列车运行自动控制系统(第七章).ppt

列车运行自动控制系统 华容 上海应用技术学院2011 4 第7章 7应答器系统原理及应用7 1概述7 2应答器系统组成7 3应答器工作原理7 4LEU的工作原理及报文读写工具7 5应答器传输模块7 6应答器用户数据的形成7 7应答器编号和设置原则7 8报文应用举例 7应答器系统原理及应用 7 1概述 要实现一次模式曲线控制列车运行 其车载设备需由地面设备提供大量信息 如列车运行前方区间空闲状态 列车位置 距目标点的距离 列车运行前方的线路情况 包括道岔限速 曲线限速 坡道限速等 以及列车进正线 侧线信息等 如果这些信息全部依靠轨道电路连续传送 由于轨道电路特性所限 难以完成 而采用连续式轨道信息加点式信息传送方式 即构成点连式列控系统 可以较好地解决这个问题 应答器 Balise 作为高速率 大信息量的点式数据传输设备 可以用于列车安全防护 道口控制 定位停车 车种识别 进路预排 临时限速及其他各种限速 报公里标 电力机车分相自动转换及受电弓自动控制等方面 因此 应答器是一种极具综合利用价值的可以广泛使用的基础信号设备 其运用潜力巨大 可以达到一次投入综合利用与综合服务的目的 从总体经济效益上 投入产出比是相当可观的 7 2应答器系统组成 7 2 1名词术语 1 天线单元 是车载点式传输单元 其主要功能是通过空气间隙传输和 或接收信号 2 应答器 是使用磁收发器技术的轨旁点式传输单元 其主要功能是通过空气间隙传输和 或接收信号 应答器是独立装置 3 应答器传输模块 是处理上行链路和下行链路信号与报文的车载模块 它与车载ATC ATP总线及天线单元接口 4 下行链路 定义为欧洲应答器传输子系统中构成车载数据总线至LEU通信所需的全部功能 5 固定数据 定义为与列车交换的数据 且只能通过重新配置来改变 即 正常运行期间数据不能改变 6 固定报文 上行链路应答器中具有的固定数据的报文 7 磁收发器技术 是在发送器和接收器间的空气间隙中使用磁耦合技术传输数据的一种方法 在欧洲应答器传输子系统中 接口 A 使用磁收发器技术来实现 8 远程供电 是通过产生磁场 由车载设备为轨旁应答器提供电源的一种方法 9 上行链路 定义为欧洲应答器传输子系统中构成从信号和电源匹配功能 或直接从固定数据应答器 到接口B 通信所需要的全部功能 10 默认报文 当LEU无有效数据时 由可变上行链路应答器发送的报文 7 2应答器系统组成 7 2 2系统构成 2 车载设备包括 车载天线 应答器传输模块BTM 1 车载天线 BTM天线 车载天线是一个双工的收发天线 既要向地面连续发送27 095MHz的高频电磁能量 以激活地面应答器 还要接收地面应答器发送的数据报文 机车天线接收到地面载频信号后 经过应答器传输模块的数字解调 报文还原等 由串行通信接口向 车载列控设备 传送 车载天线具有自检和断线检查功能 2 应答器传输模块BTM 由载频发生器 功率放大器和解码器构成 1 载频发生器与功率放大器用于产生激活地面应答器所需的载频能量并通过车载天线传递给地面应答器 2 解码器用于对地面应答器信息的接收 滤波 数字解调与处理以及相关数据的传输 处理好的数据通过相应的接口在约定的接口协议下传送至相关的设备 如ATP设备 显示设备或无线设备 1 地面设备 1 应答器地面设备包括 地面无源应答器和地面电子单元 LEU 连接构成地面有源应答器 2 地面应答器通过接受应答器车载天线传递的载频能量获得电能量使地面应答器中的信号发生器工作 将事先存储在地面应答器中的数据发送出去 3 通过连接的地面电子单元 LEU 可实时更新地面应答器中存储的数据 实现地面应答器对变化数据的传输 3 传输结构 应答器是一个点式地对车信息传输设备 可应用于CTCS 1一CTCS 4各级列车运行控制系统 当车载应答器天线在有效作用范围内时 地面应答器需发送连续的信息 应答器发送的信息形成一个无缝的报文信息流 该报文由同步码 有效信息以及校验码组成 ATP车载设备系统结构 7 2应答器系统组成 7 2 3系统功能 1 系统主要设备及相关工具应答器系统主要设备及相关工具包括 地面无源应答器 地面有源应答器 地面电子单元 LEU 车载天线 应答器传输模块 BTM 报文编码工具 应答器无线读写工具等 2 各接口功能 1 A 接口定义 A 接口为地面应答器与车载天线设备间的通信接口 其接口定义对确保不同应答器设备间互联互通以及信息传输的高效 安全 可靠具有重要的意义 它具有以下功能 车载天线设备向地面应答器提供电磁能量 地面应答器向车载天线设备发送数据报文 无线读写器对地面应答器读写数据报文 2 C 接口为LEU与应答器间通信接口 LEU从TCC 列控中心 收消息 这些消息被转换成上行链路欧洲报文并通过接口C传送给应答器 应答器将报文传送给通过列车的车载设备 车载设备发送下行链路报文 由应答器接收 然后通过接口C转给LEU 3 S 接口接口 S 为地面电子单元 LEU 与车站列控中心TCC的有线通信接口 LEU根据外部信息变化 向地面有源应答器发送相应数据报文 接口 B 为应答器系统与车载列控设备间的有线通信接口 将解码后的数据传给车载列控设备 接口 D 为车载天线与应答器传输模块间的设备内部接口 7 2应答器系统组成 7 2 3系统功能 3 系统主要用途及工作流程应答器系统的主要用途 是向 列车控制设备 提供可靠的地面固定信息和可变信息 其主要工作流程如下 由编码工具按照欧洲应答器编码标准将用户报文转换成应答器传输报文 并存储到LEU中或应答器无线读写器中 应答器无线读写器向应答器写入报文 列控中心通过接口 S 给LEU提供列车控制信息 LEU将对应的应答器传输报文通过接口 C 发送给有源应答器 当列车经过有源应答器或无源应答器时 在车载天线的电磁能量作用下 将应答器激活 应答器通过接口 A 向车载天线发送数据报文 车载天线通过接口 D 将接收到的数据信号传送给应答器传输模块BTM 应答器传输模块经过滤波 放大 解调后 对接收到的数据进行解码 还原得到用户报文 应答器传输模块BTM通过接口 B 发送用户报文到车载列控设备 4 地面无源应答器功能当列车经过无源应答器上方时 无源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后 将其转换成电能 使地面应答器中的电子电路工作 把存储在地面应答器中的1023位数据报文循环发送出去 直至电能消失 既车载天线已经离去 通过应答器无线读写器可以向地面无源应答器写人数据报文 通过应答器无线读写器可以对地面无源应答器存储的数据报文进行读出 校核 7 2应答器系统组成 7 2 3系统功能 5 地面有源应答器能功有源应答器通过与地面电子单元 LEU 的连接 可实时改变传送的数据报文 当与LEU通信故障时 接口 C 故障 有源应答器可以自动切换到无源应答器工作模式 发送缺省报文 其他功能和无源应答器相同 无源应答器与有源应答器的区别 1 二者外观相同 但有源应答器多了连接电缆 2 发送的信息 1 无源应答器发送自身预存信息 2 有源应答器发送自LEU来的信息 当电缆断线时发送自身预存信息 默认报文 6 地面电子单元 LEU 功能LEU是一种数据实时采集与处理单元 当获得车站进路和相关信息 包括接车进路 发车进路 通过进路 运行方向 股道号等数据变化时 将变化后的数据相对应的数据报文传送给有源应答器 当LEU与列控中心之间出现通信故障时 接口 S 故障 可以向有源应答器发送缺省报文 并给出报警信号 LEU可实时监测与地面有源应答器间的通信状态 一旦LEU与地面有源应答器通信中断 LEU可以向列控中心等设备发送故障信息 并给出报警信号 LEU除根据外部控制条件发送存储的数据报文功能外 还可将地面列控中心等设备传送的数据报文直接向有源应答器发送 以解决数据存储量的限制和临时报文的发送 车站地面列控中心等设备可对地面电子单元 LEU 中存储的数据报文内容进行读取 更新操作 7 车载天线功能车载天线是一个双工 即能发送数据也能接受数据 的收发天线 既要向地面连续发送27 095MHz的高频电磁能量 以激活地面应答器 还要接收地面应答器发送的数据报文 机车天线接收到地面载频信号后 经过应答器传输模块的数字解调 报文还原等 由串行通信接口向 车载列控设备 传送 车载天线具有自检和断线检查功能 7 2应答器系统组成 7 2 3系统功能 BTM应答器车载查询器 传输模块 84TE BTM应答器车载查询器 63TE 车载应答器传输模块 车载天线 7 2应答器系统组成 7 2 3系统功能 ANT应答器车载天线 7 2应答器系统组成 7 2 3系统功能 FB无源应答器 TB有源应答器 LEU型地面电子单元 点式应答器设备 7 2应答器系统组成 7 2 3系统功能 应答器报文读写器 应答器报文管理系统 应答器报文生成软件 7 3应答器工作原理 应答器系统是一种采用电磁感应原理构成的高速点式数据传输设备 用于在特定地点实现地面与机车间的相互通信 安装于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不要求外加电源 平时处于休眠状态 仅靠瞬时接收车载天线的功率而工作 并能在接收到车载天线功率的同时向车载天线发送大量的编码信息 安装于机车底部的车载天线不断向地面发送功率并在机车通过地面应答器时接收来自应答器的编码信息 7 3 1电磁感应的基本原理 1 天线的估算机车天线与地面应答器 天线 是应答器系统的关键部件 它的主要功能是 能量频率与信息载频相互耦合与传递 在全双工 能同时进行发送和接收数据 通讯中 同时会有三个频率在工作 7 3应答器工作原理 7 3 1电磁感应的基本原理 新研制的天线技术条件是 天线辐射扇面大于150度 耦合效率高 约6 10 体积小 垂直作用距离大于500mm 水平作用距离大于900 在小于30MHz的系统中 电场起次要作用 而近距离的磁场将起主导作用 1 天线的估算 7 3应答器工作原理 7 3 1电磁感应的基本原理 1 天线的估算 对无源应答器来说 系统的供电必须从感应电压获得 在应答器线圈中 应答器最小动作 临界工作 磁场强度Hwn 应由下列公式求出 在频率 线圈结构确定的条件下 根据上 2式可计算出应答器临界动作的最小磁场强度 再借助于耦合系数 最后可求出机车天线应辐射的磁场强度 进而求出天线发射功率 7 3应答器工作原理 7 3 1电磁感应的基本原理 2 传输速率的选取 当机车与应答器相互作用时 能读取尽可能多的数据是主要目的 要实现这一目的不仅与数据传输速率有关 还与作用距离有关 是二者的乘积 公式如下 收码总量M 作用时间 传输速率当数据传输速率选取较低时 数据传输慢 但是通道带宽可取较窄 能提高抗干扰能力 并且应答器可以设计达到较远的传输距离 当数据传输速率选取较高时 数据传输快 但是系统需要增加带宽 使应答器系统的作用距离变近 这是因为应答器线圈与谐振电容共同组成串联谐振回路 品质因数Q是一个重要指标 Q高谐振回路的电流就高 作用距离就远 当传输速率选取较高时 所需要的带宽Bw 就要增加 而Q必须降低 Q与Bw 成反比 公式如下 Bw f Q带宽Bw决定了Q的取值范围 也决定了调制载波的边频分量 如果Q选取过高 调制波的边带因带宽不够可能大大衰减 以致缩短了作用距离 从另一方面讲传输速率高 载频就要高 无源应答器耗能增加 负载电阻减小 从上节最小动作磁场强度Hmin的公式也可得出结论 负载电阻及R2减小 应答器动作磁场强度就要加大 作用距离变近 7 3应答器工作原理 7 3 1电磁感应的基本原理 2 传输速率的选取 信息量的制定是根据机车驶过地面作用点时 接收到的码元总位数决定的 接收到的码元总位数多少又取决于作用时间与传输速率的乘积 以列车时速300km h为例计算 列车每lms走行83 3mm 欧洲型应答器 传输速率为565kbt s 最大信息量为1023bit 最大作用时间为5 4ms 最大作用距离为450mm T 450 83 3 5 4ms 电路启动时间忽略不计 收码总量M 5 4ms 565kbit s 3051bit 可重复接收到的帧数为3051bit 1023bit 2 98 帧 我国设计天线的水平作用距离至少为900mm 实际大于1m 仍以上述列车时速300km h为例计算 作用时间为10 8ms T 900 83 3 10 8ms 电路启动时间忽略不计 收码总量M 10 8ms 400kbit s 4320bit 可重复接收到的帧数为4320bit 1280bit 3 375 帧 大于完整3帧 已满足计算机译码要求 若取传输速率为512kbit s 则收码总量可大于完整4帧 如果在满足计算机译码要求 帧数冗余 的条件下 传输速率由512kbit s降为400kbit s 带宽可减小 Q可提高20 增加抗干扰能力 提高信噪比 至少增加20 而且作用距离也增加20 收码总量也不会明显减少 这样可增加可靠性 减小误码率 7 3应答器工作原理 7 3 2应答器工作过程 1 无源应答器无源应答器主要由能量转换电路 频率合成器 信息贮存电路组成 车载天线向地面连续辐射27 095MHz的高频电磁能量 地面无源应答器的高频界面一旦接收到电磁能量后立即激活工作 ROM区的数据经过时钟控制电路 送往频率合成器 由频率合成器产生相位连续的FSK数据 同频率代表不同数据 载频信号 再经高频界面将信号向机车天线传送 整个工作过程 构成了完善的数字调频系统 特别是应答器中的专用电路 频率合成器 它既保证了频点的准确性 又保证了FSK的相位连续性 无源应答器的频率与机车能量发送器同步 应答器启动时间为0 3ms 无源应答器所需要的最小工作能量为30mW 而应答器与机车天线相互垂直作用时 最大可得到400mW的能量 7 3应答器工作原理 7 3 2应答器工作过程 2 有源应答器原理 有源应答器的设计与无源应答器相似 但数据来自于地面电子单元 LEU 有源应答器的 DBPL解码电路 使用的电源是由接口 C 提供 8 82kHz 的 当地面电子单元 LEU 与有源应答器连接故障时 有源应答器可切换到无源工作模式 即当接收到车载天线发送的能量时 可提供存储的缺省报文 1 报文的形成 其中 1 用户数据 按报文要求准确填写 用户数据表 2 生成用户报文 按系统要求 设计文件生成应答器用户报文 830位 3 编码 按要求生成应答器传输报文 1023位 4 数据管理 每个应答器 LEU对应专门的传输报文 5 下载 由专业人员用专门设备 BEPT 向应答器写入报文 2 报文格式用户报文的格式 信息帧 为 报文头 50位 信息 数据 包1 信息包2 信息包n 共772位 结束包 8位 3 报文编码方法列控中心给LEU发送的信息必须采用报文的形式 这些报文是用符合一定规范的初始用户数据 经过信道编码算法产生的 对用户数据进行信道编码的目的是 提高应答器与车载设备间的无线信道传输的安全性 7 3应答器工作原理 7 3 3编码解码原理 应答器文件结构图 应答器设备数据单如下 应答器设备数据单 应答器写入界面 在应答器发送的默认报文中 共有三种类型 其中判断的依据是应答器报文中信息帧中M COUNT变量的值 如图6 1所示 默认报文标识示意图 应答器报文管理系统 应答器报文生成软件 7 4LEU的工作原理及报文读写工具 7 4 1LEU的主要特性 1 用途 1 通过RS485 422串行接口S实现从TCC收发报文 2 通过电缆 接口C 完成向有源应答器发送报文 3 检测外部电缆状态包括断线 短路两种状态 4 记录状态信息向TCC或 BEPT提供维护数据 2 主要特性电源 10 36VDC 20W 获取报文间隔 500ms 驱动应答器数量 4个独立应答器 传输距离 3 5km 安全通信 采用FBFS 2安全协议 7 4LEU的工作原理及报文读写工具 7 4 2LEU结构 1 双机比较型地面电子单元 LEU 地面电子单元 LEU 由数据采集电路 控制电路 CPU 滤波放大电路组成 采用双机校核 利用安全与门控制继电器的吸起 落下状态 通过继电器的节点 控制主备发码板之间的切换 信道单元及控制电路是将信息载频解调 对数据进行CRC校验 还要将现场采集的可变信息 进行处理 选择相应的报文 并通过逻辑编码电路 编制DBPI 码 双向差分电平编码 经滤波放大电路后 发送给有源应答器 当地面电子单元 LEU 与列控中心之间通信故障时 可以向有源应答器提供缺省报文 7 4LEU的工作原理及报文读写工具 7 4 2LEU结构 二乘二取二型地面电子单元 LEU 主要由发码板 主备 电源板 功放板构成 其原理框图如图7 13所示 二乘二取二型电子单元 LEU 与双机校核型电子单元 系统功能完全相同 但在通信通道 数据处理 报文选择发送等模块都采用了二乘二取二冗余结构 使系统有更高的可用性 可靠性 安全性 电源板主要是将输入的外界电源 经转换后 给系统提供稳定的24V和5V电源 其中发码板有两块 硬件和软件完全一致 同时工作 分别完成其内部两块CPU数据的接收 运算和比较 最后控制安全与门继电器的状态 达到输出的安全性 主备两块发码板之间的切换是通过继电器的逻辑组合完成 最终达到只有一组数据输出 功放板主要是对数据信号和8 82K的信号进行滤波 放大 达到系统输出要求 发送给有源应答器 地面电子单元LEU BEPT无线编码器 BEPT 应答器和地面电子单元LEU编程及测试工具 7 4LEU的工作原理及报文读写工具 7 4 3报文读写工具 对LEU和应答器的编程和维护测试等任务由报文读写工具来完成 ALSTOM公司的报文读写工具BEPT特性如下 1 功能 1 应答器编程 读 写 校验报文 2 LEU编程 读 写 校验报文 3 对应答器全面测试 4 下载LEU维护数据 5 接口模拟 包括接口A C S 2 连接 1 与应答器之间的无线接口 2 与应答器连接 采用连接器 3 与有源应答器的电缆连接 4 与LEU输出设备连接 5 与LEU接口 S 连接 7 5应答器传输模块 应答器传输模块BTM由能量发送单元 接收单元 DSP组成 能量发送单元可向机车天线发送27 095MHz电磁信号 为地面应答器提供时钟及电源 接收单元是接收应答器发射的FSK信号 并还原成码元信号 再向DSP传送 接收单元主要由专用集成放大电路及数字锁相环组成 利用正交平方环原理 相干解调码元 电路工作于数字解调方式 7 6应答器用户数据的形成 每一个应答器中的用户信息包是根据实际应用的需要 由1个或几个不同的信息模块组合而成 信息包种类包括 1 应答器链接包 ETCS 5 2 线路坡度信息包 ETCS 21L 3 线路速度信息包 ETCS 27 4 级间切换信息包 ETCS 41 5 用户数据包 ETCS 44 6 特殊区段信息包 ETCS 68 7 调车危险信息包工ETCS 132 8 轨道区段信息包 CTCS 1l 9 临时限速信息包 CTCS 2 10 区间反向运行信息包JCTCS 3 11 大号码道岔信息包厘CTCS 4 默认报文包引用了 ETCS 254 报文结束标志包 ETCS 255 只是一个信息包编号 在报文定义中 信息包中的变量名称是唯一的 并且都有一个前缀 不同前缀代表不同的含义 参见表7 4 信息包的结构参见表7 5 均含有一个唯一的包编号 方向信息 信息包所包含的数据位数以及可选的距离标尺和包含系列定义的变量的信息区 7 7应答器编号和设置原则 7 7 1应答器组及编号 1 应答器在图形中的表示 1 无源应答器 2 有源应答器 3 应答器名称及单元编号 Bxxxx xxx 4 应答器组内编号 2 应答器编号 1 大区编号 大区编号由三位十进制表示 编号范围为1 127 全国铁路按区域划分大区 以现行电务段或客运专线区域为参照 根据其管辖范围内车的数量 每个区域可分配1 3个大区编号 大区编号及范围应保持相对固定 不随电务段或客运专线的管辖区域变化而变化 2 分区编号 分区编号由一位十进制表示 编号范围为1 7 大区编号内以线别和车站分布情况进行分区编号 原则上同一线别的车站应分配在同一分区内 车站数量较多时可分配多个分区 车站数量较少时 多个线别可合并在一个分区内 3 车站编号 车站编号由二位十进制表示 编号范围为1 60 一个分区内的车站数量一般按不超过50个进行分配 4 单元编号 单元编号由三位十进制表示 编号范围为1 255 对车站管辖范围内 含区间 的全部应答器 组 进行统一编号 以列车正运行方向或用途为参照 按正线贯通 从小到大的原则进行编号 下行编号为奇数 上行编号为偶数 对于单线 三 四线等 根据具体的设计方案 参照上述规则进行编号 每个应答器组可由1 8个应答器组成 以列车正运行方向为参照 列车首先经过的应答器为 其他 顷次编号 参见图7 15 5 应答器表示 应答器 组 名称以B开头 后加公里标或信号机名称 应答器编号 大区编号 分区编号 车站编号 应答器单元编号 在组中位置 7 7应答器编号和设置原则 7 7 1应答器组及编号 3 应答器 组 编号举例 1 应答器位于045号大区 l号分区 23号车站 在信号平面布置图中表示为045 1 23 放置于车站名称下方 2 7238通过信号机处的应答器 命名为B7238 单元编号为002 图中表示为B7238 002 最终档案编号为045 1 23 002 3 上行进站信号机处的应答器组 命名为BS 单元为004 图中标识为BS 004 并用 和 表示两个应答器在组中的位置 最终档案编号分别为045 1 23 004 1 045 1 23 004 2 7 7应答器编号和设置原则 7 7 2应答器设置原则 在既有线CTCS 2级区段 应答器的设置分以下3种类型 1 在进站口外方设置有源和无源应答器组 2 区间设置无源应答器 组 3 设置特殊用途的应答器 组 1 进站口外方应答器组设置在正向进站信号机及反向进站信号机外方设置一个有源应答器和一个无源应答器 构成应答器组 1 进站口应答器组设置进站口第一个应答器为无源应答器 用于提供反方向行车时所需要的数据 比如反向链接 反向运行 反向运行的轨道区段和调车危险信息包 进站口第二个应答器为有源应答器 用于提供列车正向进站所需要的数据 如正向链接 线路坡度 轨道区段 临时限速信息包 当排列反向发车时 发送反向运行 临时限速等信息 由于这些信息随着排列不同的进路而变化 因此需要靠有源应答器传送 2 反向进站口应答器组设置按列车正向运行 该处第一个是有源应答器 当排列正向发车时 有源应答器发送正向链接信息包 临时限速信息包 排列反向接车时 发送线路坡度 线路速度 轨道区段 临时限速 反向运行信息包 第二个是无源应答器 提供正向运行的线路坡度 轨道区段和调车危险信息包 7 7应答器编号和设置原则 7 7 2应答器设置原则 2 区间无源应答器 组 设置区间设置无源应答器 组 用于提供线路固定参数 如线路坡度 线路允许速