CBTC控制系统ppt课件

.,基于通信的列车控制系统（CBTC）,2020年5月11日,2,城市轨道交通信号系统发展历程,固定闭塞采用模拟轨道电路准移动闭塞采用数字编码轨道电路移动闭塞（CBTC）采用无线双向通信,2020年5月11日,3,固定闭塞,采用模拟轨道电路地面向车载设备传送1020种信息列车采用阶梯式安全防护,2020年5月11日,4,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间隔，提高了舒适度,2020年5月11日,5,移动闭塞,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。,2020年5月11日,CompanyLogo,6,基于通信的列车控制系统CBTC（CommunicationBasedTrainControl）,列车自动监控子系统ATS（AutomaticTrainSupervision）列车自动防护子系统ATP（AutomaticTrainProtection）列车自动运行子系统ATO（AutomaticTrainOperation）计算机联锁子系统CI（ComputerInterlocking）数据通信子系统DCS（DataCommunicationSystem）,2020年5月11日,7,ATS子系统,ATS是一个非安全的冗余系统ATS本质上是监控，任何ATS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。,2020年5月11日,8,ATS子系统功能,为中心调度员和车站值班员提供用户操作界面；显示全线线路上列车和设备状态；时刻表生成和执行；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；,2020年5月11日,9,ATS子系统功能,车站扣车；车站跳停；站台或者线路区域封锁；执行临时限速；,为发车指示器设置停站时间；为其它系统提供列车运行信息；事件记录以及报告生成；调度员操作事件重放；检测系统中的所有设备状态。,2020年5月11日,10,ATP子系统功能,ATP系统确保列车间具有适当的距离，以保证列车始终能够在正线区域控制器(ZC)提供的移动授权权限（LMA）范围内停下来。VOBC持续地运算，以使列车位置尽可能接近ZC所提供的LMA，方法是先计算出安全距离，再从ZC所提供的LMA中减去该距离。,2020年5月11日,11,ATP系统还提供倒溜保护、无意移动防护、超速监控和保护、列车完整性监控和保护、车门站台门监控和保护等功能。VOBC监督列车每侧车门的关闭和锁闭状态。当列车在车站停车对位后，VOBC将会根据线路数据库和列车方向向列车的正确侧门（车门和屏蔽门）发送允许开门信号。,ATP子系统功能,2020年5月11日,12,当以下条件满足时，VOBC将允许列车出发：列车和站台的屏蔽门已关闭并锁闭；LMA前移，并足以允许列车完全离开车站。,ZC和VOBC采取的是持续自检规则，只要设备通电，自检就一直在进行，所以不需要中断运营或等待自检完成。这就避免了设备上电或列车进入后在步骤上的延时。,ATP子系统功能,2020年5月11日,13,ATP子系统组成,控制中心的数据存储单元（DSU）车站区域控制器（ZC）车载设备（VOBC）构成数据传输系统（DCS）将DSU、ZC和VOBC连接在一起。,数据库存储单元（DSU）是一个安全器件，它由ATC系统中的数据库组成。DSU硬件也采用与计算机联锁设备相同的硬件平台，采用二取二乘二冗余配置，以提供安全性和可靠性。,2020年5月11日,14,ATP子系统构成,静态线路数据库那些永久不变的拓扑信息，如所有节点和边线，应答器位置和地址，ZC控制区域边界（即每个ZC对应的物理控制区域），存储在静态线路数据库。当对线路进行物理上的更改和增加时，可以对数据库进行修改。这是一个非常强大、灵活的数据库，它允许系统对用户的不同需求作出响应。它提供了线路描述（轨道、坡度、最大速度），它也提供允许系统实现不同功能的系统构成。数据库的设计原则是，当线路延伸时，可以方便地增加新站、增加其它ZC，扩展区域控制器的控制范围等。,2020年5月11日,15,动态线路数据库动态线路数据库存储的信息可以被ATS操作员修改，如临时限速。临时数据库的版本号会随着每次更新而递增。,ATP子系统构成,2020年5月11日,16,子系统配置数据库每个子系统都具有特定的子系统配置数据库，它们被用于初始化装载，使每个子系统在启动时有足够的引导信息。子系统数据库在系统初始化时装载至每个设备计算机内，并可以被修改和从DSU下载。新的配置文件只能在计算机的下一次启动时生效。为每个区域控制器输入、输出提供的配置信息。这意味着所有ZC的软件是相同的，只是每个ZC拥有其特有的配置。这种特性使得ZC扩容可以轻松实现并能和附加设备接口。,ATP子系统构成,2020年5月11日,17,兼容性数据库兼容性数据库包括了子系统使用的软件、接口和数据库版本之间所有许可的兼容性。对每类子系统，都有一个与之相对应的有效数据库版本号列表，对应每个数据库版本号，又有一个与其相兼容的接口和软件版本列表。接口版本列表包括每个接口的所有兼容接口版本，而软件版本列表包括所有兼容的软件版本。,ATP子系统构成,2020年5月11日,18,ZC安装在联锁集中站，用于控制正线联锁和通过DCS向它辖区内的所有通信列车提供移动授权（LMA）列车移动授权，从而完成ATP功能。VOBC和ZC采取的是持续自检规则，所以不需要中断运营或等待自检完成。这就避免了设备上电或恢复设备状态后在步骤上的延时。,ATP子系统构成,2020年5月11日,19,车载子系统为ATC系统和车辆子系统间提供接口。每列列车的两个驾驶室端都将配有一套VOBC，也可以采用一列车配置一套VOBC的方案。,ATP子系统构成,应答器安装于轨旁，地面应答器与车载应答查询器协同工作，用来提供列车定位系统所需的信息。每个应答器被赋予一个唯一的身份标识（ID号）。应答器ID号与所处线路位置的对应关系会存储在数据库里。,2020年5月11日,20,车载计算机配置示意图,VOBC,VOBC,ATP子系统构成,2020年5月11日,CompanyLogo,21,车载设备的组成车载控制器(VOBC)；司机显示单元；应答查询器天线；加速度计；速度传感器；车载DCS；车载驾驶室控制器无线单元。,ATP子系统构成,2020年5月11日,22,车载控制器VOBC的核心硬件与用于轨旁区域控制器（ZC）、控制中心数据存储电源（DSU）都基于TYJL-III型计算机联锁系统的二取二乘二的硬件平台，所以使用的都是相同的硬件，从而减少了板卡种类的数量和生命周期成本。VOBC硬件是模块化的、可以扩展的；在配置后可支持不同类型的列车。,ATP子系统构成,2020年5月11日,23,司机显示单元将提供给司机在不同模式下驾驶列车所需的控制和指示信息，使列车以不同的模式行驶。列车的两端各装一个TOD。,ATP子系统构成,TOD可显示以下信息：最大允许速度；实际速度；新的目标速度；达到新目标速度的距离；,2020年5月11日,24,TOD可显示以下信息：停站倒计时；故障；车站对位停车当前驾驶模式；ATO可用；ATP可用；,ATP子系统构成,车门开/关；EB缓解/施加；位置建立/位置丢失；,2020年5月11日,25,TOD可显示以下信息：列车发车授权；列车前进/反向；下一站；终点站；屏蔽门开/关；列车车门开门使能；扣车；超速指示；对超速状况、故障的音频报警折返就绪。,ATP子系统构成,2020年5月11日,26,ATP子系统构成,2020年5月11日,27,与列车信息管理系统接口列车驾驶室控制单元提供一个与列车信息管理系统（TMIS）通信的串行接口。VOBC将传送数据给TMIS，例如进站信息，下一个目标点，跳站信息等。这些信息将被TMIS使用并向车载旅客显示系统和车载旅客广播系统提供必要的数据。,ATP子系统构成,2020年5月11日,28,VOBC向ZC周期性的发送本列车的位置等信息。ZC根据控制范围内列车位置和进路情况，计算出辖区内通信列车的LMA，并将其提供给列车。VOBC负责控制列车在自己的LMA范围内运行。VOBC会监控最坏情况停车距离，以保证列车即使在最坏情况下总还能在ZC赋予的LMA范围内停车。,ATP子系统构成,2020年5月11日,29,VOBC将提供超速保护。如果列车速度超过超速允许范围，VOBC将会施加制动。VOBC不断地向ZC和ATS报告列车完整性状态。如果列车完整性丢失超过预定时间，VOBC将施加紧急制动。当列车在站台对位停车时，VOBC将会根据线路数据库和行驶方向给正确侧的车门和屏蔽门发送允许信号。,ATP子系统构成,2020年5月11日,30,ATP子系统工作原理,列车位置初始化在满足下列条件的情况下，VOBC会建立列车位置：检测到两个连续的应答器；应答器顺序和它们的ID号与数据库描述一致；应答器之间的测量距离和数据库描述值的误差在可接受的范围之内；只有数据库有效，VOBC才认为其位置有效。,2020年5月11日,31,列车速度与位置确定VOBC使用速度传感器速度传感器与加速度计来确定行驶距离、列车速度以及行驶方向。VOBC在每个处理周期内处理速度传感器速度传感器与加速度计的输入。VOBC把在一个连续处理周期（可配置）内所采集到的速度传感器脉冲总数相加，然后再除以测量的间隔时间，从而算出列车行驶速度。列车行驶速度和行驶距离也需要通过加速度计的输入进行验证。VOBC还对距离、速度及方向进行合理性检查。任何合理性检查的失败将会导致VOBC宣布列车处于未知的位置。,ATP子系统工作原理,2020年5月11日,32,超速防护VOBC将强迫执行下列最大许可速度中的最小值，如果列车超过超速容限速度，VOBC将实施制动：线路最大速度；土建限速；临时限制速度；与减速或进站停车制动曲线相关的速度；与特定模式相应的速度。,ATP子系统工作原理,2020年5月11日,33,列车完整性检查VOBC将不断地监视列车所提供的列车完整信号。列车完整状况会通过VOBC不断的向ZC和ATS报告。如果在预定的时间里没有收到列车完整信号，VOBC将施加紧急制动。当ZC收到列车不完整报告时，会在列车周围建立一个保护区以阻止其他列车进入该区域。,ATP子系统工作原理,2020年5月11日,34,列车开门使能信号VOBC会向列车两侧的车门控制器提供使能信号。当列车在车站对位停车时，VOBC会根据线路数据库和行驶方向使能正确侧的车门。,ATP子系统工作原理,列车车门、屏蔽门监控VOBC将监控列车两侧车门/屏蔽门的关闭与锁定状态。当列车停靠时，如果车门关闭与锁定状态丢失，VOBC将防止列车运行。如果列车运行时车门关闭与锁定状态丢失，VOBC将施加紧急制动。,2020年5月11日,35,LMA障碍物LMA被列车前方最近的障碍物所限制。可能的障碍物包括：线路封锁区域;另一个处于通信状态列车的LMA;道岔故障ZC控制的区域;非通信列车；,ATP子系统工作原理,2020年5月11日,36,ATO子系统,ATO子系统在ATP子系统的安全防护下实现其功能；ATO子系统根据ATS的命令速度曲线来控制列车的速度，并且使能源消耗最小化。在车站停站时间期满和请求发车后，倘若移动已被授权，VOBC就可以允许缓解制动、施加牵引；收到对位信号后，VOBC会控制列车停在要求的停车点，在达到零速度状态后施加停车制动。ATO子系统负责列车到站的精确停车位置。,2020年5月11日,37,ATO子系统功能,列车速度控制列车速度自动控制功能负责对列车速度的控制。VOBC提供下列命令给牵引和制动控制子系统：前进/后退；牵引允许/禁止；释放/施加机械制动；向牵引系统发送牵引力大小请求；行车/制动(加速/减速)。,2020年5月11日,38,在停站时间期满并请求发车后，倘若移动已被授权，VOBC将释放制动，施加牵引，并且输出扭矩的需求。VOBC将根据ATS的命令速度曲线来控制列车的速度，并使能源消耗最小化。VOBC利用反馈和开环控制运算法则来调节发送给马达的扭矩/制动命令从而达到并保持目标速度。对扭矩的需求将基于目标速度，这个目标速度将由VOBC单元根据到目标点的距离、最大速度信息和下一目的站的信息计算出来。,ATO子系统功能,2020年5月11日,39,程序定位停车精度为0.3m，这还取决于列车性能。精确定位停车停车范围为0.3m的概率是99.99%，停车范围为0.5m的概率是99.9998%；,ATO子系统功能,2020年5月11日,40,车站扣车在收到ATS系统发来的车站扣车的命令后，VOBC将在车站驻停不确定的时间，直到收到列车自动监控系统发来车站保持状态消除的命令。跳停车站当一个车站被设置成跳停时，VOBC将不在该车站停留。它将以最快的允许速度通过该车站并前行到下一个车站。,ATO子系统功能,2020年5月11日,41,计算机联锁（CI）子系统,CBTC系统的正线计算机联锁设备像传统的联锁系统一样执行所有的联锁功能。在正常的工作情况下，所有的进路请求都由中央ATS自动发出。CI根据接收到的中央ATS进路请求，控制道岔和进路。CI确保进路/道岔联锁、区段锁闭、进路锁闭以及接近锁闭。,OCC自动控制进路；OCC人工进路；车站ATS自动进路；车站人工进路；CI还可以使用默认进路设置，并且支持在折返站的折返运行。,2020年5月11日,42,通过在道岔区及出站处安装计轴区段和信号机，可以为工程车和非通信列车提供站间进路和过岔防护。在这种情况下，CI提供联锁功能和站间闭塞功能。在正常运行时，计轴器故障不会影响列车行驶，因为对于通信列车，CI可以忽略计轴轨道区段状态。只有对非通信列车应用了人工进路预留MRR后，CI才考虑计轴轨道区段的状态。此时，CI会基于联锁功能和站间闭塞功能控制信号显示。,计算机联锁（CI）子系统,2020年5月11日,43,站间闭塞（后备模式）当CBTC系统的通信子系统发生故障时，为维持最基本的运营，采用站间闭塞方式行车；计算机联锁系统根据计轴设备检查站间空闲，并控制出发信号机，实行站间闭塞；司机根据地面信号显示，驾驶列车运行。,计算机联锁（CI）子系统,2020年5月11日,44,DCS子系统,DCS的主要作用是在各个子系统之间传输ATC报文，包括轨旁固定设备和车载移动设备。DCS是一个单独的网络，对于报文传送来说是完全透明的。ATC系统的应用程序不需要知道任何DCS的工作情况。DCS也不需要知道ATC系统应用程序的工作情况。虽然DCS系统所传输的是安全型的列车控制信息，但其本身并不是一个安全型系统，只是一个可靠的数据传输系统而已。,2020年5月11日,45,DCS采用了具有开放标准协议和接口的商用设备（COTS）。整个网络采用了IEEE802.3的以太网标准，网内的所有移动通信则采用了IEEE802.11的无线标准。DCS采用UDP/IP协议来传输ATC报文，并通过IPSec协议来保证网络的保密性。,DCS子系统,DCS可以提供优越的ATC通信性能：平均报文延迟低于35ms。其可靠性是通过采用稳定的、多级冗余配置的高可靠设备来保证的。无线链路不需要前向纠错，只需检错即可。,2020年5月11日,46,DCSOverview-WiredNetworkDCS概览有线网络DCSOverview-WirelessNetworkDCS概览无线网络SecurityMechanismandNetworkManagementSystem(NMS)安全机制和网络管理系统（NMS）RadioSiteSurvey无线位置勘测,DCS功能概览,2020年5月11日,47,DCS功能概览,DefinitionofDCS:DCS的定义Providesfordatacommunicationbetweenalltraincontrolsubsystems.提供所有列车控制子系统之间的数据通信Stand-alonenetwork.独立的网络Isnon-vitalsubsystem是非安全子系统,2020年5月11日,48,DCS特性,Standardized:IP/UDP/TCPProtocol(802.3)标准化：IP/UDP/TCP协议（802.3）Expansioncapability可扩充能力Availability:Multiplemechanismstomaintaincommunicationsbetweenallnodesincaseofasinglepointfailure.可用性：多重机制保持所有节点的通信，以防单点故障SecurityMechanism:SD,CA,Firewall安全机制：SD、CA、防火墙,2020年5月11日,49,网络性能,Adequatethroughputforeachportionofthenetwork.网络每部分都有足够的数据吞吐能力Acceptablelatency.可接受的延迟时间FastRecovery.快速恢复能力,DCSisdesignedtomeettherequirementsofCBTC:DCS设计用来满足CBTC的要求：,2020年5月11日,50,网络拓扑示例骨干网,2020年5月11日,51,网络拓扑示例轨旁,2020年5月11日,52,BackboneSwitch骨干网交换机:HirschmannMICE3124,CouplingRingSwitch:联接环交换机：HirschmannMICE2108,MM3-2FXS2/2TX1,MM2-4TX1,设备：网络交换机,Hyper-Ringprotocol超环协议Fastrecovery快速恢复,2020年5月11日,53,RadioInterface:FHSSbasedonIEEE802.11.无线电接口：基于IEEE802.11的FHSSNarrowbandinterferencetolerance.容忍窄带干扰Supportsfastroaming.支持快速漫游Adequatethroughput.足够的数据吞吐量Security:WEP(WiredEquivalentPrivacy)安全：WEP（有线等价保密）,无线电特性,2020年5月11日,54,轨旁无线单元,2020年5月11日,55,车载网络,2020年5月11日,56,Security:ProvideCIA(Confidentiality,Integrity,Availability).安全：提供CIA（机密性、完整性、可用性）SecurityDevice:Encryption/Decryption安全装置：加密/解密CertificateAuthority.认证授权,安全系统,2020年5月11日,57,FirewallisdeployedbetweenATCnetworkandThird-partynetwork:MasterClock/SCADA/PassengerAnnouncementSystems(PAS)/BuildingAlarmSystems(BAS)/FireAlarmSystems(FAS).防火墙应用于在ATC网络和第三方网络之间：主时钟/SCADA/乘客公告系统（PAS）/建筑设备报警系统（BAS）/火灾报警系统（FAS）Filters(definedpolicies)configuredinthefirewall,allowonlyparticularcommunicationsrequiredpackets(e.g.withspecificprotocols)passthrough.防火墙中配置的过滤器只允许需要分组报文（如使用了专门协议）通过的特定通信,防火墙,2020年5月11日,58,网络管理系统,LocatedintheXiaoyingCentralControlCentre位于小营中央控制中心Manag