基于通信的列车控制系统.docx
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基于通信的列车控制系统
基于通信的列车控制系统（CBTC）
【引导案例】
目前，在新建地铁信号系统的方案选择上，采用CBTC无线AP（无线接入点）接入方式的线路已越来越多。
采用AP接入，具有成本较低、通信带宽高、可部分使用商用设备、安装调试方案灵活和施工时间短等优点。
现在我国在建或改造的地铁线路中，采用无线AP接入的有北京地铁4号线、l0号线和深圳地铁2号线等。
欧洲ETCS计划，为了实现欧洲铁路互联互通，车载设备采用ETCS总线，可以灵活地支持与各种传统设备及ETCS车载设备的通信；传输设备有欧洲应答器和欧洲环路，即数据传输速率为565kb／s的磁应答器和采用漏泄电缆的环路；欧洲无线也在进行工程实施。
ERTMS系统是为了适应欧洲铁路互联互通的目的，它集联锁、列控和运行管理于一体。
西班牙的马德里—巴塞罗拿线采用该系统，列控系统符合欧洲铁路统一标准ETCS二级标准，速度监控方式采用一次连续速度曲线控制模式（又称目标距离一次制动模式曲线方式），列车占用靠UM2000轨道电路，列车定位靠欧洲应答器，车与地双向传输靠无线数传。
在城市轨道交通中，基于通信的列车控制系统CBTC（CommunicationBasedTrainContrl）是一种采用先进的通信、计算机、控制技术相结合的列车控制系统。
相对于固定闭塞而言又把它称为移动闭塞。
移动闭塞是目前线路能力利用效率更高的列车闭塞方式。
与固定闭塞方式相比，移动闭塞相当于将区间分成了无数个细小的、连续的闭塞分区，它使得列车间的安全信息传递得更为频繁、及时和详细。
因为移动闭塞系统能够比固定闭塞更优地确定列车的位置和传输列车信息，所以移动闭塞系统可以根据列车的动态运行确定更小的列车间隔。
同样，取消固定闭塞所需的轨道设备也可以减少维修费用，并且利用列车和路边设备的传输信息通道也可以传输与列车实时运行有关的操纵信息，以提高管理能力和诊断故障设备。
因此，采用移动闭塞系统能够更好地满足铁路的需要。
典型的基于通信的列车控制系统（CBTC）的结构框图如图5-1所示。
由图可见，整个CBTC系统包括CBTC地面设备（含联锁）和CBTC车载设备，地面和车载设备通过“数据通信网络”连接起来，构成系统的核心。
CBTC设备和ATS设备共同构成基于通信的移动闭塞ATC系统。
图5-1列车控制系统（CBTC）的结构框图
第一节CBTC系统的特点与分类
一、CBTC系统的特点
CBTC系统摆脱了用轨道电路判别列车对闭塞分区占用与否，突破了固定或准移动闭塞的局限性，具有更大的优越性和特点：
（1）实现列车与轨旁设备实时双向通信且信息量大。
（2）可减少轨旁设备，便于安装维修，有利于紧急状态下利用线路作为人员疏散的通道，有利于降低系统全寿命周期内的运营成本。
（3）便于缩短列车编组、高密度运行，可以缩短站台长度和端站尾轨长度，提高服务质量，降低土建工程投资；实现线路列车双向运行而不增加地面设备，有利于线路故障或特殊需要时的反向运行控制。
（4）可适应各种类型、各种车速的列车，由于移动闭塞系统基本克服了准移动闭塞和固定闭塞系统地对车信息跳变的缺点，从而提高了列车运行的平稳性，增加了乘客的舒适度。
（5）可以实现节能控制、优化列车运行统计处理、缩短运行时分等多目标控制。
（6）移动闭塞系统，尤其是采用高速数据传输方式的系统，将带来信息利用的增值和功能的扩展，有利于现代化水平的提高。
（7）由于移动闭塞系统具有很高的实时性和响应性的要求，因此，其对系统的完整性要求高于其他制式的闭塞方式，系统的可靠性也应具有更高要求。
系统传输的可靠性和安全性是系统关注的核心，尤其是利用自由空间波传输信息的基于无线的移动闭塞系统其可靠性和安全性的要求更高。
二、CBTC系统的分类
CBTC系统就车地双向信息传输方式而言，可分为：
基于电缆环线传输方式（ILCBTC）；基于无线通信传输方式（RFCBTC）；基于其他数据传输媒介的传输方式。
RFCBTC系统中通常采用的扩展频谱方式有：
直接序列扩频和跳频扩频方式。
其他数据传输媒介传输方式有：
点式应答器、自由空间波、裂缝波导管和漏缆等方式。
直接序列扩频（DS—SS）系统又称为直接用编码序列对载波调制的系统，其编码序列通常是伪随机序列或叫伪噪声码，要传送的信息经数字化后和伪随机序列相加成复合码去调制载波。
跳频扩频（FH—SS）系统主要由码产生器和频率合成器组成，发射频率随机地由一个跳到另一个，接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变。
欧洲将满足故障一安全的信息传输系统称为“按照安全要求构造的通信系统”，它严格遵守欧洲电工委员会ENELEC制定的相应标准。
ENELEC将安全的信息传输系统分为封闭式和开放式两大类。
封闭式安全的信息传输系统一般又分为两类：
第一类为用电缆、光缆或数据总线组成的信息传输通道；第二类为轨道电路、轨道电缆或应答器作为信息传输通道。
对第一类信息传输通道的安全要求为：
必须构成信息传输通道的冗余，防止因个别信息点的故障而发生传输中断；必须通过适当的信道编码方式，使系统对数据传输过程中的偶发性差错具有自动检查和纠错功能。
对第二类信息传输通道的安全要求为：
必须通过编码技术来确保发送与接收数码的同步；必须通过冗余编码技术来保证数据传输系统具有自检和纠错能力，汉明距应足够大，同一数据至少重复传输3次。
开放式安全的信息传输系统，基于无线通信传输方式（RFCBTC），采用开放式安全的信息传输系统，它应针对以下7种威胁提供有效的数据安全防护，以确保信息的真实性、完整性、及时性和顺序准确性。
7种威胁为：
重复、删除、插入、乱序、破坏、延迟、窃取。
针对7种威胁，提出下列要求：
信道编码必须附有安全冗余码，汉明距应大于等于15；只要不能绝对排除非授权的访问，就必须使用带密钥的密码技术；当使用密码技术时，推荐使用国际标准ISO／IEC10116所规定的操作模式。
以下为使用各种信息传输方式的移动闭塞ATC系统的构成框图，基于电缆环线传输方式的移动闭塞ATC系统框图见图5-2；基于无线通信的移动闭塞ATC系统框图见图5-3。
图5-2基于电缆环线传输方式的移动闭塞ATC系统框图
图5-3基于无线通信的移动闭塞ATC系统框图
西门子的CBTC系统是一个安全、可靠、先进、适应线性电机运载、基于无线通信的列车运行控制系统。
它由SICAS计算机联锁系统、TRAINGUARDMT移动闭塞式列控系统（ATP／ATO）、VICOSOC系统（ATS）组成。
西门子的CBTC系统现应用于广州轨道交通4号线和5号线。
还将用于北京地铁10号线、上海地铁10号线、南京地铁2号线等。
第二节西门子的CBTC系统结构
西门子的CBTC系统由VICOS、SICAS、TRAINGUARDMT三个子系统组成。
它们分为中央层、轨旁层、车载层四个层级，分级实现ATC功能。
中央层分为中央级和车站级。
在中央级，实现集中的线路运行控制；在车站级，为车站控制和后备模式的功能提供给车站操作员工作站（LOW）和列车进路计算机（TRC）。
轨旁层沿着线路分布，它由SICAS计算机联锁、TRAINGUARDMT系统、信号机、计轴器和应答器等组成。
它们共同执行所有的联锁和轨旁ATP功能。
通信层在轨旁和车载设备之间提供连续式和／或点式通信。
车载层完成TRAINGUARDMT的车载ATP和ATO功能。
西门子的CBTC系统结构如图5-4所示。
一、VICOS
VICOS分为中央级的VICOSOC501和车站级的VICOSOC101。
HMI是列车调度员的操作台。
来自SICASECC（ECC——元件接口模块）、TRAIN—
图5-4西门子的CBTC系统结构
ECC—元件接口模块；ODI—操作／显示接口；OPG—速度脉冲发生器；HMI—人机接口；LEU—轨旁电子单元；s＆D—检查和诊断；TSCU_V—轨旁安全计算机单元。
GUARDMT（MT——城市轨道交通）和其他外围系统的动态数据汇集在VICOSOC501的COM服务器并处理，ADM服务器负责中心数据存储和报告，FEP（前端服务器）负责将其他外围系统接入ATS服务器。
二、SICAS
SICAS主要包括列车进路计算机（TRC）和车站操作员工作站（LOW）。
计算机有连接室外设备和轨道空闲检测系统接口。
SICAS使用联锁PROFIBUS总线用于SICASECC的内部通信。
LOW、TRC和S&D系统直接与SICASECC和TRAINGUARDMT通信。
SICASECCODI（ODI——操作／显示接口）和TRAINGUARDMT轨旁设备之间的通信通过一个ATCPROFIBUS总线实现。
SICAS和TRAINGUARDMT总线是双通道双向的光纤通信连接。
每个通道独立工作并且提供故障一安全的通信。
使用两个通道是为系统的高可用性提供冗余。
三、TRAINGUARDMT
TRAINGUARDMT系统包括ATP／ATO和通信设备。
ATP／ATO分为轨旁单元和车载单元。
轨旁ATP系统与联锁系统、ATS系统、列车（经过轨旁一列车通信系统）以及相邻的ATP系统有双向接口。
通过轨旁到列车的通信网络，在轨旁单元和车载单元之间建立了双向通信。
在车载结构中，两个相互独立的无线系统的列车单元（Tu）分别安装于列车前后的驾驶室内，作为轨旁无线单元AP的通信客户端。
这两个TU通过一个点对点的以太网连接，不间断地相互通信。
同时，这两个TU分别连接到列车前后的列车控制系统。
第三节系统功能与特点
一、系统功能
系统的功能包括ATS功能、联锁功能、ATP／ATO功能、列车检测功能、试车线功能、培训和模拟功能。
1.ATS功能
ATS除了自动进路排列（ARS）功能、自动列车调整（ATR）功能、列车监督和追踪（TMT）、时刻表（TIT）、控制中心人机接口（HMI）和报告、报警与文档等主要功能外，还改进和增加了以下功能：
在CTC通信级使用双向通信通道；在ATS后备模式下车站级可以输入车次号；适应移动闭塞的控制要求；TRC（列车进路计算机）取代RTU的自动进路排列功能；提供独立的冗余局域网段；在ATS显示列车状态信息；与MCS（主控系统）的接口；与车辆段联锁的接口；提供操作日志（含故障信息）的归档功能；设两个控制中心；车辆段调度员ATS工作站进行出库列车自动预先通知，在规定时间无列车在车辆段转换轨时自动报警。
正常情况下，各线的控制中心行使行车调度职权。
当各线控制中心的HMI丧失有效的行车调度和控制功能或当运营需要时，系统应能切换至综合控制指挥中心进行调度和控制。
系统的切换能人工操作，也可以自动进行，但自动切换时必须经过人工确认。
2.联锁功能
联锁除了轨道空闲处理（TVP）、进路控制（RC）、道岔控制（PC）和信号机控制（sc）等主要功能外，联锁设备与ATS系统相结合，可实现中央ATS和联锁设备的两级控制。
根据运营要求，应能自动或人工进行进路控制。
其中人工控制分为中央ATS人工和联锁设备人工两类，自动控制分为中央ATS自动、联锁设备自动。
人工控制进路优先级高于自动控制进路。
根据需要可进行联锁与中央ATS两级控制权的转换。
控制权的转换过程中及转换后，未经人工介入各进路的原自动控制模式不变。
在特殊情况下，可不经控制权的转换操作强制进行联锁设备的控制。
在车站级控制的情况下，如中央级功能完好，仍可设定或者保留中央自动功能（如ATR、ARS）。
在车站ATSLAN与中央ATS之间通信中断的情况下，列车将在本地工作站LOW和列车进路计算机TRC的操作下继续运行。
ATP／ATO功能将根据缺省的停站时间和缺省的自动列车调整值在连续式通信模式和点式通信模式下工作，联锁功能继续。
3.ATP／ATO功能
ATP／ATO除了ATP轨旁、通信、ATP／ATO车载等主要功能外，还改进和增加了以下功能：
不使用PTI的信息交换，相应的功能可以通过双向通信通道在CTC实现；适应线性电机系统的线路条件，满足与线性电机接口的新要求；提供ATO的冗余；ATO控制列车的原理适应移动闭塞的要求。
因此，TRAINGUARDMT的核心功能是移动闭塞列车间隔功能，根据线路的空闲状态和联锁状态（道岔状态、进路状态、运行方向、防淹门状态、PSD状态、ESB状态），产生移动授权电码。
正线区段（包括车辆段出入段线、存车线、折返线）具有双线双方向有人全自动驾驶运行功能。
列车进站停车时采取一级制动（连续制动曲线）的方式，按一级制动至目标停车点，中途不得缓解，且在进站前不会有非线路限速要求的减速台阶。
4.列车检测功能
采用计轴器（AXC）进行列车检测。
信号系统具有完善的远程故障自诊断功能，对全线的中央设备、车站设备、轨旁设备、车载设备以及车地通信设备进行实时监督和故障报警，能准确报警到可更换单元（插拔件）等，便于及时更换，并能根据用户需要经通信传输通道在车辆段维修中心实旅远程故障报警和故障诊断。
二、系统特点
CBTC系统的最主要特点是采用无线通信，构成移动闭塞。
TRAINGUARDMT是提供ATP／ATO功能的强大而先进的系统。
它是一个模块化的系统，可以适用于不同的需要。
1.连续式和点式通信方式并存
连续式通信方式和点式通信方式可以单独工作或同时使用。
连续式通信是使用无线进行轨旁和列车间的通信。
配合连续通信通道，列车根据移动闭塞原理相间隔，提供最小运行间隔，列车受ATP／ATO控制，构成移动闭塞。
点式通信则不依赖于连续通信通道，而采用基于应答器的点式通信通道从轨旁向车上传输数据。
配合点式通信通道，列车根据固定闭塞原理相间隔，并受ATP／ATO控制，构成固定闭塞。
固定闭塞运行可作为移动闭塞运行的后备模式。
2.混合运行
装备和未装备ATP／ATO的列车可以在同一线路上运行。
被司机人工驾驶的列车可以与采用ATO自动驾驶的列车混跑。
3.可升、降级
系统可以容易地从基本的运行模式（点式通信，固定闭塞）升级到高性能的等级（连续式通信，移动闭塞），直到无人驾驶的运行等级（MTO）。
在故障时，可适度降级，不同的运行等级可以使用一个比较低的等级作为后备级，例如：
移动闭塞／连续通信的ATP／ATO-+固定闭影点式通信的ATP／ATO--*使用信号机的联锁级。
4.可扩展性
一条装备TRAINGUARDMT的线路可很容易地扩展，增加车站和列车。
第四节基于漏泄波导通信的列车运行控制系统
基于漏泄波导通信的列车运行控制系统是以漏泄波导为通信媒介，通过车站和轨旁的设备实现地面与列车的信息交换，从而达到对列车运行的控制。
列车在线路中的位置需要列车通过车载里程仪测量后经车载通信天线发送给轨旁设备，并经过其处理后送到车站控制设备，车站控制设备再将这一信息转发给后续列车，后续列车知道了前行列车的位置，可根据事先定义的安全行车原则，实现移动闭塞。
采用以无线扩频电台和漏泄波导为通信媒介，漏泄波导作为无线电台的天线使用的方法，彻底解决了无线电台在地铁隧道中信号传输的问题，是一个安全、可靠、先进的信号系统，最适合在地铁环境中使用。
基于漏泄波导通信的列车运行控制系统，是采用沿轨道铺设漏泄波导的方式，以波导信息网络、无线扩频电台为基础，采用时分多址即TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）通信方式，通过有线和无线网络的集合，实现列车与轨旁设备的双向连续通信及列车定位功能，最终实现移动闭塞信号控制系统。
一、波导信息网络
波导信息网络用于确保列车和本地ATS系统、控制中心之间的车地双向连续传输信息。
波导信息网络是由多个波导信息网通信单元和车载的波导信息网移动站组成。
图5-5为波导信息网络结构图。
图5-5波导信息网络结构图
波导信息网基站（WaveguideBaseStation，简称WBS）由车站计算机、无线扩频电台、数据采集卡、无源滤波器、窄缝检测发射器、耦合器等组成。
WBS对上／下行线是独立管理的。
波导信息网基站主要负责接收和处理车载计算机的数据、发送主控计算机的数据、接收列车定位数据、处理数据采集卡采集的列车运行数据、提供MMI接口、接收MMI发送的列车控制信息并通过报文模块发送、提供TCP／IP通信接口、提供串口通信接口等。
它是组成波导信息网络单元的最基本的部分，是和车载移动站进行车地通信的工作站。
波导信息网移动站（WaveguideMoveStation，简称WMS）由车载计算机、车载无线电台、数据采集卡、车载ATP／ATO设备、接口电路以及信标接收天线和解码器窄缝探测接收器等组成。
在列车两端的驾驶室各设一个波导信息网移动站。
车载计算机安装专用的数据采集卡、数据采集软件、操作系统、数据库，作为移动工作站。
主要负责数据初始化、无线网络连接、获得位置信息、速度计算、控制区交接通信、与车站计算机交换信息、数据记录、数据处理、列车控制系统（窄缝探测接收器）接口等。
信号传输是通过ATS中心控制室、车站计算机、车载计算机、车载电台和列车上的定位天线发射和接收信号，轨旁单元通过同轴电缆与裂缝波导连接，以裂缝波导为载体双向传输列车实时信息。
波导信息网基站和轨旁ATP／ATO是有线连接，轨旁ATP／ATO之间通过光纤、尾纤、光配线架、光端机等形成区间链路。
波导信息网基站和波导信息网移动站之间的无线网络执行IEEE802．11和IEEE802．3标准。
操作系统可选用WindowsNT4．O、Linux、Windows2000等。
波导信息网使用无线扩频电台进行网络通信。
跳频时间与时分复用周期建立同步关系。
各控制区间的通讯网有一定的重叠覆盖区，保证列车运行至控制区分界处时，可以平滑过渡，在车站主控计算机上安装网络操作系统，系统根据每列列车的车载计算机的标识不同及其无线网卡配置的不同来识别每列列车。
使用大型数据库软件（如Oracle，Sybase等），通过数据采集卡的数据采集软件，获取车载计算机发出的列车运行数据，对数据进行分析、计算、查询、统计、更新、存储等。
车载、车站的控制软件对所其需数据通过波导信息网进行发送、下载和更新。
二、通信单元
系统中的通信单元由裂缝波导（用于辐射电磁波载波）、波导同轴变换器（用于向裂缝波导馈入射频载波信号）、同轴电缆、终端负载、波导信息网基站、轨旁ATP／ATO、区间链路与沿线设备共同组成的一个无线和有线相结合的通信网络。
系统中的通信单元是组成波导信息网络的基础，负责每个车站的信息管理，列车控制等，信息通过区间链路等通信网络和控制中心进行交换，以便控制中心对每列列车进行调度管理。
每个通信单元和本地ATS、轨旁ATP／ATO、计算机联锁、轨道电路组成一个信号控制车站。
站台信号设备如信号机、屏蔽门、紧急停车按钮由信号控制车站的联锁设备控制。
信号控制车站主要负责：
初始化网络配置、无线网络管理、数据记录、数据处理、跟踪列车、速度计算、提供操作员接口、列车控制系统接口、车载计算机信息交换等。
三、微波裂缝波导
采用微波裂缝波导系统作为车一地双向数据传输的媒介。
微波裂缝波导系统是波导信息网络的关键部分，它是具有较宽带宽的，可以同时传输数据、语音及视频信号的传输系统，用于车地双向连续数据传输及列车定位。
裂缝波导是个中空的铝质矩形管，在其顶部等间隔开有窄缝。
图5-6为裂缝波导管外形示意图。
使用这种结构的波导管可以实现在载频范围内的微波沿裂缝波导均匀辐射，在波导上方的适当位置接收器可以接收波导裂缝辐射的信号，接收器通过信号处理得到有用的数据，轨旁ATP／ATO——语音、视频：
数据使用TDMA作为系统的通信组织管理方式。
TDMA就是所有用户使用同一射频带宽，按某种秩序分时发射的多址通信技术。
波导信息网基站向每列列车给出同步信号，给每节列车预先分配好一个固定时隙，每列列车在各自的时隙内和波导信息网基站交换信息（具体的时隙划分需要根据扩频电台的技术指标确定，一般一个时隙大约10ms），采用直接序列扩频和跳频来防止干扰。
图5-6裂缝波导管外形示意图
波导信息网基站使用同轴电缆与裂缝波导连接，通过裂缝波导与车载电台交换信息，列车与轨旁单元的信息交换在固定的时隙内完成。
系统每秒多次对每辆列车的位置进行检测，利用时分多址（TDMA）方法，最多可同时控制30辆列车。
交换的数据内容包括列车的车次号、当前相对位置、当前运行速度、运行时间、运行距离、到达时间、出清时间等，列车通过载ATP／ATO控制列车的运行并精确定位。
四、列车运行距离计算
列车的运行距离=波导裂缝间距×相对起始点开始检测到的裂缝数。
根据位置信息及相应的运行时间计算出列车当前的速度，列车将速度信息和相对位置放入报文发给轨旁基站，再通过远程控制单元传输给控制中心。
五、列车定位
每列列车自身具有定位功能，确定自身的速度一目标距离曲线。
列车通过车载传感器和读取轨旁信标的信息进行初始化、更新数据或精确停车。
当列车通过时，使用安装在线路内的信标确定列车的绝对位置和运行方向，列车通过波导信息网向轨旁ATP发送其位置信息。
由于采用的裂缝波导是在其顶部等间隔开有窄缝，因此，列车的绝对位置可以通过对裂缝波导缝隙的计数和信标对比得到。
六、移动闭塞区的防护
轨旁设备收集所有列车的位置信息，对每列列车进行管理，根据列车实时位置、速度和列车信息确定安全保护区段。
轨旁设备为每个车载ATP提供一个后续列车不能进入当前列车“保护范围”的涉及故障一安全的限制位置。
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