城市轨道交通列车运行控制CBTC安全制动模型.docx
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城市轨道交通列车运行控制CBTC安全制动模型
专业限选课程设计
课程城市轨道交通控制
姓名王黎敏
撰写时间：
2021年12月13日
课题总览
1）CBTC系统的结构以及各个子系统的主要功能
2）移动闭塞系统与固定闭塞系统的主要区别（系统组成、技术特点、系统性能）
3）ATS的系统结构与主要功能
4）ATP、ATO的主要功能
5）列车平安制动模型的根本原理
6）典型的列控系统举例
作业内容
第一局部：
CBTC系统的结构以及各个子系统的主要功能
CBTC即CommunicationBasedTrainControlSystem，中文名为基于通信的列车控
制系统，是当前列控系统开展的最先进层次。
简述：
IEEE将CBTC定义为：
“利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路）,双向连续、大容量的车-地数据通信，车载、地面的平安功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统〞。
定义中指出CBTC中的通信必须是连续的，这样才能够实现连续自动列车控制，利用轨间电缆、漏泄电缆和空间无线都可以实现车、地双向信息的连续传输。
CBTC的突出优点是可以实现车—地之间的双向通信，并且传输信息量大，传输速度快，很容易实现移动自动闭塞系统，大量减少区间敷设电缆，减少一次性投资及减少日常维护工作，可以大幅度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等等。
在CBTC中不仅可以实现列车运行控制，而且可以综合成为运行管理，因为双向无线通信系统，既可以有平安类信息双向传输，也可以双向传输非平安类信息，例如车次号、乘务员班组号、车辆号、运转时分、机车状态、油耗参数等等大量机车、工务、电务等有关信息。
利用CBTC既可以实现固定自动闭塞系统（CBTC-FAS），也可以实现移动自动闭塞系统（CBTC-MAS）。
在CBTC应用中的关键技术是双向无线通信系统、列车定位技术、列车完整性检测等。
在双向无线通信系统中，在欧洲是应用GSM-R系统，但在美洲那么用扩频通信等其他种类无线通信技术。
列车定位技术那么有多种方式，例如车载设备的测速-测距系统、全球卫星定位、感应回线等。
优点：
与使用轨道电路的传统列控系统相比，CBTC有以下显著优点：
〔1〕、通过整个系统提供可靠的检查与平衡手段，通过车-地间双向信息传输，实现
列车的闭环控制，从而大大降低认为错误的影响，系统的可靠性更高。
〔2〕、各级调度都可以随时了解区段内任意列车的位置、速度、机车工程及其他各
种参数，利用上述信息，各级调度可以标准、协调地直接指挥行车。
〔3〕、车站控制中心依据列车状态及前车状态，结合智能技术调整列车运行，获得
最正确区间通过能力，减少列车在区段内运行时不需要的加速、制动，增加旅客乘坐的舒适度。
〔4〕、区段内所有运行列车的各种参数〔如：
列车号、机车号、位置速度、工况、
始发站、终点站、车辆数、载重量等自动的发给各种管理系统，如：
TMIS、
DMIS，不需要人工键入，从而可以防止对参数的漏键、错键、迟键和其他认为的错误，将以上控制和管理紧密结合，实现铁路信息化。
〔5〕、减少沿线设备，设备组要集中在车站及机车上，减轻设备维护和管理的劳动强
度，受环境影响小〔如:
可减少雷击等现象的干扰和损伤在遭受自然灾害或战争破坏后，易恢复运行。
结构：
目前能提供CBTC系统的信号设备供给商只有寥寥几家，如德国西门子，法国阿尔斯通、美国USSI和加拿大庞巴迪等，各个厂商的CBTC系统的结构虽然有细小差异，但是大体类似。
这里以西门子的CBTC作为描述对象。
按照功能，西门子的CBTC可以划分为以下五局部：
计算机联锁子系统〔IL〕龜列车自动防护子系统〔ATP〕t列车自动驾驶子系统〔ATO〕列车自动监督子系统〔ATS〕潑无线传输系统〔Radio〕
其结构如下:
中央各局部主要功能：
1、计算机联锁子系统：
SICAS〔商品名〕⑥系统功能：
轨道空闲检测
进路控制
道岔控制信号机控制
系统结构：
PROFIBUS
联锁总线
操作和显示系统
2、列车自动防护子系统
O列车自动防护负责列车的平安运行。
在地铁系统中它完成保证安全的各种任务。
ATP连续检测列车的位置和速度、监督列车的速度限制、车门的控制、监督和启动屏蔽门及平安门、追踪所有装备信号设备的列车、考虑联锁条件并为列车产生移动授权。
◎ATP是列车自动控制系统〔ATC〕的一局部，它分为轨旁单元和车载计算机单元。
通过轨旁到列车的无线通信网络，在轨旁单元和车载单元之间建立了双向通信。
具体功能包含有：
列车定位
速度测量
移动闭塞运行
列车追踪
结构:
3、列车自动驾驶子系统：
TRAINGUARD〔商品名〕
号列车自动驾驶ATO负责控制列车的运行，例如列车的自动离站，列车的速度调节，列车的目标制动以及车门、屏蔽门和平安门的开/关的启动控制。
ATO设备没有平安相关的功能,因为ATO总是运行于ATP的平安监督之下。
癒ATO的主要部件在列车上，以实现TGMT的自动驾驶模式。
ATO的功能是非平安型的，ATO车载单元是单通道的计算机。
轨旁ATO的功能通过ATS，轨旁ATP和SICAS实现。
所以,ATO轨旁功能不需额外的物理设备。
具体功能包含：
自动驾驶模式列车速度控制列车目标制动根据时刻表生成节能运行曲线车门和站台屏蔽门/平安门的翻开和关闭
4、列车自动监督子系统：
VICOSOC501〔商品名〕
♦VICOSOC501系统的系统环境基于标准的硬件和系统体系结构。
效劳器采用SUN-Blade工作站和UNIX操作系统，各个部件和服务器之间应通过高速以太局域网连接。
ATS局域网中采用TCP/IP通信协议，用两台以太网交换机实现路由功能。
◎在每个联锁站，配有高可靠性的冗余FEP用于采集来自其他外部
子系统〔如PIIS，DTI,IBP〕的信息。
车站FEP提供一个时钟信息到PIIS。
这些现场信息再被传输到OCC的ATS计算机。
其他相关系统，如车辆段联锁、MCS、无线传输等那么通过一台放置在OCC的FEP来处理，EMCS和SCADA的接口信息由MCS提供。
⑥LOW、TRC和S&D系统直接与SICASECC和TGMT通信。
主要功能：
列车监视和追踪
列车自动调整
时刻表系统
控制中心HMI
车站操作员工作站LOW
事件列表一报警和消息列表
系统结构：
□QQPSQ
5、无线传输子系统
♦此无线通信系统〔名为RailComWireless〕使
TRAINGUARD?
MT列车控制系统可以在轨旁、中央和车载设备之间进行通信，该通信使用标准网际协议〔IP〕寻址机制。
♦此系统使用基于RailComWireless宽带通信平台派生出的无线局域网〔WLAN〕技术。
此系统同时也是在西门子车地通信综合管理概念〔ITTCom〕的根底上形成的。
ITTCom提供多程序并行应用的无缝集成，包括平安相关的应用程序〔列车自动保护等〕，自动化应用程序〔列车自动运行，列车自动监督等〕，以及维护应用程序〔远程诊断等
主要参数：
総列车控制的数据传输速率：
40kbps
*此系统被配置为连续且无缝地为每列车的列车控制程
序提供40kbps的数据传输速率。
如果将来需要的话，此系统自身能够提供更高的数据传输速率。
爲报文传输时间：
小于500毫秒
龜注册时间：
小于5秒
号漫游时间：
小于100毫秒
无缝漫游的列车速度：
可高达100公里/小时
⑥纠错前列车控制的帧错误率：
小于10E-6
纠错对信号系统平安无影响。
⑥系统容量：
2000辆列车。
系统结构：
I
il
I
♦
>
ATS£S
+
■1
交捣底
--
I
4
■
■
V
WCC
■
l
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h
XI
无抚
无
f
无ft
■
■a
交撫耳一
Mil
主站
6
4
8
10
12
9
12
第二局部：
移动闭塞系统与固定闭塞系统的主要区别
闭塞定义：
在轮轨交通中，为保证列车运行平安，须保证列车间以一定的平安间隔运行，铁路行业将这个平安间隔称为闭塞。
早期，人们通常将线路划分为假设干闭塞分区，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，列车那么根据信号显
示运行。
不管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平安间隔。
固定闭塞和准移动闭塞信号控制系统
传统的信号系统中采用的“车一地通信〞，是一种通过轨道电路实现地面控制系统向列车传输信息的的单向传输系统，所构成的信号系统是固定闭塞或准移动闭塞的信号系统。
传统的固定闭塞信号控制，采用阶梯式速度控制方式，对应每个闭塞分区只能传送一个该分区所规定的最大速度命令码，称为固定闭塞系统。
其特点是线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区、一个分区只能被一列车占用；闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计；列车间隔为假设干闭塞分区，而与列车在分区内的实际位置无关；制动的起点和终点总是某一分区的边界；要求运行间隔越短，闭塞分区〔设备〕数也越多，列车最小运行间隔?
120s；采用模拟轨道电路、轮轴传感器、加点式或环线传输，信息量少。
该方式不易实现列车的舒适、节能控制限制了行车效率的提高。
速度
限磁度p
A
連度0
/允许运行速度
速度"
rmpb*
■■a
1~鼻一
保护区駁a
与固定闭塞不同的是，准移动闭塞信号系统采用一次模式曲线控制方式，并
且可以根据地面信号设备提供的目标速度、目标距离、线路状态〔曲线半径、坡
道等数据〕等信息，车载设备计算出适合于本列车运行的模式速度曲线。
制动的起点可以延伸，但终点总是某一分区的边界〔根据每个区段的坡道、曲线半径等参数，包含在报文中〕；要求运行间隔越短，闭塞分区〔设备〕数也越多，列车最小运行间隔?
100s；采用报文式数字轨道电路，辅之环线或应答器，信息量较大。
CBTC移动闭塞系统
基于通信技术的列车控制系统〔CBTC不是通过轨道电路来确定列车的位置，向车载设备传递信息，而是利用通信技术，通过车载设备、现场的通信设备与车站或列车控制中心实现信息交换完成速度控制。
随着技术的开展和需求的牵引，人们开始采用基于无线通信的列车控制系统，也就是采用在列车和轨旁设置无线电台实现列车与地面控制系统之间连续的双向通信，做到真正的双向“车一地通信〞，从而实现基于通信的列车控制系统〔CBTC〕,其技术体制属于移动闭塞系统。
CBTC勺根本原理是：
ATP地面设备周期性地接受本控制范围内所有列车传来的列车识别号、位置、方向和速度信息。
相应地，ATP地面设备根据接收到的列
车信息，确定各列车的移动授权，并向本控制范围内的每列列车周期性地传送移动授权〔ATP防护点〕的信息。
移动授权由前行列车的位置来确定，移动授权将随着前行列车的移动而逐渐前移。
ATP车载设备根据接收到的移动授权信息以及列车速度、线路参数、司机反响时间等，计算出列车的紧急制动触发曲线和紧急制动曲线，以确保列车不超越现有的移动授权。
因此在移动闭塞系统中，ATP防
护点不是在轨道区段的分界点，而是在前行列车车尾前方加上平安距离的位置，它随着列车的移动而移动。
移动闭塞是相对于固定闭塞而言的。
固定闭塞是在区间设置固定的闭塞分区和相应的防护信号，而移动闭塞固然也有防护列车运行安全的闭塞分区，但其闭塞区间是移动的，是随着后续列车和前方列车的实际行车速度、位置、载重量、一制动能力、区间的坡度、弯道等列车参数和线路参数的变化而改变，随着列车运行而移动。
保护距离
总结：
综上所述，移动闭塞相比固定闭塞有以下几点重要区别。
1、不划分闭塞分区，在移动授权的许可范围内，列车即可按照ATO速度曲线行车。
2、车地通信依靠移动通信技术，而不是轨道电路。
信息量大，速度快。
3、移动闭塞的防护点始终是随着追踪列车的前进而前进的，而不是固定闭塞中某一个闭塞分区的入口。
第三局部ATS的系统结构与主要功能
简介：
列车自动监控系统是城市轨道交通信号系统的一个重要组成局部，英文称为
AutomaticTrainSupervisionSystem，简称ATS系统。
列车自动监控系统利用可靠的网络结构，与列车自动防护系统和列车自动驾驶系统一起完成对全线列车运营的管理和监控功能。
列车自动监控系统的功能包括监督和控制两局部。
列车自动监控系统的监督功能那么是将列车运营的状态和信息，通过控制中心或各车站的调度终端，实时显示出来，控制中心或各车站的调度员可以通过这些调度终端屏幕，实时了解和掌握列车的实际运行情况，以便及时对行车作业进行分析和调整，保证全线运营平安高效有序进行。
列车自动监控系统可以显示全线列车的动态运行情况，在线路上出现故障或紧急情况时，可以通过列车自动监控系统对事故进行全面指挥和处理，调配资源，及时排除故障，恢复正常运营作业，提高工作效率。
列车自动监控系统的控制功能，是由列车自动监控系统向列车自动防护系统和列车自动驾驶系统，发出指令办理列车进路，指挥控制列车按照列车运行图运行来运行。
列车自动监控系统可以绘制列车实迹运行图，并动态地对偏离运行图的列车进行调整。
列车自动监控系统为非故障-平安系统，列车平安运行由列车自动防护系统来保证
主要功能：
列车自动监控系统监控全线列车运行，它具有以下主要功能：
集中监视和跟踪全线列车运行情况；自动记录列车运行过程；自动生成、显示、修改和优化列车运行图；自动排列进路；自动调整列车运行追踪间隔；信号系统设备状态报警；记录调度员操作；运营方案管理和统计处理；列车运行情况模拟及培训；与其他系统接口等。
列车自动监控对在线所有运行列车进行实时监视和跟踪。
列车监视和追踪功能包括：
1．列车监视和跟踪功能
1）
系统自动识别、读取列车车次号；
7）记录车次号；
2．列车自动排列进路功能
列车自动监控系统的列车自动排列进路功能，能够对轨道电路、信号机、道岔实现集中控制，根据列车的运行情况，在适当时机向车站联锁设备发送排列进路命令，转换道岔，开放信号，保证列车的平安运行。
列车自动排列进路功能，通过捕获列车的车次号信息，来获取列车的运行任务，由车站设备最终完成进路自动排列作业。
3．列车追踪间隔调整功能
（1）列车追踪间隔调整功能分类：
线路上有多列车在运行，列车自动监控系统对前后列车之间的运行间隔，进行实时监测和调整，保证列车在线路上平安、有序、高效地运行。
列车追踪调整，可以有两种方式来实现，间隔调整方式和列车时刻表调整方式
（2）列车间隔调整功能的实现方式列车间隔调整功能通过两种方式调整列车的运行，来最小化列车偏离方案时刻表运行的趋势，或按照间隔调整方式行车。
（3）人工干预列车间隔调整控制中心调度员可以通过人机界
面，修改车站最大、最小停站时间，或为站台设定确定的停车时间，从而改变“列车调整功能〞中关于站台停车时间的有关数据。
4．列车运行模拟仿真功能
列车自动监控系统提供模拟仿真功能，可以训练操作员和维护人员。
模拟仿真是通过仿真手段，离线模拟列车的在线运行，主要用于系统的调试、演示以及人员培训。
模拟仿真功能与在线控制模式功能相同，主要的差异在于是列车的信息不是实际获取，而是根据列车车次号位置来
模拟实际列车。
仿真模拟运行能够模拟在线控制中的系统功能，但它与实际的现场设备之间没有任何信号设备表示信息和控制命令的信息交换。
5．列车运行重放功能
列车在实际运行时，列车自动监控系统的数据库效劳器会储存列车运行的各种信息，包括调度员发布的调度命令，以及线路信号设备的实际工作状态信息等。
6．事件记录、报告和报表生成、打印功能
列车自动监控系统能够记录大量与运行有关的数据，如列车运行里
程数、实迹列车运行图、列车运行与方案时间的偏差、重大运行事件、
操作命令及其执行结果、信号设备的状态信息、设备的故障信息等。
7．报警功能
列车自动监控系统能及时记录被监测对象的状态，有以下功能：
1）故障的预警、诊断和定位；
2）监测列车防护系统是否正常工作；
3）监测信号设备和其他系统设备的接口状态；
4）在线监测与报警；
5）监测过程不影响被监测设备的正常工作。
在列车自动监控系统相应工作站的显示终端上，有一个报警窗口，显示所出现的故障信息，严重的故障还用音响报警提示，以提醒调度员以及维护人员及时处理，直到恢复正常状态为止。
8．接口功能
列车自动监控系统除了以上所述的根本功能外，还可以与其他控制
系统进行数据交换，这些系统包括有：
1）主时钟系统；4）无线列车调度系统；
2）车站旅客向导系统；5）综合数据处理系统等。
3）车站播送系统；
列车自动监控系统与这些系统之间的接口，遵循一定的通信协议和格
式，具体接口情况因不同的设备而定
根本结构:
ATP:
第四局部ATP和ATO的主要功能
列车自动保护系统〔AutomaticTrainProtection，简称：
ATP,
亦称列车超速防护系统，其功能为列车超过规定速度时即自动制动，当车
载设备接收地面限速信息，经信息处理后与实际速度比拟，当列车实际速度超过限速后，由制动装置控制列车制动系统制动。
主要功能有：
1地面设备功能2、检测列车位置。
3、根据先行列车位置以及进路情况确定后续列车的限制速度。
4、向列车传递限速信息。
5、车载设备功能
ATO列车自动驾驶系统根本功能
1•车站发车控制功能3.车站精确停车
2•列车区间运行速度控制4.列车自动折
5•执行跳停和扣车功能
（1）跳停跳停作业是指在线路上运营的列车，在某一指定车站不停车，而以规定的速度通过该车站。
（2）扣车扣车作业是指列车在某站台停靠，不允许列车继续运行。
6.控制车门
第五局部列车平安制动模型的根本原理
列车平安制动模型（SafeBrakingModel）是ATP计算速度曲线的核心。
其原理可以用以下列图说明。
图例详解:
Y点：
牵引增速开始时的实际速度和位置
Z点：
ATP激活紧急制动
X点：
车载ATP设备测定的速度和位置
A.车载ATP反响时间
B.紧急制动开始后，牵引的取消时间
C.进行紧急制动的额外时间
D.紧急制动启动时间
E.GEBR紧急制动速度距离〔同平安制动模式的时间有关〕。
平安距离制动模型是分析列车在所有最不利条件以及设备有故障的情况下减速到平安速度的重要依据。
紧急情况下，一辆装备了车载控制器的列车可以在小于或等于平安制动模型计算所得距离内停车。
平安制动模型遵循IEEE的
CBTC标准。
道床参数、永久性限速、临时限速、列车长度、运行速度及其它列车性能参数等所有数据都存储在车载控制器中。
车载控制器计算牵引曲线，保证车速低于制动速度。
ATP的超速监测曲线是一条速度-距离曲线，ATP子系统利用它来判断是否需要进行紧急制动，即如果ATP子系统探测到当前车速大于该点的限制速度，就触发一个紧急制动。
ATP剖面曲线也是一条速度一距离〔与追踪列车之间的距离〕曲线，它在ATP超速检测曲线之下，是ATP子系统的根底。
女口上图所示，CBTC系统对列车速度和位置进行测量〔与其移动授权限制有关〕，
并每隔A秒〔最不利情况〕将测量速度与测量点的ATP曲线速度进行比拟。
在图中，X
点代表CBTC测量速度低于测量点的ATP超速检测曲线，例如，虽然ATP测量速度高于ATP型式曲线，但仍在ATP超速允许范围内。
此时，CBTC系统就不会进行紧急制动。
但由于存在最不利情况下速度与位置的测量偏差〔位置偏差〕，列车的实际速度和位置有
可能位于丫点。
在列车超速的情况下，尽管司机或ATO子系统通常会试图将列车降速至
ATP模式曲线速度以下，但系统会有延时或者发生故障，列车将继续加速。
A秒钟之后，
CBTC系统会检测列车超速的状态〔点Z〕，并立即启动急制动程序。
由于CBTC系统在
最坏情况下存在反响时间和测量误差，Z点代表此时列车可超出ATP模式曲线的最大速度。
在该点，平安制动模式的剩余操作仅由车辆特征决定。
*牵引取消反响时间〔B〕
在这一局部的平安制动模型，列车继续加速直到列车推进系统已被禁用响应，系统
启动紧急制动的应用。
|
*惰行时间〔C〕
在这一局部的列车平安制动模型中，假设列车的牵引系统故障，列车以当时的最高
速度开始进入惰性。
这局部的平安制动模型结束时，紧急制动开始生效。
•紧急制动建立时间〔D〕
此阶段模型中，列车制动率将从零上升到紧急制动制动率GEBR〔以制动设备供给
商所能保证的紧急制动率参与计算〕。
•GEBR紧急制动〔E〕
在这一局部的平安制动模型，列车以GEBR的减速度继续减速，直到列车车速为0。
在一些模型中，D和E可能被整合为一个阶段。
•位置不确定性
平安制动模型必须包括列车控制系统对前后列车距离测量误差的最大距离。
第六局部典型的列控系统举例
――成到地铁1号线USSICBTC系统概览
成都地铁1号线采用了浙大网新与美国USSI公司提供的无线CBTC信号系统和设备。
该信号系统技术构成既保存了信号系统延续和积累了百年的平安内核和机制，又参加了新技术、新性能和新应用。
本文将从阐述移动闭塞技术的设计原理入手，分析其系统构架结构和功能优势。
USSICBTC简述：
传统信号系统的主要设计原理是通过使用平安的轨旁信号确保列车间隔、列
车停车和提醒司机，因此没有列车会进入另一列车占用的闭塞区段。
基于CBTC
的移动闭塞系统的主要设计原理是在维持系统平安性的同时，通过改进的位置分
辨能力和移动授权更新率，来提供更大的运能，缩短列车间隔距离，系统的设计原那么就是“目标距离〞。
车载控制器负责列车在轨旁区域控制器发出的移动授权
〔MAL范围内平安移动。
移动授权设置到列车前方障碍物处。
车载控制器确保所有适宜的、出于平安方面的考虑都已包括在生成的速度曲线中。
这些考虑包括：
最不利情况下的停车距离，以及不确定的前方障碍物位置。
在移动闭塞系统中，车载控制器将根据报告的列车位置和不确定误差来计算在最不利情况下的列车位置；然后，车载控制器将列车视为后续列车的障碍物，为后续列车计算MAL
使后续列车尽可能靠近该车。
移动闭塞原理中，与前车车尾间的平安间隔，是根据最高运行时速，制动曲线和列车在线路上的位置动态计算的。
由于位置信号的
高分辨率，后续列车可以按照该段线路的最高运行速度，在与最新验证的前车车尾位置保持平安制动距离前提下，平安地靠近前车车尾。
“平安距离〞是列车间的一个固定值，它是在后车预定的停车点与确认的前车尾部位置之间的距离。
这个距离的取值考虑了存在一系列最不利情况，仍能保证平安间隔。
系统的设计
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