CBTC控制系统课件.ppt

1、沈阳地铁运营有限公司沈阳地铁运营有限公司城市轨道交通信号系统发展历程城市轨道交通信号系统发展历程v固定闭塞 采用模拟轨道电路v准移动闭塞 采用数字编码轨道电路v移动闭塞（CBTC）采用无线双向通信固定闭塞v采用模拟轨道电路采用模拟轨道电路v地面向车载设备传送地面向车载设备传送10201020种信息种信息v列车采用阶梯式安全防护列车采用阶梯式安全防护准移动闭塞准移动闭塞v 采用数字编码轨道电路采用数字编码轨道电路v 地面向车载设备传送数十位数字编码信息地面向车载设备传送数十位数字编码信息v 列车可实现一次模式曲线式安全防护列车可实现一次模式曲线式安全防护v 缩短了列车运行间隔，提高了舒适度缩短了

2、列车运行间隔，提高了舒适度TC 1TC 3TC 5TC 7100,100,1000 100,0,900100,0,600100,0,300100速速度度距离距离移动闭塞移动闭塞v 移动闭塞采用无线通信方式（环线或空间波）移动闭塞采用无线通信方式（环线或空间波）v 可实现车地双向大数据量信息传输可实现车地双向大数据量信息传输v 列车可实现一次模式曲线式安全防护，并且其防护点能够随列车可实现一次模式曲线式安全防护，并且其防护点能够随前车的移动适时更新前车的移动适时更新v 有利于进一步缩小行车间隔，提高运输效率。有利于进一步缩小行车间隔，提高运输效率。100速速度度距离距离 基于通信的列车控制系统基

3、于通信的列车控制系统CBTCCBTC（Communication Based Train ControlCommunication Based Train Control）v 列车自动监控子系统ATS（Automatic Train Supervision）v 列车自动防护子系统ATP（Automatic Train Protection）v 列车自动运行子系统ATO（Automatic Train Operation）v 计算机联锁子系统CI（Computer Interlocking）v 数据通信子系统DCS（Data Communication System）ATSATS子系统子系统AT

4、S是一个非安全的冗余系统vATS本质上是监控，任何ATS发出的对列车、道岔或者其它安全型子系统的命令都不会影响安全；安全型子系统会阻止所有非安全动作的执行。ATSATS子系统功能子系统功能v为中心调度员和车站值班员提供用户操作界面；v显示全线线路上列车和设备状态；v时刻表生成和执行；v自动列车进路分配；v调整列车间隔；v时刻表调整；v不同运行类型的速度曲线；v交叉点优先权；ATSATS子系统功能子系统功能v车站扣车；v车站跳停；v站台或者线路区域封锁；v执行临时限速；v为发车指示器设置停站时间；v为其它系统提供列车运行信息；v事件记录以及报告生成；v调度员操作事件重放；v检测系统中的所有设备状

5、态。ATPATP子系统功能子系统功能v ATP系统确保列车间具有适当的距离，以保证列车始终能够在正线区域控制器(ZC)提供的移动授权权限（LMA）范围内停下来。v VOBC持续地运算，以使列车位置尽可能接近ZC所提供的LMA，方法是先计算出安全距离，再从ZC所提供的LMA中减去该距离。vATP系统还提供倒溜保护、无意移动防护、超速监控和保护、列车完整性监控和保护、车门站台门监控和保护等功能。vVOBC监督列车每侧车门的关闭和锁闭状态。当列车在车站停车对位后，VOBC将会根据线路数据库和列车方向向列车的正确侧门（车门和屏蔽门）发送允许开门信号。ATPATP子系统功能子系统功能当以下条件满足时，V

6、OBC将允许列车出发：v列车和站台的屏蔽门已关闭并锁闭；vLMA前移，并足以允许列车完全离开车站。vZC和VOBC采取的是持续自检规则，只要设备通电，自检就一直在进行，所以不需要中断运营或等待自检完成。这就避免了设备上电或列车进入后在步骤上的延时。ATPATP子系统功能子系统功能ATPATP子系统组成子系统组成v控制中心的数据存储单元（DSU）v车站区域控制器（ZC）v车载设备（VOBC）构成v数据传输系统（DCS）将DSU、ZC和VOBC连接在一起。v数据库存储单元（DSU）是一个安全器件，它由ATC系统中的数据库组成。DSU硬件也采用与计算机联锁设备相同的硬件平台，采用二取二乘二冗余配置，

7、以提供安全性和可靠性。ATPATP子系统构成子系统构成静态线路数据库v那些永久不变的拓扑信息，如所有节点和边线，应答器位置和地址，ZC控制区域边界（即每个ZC对应的物理控制区域），存储在静态线路数据库。当对线路进行物理上的更改和增加时，可以对数据库进行修改。v这是一个非常强大、灵活的数据库，它允许系统对用户的不同需求作出响应。它提供了线路描述（轨道、坡度、最大速度），它也提供允许系统实现不同功能的系统构成。数据库的设计原则是，当线路延伸时，可以方便地增加新站、增加其它ZC，扩展区域控制器的控制范围等。动态线路数据库v动态线路数据库存储的信息可以被ATS操作员修改，如临时限速。临时数据库的版本号

8、会随着每次更新而递增。ATPATP子系统构成子系统构成子系统配置数据库v每个子系统都具有特定的子系统配置数据库，它们被用于初始化装载，使每个子系统在启动时有足够的引导信息。子系统数据库在系统初始化时装载至每个设备计算机内，并可以被修改和从DSU下载。新的配置文件只能在计算机的下一次启动时生效。v为每个区域控制器输入、输出提供的配置信息。这意味着所有ZC的软件是相同的，只是每个ZC拥有其特有的配置。这种特性使得ZC扩容可以轻松实现并能和附加设备接口。ATPATP子系统构成子系统构成兼容性数据库v兼容性数据库包括了子系统使用的软件、接口和数据库版本之间所有许可的兼容性。对每类子系统，都有一个与之相

9、对应的有效数据库版本号列表，对应每个数据库版本号，又有一个与其相兼容的接口和软件版本列表。接口版本列表包括每个接口的所有兼容接口版本，而软件版本列表包括所有兼容的软件版本。ATPATP子系统构成子系统构成vZC安装在联锁集中站，用于控制正线联锁和通过DCS向它辖区内的所有通信列车提供移动授权（LMA）列车移动授权，从而完成ATP功能。vVOBC和ZC采取的是持续自检规则，所以不需要中断运营或等待自检完成。这就避免了设备上电或恢复设备状态后在步骤上的延时。ATPATP子系统构成子系统构成v车载子系统为ATC系统和车辆子系统间提供接口。每列列车的两个驾驶室端都将配有一套VOBC，也可以采用一列车配

10、置一套VOBC的方案。ATPATP子系统构成子系统构成v应答器安装于轨旁，地面应答器与车载应答查询器协同工作，用来提供列车定位系统所需的信息。每个应答器被赋予一个唯一的身份标识（ID号）。应答器ID号与所处线路位置的对应关系会存储在数据库里。v车载计算机配置示意图VOBCVOBCATPATP子系统构成子系统构成车载设备的组成v车载控制器(VOBC)；v司机显示单元；v应答查询器天线；v加速度计；v速度传感器；v车载DCS；v车载驾驶室控制器无线单元。ATPATP子系统构成子系统构成车载控制器vVOBC的核心硬件与用于轨旁区域控制器（ZC）、控制中心数据存储电源（DSU）都基于TYJL-III型

11、计算机联锁系统的二取二乘二的硬件平台，所以使用的都是相同的硬件，从而减少了板卡种类的数量和生命周期成本。vVOBC硬件是模块化的、可以扩展的；在配置后可支持不同类型的列车。ATPATP子系统构成子系统构成v司机显示单元将提供给司机在不同模式下驾驶列车所需的控制和指示信息，使列车以不同的模式行驶。列车的两端各装一个TOD。ATPATP子系统构成子系统构成TOD可显示以下信息：v最大允许速度；v实际速度；v新的目标速度；v达到新目标速度的距离；TOD可显示以下信息：v停站倒计时；v故障；v车站对位停车v当前驾驶模式；vATO可用；vATP可用；ATPATP子系统构成子系统构成v车门开/关；vEB缓

12、解/施加；v位置建立/位置丢失；TOD可显示以下信息：v 列车发车授权；v 列车前进/反向；v 下一站；v 终点站；v 屏蔽门开/关；v 列车车门开门使能；v 扣车；v 超速指示；v 对超速状况、故障的音频报警v 折返就绪。ATPATP子系统构成子系统构成 ATPATP子系统构成子系统构成与列车信息管理系统接口v列车驾驶室控制单元提供一个与列车信息管理系统（TMIS）通信的串行接口。VOBC将传送数据给TMIS，例如进站信息，下一个目标点，跳站信息等。v这些信息将被TMIS使用并向车载旅客显示系统和车载旅客广播系统提供必要的数据。ATPATP子系统构成子系统构成vVOBC向ZC周期性的发送本列

13、车的位置等信息。vZC根据控制范围内列车位置和进路情况，计算出辖区内通信列车的LMA，并将其提供给列车。vVOBC负责控制列车在自己的LMA范围内运行。VOBC会监控最坏情况停车距离，以保证列车即使在最坏情况下总还能在ZC赋予的LMA范围内停车。ATPATP子系统构成子系统构成vVOBC将提供超速保护。如果列车速度超过超速允许范围，VOBC将会施加制动。vVOBC不断地向ZC和ATS报告列车完整性状态。如果列车完整性丢失超过预定时间，VOBC将施加紧急制动。v当列车在站台对位停车时，VOBC将会根据线路数据库和行驶方向给正确侧的车门和屏蔽门发送允许信号。ATPATP子系统构成子系统构成ATPA

14、TP子系统工作原理子系统工作原理列车位置初始化在满足下列条件的情况下，VOBC会建立列车位置：v检测到两个连续的应答器；v应答器顺序和它们的ID号与数据库描述一致；v应答器之间的测量距离和数据库描述值的误差在可接受的范围之内；v只有数据库有效，VOBC才认为其位置有效。列车速度与位置确定v VOBC使用速度传感器速度传感器与加速度计来确定行驶距离、列车速度以及行驶方向。VOBC在每个处理周期内处理速度传感器速度传感器与加速度计的输入。v VOBC把在一个连续处理周期（可配置）内所采集到的速度传感器脉冲总数相加，然后再除以测量的间隔时间，从而算出列车行驶速度。v 列车行驶速度和行驶距离也需要通过

15、加速度计的输入进行验证。v VOBC还对距离、速度及方向进行合理性检查。任何合理性检查的失败将会导致VOBC宣布列车处于未知的位置。ATPATP子系统工作原理子系统工作原理超速防护VOBC将强迫执行下列最大许可速度中的最小值，如果列车超过超速容限速度，VOBC将实施制动：v线路最大速度；v土建限速；v临时限制速度；v与减速或进站停车制动曲线相关的速度；v与特定模式相应的速度。ATPATP子系统工作原理子系统工作原理列车完整性检查vVOBC将不断地监视列车所提供的列车完整信号。v列车完整状况会通过VOBC不断的向ZC和ATS报告。如果在预定的时间里没有收到列车完整信号，VOBC将施加紧急制动。v

16、当ZC收到列车不完整报告时，会在列车周围建立一个保护区以阻止其他列车进入该区域。ATPATP子系统工作原理子系统工作原理v列车开门使能信号vVOBC会向列车两侧的车门控制器提供使能信号。当列车在车站对位停车时，VOBC会根据线路数据库和行驶方向使能正确侧的车门。ATPATP子系统工作原理子系统工作原理列车车门、屏蔽门监控vVOBC将监控列车两侧车门/屏蔽门的关闭与锁定状态。v当列车停靠时，如果车门关闭与锁定状态丢失，VOBC将防止列车运行。v如果列车运行时车门关闭与锁定状态丢失，VOBC将施加紧急制动。LMA障碍物LMA被列车前方最近的障碍物所限制。可能的障碍物包括：v 线路封锁区域;v 另一

17、个处于通信状态列车的LMA;v 道岔v 故障ZC控制的区域;v 非通信列车；ATPATP子系统工作原理子系统工作原理ATOATO子系统子系统vATO子系统在ATP子系统的安全防护下实现其功能；vATO子系统根据ATS的命令速度曲线来控制列车的速度，并且使能源消耗最小化。v在车站停站时间期满和请求发车后，倘若移动已被授权，VOBC就可以允许缓解制动、施加牵引；v收到对位信号后，VOBC会控制列车停在要求的停车点，在达到零速度状态后施加停车制动。vATO子系统负责列车到站的精确停车位置。ATOATO子系统功能子系统功能列车速度控制 列车速度自动控制功能负责对列车速度的控制。VOBC提供下列命令给牵

18、引和制动控制子系统：v前进/后退；v牵引允许/禁止；v释放/施加机械制动；v向牵引系统发送牵引力大小请求；v行车/制动(加速/减速)。v在停站时间期满并请求发车后，倘若移动已被授权，VOBC将释放制动，施加牵引，并且输出扭矩的需求。vVOBC将根据ATS的命令速度曲线来控制列车的速度，并使能源消耗最小化。vVOBC利用反馈和开环控制运算法则来调节发送给马达的扭矩/制动命令从而达到并保持目标速度。v对扭矩的需求将基于目标速度，这个目标速度将由VOBC单元根据到目标点的距离、最大速度信息和下一目的站的信息计算出来。ATOATO子系统功能子系统功能v程序定位停车精度为0.3m，这还取决于列车性能。v

19、精确定位停车停车范围为0.3m的概率是99.99%，v停车范围为0.5m的概率是99.9998%；ATOATO子系统功能子系统功能车站扣车 v在收到ATS系统发来的车站扣车的命令后，VOBC将在车站驻停不确定的时间，直到收到列车自动监控系统发来车站保持状态消除的命令。跳停车站v当一个车站被设置成跳停时，VOBC将不在该车站停留。它将以最快的允许速度通过该车站并前行到下一个车站。ATOATO子系统功能子系统功能计算机联锁（计算机联锁（CICI）子系统）子系统vCBTC系统的正线计算机联锁设备像传统的联锁系统一样执行所有的联锁功能。在正常的工作情况下，所有的进路请求都由中央ATS自动发出。CI根据

20、接收到的中央ATS进路请求，控制道岔和进路。vCI确保进路/道岔联锁、区段锁闭、进路锁闭以及接近锁闭。vOCC自动控制进路；vOCC人工进路；v车站ATS自动进路；v车站人工进路；vCI还可以使用默认进路设置，并且支持在折返站的折返运行。v通过在道岔区及出站处安装计轴区段和信号机，可以为工程车和非通信列车提供站间进路和过岔防护。在这种情况下，CI提供联锁功能和站间闭塞功能。v在正常运行时，计轴器故障不会影响列车行驶，因为对于通信列车，CI可以忽略计轴轨道区段状态。只有对非通信列车应用了人工进路预留MRR后，CI才考虑计轴轨道区段的状态。此时，CI会基于联锁功能和站间闭塞功能控制信号显示。计算机

21、联锁（计算机联锁（CICI）子系统）子系统站间闭塞（后备模式）v当CBTC系统的通信子系统发生故障时，为维持最基本的运营，采用站间闭塞方式行车；v计算机联锁系统根据计轴设备检查站间空闲，并控制出发信号机，实行站间闭塞；v司机根据地面信号显示，驾驶列车运行。计算机联锁（计算机联锁（CICI）子系统）子系统DCSDCS子系统子系统vDCS的主要作用是在各个子系统之间传输ATC报文，包括轨旁固定设备和车载移动设备。vDCS是一个单独的网络，对于报文传送来说是完全透明的。vATC系统的应用程序不需要知道任何DCS的工作情况。vDCS也不需要知道ATC系统应用程序的工作情况。v虽然DCS系统所传输的是安

22、全型的列车控制信息，但其本身并不是一个安全型系统，只是一个可靠的数据传输系统而已。vDCS采用了具有开放标准协议和接口的商用设备（COTS）。v整个网络采用了IEEE 802.3的以太网标准，v网内的所有移动通信则采用了IEEE 802.11的无线标准。vDCS采用UDP/IP协议来传输ATC报文，并通过IPSec协议来保证网络的保密性。DCSDCS子系统子系统vDCS可以提供优越的ATC通信性能：平均报文延迟低于35ms。v其可靠性是通过采用稳定的、多级冗余配置的高可靠设备来保证的。v无线链路不需要前向纠错，只需检错即可。q DCS Overview-Wired Network DCS概览有

23、线网络q DCS Overview-Wireless Network DCS概览无线网络q Security Mechanism and Network Management System(NMS)安全机制和网络管理系统（NMS）q Radio Site Survey 无线位置勘测DCSDCS功能概览功能概览Local networkDCS networkWRUOBRUCentralATS SRScommunication viaRadio linkcommunication viaFibre linklegendCommunicationbehind backbone SWSDDRCAATS

24、WSDLThird party dataFirewallTrVOBCSDSDWRU:Wayside Radio UnitOBRU:Onboard Radio UnitWaysideEquipmentSDWaysideEquipmentWRUDSUNMSDCSDCS功能概览功能概览Definition of DCS:DCS的定义q Provides for data communication between all train control subsystems.提供所有列车控制子系统之间的数据通信q Stand-alone network.独立的网络q Is non-vital subsy

25、stem 是非安全子系统DCSDCS特性特性qStandardized:IP/UDP/TCP Protocol(802.3)标准化：IP/UDP/TCP协议（802.3）qExpansion capability 可扩充能力qAvailability:Multiple mechanisms to maintain communications between all nodes in case of a single point failure.可用性：多重机制保持所有节点的通信，以防单点故障qSecurity Mechanism:SD,CA,Firewall安全机制：SD、CA、防火墙网络性

26、能网络性能q Adequate throughput for each portion of the network.网络每部分都有足够的数据吞吐能力q Acceptable latency.可接受的延迟时间q Fast Recovery.快速恢复能力DCS is designed to meet the requirements of CBTC:DCS设计用来满足CBTC的要求：网络拓扑示例网络拓扑示例骨干网骨干网DepotShi Guang RoadNen Jiang RoadXiang Yin RoadHuang Xing ParkMiddle Yan JiRoadHuang Xing

27、RoadJiang Pu RoadAn Shan NewVillageSi Ping RoadQu Yang RoadHong KouFootball StadiumNorth Xi ZangRoad ZhongXing RoadQu Fu RoadPeoples SquareGrand WorldLao Xi MenLu Jia Bang Road South Xi ZangRoadZhouJia DuRoadYao Hua RoadCheng Shan RoadTest TrackEquipment-CentralizedStation(With TrZC)Centrol ControlC

28、entreDepot InterlockingBackbone SwitchBackbone SwitchBackbone SwitchBackbone SwitchBackbone SwitchBackbone SwitchBackbone SwitchSM-Fibre 1SM-Fibre 2Equipment-CentralizedStation(With TrZC)Equipment-CentralizedStation(With TrZC)Equipment-CentralizedStation(With TrZC)Equipment-CentralizedStation(With T

29、rZC)Equipment-CentralizedStation(With TrZC)Backbone SwitchBackbone SwitchSM-Fibre 1SM-Fibre 2SM-Fibre 2SM-Fibre 1SM-Fibre 2SM-Fibre 1SM-Fibre 2SM-Fibre 1SM-Fibre 2SM-Fibre 1Backbone SwitchBackbone SwitchGANG CHENG RDHAI GAO RDHANG JIN RDWAI GAO QIAOBONDED DISTRICT网络拓扑示例网络拓扑示例轨旁轨旁Backbone Switch 骨干网交

30、换机:Hirschmann MICE 3124Coupling Ring Switch:联接环交换机：Hirschmann MICE 2108MM3-2FXS2/2TX1MM2-4TX1设备：网络交换机设备：网络交换机Hyper-Ring protocol 超环协议Fast recovery 快速恢复q Radio Interface:FHSS based on IEEE 802.11.无线电接口：基于IEEE 802.11的FHSSq Narrowband interference tolerance.容忍窄带干扰q Supports fast roaming.支持快速漫游q Adequat

31、e throughput.足够的数据吞吐量q Security:WEP(Wired Equivalent Privacy)安全：WEP（有线等价保密）无线电特性无线电特性 轨旁无线单元轨旁无线单元Legend and AcronymsCAT5 cableTODWRUWayside Radio UnitVOBCVehicel OnboardControllerCDUCab Display UnitSDSecurity DeviceTrain Operator DisplayCAN BusCDU/OBRUCDU(Converter)TODRS422MobileRadioEthernetSDCDU/

32、OBRUCDU(Converter)TODRS422MobileRadioEthernetSDVOBC车载网络车载网络qSecurity:Provide CIA(Confidentiality,Integrity,Availability).安全：提供CIA（机密性、完整性、可用性）qSecurity Device:Encryption/Decryption安全装置：加密/解密qCertificate Authority.认证授权安全系统安全系统q Firewall is deployed between ATC network and Third-party network:Master C

33、lock/SCADA/Passenger Announcement Systems(PAS)/Building Alarm Systems(BAS)/Fire Alarm Systems(FAS).防火墙应用于在ATC网络和第三方网络之间：主时钟/SCADA/乘客公告系统（PAS）/建筑设备报警系统（BAS）/火灾报警系统（FAS）q Filters(defined policies)configured in the firewall,allow only particular communications required packets(e.g.with specific protoco

34、ls)pass through.防火墙中配置的过滤器只允许需要分组报文（如使用了专门协议）通过的特定通信防火墙防火墙 OBRUSNMPNetwork managementIP networkWRUNetwork SwitchSNMPSNMPAndmore网络管理系统网络管理系统v Located in the Xiaoying Central Control Centre v 位于小营中央控制中心nManager-Agent structure.管理员代理端结构nVisualizes and monitors network component connections.监测网络部件的联接，并使

35、其可视nSecures distributed network.保护分布式网络nStandard SNMP.标准SNMPManagerAgent无线位置测量介绍无线位置测量介绍qThe objectives of the Radio Route Survey are:无线线路测量的目标是：To determine the quantity/locations/optional types and configurations of antennas for WRU 确定WRU天线的数量/位置/可选型号和配置 To validate the location of the antennas on

36、 a train.验证列车上天线的位置q Prerequisite:Tunnel is ready to access,rail,light in the tunnel,customer support,etc.先决条件：隧道可以进入，隧道内铁轨、灯光，业主的支持，等等无线位置测量步骤无线位置测量步骤 Three Phases 3个阶段:q Study phase and preparation work研究阶段和准备工作q Measurement phase测量阶段q Analysis phase分析阶段AP layout consideration AP布置考虑:Local radio regulations 现场无线电校准 Geography,Curve,tunnel,open air 地形、曲线、隧道、开放空间 Line of sight and obstacle 视线和障碍物 Interference 干扰 Link budget analysis 联接预算分析 To be finalized during site survey 将在位置测量期间完成研究阶段：理论设计和线路预览研究阶段：理论设计和线路预览 测量设备便携式测量设备便携式APAP测量设备测量滚车测量设备测量滚车测量阶段测量阶段分析：无线电传播图示例分析：无线电传播图示例