统的系统结构 1.典型移动闭塞系统的系统结构 2.CBTC系统的功能及结构 3.CBTC系统定义与分类 4.典型CBTC系统 5.CBTC系统的可靠性典型移动闭塞系统的系统结构(点击开始播放)目前，世界上诸多信号供应商如阿尔卡特、阿尔斯通、西门子、庞巴迪和西屋等，均开发出了各自的移动闭塞技术并已经在全球广泛应用。典型的移动闭塞线路中，线路被划分为若干个区域，每一个区域由一定数量的线路单元组成。区域的组成和划分预先定义，每一个区域均由本地控制器和通信系统控制。本地控制器和区域内的列车及联锁等子系统保持连续的双向通信，以控制本区域内的列车运行。列车从一个控制区域进入下一个区域的移交是通过相邻区域控制器之间的无线通信实现。当列车到达区域边界，后方控制器将列车到达的信息传递给前方控制器，同时命令列车调整其通话频率；前方控制器在接收并确认列车身份后发出公告，移交便告完成。两个相邻的控制区域有一定的重叠，保证了列车移交时无线通信不中断，见下图。（图中虚线表示了无线蜂窝信号的重叠，车载无线电根据信号强度决定与哪一个轨旁基站进行通信。）图12-5-1-1 分布式移动闭塞技术的无线传输示意某一典型无线移动闭塞系统的系统结构如右图所示。该系统以列车为中心，其主要子系统包括：区域控制器，车载控制器，列车自动监控(中央控制)，数据通信系统和司机显示等。图12-5-1-2 典型无线闭塞系统的系统结构区域控制器(ZC)也就是区域的本地计算机，与联锁区一一对应。通过数据通信系统保持与控制区域内所有列车的安全信急通信。ZC根据来自列车的位置报告跟踪列车并对区域内列车发布移动授权，实施联锁。区域控制器采取三取二的检验冗余配置。冗余结构的ATS可实现与所有列车运行控制子系统的通信，用于传输命令及监督子系统状况。车载控制器(VOBC)与列车一一对应，实现列车自动保护(ATP)和列车自动运行(ATO)的功能。车载控制器也采取三取二的冗余配置。车载应答器查询器和天线与地面的应答器(信标)进行列车定位，测速发电机用于测速和对列车定位进行校正。司机显示提供司机与车载控制器及ATS的接口，显示的信息包括最大允许速度、当前测速度、到站距离、列车运行模式及系统出错信息等。数据通信系统实现所有列车运行控制子系统间的通信。该系统采用开放的国际标准:以902. 3(以太网)作为列车控制子系统间的接口标准.，以902. 11作为无线通信接口标准。这两个标准均支持互联网协议(TP：Internet Protocol)。CBTC系统的功能及结构(点击开始播放)一、 CBTC系统的基本功能CBTC系统的基本功能与其结构有关，而该结构又决定于它的应用类别，或称它的应用水平。例如，CBTC-半自动闭塞、CHTC-FAS、 CBT-MAS等。另一方面它又与在系统中仅是应用机车信号，还是有ATP、有ATC及ATO等。以下将给出不同应用水平级的基本功能。1构成闭塞功能在TBTC系统中各种水平的应用均依靠轨道电路来构成闭塞，因为闭塞是保证行车的基本方法。现在CBTC系统中，则必须同样具有构成闭塞区段的功能。在CBTC半自动闭塞系统中，采用进/出站口的标志器、查询/应答器或其他类似设置来表明站间闭塞的分界口，并且要达到在出站标志之后一定使用某个专用频率来区分，用这个频率来构成机车信号以供给司机(指最低应用水平)，或用此信号显示供给车载设备上ATP系统(指较高一级应用水平)。CBTC中的闭塞功能可以是固定的，也可以是移动的。目前在CBTC-半自动闭塞系统中的闭塞区段长度相当于站间长度，而在CBTC-MAS系统中则为最短，其长度为本列车常用制动所需的距离附加安全距离。所以闭塞功能也是保证安全功能。2系统具有定位功能在CBTC系统中定位精度愈高，则系统可使行车效率愈高。3系统具有计算功能CBTC系统要有能力计算出在给定最大允许列车车速条件下本列车目前最大可能达到的车速。因为在任意一个移动闭塞区间，列车只能依据各种动态和静态参数，以及其定位值和实际速度来计算出应有速度，才能保证安全。4CBTC系统必须向系统的地面设施和车载设施及时地、动态地给出相应的参数和运行状态，以备司机人为或车载设备自动地作出应有的操作。5CHTC系统为管辖范围内列车及地面设施提供良好的双向通信功能，它不仅提供运行列车的参数，而且也应提供非信号范围内的各种有关参数，满足信息社会所需的数据要求。6CBTC系统应具有良好的记录功能，即不仅在车载设施上，而且还应在地面设施有记录。这种记录应起到双重作用：(1) 为改善列车运行性能，为提高运行质量分析用的记录；(2) 发生任何车祸后，有可能从记录设施中寻找出发生事故的原因，进行有效的分析，它类似于航空系统的“黑盒子”功能。以上提到的大部分是基本功能，在应用技术较高等级CBTC系统，则其功能还应具有：(1) ATP系统的全功能；(2) ATC系统的全功能；(3) ATO系统的全功能。7远程诊断和监测功能，用于改善CBTC系统的可靠性、可用性及安全性。因此，CBTC的车载设施、地面设施均应设计有远程诊断的接口，允许系统在运行过程中发生故障立即发出相应信号给地面综合诊断台，以便及时地采取相当措施。这个功能当然是比较复杂，CBTC系统至少从一开始设计时留有余地。CBTC的定义可以通过它的总特点来描述，即利用无线通信媒体来代替轨道电路达到车一地之间的信息传输，而在此基础构成的列车运行控制系统，都可称为CBTC系统。它涵盖了大量不同名称的系统，从此也可见CBTC系统并不是只有一种体系结构，或者说，CBTC的系统中所应用的技术并不是完全相同，因而它们所完成的功能也可能不是同一水平和同一内容，因此对CBTC系统就有分类的必要。但是由于通信技术的飞速发展，所以要对CBTC进行详尽的分类实际上非常困难，以下将是根据目前技术水平进行的参考性分类。一、从闭塞分区实现来分类从闭塞分区进行分类可以有下列几种：(1) 基于通信的固定自动闭塞运行控制系统；(2) 移动自动闭塞运行控制系统。基于通信的固定自动闭塞运行控制系统(CBTCFixed Autoblock SystemCBTC-FAS)表示闭塞分区是固定不变的，它像TBTC-FAS一样，闭塞分区是通过区间牵引计算来求得其长度，而CBTC-FAS与TBTC-FAS的根本区别是前者采用双向通信技术来达到车一地之间信息交换。在每个闭塞分区的始端可以没有固定信号机作为防护，它的信号显示是依据控制中心在计算基础上给定。下图是全部用移动无线通信的CBCT-FAS系统，它经过调制的无线频率RF使移动列车与控制中心相联系，车站控制中心则依据区间各列车的实际分布，计算出保护信号机可以给出的信号，通过无线中继设备与保护信号机线路设备LI/O相连，后者经译码后给出信号显示。它同时也返回收到的信息及状态显示送给无线中继设备转控制中心，由此构成信息流的闭环。与此同时，运行中的列车也随时与线路设备LI/O相联络，报告它的定位与其状态信息等，以构成车一地之间的双向通信。图12-5-3-1 CBTC-FAS示意1应该指出，在上图所示的CBTC-FAS中，可以仍然保留轨道电路。但是它的作用不是为了构成闭塞系统的调节环节，而仅是为了检测列车的存在及其完整性。正因如此，轨道电路长度要短一些，并不希望增长，它的长度可缩短到系统造价不要由于电缆的存在而占有重要成分。因为轨道电路缩短后，在运输效率方面可以获得提高。上图无线方法在FAS中应用也可以保留，它是CBTC-FAS的标志。在CBTC-FAS系统中还有用轨道间交叉感应电缆。下图是示意图：图12-5-3-2 CBTC-FAS示意2移动自动闭塞运行控制系统(CBTCMoving Autoblock System， CBTC-MAS)表示这类系统也有闭塞分区，但此时闭塞分区有下列特点：(1) 闭塞分区长度是可变的，它是依据列车本身参数及其所在地段参数实时计算出米的。(2) 闭塞分区随列车运行而移动。(3) 在CBTC-MAS中闭塞分区已经不再应用地面信号，而且也不需要地面信号，它在车载设备系统显示屏上，指示出本车距前行列车尚有多少距离，或距离进站的距离等等。CBTC系统定义及分类1(点击开始播放)二、根据CBTC中车一地之间通信方式不同来分类CBTC的种类又可以分为：(1) 采用全程移动无线通信方式，例如目前在欧洲广泛应用的GSM-R方式。(2) 采用轨道交叉电缆方式，见下图(3) 采用漏泄电缆或漏泄波导方式。(4) 采用查询一应答器方式，即在每个信号机处在相应一侧或轨道间设有双方向作用的应答器，而所有地面应答器之间均有电缆相联。应答器取得通过列车的车速等信息，它向下一个应答器给出前来列车信息，下一个应答器由此给出相应信号显示。当然在这种系统中，一方面列车设有超速防护系统(ATP)，另一方面还应设有连续式无线移动通信系统，同时应与车站联锁相联以及与调度集中系统相联。这种系统仅在列车密度较小、车速较低范围内应用。采用卫星通信系统，用它构成列车运行间隔控制系统。下图是其示意图。这种系统在1990年日本铁路试用过，卫星在东经150的静止轨道上运行，它距地面约37000 km，它是一个通用型通信卫星。在地面的先行列车将自己列车编号、列车速度、列车位置等信息通过卫星给后续列车，后者经运算后决定自己可以走行的最高速度。出于安全，这类系统只在低速、低密度、小运量地区才能应用，因为它缺少安全保障。除非另外增加其他设备。图12-5-3-3 CBTC-FAS示意3CBTC系统定义及分类2(点击开始播放)三、根据CBTC应用控制技术水平的高低可以进行分类(1) 无线半自动闭塞的一种方式如下图所示。这类应用技术水平较低级别的CBTC系统一般适应在新线、运量较少或速度较低，或该地区人烟稀少，生活困难地区，因为所有小车站的设备均可以采用遥测和遥控来指挥，所以可减少铁路信号技术人员或工作人员。(2) 采用CBTC应用技术水平较高的系统，例如，用CBTC-MAS系统等。图12-5-3-4 无线半自动闭塞示意CBTC系统定义及分类3(点击开始播放)四、根据应用CBTC后区间闭塞方式来分类根据应用CBTC后区间闭塞方式来分类，可以有：1. CBTC半自动闭塞方式这种闭塞的特征是： 两站之间区间只允许有一列车在运行； 任意车站要向区间发车，发车站必须同时与接车站协同操作办理闭塞手续，即接车站同意接车条件下才能办理发车； 发车站要发车，其先决条件是必须检查到区间确实是空闲无车，否则是不安全的，不得发车； 发车站在办理好协同发车手续后才能人工开放出站信号机。当列车出发后，出站信号机立即自动关闭，在未再次办理发车手续前，该出站信号机不得再次开放； 区间运行的列车到达前方接车站后，并由车站管理人员确认列车是完整后，该接车站立即关闭进站信号机，并办理解除两站间闭塞手续，使两站间的区间恢复空闲等待状态。在该CBTC-半自动闭塞系统中，无线通信的作用使出发站给机车司机发出无线机车信号，而发出该信号的显示是与发出出站信号机显示相互关联的。即前者只是在出站信号机允许发车的显示下才能获得机车信号，此时无线机车信号可以有记录为凭。此外，区间列车到达接车站前同样可以获得进站信号一样显示的无线机车信号显示，以避免司机在目视路旁信号机时遇到困难，这些显示也都记录在案。所以，CBTC-半自动闭塞要比TBTC-半自动闭塞更为方便、清楚、有责任感和安全感。2. CBTC-自动站间闭塞方式这种方法与CBTC-半自动闭塞相类似，只是其办理手续是自动的。具体而言是：发车站与接车站均有区间是否占用的检查设备，因此发车站要发车，区间占用检查设备自动检查它实属空闲，两站自动办理闭塞手续，并自动开放出站信号机。在列车到达接车站并自动检查列车完整性后立即自动关闭进站信号机。CBTC自动站间闭塞也同样有无线机车信号，它与CBTC-半自动闭塞方式相似。CBTC自动站间闭塞的最大优点是： 它可以集中遥控闭塞手续，不一定在每个站都要有车站值班人员来检查区间是否空闲、列车是否已完整地到达等人工检测作用，提高劳动生产率。 由于一切手续和检测是自动的，它可节省办理闭塞手续的时间，从而可以提高整个区段的通过能力。当然，在CBTC-自动站间闭塞方式情况下必须投人相应设备，特别需要有冗余设备，用以提高系统的可用性、可靠性与安全性。3. CBTC-电子路签闭塞方式区间闭塞方式的路签闭塞是100年前就开始应用，中国铁路在建国初期也有大量应用。从20世纪90年代中开始，在计算机技术、电子网络技术及通信技术的推动下，铁路的路签闭塞方式发展为电子路签闭塞方式，即不存在路签实物，而是存在电子路签(软件)，它在有关计算机及网络中按一定的软件协议运行。采用无线数据电台进行列车与车站之间双向通信来构成CBTC的低级系统CBTC-半自动闭塞系统。例如图9-13所示。其中列车与车站控制均有无线数据通信设备，但它们作用的距离有限，例如列车接近车站的45km范围内才能构成双向无线数据通信。在这类CBTC-半自动闭塞系统中，为了构成半自动闭塞系统，并保证区间只允许存在一个列车运行，所以必需设置类似计轴器之类设备，如图9-13中用符号T/T所示，它是用来检查两站之间运行列车完整性，以确保运行安全。因为发车站的计轴器计数到列车轴数后，可用有线通知前方站。当计轴器T接收到同样轴数的列车后表示列车已完整地撤离两站之间区间，始发站才可能再发出下一列车。为了保证CBTC系统中数据电台的正常工作，所以在线路上还辅助设置应答器A、B、C，其中应答器A提供列车信息：列车已进入到区间，它的工作频率将变更到新频率，例如原来为频率F，则现在将是频率F，这是为了防止无线干扰。应答器B提供信息，通知经过的列车已进入双向数据传输信息范围，列车应收到接受车站发来的机车信号信息，这是为了保证行车安全用。各应答器也同时提供列车接近车站的精确里程标。应答器C告诉通过列车本车站准备了哪个股道接车，运行速度上限值为多少等有关信息。在该系统中，列车经过应答器B之后，车站与列车上的无线数据通信电台就反复双向通信，其中包括列车告知车站来者列车编号、时速、去向等等信息，而车站告知列车应以何种速度进站或站前停车，进站内何股道，是停车还是通过等等有关信息。典型的CBTC系统IEEE CBTC标准列举了典型的CBTC系统的功能框图，如右图所示。图12-5-4-1 典型的CBTC系统的功能框图示意整个系统包括“CBTC地面设备”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，构成系统的核心。功能框图中还单独列出了“联锁”功能模块，该功能模块与CBTC地面设备连接。考虑到不同的线路长度可能需要多套的CBTC地面设备，所以在典型框图中还列出了“相邻的CBTC地面设备”模块。最后，在CBTC设备的基础上，增加ATS模块，用于实现系统的ATS功能。以上列举的是CBTC系统的典型结构，实际的系统可能由于不同的设备提供商、不同的工程需要而有所差异。但是，所有CBTC系统均采用数据通信网络，连接CBTC地面和车载设备，实现ATP功能，控制列车安全运行。阿尔卡特SelTrac . S40系统武汉轨道交通一号线一期工程采用了阿尔卡特公司提供的SelTrac . S40列车控制系统，这是国内第一套投人运行的基于通信的列车控制系统。SelTrac . S40系统结构如下图所示。图12-5-4-2 SelTrac 系统示意系统分为管理层、运算层和执行层三个层次。车辆控制中心VCC (Vehicle Control Center)是整个列车控制系统的核心。VCC运行系统控制软件，负责列车安全间隔、列车允许速度和进路联锁等逻辑运算。VCC的运算结果以通信报文的形式通过通信子系统发送给执行单元。执行单元包括车载控制器VOBC (Vehicle On-Board Controller)和车站控制器STC (Station Controller)。VOBC安装在列车上，它通过感应环线通信子系统，接收VCC发送来的目标距离和允许速度等命令，然后根据这些命令安全地控制列车运行。同时，VOBC还根据VCC的要求，按时向VCC发送列车实际运行速度、位置等信息。执行单元的另一部分是车站控制器STC，它负责按照VCC的命令，扳动道岔并锁闭在要求位置。STC也须要根据VCC的要求，向VCC报告道岔状态。STC和VCC之间通过单独的冗余通信通道连接。从上面的介绍可以看出，SelTrac . S40系统以VCC为“大脑”，STC和VOBC为“智能”的“手和“脚”，通过感应环线通信子系统这根“神经”连接起来，构成一个有机的整体，系统结构比较简单。另外，为了实现列车运行图自动调整、人机界面等 ATS功能，系统设有管理层一系统管理中心SMC(System Management Center)。SMC与VCC连接，将人机命令、调度请求等发送给VCC，由VCC验证、执行这些命令，控制列车运行。一、利用马尔可夫模型分析CBTC安全可靠性CBTC具有可维修性，并且对系统的安全性会产生重要影响。在建立模型分析系统安全性时应考虑系统的这一特点。马尔可夫过程是分析可维修系统的常用工具。为此，需假定组成系统的各单个寿命分布及维修分布均服从指数分布。马尔可夫模型的缺点是状态个数随器件个数呈指数增长。例如，描述一个由20个器件组成的系统需要10个状态，而40个器件组成的系统需要10个状态描述。CBTC是一个由大量器件、子系统组成的大系统，系统的组件可能上千个，必须很好地解决状态空间激增问题，才能利用马尔可夫过程分析系统的安全性。根据CBTC特点，采用系统分解及模型压缩的方法解决状态空间的激增问题。由于在CBTC中不同类型设备的故障在导致行车事故方面相互并不影响，例如：道岔的故障对任何机车设备的故障是没有影响的。所以，可以为彼此独立的一类设备分别建立子模型，单独分析各类设备故障对系统安全性的影响，再组合各子模型的结果获得系统的故障率。此外，CBTC的一些子系统具有对称特性，例如，CBTC中一个道岔的子模型中含有100个道岔，假定每一个道岔的故障对系统安全产生的影响相同，在对该子模型进行分析时就没有必要区分具体是哪一个道岔发生故障，而只需要区分有几个道岔发生故障。因此，该子模型有101个状态，即0个道岔发生故障，1个道岔发生故障、，100个道岔发生故障，根据子模型的这一特点，可以忽略一些出现概率极低、对系统安全性影响很小的事件，对子模型进一步简化。CBTC中的一些设备发生失效将导致系统降级工作，此时系统暴露在人为失误之中，对应地需要分析人为因素对系统安全性的影响。一些设备发生失效将导致系统进入故障一安全状态，对应地需要分析设备故障覆盖率对系统安全性的影响。二、人员因素的分析现有列控系统是以人观察信号，