论文-城轨车地通信方式研究2

1、西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）西安铁路职业技术学院城轨道交通车地通信方式研究作者：导师： 西安铁路职业技术学院2016-4-23西安铁路职业技术学院毕业论文摘要城市轨道交通基于通信的列车控制（Communication Based Train Control CBTC）系统通过车地通信实现列车和地面大容量、连续及双向的信息交互，从而保障了列车高校、可靠地运行。由于城市轨道交通的特殊性，其线路大部分分布在隧道中、高架桥上和城市中。当在隧道和城市中，车地通信传输媒介采用 自由空间或者漏泄电缆；而在高架桥上时，其传输媒介大多采用稳定性和抗干扰性更好的漏泄波导。当前，车地通信系统的网络设计基本是

2、基于经验和工程原则，缺乏有效的信道模型的支持，车地通信网络规划不够完善，可能会导致车地通信系统性能 的降低，主要包括切换性能和小区边缘区域性能。车地通信系统性能的降低在CBTC系统中表现为控制信息（主要是移动授权）的延迟。 当延迟过大时，列车的正常运行策略就发生变化，严重的甚至会引起紧急制动，从而对CBTC的服务质量产生影响。本文主要以西安地铁一、二号线介绍基于无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)的车地通信系统为研宄对象,量化了车地通信系统性能对CBTC QoS的影响。同时,对不同传输媒介的传输性能进行了系统分析,建立了多矩阵有限状态马尔科夫信道模型。

3、为了减小车地通信系统性能对CBTC QoS的影响,达到优化CBTC整体性能的目的,本文引入了认知控制,以多矩阵有限状态马尔科夫为基础,将通信系统和CBTC运营服务综合考虑。利用Q学习在每个通信周期获取车地通信系统最优的切换决策和通信参数自适应决策,在提升车地通信系统性能基础上提升了CBTCQoSo关键词:城市轨道交通闭塞制式;基于通信的列车控制;车地通信方式;列车驾驶模式;CBTC系统故障运行方式;列车停车保证及车门、屏蔽门打开方式- 41 -目录中文摘要【一】 城市轨道交通信号系统发展 一1城轨闭塞制式一2 城轨列车控制级别【二】西门子TRAINGUARD MT ATP/ATO二、1西门子C

4、BTC系统结构二、2 不同列车控制级别下的列车通信方式二、3 ATC系统之间信息交换二、 4 列车驾驶模式【三】 Ansaldo ATP/ATO系统三、1 安萨尔多正线信号系统结构三、2 不同列车控制级别下的列车通信方式三、3 ATC系统之间信息交换三、4 列车驾驶模式【四】 CBTC系统故障运行方式【五】 停车保证及车门与屏蔽门打开方式五、1列车停车保证（西安地铁二号线）五 、2车门与屏蔽门打开方式 总结参考文献 致谢引 言城市轨道交通信号系统能保障列车安全运行和线路通过能力的提高。从1971年我国第一条地下铁道一北京地铁一期通车到现在,我国的城市轨道交通信号已经发展了40多年。限于国情我国

5、初期的城市轨道交通信号都是自主研制的。随着社会的进步,经济的发展,城市人口的增长,早期的国产信号设备技术水平较低,不足以满足日益增长的运能需求。因此,在20世纪90年代,我国逐渐开始引入国外更加先进的地铁信号设备,缩小了行车间隔,在一定程度上缓解了运能紧张的问题。然而,国外设备造价高昂且技术壁皇严重,制式混乱的问题也十分突出。在1999年我国开始推行城市轨道交通信号系统的国产化进程2,要求城市轨道交通项目,无论使用何种建设资金,其全部轨道车辆和机电设备的1北京交通大学博士学位论文平均国产化率要确保不低于70%。2010年,北京地铁亦庄线正式开通运行,标志着北京交通大学协同其他相关单位研制开发的

6、具有完全自主知识产权的“基于通信的列车运行控制系统”示范工程取得成功,使中国成为继德国西门子公司、法国阿尔斯通公司、加拿大庞巴迪公司后第四个成功掌握该项核心技术并成功应用于实际运营线路的国家,极大地提升了我国在城市轨道交通运行控制系统领域的知名度与影响力。信号系统从根本上来讲是通过和地面控制中心的信息交互实现对列车速度的控制,达到安全、高效的目的。地面控制中心和列车之间的车地通信扮演着非常重要的角色。在很长的时间内,轨道电路作为车地通信的主要方式。由于牵引电流干扰、频率特性和频带宽度的限制、传输距离的制约,以及工作环境的影响,轨道电路传输的信息量比较小,且只能实现地到车的单向传输31。随着计算

7、机技术(Computer)、通信技术(Communication)和控制技术(Control)的发展,无线通信的可靠性和可用性已经得到了保障,其性能除能满足列控系统的需求之外,还能实现调度指挥信息的传输,也能满足铁路信息化所带来的车地之间大容量的信息交换需求。因此车地之间双向、连续、大容量的无线通信的实现变成了可能,这也催生了新一代信号技术的产生,即基于通信的列车控制(Communication-based Train Control,CBTC )。CBTC的概念于20世纪60年代提出,在20世纪80年代,国外进行了系统性的研究和阶段性的测试。自20世纪90年代,欧美各国为制定CBTC系统的技

8、术规范做了许多工作,先后制定了多个有关CBTC的技术规范。对于欧洲铁路网,各个国家的铁路部门使用不同制式的信号系统,列车运行控制系统也非常多,无法实现互联互通。同时,由于欧洲的地缘特性,跨国境的列车比较多,实现控制系统和信号系统的标准化、统一化就非常必要。当前在我国运营的城市轨道交通CBTC系统主要来自于以下几家设备提供商:德国西门子、法国阿尔斯通、意大利安萨尔多、法国泰雷兹(阿尔卡特)、加拿大庞巴迪和北京交通大学等。表1.1信号设备提供商及其业务范围设备提供商项目西门子西安地铁一号线、深圳2号线,5号线等北京10号线、广州1号线,2号线,4号线,5号线,8号线深圳1号线,4号线、北京2号线,

9、6号线,9号线,机场线,房山线南京1号线,2号线、苏州1号线等上 海1号线,3号线,4号线,10号线广州6号线泰雷兹北京4号线上海6号线,7号线,8号线,9号线,11号线等庞巴迪天津2号线,3号线等安萨尔多西安地铁二号线、 杭州1号线,沈阳1号线等北京交控科技北京亦庄线,昌平线,7号线,8号线,14号线等表1.2城市轨道交通车地通信传输媒介地铁线路传输方式北京2号线、北京机场线,上海10、12号线漏泄波导沈阳2、3号线无线自由波广州1号线、北京10号线无线自由波天津2号线,3号线漏泄电缆西安地铁一、二号线WLAN西安市城市轨道交通概况在西安市远期城市快速轨道交通规划中,城市轨道交通线线网由6条

10、主线和1条支线组成,形成一个覆盖西安主城区的棋盘放射型线网,总长251.80km,共设150座车站,10个车辆段和4个停车场,西安市的城市轨道交通线网规划如图所示。近期建设方案实施规划为:2006年ZOn年完成2号线(铁路北客站一韦曲)建设,2009年一2013年完成1号线(后围寨一纺织城)建设,2014年一2020年完成3号线(新筑镇侧坡村)建设,工程投资约380.8亿元。其余3条主线和1条支线将于2050年完成。初期先建线网骨架线2号线和1号线,使地铁初步形成“十”字交叉的基本骨架线,能有效的分流西安市东西和南北主轴线上的地面交通客流,大大缓解城市核心区的交通压力;特别是2号线的修建,把郑

11、西客运专线的西安北客站等城市对外交通枢纽与城市中心区相连,使客流内外衔接,为国铁客流集结与疏散创造了便利的条件,1号线把城西客运站、城东客运站等长途汽车运输始发、终到交通枢纽相连,大大提高了城市对外交通能力。3号线连接了1号线、2号线,把核心区以外的大型客流集散点有机的联系起来,通过1号线、2号线进行有效的交通转换,与1、2号线共同构成西安市轨道交通的骨架线网。4、5、6号线为辅助线网主要分布在1、2、3号线构成的线网骨架之间,是对1、2、3号线网构成的骨架线网的补充。辅助线网只有在1、2、3号线建成后，才能发挥出明显的作用。图1.1：西安地铁交通规划图西门子信号 城轨 交通信号系统 安萨尔多

12、信号 计算机联锁 城轨信号系统发展 ATSTRAINGUARD MT （行车闭塞制式） ZC DCS CC ATS 固定、准移动、移动 DSU（列车控制级别）连续、点式、联锁城轨列控系统关键技术测速 定位 西安地铁一号线 车地信息传输 西安地铁二号线 西安地铁一号线 西安地铁二号线车载 轨旁 车载 轨旁 CTC、ITC、IXLC CBTC、IATP、联锁车地通信 ？ 车地通信？ 列车驾驶模式？CBTC系统故障运行方式？列车停车保证及车门、屏蔽门打开方式？【一】城市轨道交通信号系统发展城市轨道交通信号系统是市轨道交通自动控制系统中的重要组成部分，该系 统以安全为核心，以保证和提高列车运行效率为目

13、标，在保证列车和乘客安全的前提下，通过调节列车运行间隔和运行时分，实现高效的列车运行和有序的指挥管理。城市轨道交通信号系统制式在国内逐步呈现多样化和标准化的趋势，从以往的基于多信息移频轨道电路的固定闭塞制式，（即阶梯式速度控制模式）基于报文轨道电路的准移动闭塞制式基于感应环线的移动闭塞制式基于无线通信的移动闭塞制式 传统城市道路交通特点：占地面积大、运量小、能耗大、污染大现城市轨道交通特点：运量大、快捷、可靠性高、安全、环保一、1 城轨闭塞制式闭塞 :按一定的规律（控制列车运行间隔）组织列车运行 。固定：前方列车所占用的闭塞分区+保护区段 闭塞 准移动：前方所占用的闭塞分区+保护距离 移动：前

14、车尾部+保护距离时间：无法确定前车运行位置 列车运行间隔 空间（目前所采用）固定闭塞：以轨道电路预先设定的长度，检测列车位置和列车间距。闭塞制式：阶梯式 固定分区 保护区段闭塞速度曲线及追踪点：速度3 速读2 速读1 前追踪点：前方列车所占用的闭塞分区+保护区段的分界点 准移动闭塞：采用列车移动和固定分区的定位方式，相比固定闭塞，保护距离缩短。闭塞制式：连续+分级闭塞速度曲线及追踪点: 固定分区 保护距离追踪点：前车尾部+保护距离移动闭塞：列车间隔及制动的起点和终点是动态的闭塞制式：连续闭塞速度曲线及追踪点： 保护距离追踪点：前车尾部+保护距离一、2 城轨列车控制级别城轨列车控制级别：连续式、

15、点式、联锁连续式：即可采用漏泄电缆、裂缝波导管、无线电台作为车地通信传输的媒介漏泄电缆：抗干扰能力强、提高无线传输的连续性和可靠性。 安装效果低、美观效果差点式：“点”指车地之间通信是非连续的，只在特定的地点进行，实现车地通信的设备一般是应答器点式传输适用于下列情况：a、在CBTC系统中，当轨旁、轨旁ATP或车地通信故障可降级采用点式ATP方式运行b、在某些线路前期试运行阶段，及车地通信系统不具备开通条件，可点式ATP运行 点式ATP通信结构：ATP天线 中央处理单元 测速传感器 应答器天线接口 车载设备 轨旁设备 应答器 LEU 联锁设备点式：后续列车驶过应答器得不到前方进路消息，直到前方应

16、答器处才能更新信息，难以胜任列车密度大情况。联锁：司机采用人工驾驶方式按照轨旁信号机的显示和线路限速信息行车。联锁适用于系列情况：车载设备故障或未装备ATP的列车情况下行车。联锁：轨道电路易受干扰且维护量大、运营效率 低。【二】 西门子TRAINGUARD MT ATP/ATO西安地铁一号线一期CBTC系统工程由中国通号公司承包，集成了通号公司的ATS系统、DS6联锁系统和西门子的TRAINGUARD MT ATP/ATO系统的列车运行自动控制系统。二、1西门子CBTC系统结构 三个子系统： 四个层级： 中央 ATS 轨旁计算机联锁TRAINGUARD MT ATP/ATO 通信 车载中央层：

17、ATS系统集中控制层设置在OCC,实现集中线路控制；车站级ATS通过车站操作员工作站(LOW)和列车进路计算机(TRC)提供车站控制和后备模式的轨旁层功能。 每个联锁控制区域的LOW和TRC位于联锁集中站的车控室内，提供本地联锁区域的监督和控制功能。轨旁层：由计算机联锁、TRAINGUARD MT系统、传统室外信号设备、应答器等部件组成，它们共同执行联锁及轨旁ATP功能。通信层：完成车地连续式通信。车载层：包括TRAINGUARD MT ATP/ATO功能，实现车地连续式通信。a 列车自动监督子系统（ATS） 西安地铁一号线与二号线共用控制中心，该控制中心ATS的核心是应用服务器（TPS），完

18、成OCC的主要自动控制功能，如列车自动进路排列（ARS）、列车自动调整（ARS）等，应用服务器接受来自DS6计算机联锁、TRAINGUARD MT ATP/ATO 和其他系统的实际状态信息，并向这些系统发送控制命令。ATS和车站设备之间通过冗余的以太局域网通信，热备冗余的应用服务器当出现故障，则立即将现场信息转送，而无数据丢失且对运行无任何影响。 位于OCC一级联锁站信号设备室中的前段处理器（FEP）采用冗余配置，并提供ATS LAN和外部接口之间的连接。注：当中心ATS故障时，则车站ATS可执行相关功能。b TRAINGUARD MT ATP/ATO系统 该系统可进一步提高线路利用率，同联锁

19、的固定闭塞信号系统相比，列车以更小的行车间隔运行. 轨旁子系统(WCU） TRAINGUARD MT ATP/ATO 车载子系统（OBCU） 轨旁设备：向列车传递地面信息i 轨旁控制单元ATP(WCU-ATP) 该计算机与中央ATS系统以及DS6联锁系统交换数据。 ii 列车和线路数据库服务器（WCU-TTS） 将所有列车的轨旁信息集中提供给不同的ATS系统和中央服务诊断系统，也是线路数据库服务器。 iii 轨旁通信控制器（WCC） 实现通信功能的设备，该计算机根据通信方式为通信设备提供所需的接口，该计算机与ATS以太网总线相连，并与WCU通信。 iv 接入点 其与WCU-ATP通过互用协议相

20、连。 v 轨道空闲捡测设备 使用计轴器作为列车检测设备 vi 应答器 用于列车定位及车地双向传递信息。 车载设备： 接受地面传递信息，并计算车载移动授权i 车载控制单元ATP(QBCU-ATP) 车载控制单元OBCU-ATP执行车载的ATP功能，负责TRINGUARD MT 列车控制系统之内的安全相关控制和监督功能，该控制单元与OBCU-ATO、显示屏（HMI）、雷达速度监测系统、测速电机（OPG）定位系统和应答器天线相连接。 ii 车载控制单元 ITF-ATO OBCU-ATO该单元执行车载ATO的功能，即对列车执行自动驾驶，此外，该计算机 为通信设备提供必要的接口，该计算机与 车载通信设备

21、、O BCU ATP以及HMI相连接。 OBCU-ITF执行ATP、ATO外其余的非重要功能，主要通过以太网管理OBCU部件之间的数据传输以及到轨旁设备的数据传输，是与列车通信接口的计算机。 iii 车载无线设备 车载无线通信设备为无线通信提供非安全硬件，它使用互用协议连接到OBCU-ATP iv 显示屏 给司机提供最信息 v 雷达 作为列车测速与定位设备，固定在车体上 vi 测速电机 和雷达设备一起，测速电机作为列车定位和列车停稳检测系统，它安装在轮轴上，根据车辆车轮旋转产生的脉冲信号，速度和走形距离计算出来并送到QBCU-ATP.vii 应答器天线 应答器天线从轨旁 应答器接收数据。C D

22、S6联锁子系统LIANSU DS6联锁子系统设置在有岔站，联锁计算机采用2乘2取2冗余方式，完成联锁的执行与表示功能，各个DS6联锁系通过冗余的专网通信互相连接，并配置为采用冗余 的2*2对的光纤链路工作 。二、2 不同列车控制级别下的列车通信方式 a 连续式（CTC） ATS 轨旁通信网络 以太网WCU-TTS WCC WCC WCU-ATP DS6 DCS 联锁总线远程OC 远程OC TVD AP1 . APn 轨道空间 信号机EMP PGD 道岔 站台 CTC区域 CRU CRU 列车PIS/TMS PIS/TMS HMI HMI CAB A 1 OBCU OBCU CAB A 2 列车

23、控制装置 测速 应答器天线 列车控制装置图1.2：连续式车地传输方式 TRAINGUARD MT系统移动闭塞通过列车向轨旁子系统周期性的发送位置报告报文以及 轨旁子系统向列车周期性的发送移动授权报文的方式得以实现。轨旁子系统在联锁系统状态和列车位置报告的基础上计算移动授权，车载子系统监督列车在专门分配给其的移动授权边 界内运行。 轨旁和车载子系统 均使用一个轨道数据库，该数据库存储着轨道拓扑结构的数据，比如速度曲线和坡道曲线。车载子系统基于自身的列车定位信息、来自轨旁子系统的信息以及存储在轨道数据库中的数据来监督并控制列车运行。 ATS 以太网 以太网 WCU-TTS 移动授权 WCU-ATP

24、 WLAN OBCU-ATP(速度防护曲线) 以太网 列车位置 DS6计算机联锁 联锁总线 计轴、信号、道岔状态室外三大件计轴、信号机、道岔状态信息通过联锁总线传输给计算机联锁，计算机联锁通过状态信息给出进路表示信息，并将进路表示信息通过以太网传输给WCU-ATP,ATS通过以太网监督WCU-TTS及WCU-ATP,WCU-ATP从WCU-TTS获取及时更新数据，并接收来自ATS下发的命令信息、联锁表示信息、及列车位置计算移动授权，并将移动授权通过WLAN传送给OBCU-ATP,OBCU-ATP根据轨旁发送的移动授权计算列车速度防护曲线。 b 点式控制列车级别（ITC） 点式级别是在CTC通信

25、故障时的下一个级别，点式列车控制运行基于固定闭塞列车间隔原理。列车的间隔由基于传统进路监督（当允许列车越过信号机进入区间的所有进路条件满足时，给出开放信号显示）的联锁系统来保证。 一个LEU连接发送的到信号机，用以根据信号机的显示来选择可变数据应答器发送的报文信息，如果信号机为开放，则列车在通过应答器时，信号机对应的可变数据应答器向车载子系统发送一个点式移动授权。 ATS 轨旁通信网络 以太网WCU-TTS WCC WCC WCU-ATP DS6 联锁总线远程OC 远程OC TVD 轨道空间 LEULEU 信号机 道岔 站台 ITC区域 可变数据应答器 固定数据应答器 可变数据应答器 列车PI

26、S/TMS 列车 PIS/TMS HMI HMI CAB A 1 OBCU OBCU CAB A 2 列车主控器 测速 应答器天线 列车主控器图1.3： 点式车地传输方式 为了便于对现有信号的改造，将使用点式列车控制运行，作为现有信号的“叠加”系统，现有的联锁和信号机继续使用，也可将点式列车控制运行的结构 扩展为连续式列车控制运行。 不管是在点式列车控制模式还是在连续式列车控制模式，TRAINGUARD MT 均需依赖联锁功能来实现安全进路管理（例如，进路锁闭、进路设置、进路解锁等），即便是所有的列车均运行在CTC级也不例外。而轨旁子系统会向联锁系统发出联锁强制信息来实现当CTC列车接近时允许

27、例如给出不同的信号显示（或使信号机熄灭）等功能。 ATS 以太网 以太网 WCU-TTS 移动授权 WCU-ATP 应答器天 线 OBCU-ATP(速度防护曲线) 以太网 列车位置 DS6计算机联锁 联锁总线 LEU 联锁设备室外三大件计轴、信号机、道岔状态信息传输给LEU，LEU根据根据联锁设备发来的表示信息来选择可变应答器发送的报文信息，将报文信息通过联锁总线传输给计算机联锁，计算机联锁通过报文信息给出进路表示信息，并将进路表示信息通过以太网传输给WCU-ATP,ATS通过以太网监督WCU-TTS及WCU-ATP,WCU-ATP从WCU-TTS获取及时更新数据，并接收来自ATS下发的命令信

28、息、联锁表示信息、及列车位置计算移动授权，并将移动授权通过可变数据应答器天线传送给OBCU-ATP,OBCU-ATP根据轨旁发送的移动授权计算列车速度防护曲线。C 联锁列车控制级别（IXLC） 当连续式或点式都不能正常工作时，可以进一步此降级模式运行，此时由标准的色等信号机提供全面的联锁级别列车防护。 ATS 轨旁通信网络 以太网WCU-TTS WCC WCC WCU-ATP DS6 联锁总线远程OC 远程OC TVD 轨道空间 信号机 道岔 站台 联锁区域 轨道电路 轨道电路 列车 列车 PIS/TMS PIS/TMS HMI HMI CAB A 1 OBCU OBCU CAB A 2 列车

29、主控器 测速 应答器天线 列车主控器 图1.4：联锁车地传输方式 轨旁 位置、信号机、道岔 列车通过轨道电路传输联锁级别适用于地面设备故障情况，又能适用与车载设备故障或未装备ATP列车情况下行车控制。轨旁将地面信息通过轨道电路传送给列车，司机通过信号机显示及线路行车许可驾驶列车。二、3 ATC系统之间信息交换 ATS WAYSIDE IXL WCU-ATP WCU-TTS PLATFORM DCS CAB ON-BOARD SUBSYTEM OBCU-OBCU HMI PIS/TMS ON-BOSRD SERVICE TRAIN CONTROL WCU-ATP与IXL间接口 WCU-ATP与I

30、XL之间的物理接口是轨旁通信网络（以太网），WCU-ATP与IXL之间的数据是双向的，其允许从联锁到WCU-ATP的状态信息传输和从WCU-ATP到联锁的状/控制信息传输。1 WCU-ATP到IXLIXL元件的WCU-ATP控制命令（例如取消信号机的保护区）WCU-ATP对RAINGUARD MT外部数字输出元件的控制命令（例如站台屏蔽门/安全门开启、关闭）。2 IXL到WCU-ATPIXL元件的状态（例如道岔、信号机、轨道区段、轨道空闲检测区段）TRAINGUARD MT系统外部数字输入元件的状态（紧急停车按钮和屏蔽门/安全门） WCU-ATP与 ATS之间的物理接口是轨旁通信网络（以太网）

31、，WCU-ATP与ATS之间进行双向通信。1 WCU-ATP到ATS:ATC相关的元件状态显示2 ATS到WCU-ATP:远程控制ATC相关的线路元件 WCU-TTS与ATS之间的物理接口是轨旁通信网络（以太网）,WCU-TTS与ATS之间的双向通信是基于元件的。1 WCU-TTS到ATS:报告列车状态信息2 ATS到WCU-TTS:为车载子系统实现远程控制 WCU-ATP与站台接口1 WCU-ATP到站台：站台屏蔽门安全门的命令2 站台到WCU-ATP：屏蔽门、紧急停车按钮的状态 WCU-ATP与WCU-TTS到中央服务和诊断系统接口 提供列车故障和诊断信息 WCU-ATP与车载子系统接口1 WCU-ATP到车载子系统：移动授权、安全相关状态信息、临时限速信息2 车载子系统扫WCU-ATP:列车位置、控制级别、驾驶模式、屏蔽门开关 WCU-TTS与车载子系统接口1 WCU-TTS到车载子系统：来自ATS的远程控制2 车载子系统到WCU-TTS:列车状态信息、列车位置、诊断/维护数据 WCU-ATP与WCU-ATP之间接口 TRAINGUARD MT 系统应用多个WCU-ATP来控制整条线路，每个WCU-ATP负责线