基于通信的列車控制系統〔CBTC〕【引導案例】目前，在新建地鐵信號系統的方案選擇上，采用CBTC無線AP(無線接入點)接入方式的線路已越來越多。采用AP接入，具有本錢較低、通信帶寬高、可局部使用商用設備、安裝調試方案靈活和施工時間短等優點。現在我國在建或改造的地鐵線路中，采用無線AP接入的有北京地鐵4號線、l0號線和深圳地鐵2號線等。歐洲ETCS方案，為了實現歐洲鐵路互聯互通，車載設備采用ETCS總線，可以靈活地支持與各種傳統設備及ETCS車載設備的通信；傳輸設備有歐洲應答器和歐洲環路，即數據傳輸速率為565kb／s的磁應答器和采用漏泄電纜的環路；歐洲無線也在進行工程實施。ERTMS系統是為了適應歐洲鐵路互聯互通的目的，它集聯鎖、列控和運行管理于一體。西班牙的馬德里—巴塞羅拿線采用該系統，列控系統符合歐洲鐵路統一標準ETCS二級標準，速度監控方式采用一次連續速度曲線控制模式〔又稱目標距離一次制動模式曲線方式〕，列車占用靠UM2000軌道電路，列車定位靠歐洲應答器，車與地雙向傳輸靠無線數傳。在城市軌道交通中，基于通信的列車控制系統CBTC(CommunicationBasedTrainContrl)是一種采用先進的通信、計算機、控制技術相結合的列車控制系統。相對于固定閉塞而言又把它稱為移動閉塞。移動閉塞是目前線路能力利用效率更高的列車閉塞方式。與固定閉塞方式相比，移動閉塞相當于將區間分成了無數個細小的、連續的閉塞分區，它使得列車間的平安信息傳遞得更為頻繁、及時和詳細。因為移動閉塞系統能夠比固定閉塞更優地確定列車的位置和傳輸列車信息，所以移動閉塞系統可以根據列車的動態運行確定更小的列車間隔。同樣，取消固定閉塞所需的軌道設備也可以減少維修費用，并且利用列車和路邊設備的傳輸信息通道也可以傳輸與列車實時運行有關的操縱信息，以提高管理能力和診斷故障設備。因此，采用移動閉塞系統能夠更好地滿足鐵路的需要。典型的基于通信的列車控制系統(CBTC)的結構框圖如圖5-1所示。由圖可見，整個CBTC系統包括CBTC地面設備(含聯鎖)和CBTC車載設備，地面和車載設備通過“數據通信網絡〞連接起來，構成系統的核心。CBTC設備和ATS設備共同構成基于通信的移動閉塞ATC系統。ATS系統ATS系統聯鎖CBTC地面設備相鄰CBTC地面設備數據通信網絡CBTC車載設備列車運行控制列車子系統圖5-1列車控制系統(CBTC)的結構框圖CBTC系統的特點與分類一、CBTC系統的特點CBTC系統擺脫了用軌道電路判別列車對閉塞分區占用與否，突破了固定或準移動閉塞的局限性，具有更大的優越性和特點：(1)實現列車與軌旁設備實時雙向通信且信息量大。(2)可減少軌旁設備，便于安裝維修，有利于緊急狀態下利用線路作為人員疏散的通道，有利于降低系統全壽命周期內的運營本錢。(3)便于縮短列車編組、高密度運行，可以縮短站臺長度和端站尾軌長度，提高效勞質量，降低土建工程投資；實現線路列車雙向運行而不增加地面設備，有利于線路故障或特殊需要時的反向運行控制。(4)可適應各種類型、各種車速的列車，由于移動閉塞系統根本克服了準移動閉塞和固定閉塞系統地對車信息跳變的缺點，從而提高了列車運行的平穩性，增加了乘客的舒適度。(5)可以實現節能控制、優化列車運行統計處理、縮短運行時分等多目標控制。(6)移動閉塞系統，尤其是采用高速數據傳輸方式的系統，將帶來信息利用的增值和功能的擴展，有利于現代化水平的提高。(7)由于移動閉塞系統具有很高的實時性和響應性的要求，因此，其對系統的完整性要求高于其他制式的閉塞方式，系統的可靠性也應具有更高要求。系統傳輸的可靠性和平安性是系統關注的核心，尤其是利用自由空間波傳輸信息的基于無線的移動閉塞系統其可靠性和平安性的要求更高。二、CBTC系統的分類CBTC系統就車地雙向信息傳輸方式而言，可分為：基于電纜環線傳輸方式(ILCBTC)；基于無線通信傳輸方式(RFCBTC)；基于其他數據傳輸媒介的傳輸方式。RFCBTC系統中通常采用的擴展頻譜方式有：直接序列擴頻和跳頻擴頻方式。其他數據傳輸媒介傳輸方式有：點式應答器、自由空間波、裂縫波導管和漏纜等方式。直接序列擴頻(DS—SS)系統又稱為直接用編碼序列對載波調制的系統，其編碼序列通常是偽隨機序列或叫偽噪聲碼，要傳送的信息經數字化后和偽隨機序列相加成復合碼去調制載波。跳頻擴頻(FH—SS)系統主要由碼產生器和頻率合成器組成，發射頻率隨機地由一個跳到另一個，接收機中的頻率合成器也按相同的順序跳變。歐洲將滿足故障一平安的信息傳輸系統稱為“按照平安要求構造的通信系統〞，它嚴格遵守歐洲電工委員會ENELEC制定的相應標準。ENELEC將平安的信息傳輸系統分為封閉式和開放式兩大類。封閉式平安的信息傳輸系統一般又分為兩類：第一類為用電纜、光纜或數據總線組成的信息傳輸通道；第二類為軌道電路、軌道電纜或應答器作為信息傳輸通道。對第一類信息傳輸通道的平安要求為：必須構成信息傳輸通道的冗余，防止因個別信息點的故障而發生傳輸中斷；必須通過適當的信道編碼方式，使系統對數據傳輸過程中的偶發性過失具有自動檢查和糾錯功能。對第二類信息傳輸通道的平安要求為：必須通過編碼技術來確保發送與接收數碼的同步；必須通過冗余編碼技術來保證數據傳輸系統具有自檢和糾錯能力，漢明距應足夠大，同一數據至少重復傳輸3次。開放式平安的信息傳輸系統，基于無線通信傳輸方式(RFCBTC)，采用開放式平安的信息傳輸系統，它應針對以下7種威脅提供有效的數據平安防護，以確保信息的真實性、完整性、及時性和順序準確性。7種威脅為：重復、刪除、插入、亂序、破壞、延遲、竊取。針對7種威脅，提出以下要求：信道編碼必須附有平安冗余碼，漢明距應大于等于15；只要不能絕對排除非授權的訪問，就必須使用帶密鑰的密碼技術；當使用密碼技術時，推薦使用國際標準ISO／IEC10116所規定的操作模式。以下為使用各種信息傳輸方式的移動閉塞ATC系統的構成框圖，基于電纜環線傳輸方式的移動閉塞ATC系統框圖見圖5-2；基于無線通信的移動閉塞ATC系統框圖見圖5-3。圖5-2基于電纜環線傳輸方式的移動閉塞ATC系統框圖圖5-3基于無線通信的移動閉塞ATC系統框圖西門子的CBTC系統是一個平安、可靠、先進、適應線性電機運載、基于無線通信的列車運行控制系統。它由SICAS計算機聯鎖系統、TRAINGUARDMT移動閉塞式列控系統(ATP／ATO)、VICOSOC系統(ATS)組成。西門子的CBTC系統現應用于廣州軌道交通4號線和5號線。還將用于北京地鐵10號線、上海地鐵10號線、南京地鐵2號線等。西門子的CBTC系統結構西門子的CBTC系統由VICOS、SICAS、TRAINGUARDMT三個子系統組成。它們分為中央層、軌旁層、車載層四個層級，分級實現ATC功能。中央層分為中央級和車站級。在中央級，實現集中的線路運行控制；在車站級，為車站控制和后備模式的功能提供應車站操作員工作站(LOW)和列車進路計算機(TRC)。軌旁層沿著線路分布，它由SICAS計算機聯鎖、TRAINGUARDMT系統、信號機、計軸器和應答器等組成。它們共同執行所有的聯鎖和軌旁ATP功能。通信層在軌旁和車載設備之間提供連續式和／或點式通信。車載層完成TRAINGUARDMT的車載ATP和ATO功能。西門子的CBTC系統結構如圖5-4所示。一、VICOSVICOS分為中央級的VICOSOC501和車站級的VICOSOC101。HMI是列車調度員的操作臺。來自SICASECC(ECC——元件接口模塊)、TRAIN—圖5-4西門子的CBTC系統結構ECC—元件接口模塊；ODI—操作／顯示接口；OPG—速度脈沖發生器；HMI—人機接口；LEU—軌旁電子單元；s＆D—檢查和診斷；TSCU_V—軌旁平安計算機單元。GUARDMT(MT——城市軌道交通)和其他外圍系統的動態數據聚集在VICOSOC501的COM效勞器并處理，ADM效勞器負責中心數據存儲和報告，FEP(前端效勞器)負責將其他外圍系統接入ATS效勞器。二、SICASSICAS主要包括列車進路計算機(TRC)和車站操作員工作站(LOW)。計算機有連接室外設備和軌道空閑檢測系統接口。SICAS使用聯鎖PROFIBUS總線用于SICASECC的內部通信。LOW、TRC和S&D系統直接與SICASECC和TRAINGUARDMT通信。SICASECCODI(ODI——操作／顯示接口)和TRAINGUARDMT軌旁設備之間的通信通過一個ATCPROFIBUS總線實現。SICAS和TRAINGUARDMT總線是雙通道雙向的光纖通信連接。每個通道獨立工作并且提供故障一平安的通信。使用兩個通道是為系統的高可用性提供冗余。三、TRAINGUARDMTTRAINGUARDMT系統包括ATP／ATO和通信設備。ATP／ATO分為軌旁單元和車載單元。軌旁ATP系統與聯鎖系統、ATS系統、列車(經過軌旁一列車通信系統)以及相鄰的ATP系統有雙向接口。通過軌旁到列車的通信網絡，在軌旁單元和車載單元之間建立了雙向通信。在車載結構中，兩個相互獨立的無線系統的列車單元(Tu)分別安裝于列車前后的駕駛室內，作為軌旁無線單元AP的通信客戶端。這兩個TU通過一個點對點的以太網連接，不間斷地相互通信。同時，這兩個TU分別連接到列車前后的列車控制系統。系統功能與特點一、系統功能系統的功能包括ATS功能、聯鎖功能、ATP／ATO功能、列車檢測功能、試車線功能、培訓和模擬功能。ATS除了自動進路排列(ARS)功能、自動列車調整(ATR)功能、列車監督和追蹤(TMT)、時刻表(TIT)、控制中心人機接口(HMI)和報告、報警與文檔等主要功能外，還改良和增加了以下功能：在CTC通信級使用雙向通信通道；在ATS后備模式下車站級可以輸入車次號；適應移動閉塞的控制要求；TRC(列車進路計算機)取代RTU的自動進路排列功能；提供獨立的冗余局域網段；在ATS顯示列車狀態信息；與MCS(主控系統)的接口；與車輛段聯鎖的接口；提供操作日志(含故障信息)的歸檔功能；設兩個控制中心；車輛段調度員ATS工作站進行出庫列車自動預先通知，在規定時間無列車在車輛段轉換軌時自動報警。正常情況下，各線的控制中心行使行車調度職權。當各線控制中心的HMI喪失有效的行車調度和控制功能或當運營需要時，系統應能切換至綜合控制指揮中心進行調度和控制。系統的切換能人工操作，也可以自動進行，但自動切換時必須經過人工確認。聯鎖除了軌道空閑處理(TVP)、進路控制(RC)、道岔控制(PC)和信號機控制(sc)等主要功能外，聯鎖設備與ATS系統相結合，可實現中央ATS和聯鎖設備的兩級控制。根據運營要求，應能自動或人工進行進路控制。其中人工控制分為中央ATS人工和聯鎖設備人工兩類，自動控制分為中央ATS自動、聯鎖設備自動。人工控制進路優先級高于自動控制進路。根據需要可進行聯鎖與中央ATS兩級控制權的轉換。控制權的轉換過程中及轉換后，未經人工介入各進路的原自動控制模式不變。在特殊情況下，可不經控制權的轉換操作強制進行聯鎖設備的控制。在車站級控制的情況下，如中央級功能完好，仍可設定或者保存中央自動功能(如ATR、ARS)。在車站ATSLAN與中央ATS之間通信中斷的情況下，列車將在本地工作站LOW和列車進路計算機TRC的操作下繼續運行。ATP／ATO功能將根據缺省的停站時間和缺省的自動列車調整值在連續式通信模式和點式通信模式下工作，聯鎖功能繼續。3.ATP／ATO功能ATP／ATO除了ATP軌旁、通信、ATP／ATO車載等主要功能外，還改良和增加了以下功能：不使用PTI的信息交換，相應的功能可以通過雙向通信通道在CTC實現；適應線性電機系統的線路條件，滿足與線性電機接口的新要求；提供ATO的冗余；ATO控制列車的原理適應移動閉塞的要求。因此，TRAINGUARDMT的核心功能是移動閉塞列車間隔功能，根據線路的空閑狀態和聯鎖狀態(道岔狀態、進路狀態、運行方向、防淹門狀態、PSD狀態、ESB狀態)，產生移動授權電碼。正線區段(包括車輛段出入段線、存車線、折返線)具有雙線雙方向有人全自動駕駛運行功能。列車進站停車時采取一級制動(連續制動曲線)的方式，按一級制動至目標停車點，中途不得緩解，且在進站前不會有非線路限速要求的減速臺階。采用計軸器(AXC)進行列車檢測。信號系統具有完善的遠程故障自診斷功能，對全線的中央設備、車站設備、軌旁設備、車載設備以及車地通信設備進行實時監督和故障報警，能準確報警到可更換單元(插拔件)等，便于及時更換，并能根據用戶需要經通信傳輸通道在車輛段維修中心實旅遠程故障報警和故障診斷。二、系統特點CBTC系統的最主要特點是采用無線通信，構成移動閉塞。TRAINGUARDMT是提供ATP／ATO功能的強大而先進的系統。它是一個模塊化的系統，可以適用于不同的需要。連續式通信方式和點式通信方式可以單獨工作或同時使用。連續式通信是使用無線進行軌旁和列車間的通信。配合連續通信通道，列車根據移動閉塞原理相間隔，提供最小運行間隔，列車受ATP／ATO控制，構成移動閉塞。點式通信那么不依賴于連續通信通道，而采用基于應答器的點式通信通道從軌旁向車上傳輸數據。配合點式通信通道，列車根據固定閉塞原理相間隔，并受ATP／ATO控制，構成固定閉塞。固定閉塞運行可作為移動閉塞運行的后備模式。裝備和未裝備ATP／ATO的列車可以在同一線路上運行。被司機人工駕駛的列車可以與采用ATO自動駕駛的列車混跑。3.可升、降級系統可以容易地從根本的運行模式(點式通信，固定閉塞)升級到高性能的等級(連續式通信，移動閉塞)，直到無人駕駛的運行等級(MTO)。在故障時，可適度降級，不同的運行等級可以使用一個比擬低的等級作為后備級，例如：移動閉塞／連續通信的ATP／ATO-+固定閉影點式通信的ATP／ATO--*使用信號機的聯鎖級。一條裝備TRAINGUARDMT的線路可很容易地擴展，增加車站和列車。基于漏泄波導通信的列車運行控制系統基于漏泄波導通信的列車運行控制系統是以漏泄波導為通信媒介，通過車站和軌旁的設備實現地面與列車的信息交換，從而到達對列車運行的控制。列車在線路中的位置需要列車通過車載里程儀測量后經車載通信天線發送給軌旁設備，并經過其處理后送到車站控制設備，車站控制設備再將這一信息轉發給后續列車，后續列車知道了前行列車的位置，可根據事先定義的平安行車原那么，實現移動閉塞。采用以無線擴頻電臺和漏泄波導為通信媒介，漏泄波導作為無線電臺的天線使用的方法，徹底解決了無線電臺在地鐵隧道中信號傳輸的問題，是一個平安、可靠、先進的信號系統，最適合在地鐵環境中使用。基于漏泄波導通信的列車運行控制系統，是采用沿軌道鋪設漏泄波導的方式，以波導信息網絡、無線擴頻電臺為根底，采用時分多址即TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)通信方式，通過有線和無線網絡的集合，實現列車與軌旁設備的雙向連續通信及列車定位功能，最終實現移動閉塞信號控制系統。一、波導信息網絡波導信息網絡用于確保列車和本地ATS系統、控制中心之間的車地雙向連續傳輸信息。波導信息網絡是由多個波導信息網通信單元和車載的波導信息網移動站組成。圖5-5為波導信息網絡結構圖。圖5-5波導信息網絡結構圖波導信息網基站(WaveguideBaseStation，簡稱WBS)由車站計算機、無線擴頻電臺、數據采集卡、無源濾波器、窄縫檢測發射器、耦合器等組成。WBS對上／下行線是獨立管理的。波導信息網基站主要負責接收和處理車載計算機的數據、發送主控計算機的數據、接收列車定位數據、處理數據采集卡采集的列車運行數據、提供MMI接口、接收MMI發送的列車控制信息并通過報文模塊發送、提供TCP／IP通信接口、提供串口通信接口等。它是組成波導信息網絡單元的最根本的局部，是和車載移動站進行車地通信的工作站。波導信息網移動站(WaveguideMoveStation，簡稱WMS)由車載計算機、車載無線電臺、數據采集卡、車載ATP／ATO設備、接口電路以及信標接收天線和解碼器窄縫探測接收器等組成。在列車兩端的駕駛室各設一個波導信息網移動站。車載計算機安裝專用的數據采集卡、數據采集軟件、操作系統、數據庫，作為移開工作站。主要負責數據初始化、無線網絡連接、獲得位置信息、速度計算、控制區交接通信、與車站計算機交換信息、數據記錄、數據處理、列車控制系統(窄縫探測接收器)接口等。信號傳輸是通過ATS中心控制室、車站計算機、車載計算機、車載電臺和列車上的定位天線發射和接收信號，軌旁單元通過同軸電纜與裂縫波導連接，以裂縫波導為載體雙向傳輸列車實時信息。波導信息網基站和軌旁ATP／ATO是有線連接，軌旁ATP／ATO之間通過光纖、尾纖、光配線架、光端機等形成區間鏈路。波導信息網基站和波導信息網移動站之間的無線網絡執行IEEE802．11和IEEE802．3標準。操作系統可選用WindowsNT4．O、Linux、Windows2000等。波導信息網使用無線擴頻電臺進行網絡通信。跳頻時間與時分復用周期建立同步關系。各控制區間的通訊網有一定的重疊覆蓋區，保證列車運行至控制區分界處時，可以平滑過渡，在車站主控計算機上安裝網絡操作系統，系統根據每列列車的車載計算機的標識不同及其無線網卡配置的不同來識別每列列車。使用大型數據庫軟件(如Oracle，Sybase等)，通過數據采集卡的數據采集軟件，獲取車載計算機發出的列車運行數據，對數據進行分析、計算、查詢、統計、更新、存儲等。車載、車站的控制軟件對所其需數據通過波導信息網進行發送、下載和更新。二、通信單元系統中的通信單元由裂縫波導(用于輻射電磁波載波)、波導同軸變換器(用于向裂縫波導饋入射頻載波信號)、同軸電纜、終端負載、波導信息網基站、軌旁ATP／ATO、區間鏈路與沿線設備共同組成的一個無線和有線相結合的通信網絡。系統中的通信單元是組成波導信息網絡的根底，負責每個車站的信息管理，列車控制等，信息通過區間鏈路等通信網絡和控制中心進行交換，以便控制中心對每列列車進行調度管理。每個通信單元和本地ATS、軌旁ATP／ATO、計算機聯鎖、軌道電路組成一個信號控制車站。站臺信號設備如信號機、屏蔽門、緊急停車按鈕由信號控制車站的聯鎖設備控制。信號控制車站主要負責：初始化網絡配置、無線網絡管理、數據記錄、數據處理、跟蹤列車、速度計算、提供操作員接口、列車控制系統接口、車載計算機信息交換等。三、微波裂縫波導采用微波裂縫波導系統作為車一地雙向數據傳輸的媒介。微波裂縫波導系統是波導信息網絡的關鍵局部，它是具有較寬帶寬的，可以同時傳輸數據、語音及視頻信號的傳輸系統，用于車地雙向連續數據傳輸及列車定位。裂縫波導是個中空的鋁質矩形管，在其頂部等間隔開有窄縫。圖