基于通讯的列车控制(CBTC)

1、基于通讯的列车控制(CBTC)系统西门子城市轨道交通信号系统1 信号系统是地铁系统的核心，它能够在保障乘客安全的前提下，确保运营性能能够达到用户对一个有盈利能力系统的要求。 西门子城市轨道交通综合信号系统基于故障-安全的系统并包含了故障-安全的车载设备、轨旁列车防护系统以及自动列车监督系统。2固定闭塞 在轮轨交通中，为保证列车运行安全，须保证列车间以一定的安全间隔运行。早期，人们通常将线路划分为若干闭塞分区，以不同的信号表示该分区或前方分区是否被列车占用等状态，列车则根据信号显示运行。不论采取何种信号显示制式，列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车安全间隔。 在固定划分的闭塞分区中，每一个分

2、区均有最大速度限制。ATP 地面设备以一定间隔或连续地向列车传递速度控制信息。该信息至少包含两部分：分区最高限速和目标速度(下一分区的限速) 。列车根据接收到的信息和车载信息等进行计算并合理动作。3 传统的固定闭塞制式下，系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。为充分保证安全，必须在两列车间增加一个防护区段，这使得列车间的安全间隔较大，影响了线路的使用效率。4准移动闭塞 准移动闭塞在控制列车的安全间隔上比固定闭塞进了一步。它通过采用轨道电路辅之应答器来判断分区占用并传输信息；可以告知后续列车继续前行的距离,后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，列车

3、制动的起点可延伸至保证其安全制动的地点，从而可改善列车速度控制，缩小列车安全间隔,提高线路利用效率。但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍必须在先行列车占用分区的外方，因此它并没有完全突破轨道电路的限制。5移动闭塞 移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上更进了一步。通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离，便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运

4、营效率。6基于通讯的列车控制 移动闭塞系统中列车和轨旁设备必须保持连续的双向通信。列车不间断向轨旁控制器传输其标识、位置、方向和速度,轨旁控制器根据来自列车的信息计算、确定列车的安全行车间隔,并将相关信息(如先行列车位置,移动授权等) 传递给列车,控制列车运行。 早期的移动闭塞系统是通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机与车辆控制中心之间的连续通信。现今,大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统实现各子系统间的通信。7西门子城市轨道交通信号系统 用于北京地铁十号线（包括奥运支线）的西门子城市轨道交通信号系统主要由以下子系统组成： SICAS型微机联锁 Trainguard MT系统

5、连续式移动闭塞列车控制系统（包括车载和轨旁ATP/ATO）。带有点式通信ATP后备等级 由中央和本地控制设备组成的ATS系统（VICOS OC501和VICOS OC101）。8 这些子系统被概括定义为四层，以分级实现为北京十号线（包括奥运支线）设置的功能： 中央控制层中央控制层，指北京地铁十号线（及奥运支线）的ATS系统 轨旁层轨旁层，指沿轨道线路分布的部件 通信层通信层，提供轨旁与车载之间的点式或连续式通信 车载层车载层，包含Trainguard MT的车载子系统9ATC系统总体结构系统总体结构10 在连续式通信或者点式通信级下，Trainguard MT ATP/ATO系统保证列车的安全

6、和并对列车进行连续的监督。在连续式通信级下，列车间隔是基于移动闭塞原理的。11Trainguard MT系统 Trainguard MT系统是信号系统中提供列车自动防护（ATP）和列车自动驾驶（ATO）功能的一个强大而先进的子系统，可根据需求应用不同的功能：12Trainguard MT系统 连续式通信：使用无线系统来实现轨旁和车载设备间的连续通信； 点式通信：独立于连续通信通道，基于应答器的点式通信通道可以从轨旁向车载设备传输数据； 移动闭塞运行：与连续式通信通道一起运行，根据移动闭塞原理对列车进行分隔以提供最小的运行间隔，列车受ATP/ATO的控制； 固定闭塞运行：与点式通信通道一起运行，

7、根据固定闭塞原理对列车进行分隔，列车受ATP/ATO的控制。固定闭塞运行可被作为移动闭塞运行的后备模式；13Trainguard MT系统 混运模式：装备和未装备ATP/ATO的列车可以在同一条线路上运行； 混合模式：由司机人工驾驶的列车可以与 ATO 自动驾驶的列车一起运行； 可升级性：系统可以容易的从基本运行模式（点式，固定闭塞，即ITC）升级到高性能的等级（连续式通信，移动闭塞， 即CTC），甚至无人驾驶运行等级； 降级模式：在系统故障时可使用自动化度较低的后备运行模式降级运行，例如：CTC级下运行AM模式（移动闭塞/连续通信） ITC级下运行AM模式（固定闭塞/点式通信）；14地对车的

8、通信等级 西门子城市轨道交通信号系统支持的通信级： 联锁级：根据轨旁信号机显示的人工驾驶；无地 - 车通信； 点式通信级（即ITC）：ATP/ATO驾驶，通过应答器实现地 - 车通信； 连续通信级（即CTC）：ATP/ATO驾驶，通过无线通道实现地 - 车之间的双向连续通信。15地对车的通信等级CTC列车连续控制列车连续控制移动闭塞 无线电双向数据通信过轨旁控制单元获得移动授权（连续通讯）ITC列车点式控制列车点式控制固定闭塞单向数据通信通过应答器获得移动授权IXL联锁级控制联锁级控制固定闭塞轨旁设备未装备Trainguard MT无移动授权（仅有信号机显示） 高控制级别高控制级别16控制级别

9、切换已定位已定位+有效的有效的CTC移动授权移动授权已定位已定位+IXLT边界边界+驾驶员确认驾驶员确认已定位已定位+失去定位失去定位+驾驶员确认驾驶员确认高高列车控制级别列车控制级别已定位已定位+有效的有效的CTC移动授权移动授权已定位已定位+有效的有效的ITC移动授权移动授权已定位已定位+有效有效ITC移动授权距移动授权距离为零离为零17列车驾驶模式AM自动驾驶模式自动驾驶模式自动列车驾驶通过ATO启动按钮离站全ATP监督SM受监督的手动驾驶受监督的手动驾驶手动驾驶全ATP监督RM受限模式受限模式手动驾驶监督限制速度驾驶员担负安全责任 高高驾驶模式驾驶模式18控制级别和驾驶模式RMSMAM

10、CTCITCIXL 控制级别 驾驶模式19连续式通信级 在连续式通信级条件下，Trainguard MT可支持采用移动闭塞列车分隔原理对列车运行进行安全控制。列车通过检测和识别应答器来确定自己的位置，列车上有一个被称为轨道数据库（TDB）的铁路网络图，应答器的位置标注于TDB中。结合OPG和雷达所测量的列车位移，列车就可以知道其在轨道网络中的确切位置并将位置报告发送给轨旁 ATP。 根据这些位置报告及轨道空闲检查设备的信息，轨旁ATP计算出详细的路网空闲信息。该功能被称为列车追踪。从轨旁向列车发送的移动授权遵从移动闭塞原理下的安全列车分隔以及来自SICAS的其它联锁条件。20CTC级别Trac

11、kside 轨旁车轮传感器车轮传感器信号机信号机无线无线测速测速器器应答器应答器天线天线HMIATPATO无线无线地面地面ATP联锁联锁雷达雷达Train 列车轨道轨道空闲检测空闲检测欧式欧式应答器应答器LEU轨旁电子单元轨旁电子单元21点式通信级 点式通信级可作为连续式通信级的后备模式，或在部分对运行间隔要求不高因而允许使用固定闭塞列车分隔原理的线路上使用。移动授权来自信号机的显示，该信息通过可变数据应答器以点式通信模式从轨旁向列车传输。列车如同连续式通信级中一样在路网中得到定位，因此列车能在全面考虑TDB 中详细的轨道信息并受ATP系统监控的情况下自动地遵从所有的速度限制。22ITC通信级

12、别Trackside 轨旁车轮传感器车轮传感器信号机信号机测速测速器器应答器应答器天线天线HMIATPATOInterlocking联锁联锁雷达雷达Train 列车TVD轨道空闲检测轨道空闲检测欧式欧式应答器应答器轨轨旁电子旁电子单元单元LEU23联锁级 当连续或点式通信级都不能正常工作时，可以进一步采用此降级模式运行。此时将由标准的色灯信号机提供全面的联锁级列车防护。24IXL通信级别Trackside 轨旁Wheel Sensor车轮传感器车轮传感器Signal信号机信号机Interlocking联锁联锁Train 列车TVD轨道空闲检测轨道空闲检测25北京地铁十号线的无线系统 无线通信子

13、系统主要包含了标准的、符合IEEE 802.11b标准的无线局域网部件。 在地铁系统中，信息传输系统设备将同时分布于车辆和轨道设备之间。接收信息或发送信息的设备被通过唯一的IP地址（源地址或目的地址）标识。这也应用于冗余的设备，每个单元都将被自己唯一的IP地址标识。26 无线子系统包括： 一组轨旁无线传输单位（包括WCC、无线切交换机、接入点和天线），负责为全线路提供完整和连续的信号覆盖。它们通过以太网交换机连接到ATS总线。 一组车载无线传输单位，每辆列车分别于首尾安装一个而成对出现。这些传输单位通过串行线连接至Trainguard MT的车载控制单元。27轨旁设备 Trainguard M

14、T轨旁设备包括以下组件： WCU_ATP 安全轨旁控制单元，为室内设备，其执行ATP功能。该计算机与ATS系统中的Vicos OC及Sicas交换数据。28 WCU_TTS Trainguard MT的非安全轨旁控制单元，为各种类型的ATS提供所有列车的表示以及中央服务和诊断系统。29 通信设备（轨旁）通信设备（轨旁） 轨旁通信设备是非安全范畴的设备，它以无线方式持续为车 地之间传输信号。30 应答器应答器 使用两种应答器，固定数据应答器（用于列车定位）或可变数据应答器（用于点式通信）。固定数据应答器是一个独立的单元。可变数据应答器通过轨旁电子单元（LEU）和信号机相连。31 LEU 轨旁电子

15、单元是信号机和可变数据应答器之间的接口。它评估信号机的显示并为可变数据应答器产生报文。32 安全接口（轨旁）安全接口（轨旁） 站台屏蔽门、紧急停车按钮和其它安全设备通过SICAS ECC连接到WCU_ATP。输入输出板上的安全继电器提供安全的输入、输出。33Trainguard MT信号系统的主要功能。 ATP/ATO功能负责在联锁功能建立的约束下、根据ATS功能的要求，为列车实现安全运行。 ATP/ATO系统功能的子功能如下： ATP轨旁功能负责列车分隔、列车追踪功能，并生成与ATS功能、联锁功能和ATP/ATO车载功能进行故障 - 安全通信的报文； ATP/ATO车载功能负责列车的安全运行

16、、自动驾驶，并提供信号系统与司机间的显示接口。34 计轴系统的列车检测功能计轴系统的列车检测功能 列车检测功能通过计轴系统来实现，并以每个轨道区段是否“空闲”/“占用”的形式给出列车的位置信息。 列车检测功能的输出是： 用于实现联锁功能而汇报的轨道“物理空闲”或“物理占用”状态。35 列车折返列车折返 列车在终端站或其它定义的车站中进行折返操作的功能，有以下的折返模式： ATO自动折返运行模式 ATP监督下的人工驾驶折返模式 无ATP监督的切除模式下的人工驾驶折返模式36 临时限速临时限速 临时限速功能被应用于一些特殊路段以降低允许速度。临时限速可以由操作员按照安全程序人工设置。设定的数据将从

17、ATS系统传送给ATP轨旁控制单元。ATP轨旁控制单元通过连续式通信通道不断给列车发送所有临时限速信息，同时车载ATP控制单元将持续检测列车位置并对速度限制进行监督。37 对列车运行方向和列车后溜的监控对列车运行方向和列车后溜的监控(车载车载) 列车的运行方向受到连续的监控。 每列列车都有后溜监督功能，所监督的后溜距离可根据运行要求进行配置，设置为2米。38 对列车静止状态的监控对列车静止状态的监控(车载车载) 在站内打开车门和站台屏蔽门前，必须要监督列车是否已处于静止状态。为了证实列车已停稳，系统将同时考虑雷达与测速电机双方所提供的信息。ATP车载计算机单元将应用这些速度信息。39车门解锁车

18、门解锁(车载车载)为了保证乘客的安全，车门在列车运行期间不能开启。只有当列车处于静止状态且正确的停止在站台区域的预定位置后， ATP功能就会对车门及站台屏蔽门解锁。仅当下列所有的条件被满足时，ATP车载单元才能够对将要打开的车门解锁：列车处于静止状态。列车位于定义的车站停车窗内。如果有一个车门没有被关上并且锁闭，ATP车载单元就一直激活“牵引切除”功能。当所有的车门再次关闭并锁闭后，该状态功能将会被终止。当车离开停车窗时，“车门释放”命令会被终止。如果检测到列车未处于静止状态或者列车的移动距离超过了设置的距离，该功能也会触发紧急制动。因此这可以防止在所有车门还未关闭的情况下列车的启动及溜动。4

19、0 车站内的停车过程如下： 停稳静止 “ATP门释放”信号激活 ATO或者司机打开车门 车门不再被报告为“车门关并且锁闭” “ATP牵引切除”信号激活41 离站过程如下： 发出关闭车门的命令 在停稳静止的时候 报告车门“关闭且锁闭” “ATP牵引切除”信号取消 列车启动并且离开停车窗 “ATP门释放”信号取消42 紧急制动的触发紧急制动的触发(车载车载) 出现下列的任何一种情况，ATP车载设备将触发紧急制动： 列车位置丢失 列车速度超过监督速度 当列车溜动距离超过了许可的范围 当连续通信中断 列车在移动状态下不再能检测到车门锁闭状态 列车完整性丢失 列车正接近车站时，相应车站的紧急停车按钮被人

20、按下43 对列车完整性的监督对列车完整性的监督(车载车载) 只要完整性信号有效，则车载ATP就能确认列车车组（6车编组）的存在。这样，车载ATP就可以给轨旁ATP发送一个有效的位置报告。 一旦列车的完整性信号丢失，系统就会判断为失去完整性，并做出以下的反应动作： ATP车载单元立即触发紧急制动。 ATP车载单元给轨旁ATP发送一个无效的位置报告。 当一列列车不再发送有效的位置报告时，则轨旁ATP就将其判定为非定位列车，并采用轨道空闲检测设备（计轴器系统）来检测该列车的具体位置。44 紧急停车按钮紧急停车按钮 紧急停车按钮的使用区域一般为站台区域，这些区域将在线路数据库中被定义。 紧急停车按钮给

21、ATP轨旁计算机单元提供一个安全输入信号，ATP轨旁计算机单元在计算列车的移动授权时将考虑该输入信号。 只有经操作员确认，才能取消该紧急停车按钮信号，恢复标准状态。45 站台屏蔽门站台屏蔽门 ATP轨旁计算机单元通过一个安全接口来与站台屏蔽门连接。 ATP轨旁计算机单元给PSD发送“开启PSD”或“关闭PSD”的命令。同时轨旁ATP也接收来自屏蔽门的“关闭且锁闭”的状态消息。46 对屏蔽门状态的监控对屏蔽门状态的监控 ATP轨旁计算机单元将连续监督屏蔽门的状态。 只有在相应的屏蔽门处于“关闭且锁闭”或“切除”状态时才允许列车进入站台区域。否则ATP轨旁计算机单元将站台区域作为一个封锁区域来处理

22、，并在该区域的边界处设置防护点。上述处理后，正在接近的列车从ATP轨旁计算机单元接收的移动授权将限制在该防护点之外。47 屏蔽门的安全信息屏蔽门的安全信息(车载车载) 提供的诊断信息提供的诊断信息48故障情况下的运行 西门子城市轨道交通信号系统设计有各种冗余和后备模式，所以，在部分设备故障的情况下，系统可以在不损失性能或有限损失的降级模式下继续运行。 另外，信号系统具有全面的自诊断功能以减少维护时间和运行中断时间。 所有的子系统都具有必要的冗余以满足可用性指标。下面简要介绍各种可能的降级模式。49ATP/ATO 运行故障概念Trainguard MT具有多种降级模式功能以使得列车可在下列故障情

23、况下继续运行：如果ATO子系统包括冗余单元发生故障，仍可以以SM模式人工驾驶列车；如果HMI系统发生故障，列车仍可以以ATO模式正常运行；如果ATO车载单元、HMI及冗余单元都发生故障，仍可以以SM模式驾驶列车；如果AM和SM模式都受到故障的影响，列车可以在RM模式下运行；如果连续式通信通道发生故障，列车仍可以在点式通信下以固定闭塞方式维持ATO驾驶及ATP监督功能；切除模式用于车载ATP完全故障时的运行。司机根据轨旁信号机和调度员的口头命令驾驶列车。ATP/ATO 车载设备允许出现缺失一个应答器的情况。50无线通信系统故障短时间的通信中断对列车的安全运行没有影响。移动授权和列车位置仍是有效的

24、，因为列车位置的计算独立于通信通道之外。假定无线蜂窝出现长时间的故障。如果通信故障一直持续下去，列车将采取紧急制动。列车停车后，司机必须切换到 RM 模式。列车必须以RM模式运行到下一架信号机处，之后可以转换到ITC等级。当连续式通信再次有效后，可切换回到CTC等级。 只要通信长时间的中断，所有的后继列车将会采取上述相同的过程。列车将以AM驾驶模式以点式通信按固定闭塞原理运行，同时ATO 驾驶列车、ATP 监督列车的运行。从AM点式模式切换到AM连续式模式的过程是自动进行的。51轨旁ATP设备故障 在轨旁ATP设备完全故障的情况下（包括冗余部分），在该区域的列车将会采取紧急制动直到列车停止。所

25、有的列车都将停止，司机必须切换到RM模式。列车必须以RM模式运行至下一架信号机处。此时可切换到ITC等级。 当列车驶离失效的WCU控制的区域并且连续式通信有效时，此时可切换到CTC等级。所有的后继列车都遵从上述相同的步骤。 从AM点式模式切换到AM连续式模式的过程是自动进行并完成的。如果轨旁ATP恢复正常，列车将会自动地切换回到AM连续通信模式并以移动闭塞原理运行。由于轨旁设备的分散配置，轨旁ATP设备的故障将只影响线路的一部分。52无线系统维护 以下部件为RailCom RCS的一部分： 轨旁通信控制器 无线以太网骨干 接入点 列车单元53WCC（隧道服务器）（隧道服务器） WCC（隧道服务

26、器）的功能（隧道服务器）的功能 两台冗余服务器 无线通信网络和ATS网络之间的互连 运行的数据通信的加密 软件软件 每个接入点和每个列车单元的配置文件均保存在隧道服务器上。54无线以太网骨干无线以太网骨干 无线交换机机柜无线交换机机柜 光纤骨干网连接车站中的无线交换机。 两个冗余的中央交换机（位于骨干网中央）从车站中的无线交换机采集所有链路。 中央交换机也用于与服务器的连接。55无线通信系统的概貌图无线通信系统的概貌图56 交换机交换机 交换机位于车站，连接各个轨旁接入点(AP)。 来自接入点的信息，通过骨干网向主车站方向转发至骨干网端口处57无线骨干交换机无线骨干交换机58 电缆终端架和连接

27、电缆终端架和连接 终止来自接入点的电源电缆 每个机架上配置24个防雷模块 配置有接地棒59 接入点（接入点（AP） 列车和网络之间的数据通信 四个（隧道型）轨旁天线 不锈钢机柜，500 x 500 mm，以约350 m的间隔沿着轨道安装6061AP内部组成内部组成 CPU模块模块 两个LAN端口用于连接到RCS骨干网 两个PC卡插槽用于插入WLAN卡，带有端口，用于天线的插入 供特殊维护所用的串行端口 小型闪卡（CF卡） 软件安装在CF卡上62 媒体转换器媒体转换器 媒体转换器将从CPU模块（铜缆）收到的数据进行转换，并将其经由光缆传输，反之亦然。 主要特点 完全符合IEEE 802.3 - 100Base-FX标准 扩展的环境规范 支持全双工/半双工通信 LED指示链接/在用状态 自动整合，自动探测速度，双工和流程控制 最大传输速度高达1.0 Gbit/s6364 电源模块电源模块 功能功能 电源模块负责提供需要的电力，每个接入点配备了两个这样的模块。65 供电模块数据参数表供电模块数据参数表 输入电压：交流100到240 V 输出电压：直流24 V 输出电流：5 A66 供电模块数据参数表供电模块数据参数表 输入电压：交流100