1、基于通訊的列車控制(CBTC)系統西門子城市軌道交通信號系統1 信號系統是地鐵系統的核心，它能夠在保障乘客安全的前提下，確保運營性能能夠達到用戶對一個有盈利能力系統的要求。 西門子城市軌道交通綜合信號系統基于故障-安全的系統并包含了故障-安全的車載設備、軌旁列車防護系統以及自動列車監督系統。2固定閉塞 在輪軌交通中，為保證列車運行安全，須保證列車間以一定的安全間隔運行。早期，人們通常將線路劃分為若干閉塞分區，以不同的信號表示該分區或前方分區是否被列車占用等狀態，列車則根據信號顯示運行。不論采取何種信號顯示制式，列車間都必須有一定數量的空閑分區作為列車安全間隔。 在固定劃分的閉塞分區中，每一個分

2、區均有最大速度限制。ATP 地面設備以一定間隔或連續地向列車傳遞速度控制信息。該信息至少包含兩部分：分區最高限速和目標速度(下一分區的限速) 。列車根據接收到的信息和車載信息等進行計算并合理動作。3 傳統的固定閉塞制式下，系統無法知道列車在分區內的具體位置，因此列車制動的起點和終點總在某一分區的邊界。為充分保證安全，必須在兩列車間增加一個防護區段，這使得列車間的安全間隔較大，影響了線路的使用效率。4準移動閉塞 準移動閉塞在控制列車的安全間隔上比固定閉塞進了一步。它通過采用軌道電路輔之應答器來判斷分區占用并傳輸信息；可以告知后續列車繼續前行的距離,后續列車可根據這一距離合理地采取減速或制動，列車

3、制動的起點可延伸至保證其安全制動的地點，從而可改善列車速度控制，縮小列車安全間隔,提高線路利用效率。但準移動閉塞中后續列車的最大目標制動點仍必須在先行列車占用分區的外方，因此它并沒有完全突破軌道電路的限制。5移動閉塞 移動閉塞技術則在對列車的安全間隔控制上更進了一步。通過車載設備和軌旁設備不間斷的雙向通信,控制中心可以根據列車實時的速度和位置動態計算列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離并在列車后方加上一定的防護距離，便組成了一個與列車同步移動的虛擬分區。由于保證了列車前后的安全距離，兩個相鄰的移動閉塞分區就能以很小的間隔同時前進，這使列車能以較高的速度和較小的間隔運行，從而提高運

4、營效率。6基于通訊的列車控制 移動閉塞系統中列車和軌旁設備必須保持連續的雙向通信。列車不間斷向軌旁控制器傳輸其標識、位置、方向和速度,軌旁控制器根據來自列車的信息計算、確定列車的安全行車間隔,并將相關信息(如先行列車位置,移動授權等) 傳遞給列車,控制列車運行。 早期的移動閉塞系統是通過在軌間布置感應環線來定位列車和實現車載計算機與車輛控制中心之間的連續通信。現今,大多數先進的移動閉塞系統已采用無線通信系統實現各子系統間的通信。7西門子城市軌道交通信號系統 用于北京地鐵十號線（包括奧運支線）的西門子城市軌道交通信號系統主要由以下子系統組成： SICAS型微機聯鎖 Trainguard MT系統

5、連續式移動閉塞列車控制系統（包括車載和軌旁ATP/ATO）。帶有點式通信ATP后備等級 由中央和本地控制設備組成的ATS系統（VICOS OC501和VICOS OC101）。8 這些子系統被概括定義為四層，以分級實現為北京十號線（包括奧運支線）設置的功能： 中央控制層中央控制層，指北京地鐵十號線（及奧運支線）的ATS系統 軌旁層軌旁層，指沿軌道線路分布的部件 通信層通信層，提供軌旁與車載之間的點式或連續式通信 車載層車載層，包含Trainguard MT的車載子系統9ATC系統總體結構系統總體結構10 在連續式通信或者點式通信級下，Trainguard MT ATP/ATO系統保證列車的安全

6、和并對列車進行連續的監督。在連續式通信級下，列車間隔是基于移動閉塞原理的。11Trainguard MT系統 Trainguard MT系統是信號系統中提供列車自動防護（ATP）和列車自動駕駛（ATO）功能的一個強大而先進的子系統，可根據需求應用不同的功能：12Trainguard MT系統 連續式通信：使用無線系統來實現軌旁和車載設備間的連續通信； 點式通信：獨立于連續通信通道，基于應答器的點式通信通道可以從軌旁向車載設備傳輸數據； 移動閉塞運行：與連續式通信通道一起運行，根據移動閉塞原理對列車進行分隔以提供最小的運行間隔，列車受ATP/ATO的控制； 固定閉塞運行：與點式通信通道一起運行，

7、根據固定閉塞原理對列車進行分隔，列車受ATP/ATO的控制。固定閉塞運行可被作為移動閉塞運行的后備模式；13Trainguard MT系統 混運模式：裝備和未裝備ATP/ATO的列車可以在同一條線路上運行； 混合模式：由司機人工駕駛的列車可以與 ATO 自動駕駛的列車一起運行； 可升級性：系統可以容易的從基本運行模式（點式，固定閉塞，即ITC）升級到高性能的等級（連續式通信，移動閉塞， 即CTC），甚至無人駕駛運行等級； 降級模式：在系統故障時可使用自動化度較低的后備運行模式降級運行，例如：CTC級下運行AM模式（移動閉塞/連續通信） ITC級下運行AM模式（固定閉塞/點式通信）；14地對車的

8、通信等級 西門子城市軌道交通信號系統支持的通信級： 聯鎖級：根據軌旁信號機顯示的人工駕駛；無地 - 車通信； 點式通信級（即ITC）：ATP/ATO駕駛，通過應答器實現地 - 車通信； 連續通信級（即CTC）：ATP/ATO駕駛，通過無線通道實現地 - 車之間的雙向連續通信。15地對車的通信等級CTC列車連續控制列車連續控制移動閉塞 無線電雙向數據通信過軌旁控制單元獲得移動授權（連續通訊）ITC列車點式控制列車點式控制固定閉塞單向數據通信通過應答器獲得移動授權IXL聯鎖級控制聯鎖級控制固定閉塞軌旁設備未裝備Trainguard MT無移動授權（僅有信號機顯示） 高控制級別高控制級別16控制級別

9、切換已定位已定位+有效的有效的CTC移動授權移動授權已定位已定位+IXLT邊界邊界+駕駛員確認駕駛員確認已定位已定位+失去定位失去定位+駕駛員確認駕駛員確認高高列車控制級別列車控制級別已定位已定位+有效的有效的CTC移動授權移動授權已定位已定位+有效的有效的ITC移動授權移動授權已定位已定位+有效有效ITC移動授權距移動授權距離為零離為零17列車駕駛模式AM自動駕駛模式自動駕駛模式自動列車駕駛通過ATO啟動按鈕離站全ATP監督SM受監督的手動駕駛受監督的手動駕駛手動駕駛全ATP監督RM受限模式受限模式手動駕駛監督限制速度駕駛員擔負安全責任 高高駕駛模式駕駛模式18控制級別和駕駛模式RMSMAM

10、CTCITCIXL 控制級別 駕駛模式19連續式通信級 在連續式通信級條件下，Trainguard MT可支持采用移動閉塞列車分隔原理對列車運行進行安全控制。列車通過檢測和識別應答器來確定自己的位置，列車上有一個被稱為軌道數據庫（TDB）的鐵路網絡圖，應答器的位置標注于TDB中。結合OPG和雷達所測量的列車位移，列車就可以知道其在軌道網絡中的確切位置并將位置報告發送給軌旁 ATP。 根據這些位置報告及軌道空閑檢查設備的信息，軌旁ATP計算出詳細的路網空閑信息。該功能被稱為列車追蹤。從軌旁向列車發送的移動授權遵從移動閉塞原理下的安全列車分隔以及來自SICAS的其它聯鎖條件。20CTC級別Trac

11、kside 軌旁車輪傳感器車輪傳感器信號機信號機無線無線測速測速器器應答器應答器天線天線HMIATPATO無線無線地面地面ATP聯鎖聯鎖雷達雷達Train 列車軌道軌道空閑檢測空閑檢測歐式歐式應答器應答器LEU軌旁電子單元軌旁電子單元21點式通信級 點式通信級可作為連續式通信級的后備模式，或在部分對運行間隔要求不高因而允許使用固定閉塞列車分隔原理的線路上使用。移動授權來自信號機的顯示，該信息通過可變數據應答器以點式通信模式從軌旁向列車傳輸。列車如同連續式通信級中一樣在路網中得到定位，因此列車能在全面考慮TDB 中詳細的軌道信息并受ATP系統監控的情況下自動地遵從所有的速度限制。22ITC通信級

12、別Trackside 軌旁車輪傳感器車輪傳感器信號機信號機測速測速器器應答器應答器天線天線HMIATPATOInterlocking聯鎖聯鎖雷達雷達Train 列車TVD軌道空閑檢測軌道空閑檢測歐式歐式應答器應答器軌軌旁電子旁電子單元單元LEU23聯鎖級 當連續或點式通信級都不能正常工作時，可以進一步采用此降級模式運行。此時將由標準的色燈信號機提供全面的聯鎖級列車防護。24IXL通信級別Trackside 軌旁Wheel Sensor車輪傳感器車輪傳感器Signal信號機信號機Interlocking聯鎖聯鎖Train 列車TVD軌道空閑檢測軌道空閑檢測25北京地鐵十號線的無線系統 無線通信子

13、系統主要包含了標準的、符合IEEE 802.11b標準的無線局域網部件。 在地鐵系統中，信息傳輸系統設備將同時分布于車輛和軌道設備之間。接收信息或發送信息的設備被通過唯一的IP地址（源地址或目的地址）標識。這也應用于冗余的設備，每個單元都將被自己唯一的IP地址標識。26 無線子系統包括： 一組軌旁無線傳輸單位（包括WCC、無線切交換機、接入點和天線），負責為全線路提供完整和連續的信號覆蓋。它們通過以太網交換機連接到ATS總線。 一組車載無線傳輸單位，每輛列車分別于首尾安裝一個而成對出現。這些傳輸單位通過串行線連接至Trainguard MT的車載控制單元。27軌旁設備 Trainguard M

14、T軌旁設備包括以下組件： WCU_ATP 安全軌旁控制單元，為室內設備，其執行ATP功能。該計算機與ATS系統中的Vicos OC及Sicas交換數據。28 WCU_TTS Trainguard MT的非安全軌旁控制單元，為各種類型的ATS提供所有列車的表示以及中央服務和診斷系統。29 通信設備（軌旁）通信設備（軌旁） 軌旁通信設備是非安全范疇的設備，它以無線方式持續為車 地之間傳輸信號。30 應答器應答器 使用兩種應答器，固定數據應答器（用于列車定位）或可變數據應答器（用于點式通信）。固定數據應答器是一個獨立的單元。可變數據應答器通過軌旁電子單元（LEU）和信號機相連。31 LEU 軌旁電子

15、單元是信號機和可變數據應答器之間的接口。它評估信號機的顯示并為可變數據應答器產生報文。32 安全接口（軌旁）安全接口（軌旁） 站臺屏蔽門、緊急停車按鈕和其它安全設備通過SICAS ECC連接到WCU_ATP。輸入輸出板上的安全繼電器提供安全的輸入、輸出。33Trainguard MT信號系統的主要功能。 ATP/ATO功能負責在聯鎖功能建立的約束下、根據ATS功能的要求，為列車實現安全運行。 ATP/ATO系統功能的子功能如下： ATP軌旁功能負責列車分隔、列車追蹤功能，并生成與ATS功能、聯鎖功能和ATP/ATO車載功能進行故障 - 安全通信的報文； ATP/ATO車載功能負責列車的安全運行

16、、自動駕駛，并提供信號系統與司機間的顯示接口。34 計軸系統的列車檢測功能計軸系統的列車檢測功能 列車檢測功能通過計軸系統來實現，并以每個軌道區段是否“空閑”/“占用”的形式給出列車的位置信息。 列車檢測功能的輸出是： 用于實現聯鎖功能而匯報的軌道“物理空閑”或“物理占用”狀態。35 列車折返列車折返 列車在終端站或其它定義的車站中進行折返操作的功能，有以下的折返模式： ATO自動折返運行模式 ATP監督下的人工駕駛折返模式 無ATP監督的切除模式下的人工駕駛折返模式36 臨時限速臨時限速 臨時限速功能被應用于一些特殊路段以降低允許速度。臨時限速可以由操作員按照安全程序人工設置。設定的數據將從

17、ATS系統傳送給ATP軌旁控制單元。ATP軌旁控制單元通過連續式通信通道不斷給列車發送所有臨時限速信息，同時車載ATP控制單元將持續檢測列車位置并對速度限制進行監督。37 對列車運行方向和列車后溜的監控對列車運行方向和列車后溜的監控(車載車載) 列車的運行方向受到連續的監控。 每列列車都有后溜監督功能，所監督的后溜距離可根據運行要求進行配置，設置為2米。38 對列車靜止狀態的監控對列車靜止狀態的監控(車載車載) 在站內打開車門和站臺屏蔽門前，必須要監督列車是否已處于靜止狀態。為了證實列車已停穩，系統將同時考慮雷達與測速電機雙方所提供的信息。ATP車載計算機單元將應用這些速度信息。39車門解鎖車

18、門解鎖(車載車載)為了保證乘客的安全，車門在列車運行期間不能開啟。只有當列車處于靜止狀態且正確的停止在站臺區域的預定位置后， ATP功能就會對車門及站臺屏蔽門解鎖。僅當下列所有的條件被滿足時，ATP車載單元才能夠對將要打開的車門解鎖：列車處于靜止狀態。列車位于定義的車站停車窗內。如果有一個車門沒有被關上并且鎖閉，ATP車載單元就一直激活“牽引切除”功能。當所有的車門再次關閉并鎖閉后，該狀態功能將會被終止。當車離開停車窗時，“車門釋放”命令會被終止。如果檢測到列車未處于靜止狀態或者列車的移動距離超過了設置的距離，該功能也會觸發緊急制動。因此這可以防止在所有車門還未關閉的情況下列車的啟動及溜動。4

19、0 車站內的停車過程如下： 停穩靜止 “ATP門釋放”信號激活 ATO或者司機打開車門 車門不再被報告為“車門關并且鎖閉” “ATP牽引切除”信號激活41 離站過程如下： 發出關閉車門的命令 在停穩靜止的時候 報告車門“關閉且鎖閉” “ATP牽引切除”信號取消 列車啟動并且離開停車窗 “ATP門釋放”信號取消42 緊急制動的觸發緊急制動的觸發(車載車載) 出現下列的任何一種情況，ATP車載設備將觸發緊急制動： 列車位置丟失 列車速度超過監督速度 當列車溜動距離超過了許可的范圍 當連續通信中斷 列車在移動狀態下不再能檢測到車門鎖閉狀態 列車完整性丟失 列車正接近車站時，相應車站的緊急停車按鈕被人

20、按下43 對列車完整性的監督對列車完整性的監督(車載車載) 只要完整性信號有效，則車載ATP就能確認列車車組（6車編組）的存在。這樣，車載ATP就可以給軌旁ATP發送一個有效的位置報告。 一旦列車的完整性信號丟失，系統就會判斷為失去完整性，并做出以下的反應動作： ATP車載單元立即觸發緊急制動。 ATP車載單元給軌旁ATP發送一個無效的位置報告。 當一列列車不再發送有效的位置報告時，則軌旁ATP就將其判定為非定位列車，并采用軌道空閑檢測設備（計軸器系統）來檢測該列車的具體位置。44 緊急停車按鈕緊急停車按鈕 緊急停車按鈕的使用區域一般為站臺區域，這些區域將在線路數據庫中被定義。 緊急停車按鈕給

21、ATP軌旁計算機單元提供一個安全輸入信號，ATP軌旁計算機單元在計算列車的移動授權時將考慮該輸入信號。 只有經操作員確認，才能取消該緊急停車按鈕信號，恢復標準狀態。45 站臺屏蔽門站臺屏蔽門 ATP軌旁計算機單元通過一個安全接口來與站臺屏蔽門連接。 ATP軌旁計算機單元給PSD發送“開啟PSD”或“關閉PSD”的命令。同時軌旁ATP也接收來自屏蔽門的“關閉且鎖閉”的狀態消息。46 對屏蔽門狀態的監控對屏蔽門狀態的監控 ATP軌旁計算機單元將連續監督屏蔽門的狀態。 只有在相應的屏蔽門處于“關閉且鎖閉”或“切除”狀態時才允許列車進入站臺區域。否則ATP軌旁計算機單元將站臺區域作為一個封鎖區域來處理

22、，并在該區域的邊界處設置防護點。上述處理后，正在接近的列車從ATP軌旁計算機單元接收的移動授權將限制在該防護點之外。47 屏蔽門的安全信息屏蔽門的安全信息(車載車載) 提供的診斷信息提供的診斷信息48故障情況下的運行 西門子城市軌道交通信號系統設計有各種冗余和后備模式，所以，在部分設備故障的情況下，系統可以在不損失性能或有限損失的降級模式下繼續運行。 另外，信號系統具有全面的自診斷功能以減少維護時間和運行中斷時間。 所有的子系統都具有必要的冗余以滿足可用性指標。下面簡要介紹各種可能的降級模式。49ATP/ATO 運行故障概念Trainguard MT具有多種降級模式功能以使得列車可在下列故障情

23、況下繼續運行：如果ATO子系統包括冗余單元發生故障，仍可以以SM模式人工駕駛列車；如果HMI系統發生故障，列車仍可以以ATO模式正常運行；如果ATO車載單元、HMI及冗余單元都發生故障，仍可以以SM模式駕駛列車；如果AM和SM模式都受到故障的影響，列車可以在RM模式下運行；如果連續式通信通道發生故障，列車仍可以在點式通信下以固定閉塞方式維持ATO駕駛及ATP監督功能；切除模式用于車載ATP完全故障時的運行。司機根據軌旁信號機和調度員的口頭命令駕駛列車。ATP/ATO 車載設備允許出現缺失一個應答器的情況。50無線通信系統故障 短時間的通信中斷對列車的安全運行沒有影響。移動授權和列車位置仍是有效

24、的，因為列車位置的計算獨立于通信通道之外。 假定無線蜂窩出現長時間的故障。如果通信故障一直持續下去，列車將采取緊急制動。列車停車后，司機必須切換到 RM 模式。列車必須以RM模式運行到下一架信號機處，之后可以轉換到ITC等級。當連續式通信再次有效后，可切換回到CTC等級。 只要通信長時間的中斷，所有的后繼列車將會采取上述相同的過程。列車將以AM駕駛模式以點式通信按固定閉塞原理運行，同時ATO 駕駛列車、ATP 監督列車的運行。 從AM點式模式切換到AM連續式模式的過程是自動進行的。51軌旁ATP設備故障 在軌旁ATP設備完全故障的情況下（包括冗余部分），在該區域的列車將會采取緊急制動直到列車停

25、止。所有的列車都將停止，司機必須切換到RM模式。列車必須以RM模式運行至下一架信號機處。此時可切換到ITC等級。 當列車駛離失效的WCU控制的區域并且連續式通信有效時，此時可切換到CTC等級。所有的后繼列車都遵從上述相同的步驟。 從AM點式模式切換到AM連續式模式的過程是自動進行并完成的。如果軌旁ATP恢復正常，列車將會自動地切換回到AM連續通信模式并以移動閉塞原理運行。由于軌旁設備的分散配置，軌旁ATP設備的故障將只影響線路的一部分。52無線系統維護 以下部件為RailCom RCS的一部分： 軌旁通信控制器 無線以太網骨干 接入點 列車單元53WCC（隧道服務器）（隧道服務器） WCC（隧

26、道服務器）的功能（隧道服務器）的功能 兩臺冗余服務器 無線通信網絡和ATS網絡之間的互連 運行的數據通信的加密 軟件軟件 每個接入點和每個列車單元的配置文件均保存在隧道服務器上。54無線以太網骨干無線以太網骨干 無線交換機機柜無線交換機機柜 光纖骨干網連接車站中的無線交換機。 兩個冗余的中央交換機（位于骨干網中央）從車站中的無線交換機采集所有鏈路。 中央交換機也用于與服務器的連接。55無線通信系統的概貌圖無線通信系統的概貌圖56 交換機交換機 交換機位于車站，連接各個軌旁接入點(AP)。 來自接入點的信息，通過骨干網向主車站方向轉發至骨干網端口處57無線骨干交換機無線骨干交換機58 電纜終端架

27、和連接電纜終端架和連接 終止來自接入點的電源電纜 每個機架上配置24個防雷模塊 配置有接地棒59 接入點（接入點（AP） 列車和網絡之間的數據通信 四個（隧道型）軌旁天線 不銹鋼機柜，500 x 500 mm，以約350 m的間隔沿著軌道安裝6061AP內部組成內部組成 CPU模塊模塊 兩個LAN端口用于連接到RCS骨干網 兩個PC卡插槽用于插入WLAN卡，帶有端口，用于天線的插入 供特殊維護所用的串行端口 小型閃卡（CF卡） 軟件安裝在CF卡上62 媒體轉換器媒體轉換器 媒體轉換器將從CPU模塊（銅纜）收到的數據進行轉換，并將其經由光纜傳輸，反之亦然。 主要特點 完全符合IEEE 802.3 - 100Base-FX標準 擴展的環境規范 支持全雙工/半雙工通信 LED指示鏈接/在用狀態 自動整合，自動探測速度，雙工和流程控制 最大傳輸速度高達1.0 Gbit/s6364 電源模塊電源模塊 功能功能 電源模塊負責提供需要的電力，每個接入點配備了兩個這樣的模塊。65 供電模塊數據參數表供電模塊數據參數表 輸入電壓：交流100到240 V 輸出電壓：直流24 V 輸出電流：5 A66 供電模塊數據參數表供電模塊數據參數表 輸入電壓：交流10