列车运行控制系统-44列控地面设备CBTC地面设备

1第四章列控地面设备（4）CBTC系统地面设备组成与原理2列控系统地面设备装备机车信号的固定自动闭塞系统CTCS-2级列控系统城市轨道交通CBTCZPW-2000A轨道电路应答器列控中心无线闭塞中心地面ATP设备CTCS-3级列控系统3CBTC定义基于通信的列车运行控制系统（CommunicationBasedTrainControl简称CBTC）高分辨率列车安全定位、连续大容量双向的车-地数据传输连续式列车自动控制系统。地面设备和车载设备组成CBTC的突出优点是可以实现车—地之间的双向通信，并且传输信息量大，传输速度快，很容易实现移动自动闭塞系统，大量减少区间敷设电缆，减少一次性投资及减少日常维护工作，可以大幅度提高区间通行能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等。在CBTC应用中的关键技术是双向无线通信系统、列车定位技术、列车完整性检测等。在双向无线通信系统中，在欧洲是应用GSM-R系统，但在美洲则用扩频通信等其他种类无线通信技术。列车定位技术则有多种方式，例如车载设备的测速-测距系统、全球卫星定位、感应回线等。CBTC相比传统的铁路信号系统有如下特性：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。3、CBTC的结构图CBTC设备组成列车自动监控系统(AutomaticTrainSupervision,ATS)区域控制器(ZC)计算机联锁系统(ComputerInterlocking,CI)车载控制器(VehicleOnBoardController,VOBC)数据存储单元(DataSavingUnit,DSU)轨旁设备(WaysideEquipment,WE)数据通信系统(DataCommunicationSystem,DCS)一、系统原理与组成8基本原理系统根据车载测速定位设备获知列车本身在线路上的位置，并由车载设备将列车位置、区段占用情况实时向ZC报告，同时联锁系统将线路信息包括信号显示、道岔位置、屏蔽门状态发送给ZC和车载，然后ZC向列车提供移动授权，对列车的运行提供保护。一、系统原理与组成CBTC工作原理CBTC系统是指通过无线通信的方式实现列车和地面间连续通信的列车控制系统。系统的核心部分为轨旁和车载两部分。列车通过机车上的测速传感器和线路上的应答器来得到列车的实时位置，应答器在线路的固定位置设置，列车每经过一个应答器就会在数据库中查找其位置，从而得到列车的精确位置，列车的实时速度是通过测速传感器获得的，速度对时间的积分获得列车的相对位移，每经过一个应答器的实际位置加上相对该应答器的相对位移就可以实时的获得列车的准确位置。VOBC将列车的准确位置通过WLAN发送给轨旁设备，实现列车对地面设备的通信。轨旁的核心设备是区域控制器ZC，它负责管理运行在其管辖范围内的所有列车。ZC接收VOBC发送过来的列车位置、速度和运行方向信息，同时从联锁设备获得列车进路、道岔状态信息，从ATS接收临时限速信息，在考虑其他一些障碍物的条件计算MA，并向列车发送，告诉列车可以走多远、多快，从而保证列车间的安全行车间隔。由于CBTC系统能够精确的知道列车的位置，“速度一距离模式曲线(Distancetogo)”是其对列车的控制原则。事实上，不管是CBTC系统还是传统意义上的由轨道电路完成列车控制的系统控车原则都很相似，只不过CBTC系统对列车位置的把握准确度更高，对列车控制的准确度也会更高，基于轨道电路的系统，移动授权是轨道区段长若干倍，而CBTC系统，移动授权更精确。正是CBTC系统能够更精确的控车，才有的缩短了列车追踪间隔，使运行效率大大提高。11一、系统组成ATS系统ATS系统主要实现对列车运行的监督和指挥，辅助调度任意对全线列车进行管理，ATS包括控制中心和车站设备。基本功能包括：列车识别和跟踪、运行图管理、列车进路办理、在线列车冲突管理、列车运行自动调整、扣车、跳车、临时限速等。联锁系统轨道空闲处理、进路控制、道岔控制和信号控制功能是CI子系统的主要功能。进路控制功能负责整条进路的排列、锁闭、保持和解锁。道岔控制功能负责道岔的解锁、转换、锁闭和监督。这些动作是对ATS子系统命令的响应。信号控制功能负责监督轨道旁信号机的状态，并根据进路、轨道区段、道岔和其它轨旁信号机的状态来控制信号机。它根据来自ATS的命令设置信号机何时为停车显示。它也产生命令输出，ATC系统以此来控制列车从一个进路行驶到另一进路。一、系统组成13一、系统组成联锁系统传统联锁系统CBTC联锁系统列车位置检查手段由轨道电路完成，联锁检查GJ前节点的状态来判断某一区段的占用及出清状态联锁接收区域控制器（ZC）的列车位置信息，该信息由车载ATP通过无线或其他方式传输给ZC；在后备模式下通过计轴器来确定物理区段占用情况联锁逻辑检查要素检查进路始、终端信号机及其状态多数情况下，联锁无需检查信号机条件；当线路中设置信号机时联锁检查条件要依据信号机的位置分别处理，详细原则见下文检查进路所包含的轨道区段状态，是否被征用、占用或空闲只需明确进路路径，不需要检查区段空闲状态检查待锁闭进路的相关敌对进路状态，是否已经预选或锁闭与传统联锁相同联锁设备管理区域传统联锁系统以进、出站信号机为界限，只管理站内的进路及相关地面信号要素，车站以外的地面信号要素由区间设备管理实现区域化联锁控制，将区间设备也纳入所属联锁区，由设备集中站联锁统一管辖；联锁区之间通过通信方式实现站间照查《城轨正线计算机联锁逻辑设计浅析》，梁云鹏、王呈、吕浩炯，机车电传动2012年3期VOBC子系统在VOBC子系统中，列车的位置和运行方向信息在保证列车安全运行中作用重大，列车定位方式采用测速传感器和地面应答器相结合的方式实现。DCS数据通信系统数据通信系统采用无线局域网WLAN技术，通过沿线设无线接入点(AccessPoint,AP)的方式实现列车与地面之间不间断的数据通信。一个AP点可以传输几十千米的距离。一、系统组成DSU系统城市轨道交通CBTC系统中，列车不是通过轨道电路来定位的，是列车通过安装在车轮上的测速传感器来实现的，为了实现系统的调度和协调统一，就要求列车和地面共用一个数据库。要实现整个数据库的管理就需要数据存储单元DSU来实现，这个数据库存储了列车与地面的各种信息，其中有静态数据库，也有动态数据库。ZC功能的实现就需要不断的调用数据库中的数据。因此，数据库中数据的安全是很重要的，在CBTC系统中是通过冗余的方式来保证数据库中数据的安全。一、系统组成16一、系统组成ZC区域控制器(地面ATP系统)ZC区域控制器又被称为轨旁ATP,安装在轨旁的地面ATP系统可以接收其控制范围内列车发出的所有位置信息。根据轨道上障碍物的位置，向辖区内的所有列车提供行车许可。地面ATP系统的主要功能包括：对辖区内所有运行列车的管理、生成行车许可、以及保证列车进入和驶离管辖区域的运行安全等。17一、系统组成所谓“障碍物”包括前行列车、关闭区域、失去位置表示的道岔，以及任何外部产生的因素如-紧急停车按钮、站台屏蔽门、防淹门和隔离保护门等。同时，地面ATP系统还负责对相邻地面ATP系统的行车许可请求作出响应，完成列车从一个区域到另一个区域的交接。18地面ATP系统与其它设备的信息交互图19地面ATP设备在对列车进行安全防护及生成MA过程中，需使用车载报告的列车位置信息。但此位置信息不安全，地面ATP系统必须对此信息进行安全处理。造成位置误差的因素有：车-地通信延时、丢数等。地面ATP系统需根据列车参数及预估的通信延时对列车位置增加相应的包络，从而保证列车的安全。经过安全包络处理后的列车位置称为列车的安全位置，列车汇报给地面ATP系统的列车位置称为列车的非安全位置。地面ATP设备功能原理列车安全定位20计算列车安全位置要考虑哪些因素：测距误差位置汇报的生存周期列车最大速度列车加速度倒溜限制地面ATP设备功能原理列车安全位置21地面ATP设备在生成MA的过程中，会处理到各种障碍物，从中选取符合条件的能够作为列车当前运行终点的终点障碍物。终点障碍物既有可能是静态障碍物，例如道岔，进路终点等；也有可能是动态障碍物，例如前方列车等。列车的行车许可会有规律地、周期性地重建。经过安全包络处理后的列车位置称为列车的安全位置，列车汇报给地面ATP系统的列车位置称为列车的非安全位置。地面ATP设备功能原理生成行车许可22（1）列车运行在地面ATP系统的管辖范围内，车载设备向地面ATP系统汇报列车位置、测距误差以及行车许可申请等信息，地面ATP根据这些信息，计算产生列车的安全位置，如下图所示：（2）地面ATP根据计算生成的列车安全位置，确定列车在线路上的位置。行车许可计算过程生成行车许可——获得当前列车位置23（3）联锁采集线路内障碍物状态（道岔、屏蔽门、紧急停车按钮、计轴区段等），向地面ATP系统发送障碍物信息及联锁的进路信息。（4）确定行车许可的计算范围。地面ATP接收到联锁的进路信息、障碍物信息，根据列车在线路上的位置信息，确定列车当前能够使用的进路范围。如下图所示，列车运行在进路R1上，进路R2、R3均已排列，地面ATP通过线路上列车运行情况及信号机的接近区段情况判断该车为最接近进路R2和R3的受控制的列车，将进路R1、R2、R3均分配给该列车使用，这样就确定了为该列车计算行车许可需要考虑的范围。行车许可计算过程生成行车许可——采集障碍物信息24（5）确定该列车MA需考虑的范围后，MA计算所需考虑的障碍物类型可划分为两大类情况，分别进行遍历：一类为静态障碍物，线路上静态存在的可能影响列车运行的障碍物（包括道岔、安全门、站台紧急关闭按钮等）；另一类为动态障碍物，在线路上运行的列车。行车许可需考虑这两类障碍物，综合确定。（6）若对于静态障碍物和动态障碍物而言，在按照从近到远的顺序遍历障碍物后，如果在进路中没找到影响列车运行安全的障碍物，将行车许可的终点设置在分配给该车的最远进路的终点，同时将行车许可范围中的所有障碍物以在行车许可信息的形式发送给列车。行车许可计算过程生成行车许可——检查前方障碍物25（7）对于静态障碍物，地面ATP需要从列车车尾安全位置（行车许可起点），按照由近到远的顺序，遍历线路上的静态障碍物的状态是否会影响列车运行的安全。（8）对于静态障碍物中的道岔而言，在进行行车许可计算过程中，需要检查道岔的当前状态与进路要求的联锁状态是否相符，若当前状态与进路要求的联锁状态相符，则认为道岔不会影响列车运行安全，允许将行车许可延伸通过该道岔；否则，不允许行车许可延伸，将该道岔作为终点障碍物。行车许可计算过程生成行车许可——检查静态障碍物26（9）对于静态障碍物中的站台安全门（或站台紧急关闭按钮），需检查站台安全门（或站台紧急关闭按钮）当前状态是否为打开状态，若检查发现障碍物状态为打开，将不允许MA延伸通过该障碍物，将站台安全门（或站台紧急关闭按钮）对应的站台区域始端位置作为终点障碍物；反之，则允许行车许可延伸通过该障碍物。行车许可计算过程生成行车许可——检查静态障碍物27（10）完成了静态障碍物遍历后，地面ATP系统还需根据线路情况及列车情况，检查MA遍历范围内的其他列车运行情况，根据前车位置情况又可划分为几种情况：情况一为前车位于站台区域内，由于同一时刻只允许一列车在站台区域内运行，因此，此时应将对应的站台区域的始端作为终点障碍物；情况二为两列车在区间运行，将前车的安全车尾位置作为终点障碍物。行车许可计算过程生成行车许可——检查动态障碍物28对控制范围内的列车进行监督管理将每列车的运行过程划分为不同的运行控制状态对不同的