城市轨道交通列车运行控制的相关研究.docx

城市轨道交通列车运行控制的相关研究城市轨道交通列车运行控制的相关研究摘要：基于通信的列车运行控制系统（CBTC）是一种采用先进的通信、计算机技术，连续控制、监测列车运行的移动闭塞方式的列车控制系统，它摆脱了用轨道电路判别列车对闭塞分区占用与否的限制，突破了固定(或准移动)闭塞的局限性，较以往系统具有更大的优越性。关键词: CBTC、列车运行控制系统、移动闭塞、无线通信、速度控制防护1. CBTC的特点无线电技术飞速发展后，人类开始孜孜不倦地开始研发一种基于无线通信的列车自动控制系统。实现移动闭塞，减少列车运行间隔，进而在不增加硬件投资的前提下，提高系统运能。研究人员期望这种系统能够减少铁路轨旁信号线缆的铺设，并同时期望减少线缆的日常维护工作（实际引入轨旁通信设备，带来相应的轨旁维护工作量）以降低列车实行自动控制的成本。CBTC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。CBTC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，使城市轨道交通运营有条件实现“小编组，高密度”，从而使系统可以在满足同等客运条件下减少乘客候车时间，缩小站台宽度和空间，降低基础设备建设投资。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，可以节省维护费用。CBTC系统的安全关联计算机一般采用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CBTC相比传统的铁路信号系统有着诸多特性，比如：不须繁杂的电缆，转而以无线通信系统代替，减少电缆铺设及维护成本。可以实现车辆与控制中心的双向通信，大幅度提高了列车区间通过能力。信息传输流量大、效率高、速度快，容易实现移动自动闭塞系统。容易适应各种车型、不同车速、不同运量、不同牵引方式的列车，兼容性强。可以将信息分类传输，集中发送和集中处理，提高调度中心工作效率。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。由于采用了开放的国际标准，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通互联。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，逐渐实现整个系统的国产化。在对既有的点式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。CBTC制式的信号系统，利用现代通信技术，保持车-地的连续通信，通过对列车位置的连续跟踪定位来对列车间隔以及运行轨迹进行控制。相对于传统的以轨道电路为基础的信号系统，CBTC对整个信号制式带来了巨大的变化，对信号系统的各个功能部分均产生重大影响。2.列车运行控制系统及速度防护方式 2. 2.1列车运行控制系统的类型 CTCS是(Chinese Train Control System)的英文缩写，中文意为中国列车运行控制系统。CTCS系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。CTCS 列控系统是为了保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。CTCS 系统包括地面设备和车载设备，根据系统配置按功能划分为以下5 级：1、CTCS0 级为既有线的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构成。2、CTCS1 级由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，面向160 km/h以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。 3、CTCS2 级是基于轨道传输信息的列车运行控制系统，CTCS2 级面向提速干线和高速新线，采用车地一体化计,CTCS2 级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。4、CTCS3 级是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统；CTCS3 级面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞，CTCS3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 5、CTCS4 级是基于无线传输信息的列车运行控制系统，CTCS4 级面向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞，CTCS4级由RBC 和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查，CTCS4 级地面不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。中国新建200 km/h250 km/h，客运专线采用CTCS2 级列控系统，300km/h350 km/h。 2.2列车运行控制系统的速度防护方式 列控系统按照系统控制模式分成速度码阶梯控制方式和速度-距离模式曲线控制方式。 （1）速度码阶梯控制方式 速度码阶梯控制方式，在一个闭塞分区内只控制一个速度等级。在一个闭塞分区中只按照一种速度判断列车是否超速。阶梯控制方式又可分为：出口检查方式（滞后式控制）；入口检查方式（提前式控制） 出口检查方式要求司机在闭塞分区内将列车运行降低到目标速度，ATP车载设备在闭塞分区出口检查列车运行。如果司机按照允许速度操纵列车，ATP设备不干预司机正常操作，当司机违章操作或列车运行超过允许速度时，列控设备将自动实施制动。在每个闭塞区段的速度含义中存在允许速度/目标速度的意义，本区段的允许速度为该区段的入口速度，本区段的出口速度就是下个闭塞分区的允许 速度，这种控制模式属于滞后控制，列车制动后需要走行一段距离才能减速（或停车），因此，在禁止信号后方需要设置一段防护区段用着过走防护。法国TVM300就采用这种控制方式。 入口检查方式就是列车在闭塞分区入口处接收到允许速度后立即依此速度进行检查，没有目标速度指示，一旦列车速度超过允许速度，则列控设备自动实施制动使列车运行降低到目标速度以下。入口检查方式中本区段的入口速度就是本区段的允许速度。日本新干线ATC就用这种方式。在该种控制方式下，需要在列车停车前设置一个地面环线或应答器设备，用于防止列车冒进信号，该点式设备的布置要求列车以30km/h的速度紧急停车后能在危险点停车。这种控制方式较滞后式控制方式间隔能力将提高不少。速度码阶梯控制方式的系统主要优点是简单，需要地车传输的信息量小，不需要知道列车的准确位置，只需要知道列车占用哪个区段即可。但是缺点也是明显的，铁路运输系统的行车能力受到了限制。 （2）速度-距离模式曲线控制方式 为了缩短列车间的间隔距离，采用速度距离模式曲线方式实现列车间的安全速度和间隔控制。速度-距离模式曲线控制是根据目标速度、线路参数、列车参数、制动性能等确定的反映列车允许速度与目标距离间关系的曲线，速度距离模式曲线反映了列车在各点允许运行的速度值。列控系统根据速度距离模式曲线实时给出列车当前的允许速度，当列车超过当前允许速度时，设备自动实施常用制动或紧急制动，保证列车能在停车地点前停车。因此，采用这种控制方式的列控系统不需要设置安全防护区段。在这样的控制系统中又分成以下两种方式：分段速度-距离模式曲线控制；一次速度-距离模式曲线控制 分段速度控制模式是将轨道区段按照制动性能最差列车安全制动距离要求，以一定的速度等级将其划分成若干固定区段。一旦这种划分完成，每一列车无论其制动性能如何，其与前行列车的最小追踪距离只与其运行速度、区段划分有关，这对于制动性能好的列车其线路通过能力将受到影响，TVM430就采用这种控制方式。 3磁悬浮列车运行控制系统的关键技术与设备 3.1列车运行控制系统的车地传输技术 地面信息传递到车上的方式目前有两大类，一类是点式传递方式，另一类是连续式传递信息方式。点式传输方式常用的有查询应答器和点式感应环线；连续式传输方式常用的有轨道电路、轨道电缆以及无线传输等方式。 1.点式传递方式 点式传递方式是在地面某些固定点，如闭塞分区分界点处，从地面向车上传递信息。点式传递方式常采用查询/应答器来实现或点式环线两种方法。其中查询/应答器应用较为广泛。 2.连续式信息传输方式 2.1 轨道电路 轨道电路是信号的关键基础设备之一，借助它可以监督列车在线路上的运行情况，并利用它可以连续传递与行车有关的各种信息，是一种传统的地车信息传输方式。在列车运行控制系统中应用较广泛。法国、日本列车运行控制系统都采用轨道电路来传递行车信息。 2.2 轨道电缆 德国LZB系统采用轨道电缆实现列车地面信息的双向传输。LZB系统由地面控制中心、轨道传输电缆、车载设备3部分组成。地面控制中心根据地面存储的各种信息，结合联锁设备的信息实时计算列车的最大允许速度，通过轨道电缆传输给车载设备，实现列车速度的控制。 2.3 无线移动通信列车运行控制系统技术方案设想 基于GSM phase2+标准的GSM-R技术，是国际铁路联盟（UIC）和欧洲电信标准化协会（ETSI）为欧洲新一代铁路通信设计的无线移动通信系统。UIC通过欧洲综合铁路无线增强网络（EIRENE）对各种数字移动通信系统进行了较， 最后决定GSM-R为新一代欧洲铁路无线移动通信基本制式。欧洲列车运行控系统ETCS 2级及ETCS 3级技术标准明确确定利用GSM-R无线系统进行列控信息车-地双向传输。3.2列车运行控制系统的测速定位技术 列车自动控制ATC系统的一般原理是，检测列车的位置、速度等信息，并将这些信息汇集到控制中心；控制中心根据线路上列车流的情况，生成对车流中各个列车和地面设备的控制命令；地面设备接受到控制命令后实现动作；列车根据控制命令，结合自身列车的位置信息、速度信息及线路情况、列车状况等信息，对列车各种设备实施具体的控制。目前，列车自动控制ATC系统存在多种列车定位、测速技术方法。一、脉冲转速传感器方式（里程计） 脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，这样脉冲的频率就与轮轴的转速成正比。 输出脉冲经过隔离和整形后，直接输入到微处理器进行频率测量并换算成速度和走行距离。二、无线测速方式 无线测速定位方式抛开轮轴旋转产生的速度信息，利用外加信号直接测量车体的速度和位置，因此又称为外部信号法。目前提出的有雷达测速方式和卫星定位方式等。由于这类方法不由轮旋转获得信息，因此能有效地避免车轮空转、滑行等产生的误差，但精度受到无线电波的传播特性等素的影响。这一类方法包括雷达测速方式、GPS测速定位方式等。三、交叉感应回线(LOOP)定位 在轨道铺设的感应电缆，通过车载感应线圈和感应电缆的电磁偶合完成信号和数据的传输，地面控制中心系统通过轨道电缆与车载列控设备联系，可以实现 列车的闭环控制。通常采用的方法是将轨间电缆每隔一定距离作一次交叉。而利 用这一交叉回线列车可以知道自己的位置。四、轨道电路绝缘节定位方法 前面所述的脉冲转速传感器方法可以获得列车位置信息，但是由于列车的车 轮空转、滑行等因素，不可避免的会产生累积误差，因此，一般列车自动控制ATC系统采用地面固定安放的设备来对累积误差进行校正，这些地面固定安放的设备称为地面绝对信标，可以作为地面绝对信标的定位方法包括：轨道电路定位，计轴器定位，信标定位，查询一应答器定位。3. CBTC系统的具体功能基于通信的列车（Communication Based Train Control，CBTC），CBTC系统不依靠轨道电路判定列车位置，实现了列车速度、停站时间、区间运行时间的精确控制，能进一步缩小列车间隔，并提高系统节能水平和运营服务质量。此篇论文主要是通过对基于无线通信的车地通信网络的分析，设计基于无线通信的车地无线通信系统，对其结构进行设计，包括对无线接入点（Access Point，AP）的布置间隔的讨论、对WLAN所使用的标准的选择等。通过对城市轨道交通中信号传播模型的分析，对车地无线通信系统的包丢失率和系统延时进行分析使系统的可靠性、有效性、安全性达到CBTC系统的要求。基于通信的列车控制（CBTC）系统定义为：利用（不依赖于轨道电路的）高精度列车定位、双向大容量车地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现一种连续自动列车控制系统。无线CBTC采用无线通信系统，通过开放的数据通信网络实现了列车与轨旁设备实时双向通信，信息量大，并通过采用基于IP标准的列车运行控制结构，可以在实现列车运行控制的同时附加其他功能（如安全报警、员工管理及乘客信息发布等）。无线通信系统包括：发送设备、接收设备、传输媒体。发送设备变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。无线系统包括：1轨旁无线设备(WLAN接入