CBTC系统简介

CBTC系统资料一.移动闭塞系统工作原理和特点上面我们介绍的是以轨道电路为传输信道，以传输“目标速度”为主要内容的ATC系统，这是当前我国列车自动控制系统的主要模式，从闭塞的概念分析，它们都可以归属于“准移动闭塞”的范畴，后续列车与先行列车之间的行车间隔都与闭塞分区的划分有关，也就是说，后续列车与先行列车不可能运行在在同一个闭塞分区，后续列车必须保证在先行列车所占用的闭塞分区的分界点前停车。如图33所示。图33.不同闭塞制式的列车运行间隔示意图图中所示速度码制式的图例，可以对应于音频无绝缘轨道电路的ATC系统；准移动闭塞的图例可以对应于目标速度制式的ATC系统，这些制式下为了缩短行车间隔，必须缩小轨道区段的长度，当然要增加轨道电路的硬件设备；对于不同列车编组的运行线路，更是难以实现。移动闭塞（Movingblock）是缩小行车间隔，提高行车效率的有效途径，其列车运行的安全保证，不再依赖轨道电路的划分，而基于列车与地面的双向通信，如图33所示，使后续列车与先行列车之间始终保持制动距离，加上动态安全保护距离。移动闭塞系统相比现有的ATC系统主要有以下特点：1、可以缩小列车之间的行车间隔；2、车－地之间的信息交换，不再依赖于轨道电路；3、车辆控制中心掌握在线运行各次列车的精确位置和速度；4、列车与控制中心之间保持不间断地双向通信；5、不同编组（不同长度）的列车，可以以最高的密度，运行于同一线路；6、ATC系统，从一个以硬件为基础的系统，向以软件为基础的系统演变。基于通信的列车运行控制系统（Communication-BasedTrainControl—简称CBTC系统）,便是支持移动闭塞的列车运行控制系统，它不仅适用于新建的各种城市轨道交通，也适用于旧线改造、不同编组运行以及不同线路的跨线运行。近年来，随着通信技术的发展，尤其是无线通信、计算机网络技术和数字信号处理技术的迅速发展，信号系统的冗余、容错技术完善，在信号这个传统领域为CBTC的发展奠定了基础，CBTC系统已逐渐被信号界所认可，基于感应环线通信的移动闭塞CBTC系统，在我国也已运用于城市轨道交通；而基于无线（Radio）通信虚拟闭塞的CBTC系统，已经在国外多个城市轨道交通中被采纳，我国某些大城市的城市轨道交通也已经决定选用这种制式。下面我们先对基于感应环线通信的移动闭塞CBTC系统进行一些分析，然后对基于无线（Radio）通信虚拟闭塞的CBTC系统作些介绍。二.基于感应环线通信的移动闭塞制式CBTC系统移动闭塞系统在城市轨道交通中运用的前提，是实现列车与地面的双向实时通信，而双向通信的地面有线设备，目前主要有两种方式，一种是在全线敷设用于发送微波的波导管，这种制式的移动闭塞，已于2003年初，在国外的城市轨道交通中得到运用；另一种是利用敷设于全线的感应环线进行双向通信，这种制式的移动闭塞，在国外早已经得到运用，目前我国至少有两个城市的轨道交通，决定采用这种制式。由于篇幅所限，尽可能结合国内的实际情况，这里主要介绍基于“感应环线”通信的移动闭塞CBTC系统。移动闭塞原理示意图，如图34所示。图34、移动闭塞原理示意图（一）移动闭塞系统的基本构成移动闭塞系统由系统管理中心（SMC）；车辆控制中心（VCC）；车载设备（VOBC）；车站控制器（STC）；感应环线通信系统设备；车场系统设备；车站发车指示器、站台紧急停车按钮、接口等设备组成。如图所示，系统管理中心与车辆控制中心进行双向通信，完成对所有列车的自动监控；车辆控制中心与全线的列车进行不间断地双向通信，所有的列车将其所在的精确位置和运行速度，报告给车辆控制中心；车辆控制中心在完全掌握所有列车的精确位置、速度等信息的前提下，告知各列列车运行的目标停车点；列车接收车辆控制中心发来的目标停车点信息，车载计算机根据允许运行的距离、所在区段的线路条件及列车的性能等，不断地计算运行速度，自动地完成速度控制。车辆控制中心还与车站联锁装置通信，完成列车进路的排列。1、系统管理中心（SMC）的构成系统管理中心，对系统进行全面的协调管理，完成所有的列车自动监控功能。其设备设于运营控制中心（OCC），系统的软件/硬件都按模块化的原则设计。其主要硬件部分包括：（1）系统管理中心工作站。除系统服务器外，还配置调度员工作站、调度长工作站、模拟显示工作站、系统维护工作站、运行图编辑工作站及车场监视工作站。（2）运行图调整服务器（SRS）。冗余的运行图调整服务器，通过系统管理中心I/O与车辆控制中心相连，以实现运行图调整服务器与车辆控制中心的通信，运行图调整服务器还与SCADA、时钟、无线等系统接口。（3）数据日志服务器，冗余配置，它可以保留二个月以上的运行数据。（4）网络通信设施。包括：系统管理中心的双局域网、冗余交换机、与光纤传输通道的冗余接入设施、与培训中心及综合维修基地连接的通信设施等。（5）车站控制器紧急通路（SCEG），当车辆控制中心出现故障，不能对系统进行控制时，管理中心通过车站控制紧急通路，直接与车站控制器（STC）进行通信连接，实现对在线列车和轨旁设备的监控。车站控制器紧急通路有紧急通路切换开关设备、协议转换单元（PCU）组成，每台协议转换单元可与两台车站控制器进行通信连接。（6）系统管理中心I/O机架。（7）投影模拟显示系统。包括：模拟显示控制工作站，及背投模拟显示屏。还有车场系统管理中心工作站，综合维修基地监测工作站、仿真及培训远程终端设备等。2、车辆控制中心（VCC）的构成车辆控制中心，位于运营控制中心，它有以下主要部分构成：（1）车辆控制中心的中央计算机。中央计算机采取三取二的配置，它包括三台工业级计算机，以及相关的输入/输出接口；三个中央处理单元通过显示/键盘选择开关，来共享一个显示和键盘；还有通用接口盒、电缆分线盒等。（2）车辆控制中心的I/O机架。主要设备有：多路复用输入设备；中央同步设备；电源、定时器、保险丝等。（3）车辆控制中心的数据传输架。（4）车辆控制中心的调度员终端。（5）中央紧急停车按钮（CESB）。它与车辆控制中心接口，当调度员按下该按钮，将封锁所有的轨道，而且所有的列车立即停车；当紧急停车按钮中插入钥匙后，才可以解除。车辆控制中心还设有数据记录计算机、打印机等其他设备。3、轨旁设备轨旁设备，主要有车站控制器（STC）；感应环线通信系统；系统管理中心的车站工作站等设备。（1）车站控制器，设于设备集中站，每个车站控制器都有一个道岔安全控制器，其中带冗余的双CPU固态联锁控制器，是车站控制器的核心单元。车站控制器通过双共线调制解调链路与车辆控制中心通信，它有调制、解调器机架、接口盘、电源机架、预处理器及其机架等组成。（2）感应环线通信系统，位于设备室和轨旁，它有以下设备组成：馈电设备（FID）；入口馈电设备（EFID）；远端环线盒；感应环线电缆；支架等。感应环线电缆由扭绞铜制线芯和绝缘防护层组成，环线敷设于轨道之间，每25米交叉一次。（3）系统管理中心的车站工作站，由工业级计算机和接入设备组成，其接入光纤通信环网，实现与系统管理中心的远程通信。它与车站控制器接口，实现车站的本地控制；还与旅客信息向导系统等设备接口。轨旁设备还包括：站台紧急停车按钮；站台发车指示器；车站现地控制盘；及信号机、转撤机等现场设备。4、车载设备ATC车载设备主要包括：车载控制器（VOBC）及其外围设备。（1）车载控制器，由电子单元（EU）、接口继电器单元（IRU）、供电单元等组成。电子单元包括天线滤波器、高频接收器、数据接收器、数据发送器、高频发送器、定位计算机、双CPU处理单元、输出/输入端口、发送/接收卡、车辆识别卡、输出继电器、距离测量控制、转速表放大器等。接口继电器单元包括：继电器面板、滤波/防护模块、电子单元与接口继电器单元的互联电缆等。（2）车载控制器的外围设备包括天线，（每个车载控制器设2个接收天线和2个发送天线）；速度传感器，每个车载控制器设二个速度传感器；司机显示盘（TOD），每列车设置两套。（3）接口。信号系统内部接口包括：与信号监测子系统的接口；与电源子系统的接口；与模拟显示屏的接口；与发车指示器的接口；与中央紧急停车按钮的接口；与信号机、转辙机等继电器控制电路的接口；与车站现地控制盘及站台紧急停车按钮的接口；与车场的接口；人机接口；主系统内部间的接口等。信号系统外部接口包括：与无线通信系统的接口；与时钟系统的接口；与通信传输系统的接口；与旅客信息系统（包括车上）的接口；与车辆的接口；与车辆管理系统的接口；与电力SCADA系统、FAS系统、BAS系统等的接口等。（二）系统功能基于感应环线通信的移动闭塞系统，能实现90秒的最小运行间隔。后续列车与前一列车的安全间隔距离，是根据列车当前的运行速度、制动曲线，以及列车在线路上的位置而动态计算出来。由于列车位置的定位精度高，因此，后续列车可以在该线路区段，以最大允许速度，安全地接近前一列车最后一次确认的尾部位置，并与之保持安全制动距离，如图35所示。图35.移动闭塞目标点示意图该“安全距离”是指后续列车的指令停车点（目标点）与前一列车尾部位置之间的一个固定距离，它是以最不利情况发生时，仍能保证安全间隔为前提计算而得。假如列车采用常用制动，列车可以停在目标点，当常用制动失效，实施紧急制动时，除了紧急制动所需时间外，必须增加系统作用时间和牵引停止到紧急制动启动的延时时间，这种情况下列车真正的停车点并不是目标点，而是远于目标点，但必须停在安全距离的范围内。为了确保列车的安全运行，列车必须连续不断地接收目标点的更新信息，系统设定列车在3秒内，收不到信息，就判断为通信发生故障，迫使列车紧急停车，保证列车运行安全。目标停车点的周期性前移，主要取决于前一列车向前移动，和其他限制被解除。在车辆控制中心，接收来自列车和现场设备的输入报文，当确认输入报文有效后，才产生相应的指令报文。系统管理中心对整个系统内的列车进路，及运行图/时刻表进行管理，并向负责联锁及道岔控制的车辆控制中心发出排列进路的请求，完成道岔联锁功能。一旦车辆控制中心确认道岔已锁在规定位置，才允许列车通过该道岔。在车辆控制层，车载控制器将确保列车的特定功能（如实施速度限制和车门控制等）的安全控制，均在车辆控制中心限制范围内，车载控制器对来自车辆控制中心的报文，校核其冗余性、一致性、合理性，然后解译，并执行该报文。当然它只对该列车（地址）为报头的报文作出反应，如果报文不是特定选址某一列车，那么车载控制器只从该报文提取环线识别号。以识别从一个环线段至下一个环线段的转换。移动闭塞系统功能框图见图36所示。1、管理层——系统管理中心（SMC）系统管理中心，负责列车自动控制系统的全面管理。它起着系统与中心调度员及系统其他用户间接口的作用，它除了监控和显示列车位置、调整列车运行、排列列车进路、实现停站时间控制等功能外，还具备以下功能：调度列车投入运营（增加或减少投入运营的列车）；运行图/时刻表管理（包括时刻表的生成、指定和取消）；自动调整列车运行（调整列车速度和停站时间）；监测列车性能的状况并收集ATO数据；自动跟踪列车；监督列车位置、速度、运行方向；指挥列车操作和排列进路（联锁控制）；优化折返作业；列车及线路的报警等。图36.移动闭塞系统功能框图（1）系统管理中心的中央工作站：①系统维护工作站所有工作站都由系统维护工作站管理，也即系统维护工作站对网络中的计算机系统进行维护，该工作站主要监视SMC网络性能，进行记录和对整个系统进行诊断和维护。②运行图/时刻表编辑工作站运行图/时刻表编辑工作站，可以在离线情况下对运行图/时刻表进行编辑，完成的运行图/时刻表文件，通过局域网传送到系统管理中心，也可以进行在线编辑。③调度员工作站调度员和调度长工作站实时监督在线列车的运行，并可实现列车运行的人工控制。（2）系统管理中心的车站工作站所有系统管理中心的车站工作站，都接入光纤通信环网，实现与中央系统管理中心的通信。车站工作站，可以实现与控制中心调度员工作站相同的功能，受系统维护工作站管理，由调度员授权，并对其授权管辖区域进行控制和监视。车