第5章基于通信的列车运行控制CBTC-2302-2214-20101217131003素材.ppt

列车运行控制系统第五章基于通信的列车运行控制CBTC 新型列车运行控制系统 CBTC系统的定义与分类CBTC系统的组成与结构CBTC系统的功能CBTC系统特点 5 1CBTC系统的定义与分类 1 CBTC系统的定义基于通信的列车运行控制系统 简称CBTC CommunicationBasedTraincontrol 是摆脱传统的基于轨道电路的列车运行控制方式 TBTC 采用基于计算机技术 通信技术和控制技术综合发展的新型控制系统 已成为当今世界列车运行控制系统的发展方向 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 地之间的信息传输 而在此基础上构成的列车运行控制系统 都可称为CBTC系统 2 CBTC系统分类由于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 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 从闭塞分区的实现来分类 基于通信的固定自动闭塞运行控制系统 移动自动闭塞运行控制 根据CBTC中车一地之间通信方式不同来分类 采用全程移动无线通信方式 GSM R 的CBTC 采用轨道交叉电缆方式的CBTC 采用漏泄电缆或漏泄波导方式的CBTC 采用查询 应答器方式的CBTC 采用卫星通信系统 GPS 的CBTC 根据CBTC应用控制技术水平的高低可以进行分类 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 采用应用技术水平较高的CBTC系统 例如CBTC MAS系统等 根据应用区间闭塞方式来分类 CBTC 半自动闭塞方式 CBTC 自动站间闭塞方式 CBTC 电子路签闭塞方式 1 基于通信的固定自动闭塞运行控制系统 CBTC FAS FixdAutoblockSystem 基于通信的固定自动闭塞运行控制系统 表示闭塞分区是固定不变的 它像TBTC FAS 基于轨道电路自动闭塞 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的根本区别是采用双向通信技术代替轨道电路来实现车 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 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 应该指出 在CTBC FAS中可以仍然保留轨道电路 作用不是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 轨道电路长度要短一些 长度可缩短到系统造价不会由于电缆的存在而占有重要成分 因为轨道电路缩短后 可以获得运输效率的提高 在CBTC FAS系统中还有用轨道间交叉感应电缆实现通信的方式 图4 2是示意图 2 移动自动闭塞运行控制系统 CBTC MovingAutoblockSystem CBTC MAS 移动自动闭塞运行控制系统也有闭塞分区 但此时闭塞分区有下列特点 a 闭塞分区长度是可变的 随列车运行而移动 它是依据列车本身参数及其所在地段参数实时计算出来的 b 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 目标距离或速度 等等 3 采用查询 应答器方式的CTBC采用查询 应答器方式 即在每个信号机处的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行列车位置信息 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传输控制命令 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 4 采用卫星通信系统 GPS 的CTBC采用卫星通信系统 构成列车运行间隔控制系统 图4 3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37000km 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传送给后续列车 后续列车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 5 无线半自动闭塞系统 CBTC低级系统列车与车站控制均有无线数据通信设备 在列车接近车站的4 5km范围内构成双向无线数据通信 为了构成半自动闭塞系统 人工办理闭塞手续 列车运行靠无线通信控制 并保证区间只允许存在一个列车运行 必需设置类似计轴器之类设备 如图中符号T1 T2所示 用来检查两站之间运行列车完整性 以确保运行安全 当计轴器T2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 在线路上还辅助设置应答器A B C 其中应答器A提供列车出站信息 列车已进入到区间 应答器B提供区间信息 通知经过的列车已迸人双向数据传输信息范围 应接受车站发来的机车信号信息 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 一般适应在新线 运量较少或速度较低 人烟稀少 生活困难地区 6 CBTC 半自动闭塞方式半自动闭塞的特征 发车站与接车站人工办理闭塞手续 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 列车到达前方接车站后 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 CBTC 半自动闭塞方式 在CBTC 半自动闭塞系统中 无线通信的作用是使出发站给机车司机发出无线机车信号 指挥列车发车 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 指挥列车进站 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 7 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后 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入相应设备 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 8 CBTC 电子路签闭塞方式区间闭塞方式的路签闭塞在100年前就幵始应用 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 5 2无线移动闭塞CBTC系统的组成与原理5 2 1系统的基本组成CBTC系统是一个连续数据传输的自动控制系统 利用高精度的列车定位 不依赖于轨道电路 实现双向连续 大容量的车 地数据通信 能够执行列车自动防护 ATP 列车自动运行 ATO 以及列车自动监控 ATS 功能 CBTC系统主要由移动设备 车载设备 轨旁设备 通信网络 调度控制中心组成 系统框图如图4 5所示 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 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 目前国际上诸如Alcatel Alstom Siemens和Bombardier等信号供应商均开发出了各自的CBTC系统并在全球得到了广泛的应用 5 2 2系统的基本原理调度控制中心DCC DispatchControlCenter 控制多个车站控制中心SCC StationControlCenter 实现相邻SCC之间的控制交接 SCC通过管辖范围内的多个基站BS BaseStation 与覆盖范围内的车载设备OBE OnBoardEquipment 实时双向通信联系 列车在区段内运行时 通过全球定位系统GPS GlobalPositioningSystem 查询 应答器或里程计装置实现列车位置和速度的测定 OBE利用无线通过基站BS将列车位置 速度信息发送给SCC SCC通过BS周期地将目标位置 速度及线路参数等信息发送给后行列车 OBE收到信息后 根据前车运行状态 位置 速度 工况 线路参数 弯道 坡度等 本车运行状态 列车参数 列车长度 牵引重量 制动性能等 采用车上计算 地面 SCC 计算或是车上 地面同时计算出最佳的速度 距离模式控制曲线 并根据信号故障 安全原则 预测列车在一个信息周期末的状态能否满足列车追踪间隔的要求 从而确定合理的驾驶策略 最佳运行控制命令 实现列车在区段内高速 平稳的以最优间隔追踪运行 5 2 3系统的基本结构CBTC系统分为列车控制和信息传输两大部分 其中列车控制部分为ATC系统 包括ATP ATO ATS三个子系统 完成列车状态信息以及数据信息的处理 并控制列车运行 信息传输部分采用无线通信系统 进行连续双向的车一地通信 完成列车向地面控制设备传递列车的位置 速度以及其他状态 图4 7是CBTC系统的具体结构示意图 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ATS 中央控制 数据通信系统和司机显示等 区域控制器即区域的本地计算机 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息通信 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 车载控制器 VOBC 实现列车自动防护ATP和列车自动运行ATO功能 采取三取二的冗余配置 车载应答 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列车自动监控ATS的接口 显示的信息包括最大允许速度 当前测得速度 到站距离 列车运行模式及系统出错信息等 数据通信系统实现各子系统间的通信 采用开放的国际标准 以以太网作为列车控制子系统间的接口标准 以802 11作为无线通信接口标准 这两个标准均支持互联网协议 IP 5 3无线移动闭塞CBTC系统的功能5 3 1系统的基本功能IEEE制定的CBTC标准列举了典型的CBTC系统的基本功能框图 整个系统包括 CBTC地面设备 和 CBTC车载设备 功能模块 地面和车载设备模块通过 数据通信网络 连接起来 构成系统的核心功能模块 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 5 3 2系统的具体功能1 列车位置 运行速度及方向确定功能CBTC系统需要决定每辆列车的头部以及尾部的位置 误差在10英尺 3 048m 以内 CBTC系统永远不需要手动输入列车位置以及列车长度数据 CBTC系统需要决定每辆列车的速度和方向 精度在2英里 小时 3 22km h 内 2 安全的列车间隔 移动权限 控制功能每列配有CBTC的列车在CBTC区域内运行时将拥有一个移动权限 MAL 这是根据条件实时计算出来的 列车的MAL计算是基于列车的安全刹车模式的 总的来说 在任一时刻一辆列车的允许速度都设置为使列车停在前面列车的安全距离内 一辆给定列车的实时MAL还受到其他因素的影响 这将在后续部分进行介绍 3 超速防护 ATP 功能CBTC超速防护用于防止列车速度超过最大允许速度 列车允许的最大速度是使得列车能够安全停在前面列车安全距离的速度 其他影响因素包括区间速度限制 设备的速度限制 任何区间的临时速度限制以及CBTC系统及路旁设备的故障等 4 零速度探测 非常规停车功能当列车速度降到2英里小时22 3 22km h 以下并持续2s时 CBTC系统应该做出非常规停车决定 这项功能的主要目的是使得在规定时间限制内的一个非常规停车得到批准 CBTC系统的故障会批准一个非常规停车 从而进行紧急刹车 当列车速度高于 零速度 时 规定列车控制系统控制的车门是不允许打开的 5 车门开启控制连锁功能CBTC系统将禁止列车控制系统开启车门 除非同时满足以下条件 列车处于零速度状态 最小服务刹车程序在车门开启时起作用 将要开启的车门位于 车门开启区域 只有当车门处于站台内并且列车与站台处于同一侧车门开启区域时 才允许车门开启 6 离站联锁功能规定禁止列车停车后移动 除非所有车门闭合并上锁 7 紧急制动功能根据应用设计 CBTC系统在情况需要时能够进行紧急刹车 并能够在条件不满足时制止紧急刹车程序的施行 在大多数的应用中紧急刹车是在非常规停车末进行的 或者当非常规停车实施后列车刹车服务不能足够地减慢列车速度时进行 非常规停车通常是由列车防护功能提供的最大限度刹车实现的 因为列车速度已经超过了规定速度并且人为或者自动控制不能够足够地降低列车速度 非常规停车是不可取消的 并且只有在列车速度为零时才能够被重置 8 线路联锁功能如果一条线路进行了联锁 那么CBTC将提供联锁功能来防止列车相撞或者出轨 这与传统联锁 闭塞 概念的功能一样 例如车站进路联锁 线路联锁是指严格的无线移动授权和进路联锁的制约关系 移动权限 MAL 只有在进路锁闭后才能延伸到联锁线路上 一旦MAL进入联锁路段 线路就将锁闭 直到列车驶出联锁路段 在大多数情况下 虽然联锁在CBTC区域外 并由路边系统通过传统的信号技术进行控制 但CBTC系统将和路边设备以及联锁设备连接并提供列车所需的防护功能 5 3 3CBTC不同应用水平的基本功能 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 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 列车定位功能 在CBTC系统中定位精度愈高 则系统可使行车效率愈高 3 速度计算功能 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 4 信息采集功能 CBTC系统必须向系统的地面设施和车载设施及时 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 5 双向通信功能 CBTC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 6 信息记录功能 CBTC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 即 为改善列车运行性能和提高运行质量分析用的记录 以及发生任何车祸后 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 7 对应用技术较高等级CBTC系统其功能还应具有 ATP系统的全部功能