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1、基于无线通信技术的CBTC信号系统第25卷第3期2011年9月上海工程技术大学JOuRNALOFSHANGHAIUNIVERSITYOFENGINEERINGSCIENCEVoL25NO.3Sept.2011文章编号:1009444X(201I)03021704基于无线通信技术的CBTC信号系统汤璐诘.,钱剑敏,梁鉴如(1.上海轨道交通维护保障中心通号公司,上海200002;2.东华大学信息科学与技术学院,上海2016203.上海工程技术大学电子电气工程学院,上海201620)摘要:介绍了基于通信的列车控制(CBTC)信号系统的基本组成结构,对法国泰雷兹(Thales)公司的CBTC信号系统的
2、结构和特点进行了分析.研究表明:当信号系统通信丢失后,主要子系统处理机制充分体现了信号系统故障导向安全的原则.关键词:基于通信的列车控制;地铁自动控制;通信丢失中图分类号:U231.6文献标志码:ACBTCSignallingSystemBasedonMobileCommunicationTechnologyTANGLu-jie.QIANJianrain.LIANGJianru.(1.ShanghaiRailTransitMaintenanceSupportCentre,Telecom&SignallingBranch,Shanghai200002,China;2.CollegeofI
3、nformationSciencesandTechnology,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China;3.CollegeofElectronicandElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)Abstract:ThebasiccompositionandstructureofCBTCsystemwereintroduced,thecharacteristicsandstructureofThalesSCBTCsystemwereana
4、lyzed.Theresultshowsthattheprocessingmechanismofthemajorsignalsubsystemforlostcommunicationscanfullyreflectthefailureorientedsafetycriteria.Keywords:CBTC(CommunicationBasedTrainContro1);metroautomaticcontro1;communicationlost移动闭塞是基于通信的列车控制(CommunicationBasedTrainControl,CBTC)信号系统.该系统不依靠轨道电路向列车车载设备传递
5、信息,而是利用通信技术实现车地通信,并实时地传递列车定位信息1.通过车载设备,轨旁通信设备,实现列车与车站,控制中心之间的信息交换,完成列车控制.系统通过轨旁无线接入单元(AccessPoint,AP)建立车地之间连续,双向,高速的通信,使列车运营过程中的命令和状态可以在车辆和地面之间进行实时可靠的交换,并确定列车的准确位置及列车间的相对距离,保证列车的安全间隔j.移动闭塞技术是通过车载设备和轨旁设备不间断地双向通信来实现的.列车不问断地向控制中心传输其标识,位置,方向和速度等信息,控制中心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.列车的长度加上最大制动距离,再加上列车后方一定的防护
6、距离,便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区3.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4.收稿日期:20110419作者简介:汤璐诘(1984一),男,在读硕士,研究方向为控制工程.Email:tanglujiemetro.sh.ca上海工程技术大学第25卷1CBTC信号系统架构CBTC信号系统一般由4部分组成:1)列车自动监控系统(AutomaticTrainSupervision,ATS).ATS是一个非安全子系统,它为控制中心值班员提供人机接口,在线路显示屏上显示列车的具体位置.同时,将接口软件
7、发送的列车进路请求提供给区域控制器(ZoneController,ZC).冗余结构的ATS可实现与所有列车运行控制子系统的通信,用于传输命令,精确地排列列车进路及监督子系统状况_5j.2)区域控制器.ZC由移动授权单元(MovementAuthorityUnit,MAU)和微机联锁(PostedeManoeuvreInformatise,PMI)系统组成.ZC通过运行CBTC的移动闭塞概念,确保列车的安全运行.ZC基于已知的障碍地点和预计的交通荷载,确定其控制区域内所有列车的移动权限.每个ZC均采用3取2的冗余配置,确保系统的安全稳定.3)车载控制器(VehieleonBoardControl
8、ler,V()BC).VOBC与列车是一一对应的.它通过速度传感器的输入,测量信标间的距离以及从已检测到的信标开始的行驶距离,实现列车自动保护(AutomaticTrainProtection,ATP)和列车自动运行(AutomaticTrainOperation,ATO)的功能.数据库中包括所有相关的轨道信息,例如信标位置,车站停车点,坡度,土建限速,道岔位置和信号机位置等.与MAu采取同样的3取2的冗余配置,加强车载系统的稳定性.列车操作显示(TrainOperatorDisplay,TOD)为司机提供了连接VOBC与ATS的接口,显示的信息包括最大允许速度,即时速度,到站距离,列车运行模
9、式和系统出错信息等.4)数据通信系统(DateCommunicationSystem,DCS).DCS传送的是安全控制信息,但它本身不是一个安全系统.与DCS相连的任何两个节点之间,可以互相通信.系统采用开放的国际标准:以802.3(以太网)作为列车控制子系统问的接口标准,以802.11作为无线通信接口标准,这两个标准均支持互联网协议(IP)j.2Thales公司CBTC信号系统架构2.1系统介绍Thales公司的CBTC信号系统可以在两种模式下运行:CBTC模式和后备模式.在CBTC模式下,MAU从ATS接收进路请求.随后MAU从列车报告的位置开始为列车计算ATS所请求进路上的移动授权,即移
10、动授权限制(LimitofMovementAuthority,IMA)或者人工列车授权(AuthorizationforManualTrain,AMT),并延伸至ATS所请求进路上最近的障碍点.如果ATS进路包含道岔区域,MAU将请求一条通过联锁区域的PMI进路.只有当PMI报告该进路已经授权以后,MAU才将LMA延伸至该进路.当MAU确定一列受控列车的移动授权可以通过一个信号机时,MAU会向PMI发送一个信号允许命令.PMI遵照MAU的命令去驱动信号机点亮绿灯,这在固定闭塞原理中,也许会因为两列车未满足双红灯保护原理而导致该信号机无法开放绿灯.MAU通过信息确认区域里所有列车的确切位置,并利
11、用列车的确切位置以及系统所获取的信息,确定延伸列车的移动授权的时间,以便保证移动授权中的信号机安全可靠.列车可以在受控模式EATO,列车自动防护人工模式(AutomaticTrainProtectionManual,ATPM)下运行,利用LMA/AMT建立停车点,运行过程应用移动闭塞原理.2.2系统特点Thales公司CBTC信号系统的6大特性:1)移动闭塞列车控制.MAU通过与所有设备不间断的通信来确定列车的移动授权,并实现移动闭塞列车控制,后续列车的移动授权也将根据前车的速度以及各种设备的状态时时变化.2)双向运营.系统利用LMA管理提供安全的双向运营,并支持到实体站台,虚拟站台和信号机的
12、进路.3)通过本地工作站运营的能力.在中央调度服务器(SchaduleRegulationServer,SRS)故障的情况下,本地SRS不需操作员干预,将自动分配运行线.本地操作员可以承担区域控制,可以更改进路以及对轨旁发命令j.4)计轴区段(AxleCounterBlock,ACB)故障下的运营能力.MAu功能的引入,可以使系统在一些ACB故障情况下维持AT()运营.这些故障第3期汤璐诘,等:基于无线通信技术的CBTC信号系统包括:相邻区段不被占用时的ACB受扰;区域边界的ACB受扰;ACB受扰且相邻区段里只有通信列车.5)列车往返运营及列车线路变更.在轨道被阻塞的情况下,支持两地之间的往返
13、运营(包括双向运营).6)MAU不可用时后备系统的可用性.在MAU不可用的情况下,ATS向PMI发送进路请求,PMI基于固定闭塞原则设置进路以及开放信号.列车按照PMI建立的进路,在轨道信号防护(WaysideSignallingProtection,WSP)模式下运行.3通信丢失图1系统架构图InFig.1StructurediagramofsystemCBTC信号系统是基于通信的列车控制信号系统,各子系统之间良好的通信是系统正常工作的保障.由于各设备的冗余性,单个部件的故障不会导致VOBC与MAU的通信丢失,多个部件故障才可能导致通信的丢失.例如设备集中站中MAu的两块主处理单元(Main
14、ProcessingUnit,MPU)板宕机故障;VOBC的两块MPU板宕机故障;两个相邻的AP故障;一列列车的两个移动无线电单元(MobileRadioUnit,MRU)故障等.当VOBC与MAU通信丢失时,从VOBC层面看,就等同于一个MAu故障;而在MAu层面,就等同于一个VOBC故障.3.1VOBC处理机制当故障引起列车与地面通信故障时,即VOBC检测到与MAu通信故障时,3s时间内VOBC不会作任何反应,3s时间后VOBC会命令ATO列车施加常用制动使列车减速,并设置最近的地点为列车的紧急停车点,如下一车站的进站停车点,下一连锁信号机,通信丢失停车点(该停车点根据司机的反应时间,列车
15、的速度建立)等停车点.如果通信在12s(含之前的3s)时间内恢复,VOBC将命令ATO列车加速,继续前进.VOBC速度曲线如图2所示.图2VOBC速度曲线Fig.2SpeedcurveofVOBC如果通信在12s(含之前的3s)时间内没有恢复,VOBC会判定其最后接收到的LMA无效,列车移动授权设置为0,命令ATO列车施加紧急制动(EmergencyBrake,EB).上海工程技术大学第25卷3.2MAU处理机制12s后,MAu将列车变为非通信列车(NonCommunicatingTrain,NCT),如图3所示.此时,在ATS界面上列车名字显示为红底白字.若列车分配有LMA进路,则列车前方的
16、信号机将变为禁止信号机(红灯信号机),LMA进路自动变为AMT进路.中央调度员不需要重新给列车排列进路,MAu会保留原有的进路请求,根据列车的模式计算合适的授权.图3非通信列车,Fig.3Noncommunicatingtrain如果在63s(含之前的12s)内通信恢复,缓解EB后,列车可继续正常行驶;如果在63s(含之前的12s)内通信没有恢复,MAU在通信开始丢失63s后,删除ATS界面上的列车图标,列车所占用的计轴区段,变成一个非通信障碍物(NonCommunicatingObstruction,NCO),如图4所示.此时ATS界面上列车名仍显示为红底白字,所占用计轴区段下会多出一条湖蓝
17、色色带.之后,列车在中央调度员授权下,可以转换至限制人工向前(RestrictedManualForward,RMF)模式运行.当满足WSP模式的转换条件后,列车可以转换至WSP模式运行.根据固定闭塞的双红灯防护原则,重新命令满足条件.的信号机变为允许信号机(绿/白灯信号机).图4非通信障碍物Fig.4Non-communicatingobstruction4结语地铁运营情况是错综复杂的,只有一套稳定,高效,且具有极强抗故障能力(抗故障能力包括预防故障的能力和故障发生后系统处理机制的合理性)的信号系统,才能满足市场的需求.法国Thales公司研发的CBTC信号系统在总体设计中兼顾了较强的抗故障
18、能力.在系统设计过程中,无论是信号系统后备模式的采用,还是各子系统设备的冗余设计(针对不同类型设备的不同特性,分别采用了双机热备,22取2和3取2等3种不同类型的冗余设计),以及在故障发生后系统的处理机制,均符合信号系统故障导向安全的原则,旨在确保白天运营时,轨旁设备和车载设备的正常稳定,降低故障发生率.由于故障的发生是不可避免的,即便系统发生故障,该系统也会运用合理的故障处理机制,将故障发生后对运营的影响降至最小,确保营运列车的安全和乘客的安全.参考文献:王晶.城市轨道交通列车自动防护系统建模与仿真实现D.北京:北京交通大学,2009.RailTransitVehicleInterfaceS
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