基于通讯的列车控制(CBTC)

基于通讯的列车控制(CBTC)系统西门子城市轨道交通信号系统1•信号系统是地铁系统的核心，它能够在保障乘客安全的前提下，确保运营性能能够达到用户对一个有盈利能力系统的要求。•西门子城市轨道交通综合信号系统基于故障-安全的系统并包含了故障-安全的车载设备、轨旁列车防护系统以及自动列车监督系统。2固定闭塞•在轮轨交通中，为保证列车运行安全，须保证列车间以一定的安全间隔运行。早期，人们通常将线路划分为若干闭塞分区，以不同的信号表示该分区或前方分区是否被列车占用等状态，列车则根据信号显示运行。不论采取何种信号显示制式，列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车安全间隔。•在固定划分的闭塞分区中，每一个分区均有最大速度限制。ATP地面设备以一定间隔或连续地向列车传递速度控制信息。该信息至少包含两部分：分区最高限速和目标速度(下一分区的限速)。列车根据接收到的信息和车载信息等进行计算并合理动作。3•传统的固定闭塞制式下，系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。为充分保证安全，必须在两列车间增加一个防护区段，这使得列车间的安全间隔较大，影响了线路的使用效率。4准移动闭塞•准移动闭塞在控制列车的安全间隔上比固定闭塞进了一步。它通过采用轨道电路辅之应答器来判断分区占用并传输信息；可以告知后续列车继续前行的距离,后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，列车制动的起点可延伸至保证其安全制动的地点，从而可改善列车速度控制，缩小列车安全间隔,提高线路利用效率。但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍必须在先行列车占用分区的外方，因此它并没有完全突破轨道电路的限制。5移动闭塞•移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上更进了一步。通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离，便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。6基于通讯的列车控制•移动闭塞系统中列车和轨旁设备必须保持连续的双向通信。列车不间断向轨旁控制器传输其标识、位置、方向和速度,轨旁控制器根据来自列车的信息计算、确定列车的安全行车间隔,并将相关信息(如先行列车位置,移动授权等)传递给列车,控制列车运行。•早期的移动闭塞系统是通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机与车辆控制中心之间的连续通信。现今,大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统实现各子系统间的通信。7西门子城市轨道交通信号系统•用于北京地铁十号线（包括奥运支线）的西门子城市轨道交通信号系统主要由以下子系统组成：•SICAS®型微机联锁•Trainguard®MT系统－连续式移动闭塞列车控制系统（包括车载和轨旁ATP/ATO）。带有点式通信ATP后备等级•由中央和本地控制设备组成的ATS系统（VICOS®OC501和VICOS®OC101）。8•这些子系统被概括定义为四层，以分级实现为北京十号线（包括奥运支线）设置的功能：•中央控制层，指北京地铁十号线（及奥运支线）的ATS系统•轨旁层，指沿轨道线路分布的部件•通信层，提供轨旁与车载之间的点式或连续式通信•车载层，包含TrainguardMT的车载子系统9ATC系统总体结构10•在连续式通信或者点式通信级下，TrainguardMTATP/ATO系统保证列车的安全和并对列车进行连续的监督。在连续式通信级下，列车间隔是基于移动闭塞原理的。11TrainguardMT系统•TrainguardMT系统是信号系统中提供列车自动防护（ATP）和列车自动驾驶（ATO）功能的一个强大而先进的子系统，可根据需求应用不同的功能：12TrainguardMT系统•连续式通信：使用无线系统来实现轨旁和车载设备间的连续通信；•点式通信：独立于连续通信通道，基于应答器的点式通信通道可以从轨旁向车载设备传输数据；•移动闭塞运行：与连续式通信通道一起运行，根据移动闭塞原理对列车进行分隔以提供最小的运行间隔，列车受ATP/ATO的控制；•固定闭塞运行：与点式通信通道一起运行，根据固定闭塞原理对列车进行分隔，列车受ATP/ATO的控制。固定闭塞运行可被作为移动闭塞运行的后备模式；13TrainguardMT系统•混运模式：装备和未装备ATP/ATO的列车可以在同一条线路上运行；•混合模式：由司机人工驾驶的列车可以与ATO自动驾驶的列车一起运行；•可升级性：系统可以容易的从基本运行模式（点式，固定闭塞，即ITC）升级到高性能的等级（连续式通信，移动闭塞，即CTC），甚至无人驾驶运行等级；•降级模式：在系统故障时可使用自动化度较低的后备运行模式降级运行，例如：CTC级下运行AM模式（移动闭塞/连续通信）ITC级下运行AM模式（固定闭塞/点式通信）；14地对车的通信等级•西门子城市轨道交通信号系统支持的通信级：•联锁级：根据轨旁信号机显示的人工驾驶；无地-车通信；•点式通信级（即ITC）：ATP/ATO驾驶，通过应答器实现地-车通信；•连续通信级（即CTC）：ATP/ATO驾驶，通过无线通道实现地-车之间的双向连续通信。15地对车的通信等级CTC列车连续控制移动闭塞无线电双向数据通信过轨旁控制单元获得移动授权（连续通讯）ITC列车点式控制固定闭塞单向数据通信通过应答器获得移动授权IXL联锁级控制固定闭塞轨旁设备未装备TrainguardMT无移动授权（仅有信号机显示）高控制级别16控制级别切换已定位+有效的CTC移动授权已定位+IXLT边界+驾驶员确认已定位+失去定位+驾驶员确认ITCCTCIXL高列车控制级别已定位+有效的CTC移动授权已定位+有效的ITC移动授权已定位+有效ITC移动授权距离为零17列车驾驶模式AM自动驾驶模式自动列车驾驶通过ATO启动按钮离站全ATP监督SM受监督的手动驾驶手动驾驶全ATP监督RM受限模式手动驾驶监督限制速度驾驶员担负安全责任高驾驶模式18控制级别和驾驶模式RMSMAMCTCITCIXL控制级别驾驶模式19连续式通信级•在连续式通信级条件下，TrainguardMT可支持采用移动闭塞列车分隔原理对列车运行进行安全控制。列车通过检测和识别应答器来确定自己的位置，列车上有一个被称为轨道数据库（TDB）的铁路网络图，应答器的位置标注于TDB中。结合OPG和雷达所测量的列车位移，列车就可以知道其在轨道网络中的确切位置并将位置报告发送给轨旁ATP。•根据这些位置报告及轨道空闲检查设备的信息，轨旁ATP计算出详细的路网空闲信息。该功能被称为列车追踪。从轨旁向列车发送的移动授权遵从移动闭塞原理下的安全列车分隔以及来自SICAS的其它联锁条件。20CTC级别Trackside轨旁车轮传感器信号机无线测速器应答器天线HMIATPATO无线地面ATP联锁雷达Train列车轨道空闲检测欧式应答器LEU轨旁电子单元21点式通信级•点式通信级可作为连续式通信级的后备模式，或在部分对运行间隔要求不高因而允许使用固定闭塞列车分隔原理的线路上使用。移动授权来自信号机的显示，该信息通过可变数据应答器以点式通信模式从轨旁向列车传输。列车如同连续式通信级中一样在路网中得到定位，因此列车能在全面考虑TDB中详细的轨道信息并受ATP系统监控的情况下自动地遵从所有的速度限制。22ITC通信级别Trackside轨旁车轮传感器信号机测速器应答器天线HMIATPATOInterlocking联锁雷达Train列车TVD轨道空闲检测欧式应答器轨旁电子单元LEU23联锁级•当连续或点式通信级都不能正常工作时，可以进一步采用此降级模式运行。此时将由标准的色灯信号机提供全面的联锁级列车防护。24IXL通信级别Trackside轨旁WheelSensor车轮传感器Signal信号机Interlocking联锁Train列车TVD轨道空闲检测25北京地铁十号线的无线系统•无线通信子系统主要包含了标准的、符合IEEE802.11b标准的无线局域网部件。•在地铁系统中，信息传输系统设备将同时分布于车辆和轨道设备之间。接收信息或发送信息的设备被通过唯一的IP地址（源地址或目的地址）标识。这也应用于冗余的设备，每个单元都将被自己唯一的IP地址标识。26•无线子系统包括：•一组轨旁无线传输单位（包括WCC、无线切交换机、接入点和天线），负责为全线路提供完整和连续的信号覆盖。它们通过以太网交换机连接到ATS总线。•一组车载无线传输单位，每辆列车分别于首尾安装一个而成对出现。这些传输单位通过串行线连接至TrainguardMT的车载控制单元。27轨旁设备•TrainguardMT轨旁设备包括以下组件：•WCU_ATP•安全轨旁控制单元，为室内设备，其执行ATP功能。该计算机与ATS系统中的VicosOC及Sicas交换数据。28•WCU_TTS•TrainguardMT的非安全轨旁控制单元，为各种类型的ATS提供所有列车的表示以及中央服务和诊断系统。29•通信设备（轨旁）•轨旁通信设备是非安全范畴的设备，它以无线方式持续为车–地之间传输信号。30•应答器•使用两种应答器，固定数据应答器（用于列车定位）或可变数据应答器（用于点式通信）。固定数据应答器是一个独立的单元。可变数据应答器通过轨旁电子单元（LEU）和信号机相连。31•LEU•轨旁电子单元是信号机和可变数据应答器之间的接口。它评估信号机的显示并为可变数据应答器产生报文。32•安全接口（轨旁）•站台屏蔽门、紧急停车按钮和其它安全设备通过SICASECC连接到WCU_ATP。输入输出板上的安全继电器提供安全的输入、输出。33TrainguardMT信号系统的主要功能。•ATP/ATO功能负责在联锁功能建立的约束下、根据ATS功能的要求，为列车实现安全运行。•ATP/ATO系统功能的子功能如下：•ATP轨旁功能负责列车分隔、列车追踪功能，并生成与ATS功能、联锁功能和ATP/ATO车载功能进行故障-安全通信的报文；•ATP/ATO车载功能负责列车的安全运行、自动驾驶，并提供信号系统与司机间的显示接口。34•计轴系统的列车检测功能•列车检测功能通过计轴系统来实现，并以每个轨道区段是否“空闲”/“占用”的形式给出列车的位置信息。•列车检测功能的输出是：•用于实现联锁功能而汇报的轨道“物理空闲”或“物理占用”状态。35•列车折返•列车在终端站或其它定义的车站中进行折返操作的功能，有以下的折返模式：•ATO自动折返运行模式•ATP监督下的人工驾驶折返模式•无ATP监督的切除模式下的人工驾驶折返模式36•临时限速•临时限速功能被应用于一些特殊路段以降低允许速度。临时限速可以由操作员按照安全程序人工设置。设定的数据将从ATS系统传送给ATP轨旁控制单元。ATP轨旁控制单元通过连续式通信通道不断给列车发送所有临时限速信息，同时车载ATP控制单元将持续检测列车位置并对速度限制进行监督。37•对列车运行方向和列车后溜的监控(车载)•列车的运行方向受到连续的监控。•每列列车都有后溜监督功能，所监督的后溜距离可根据运行要求进行配置，设置为2米。38•对列车静止状态的监控(车载)•在站内打开车门和站台屏蔽门前，必须要监督列车是否已处于静止状态。为了证实列车已停稳，系统将同时考虑雷达与测速电机双方所提供的信息。ATP车载计算机单元将应用这些速度信息。39•车门解锁(车载)•为了保证乘客的安全，车门在列车运行期间不能开启。只有当列车处于静止状态且正确的停止在站台区域的预定位置后，ATP功能就会对车门及站台屏蔽门解锁。•仅当下列所有的条件被满足时，ATP车载单元才能够对将要打开的车门解锁：•列车处于静止状态。•列车位于定义的车站停车窗内。•如果有一个车门没有被关上并且锁闭，ATP车载单元就一直激活“牵引切除”功能。当所有的车门再次关闭并锁闭后，该状态功能将会被终止。当车离开停车窗时，“车门释放”命令会被终止