列车控制系统

列车控制系统1. 我国现有的列车控制系统CTCS概述我国编制的中国列车运行控制系统 CTCS 技术规范是参照欧洲 的列车运行控制系统(简称 ETCS)。CTCS 系统包含两个子系统，即车载子系统和地面子系统。地面子系统可由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网 络(GSM-R)、列车控制中心(TCC) /无线闭塞中心(RBC)。其中GSM- R 不属于 CTCS 设备，但是是重要的组成部分。应答器是一种能向车 载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接 轨旁单元传送可变信息。轨道电路具有轨道占用检查，沿轨道连续传 送地车信息功能，应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。无线通 信网络(GSM-R )是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传 输的车地通信系统。列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它 根据地面子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁 状态等产生列车行车许可命令，并通过车地信息传输系统传输给车载 子系统，保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。车载子系统可由以下部分组成：CTCS车载设备、无线系统车载 模块。 CTCS 车载设备是基于安全计算机的控制系统，通过与地面子 系统交换信息来控制列车运行。无线系统车载模块用于车载子系统和 列车控制中心进行双向信息交换。(2)CTCS 应用等级CTCS 根据功能要求和设备配置划分应用等级，分为0-4 级。CTCS应用等级0(以下简称L0)：由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。CTCS应用等级1（以下简称L1）：由主体机车信号+安全型运行监 控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速 防护功能。CTCS应用等级2（以下简称L2）:是基于轨道传输信息并采用车 地一体化系统设计的列车运行控制系统。可实现行指一联锁一列控一 体化、区间一车站一体化、通信信号一体化和机电一体化。该级别 的系统已广泛应用于国内的提速干线和部分高速客运专线。CTCS应用等级3（以下简称L3）:是基于无线传输信息并采用轨 道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。点式设备主要传送 定位信息。国内目前已有两条高铁线路采用该级别系统，武广线和即 将建成通车的西郑线。CTCS应用等级4（以下简称L4）：是完全基于无线传输信息的列 车运行控制系统。地面可取消轨道电路，由 RBC 和车载验证系统共 同完成列车定位和完整性检查，实现虚拟闭塞或移动闭塞。国内目前 尚未应用。同条线路上可以实现多种应用级别，L2、L3和L4可向下兼容。 图1 是 5种应用等级的比较。图 1 五种应用等级的比较2. 基于通信的列车控制系统(CBTC)今后的发展方向随着通信技术的发展，尤其是无线通信技术的广泛应用，列车运行控 制模式由传统的基于轨道电路的列车运行控制 (Track circuit BasedTrain Control, TBTC)演变成基于通信的列车运行控制(Communication Based Train Control，CBTC)。CBTC系统实现了列车与地面设备间的 全双工大容量双向连续信息传输，能够对列车实施更为精确的运行控 制，显著提高了行车效率，同时大大减少了轨旁设备，节省了成本和 维护费用，提高了运能与安全性。近年来， CBTC 系统成为许多地铁、 轻轨项目中列车运行控制系统的解决方案。国外一些大城市开始对原 有的地铁、轻轨系统进行 CBTC 改造，我国的城市轨道交通也已开始 设计和采用 CBTC 系统。CBTC 系统引入了通信子系统，建立车地之间连续、双向、高速 的通信，列车的命令和状态可以在车辆和地面设备之间可靠交换，使 系统的主体 CBTC 地面设备和受控对象列车紧密的连接在一起。所 以，“车地通信”是CBTC系统的基础，CBTC系统的另外一个基础 则是“列车定位”。只有确定了列车的准确位置，才能计算出列车间 的相对距离，保证列车的安全间隔；也只有确定了列车的准确位置， 才能保证根据线路条件，对列车进行限速或者与地面设备发生联锁。 所以说车地通信是CBTC系统中的一条“明线”,列车定位则是CBTC 系统的“暗线”，车地通信和列车定位共同构成CBTC系统的两大支 柱。（1）车地通信系统CBTC 系统的通信子系统主要有两种形式：一种是系统初期基于 感应环线电缆的感应环线通信系统；另一种是新近发展比较快的无线 通信系统。感应环线通信系统采用感应环线通信系统，沿线路铺设铜质芯 线、外皮绝缘的无屏蔽电缆，即感应环线电缆。环线电缆发送端连接 通信发送设备，使环线电缆中保持一定强度的恒定电流。在列车上， 安装有接收天线和发送天线，接收天线通过电磁感应，接收地面感应 环线发送的信息。反过来，当车载发送天线发送信息时，地面感应环 线又变成为接收天线，接收车载设备发送的信息，从而实现车地双向 通信。无线通信技术正在带领CBTC系统进入新的发展阶段。特别是基 于 IEEE 802.11 标准的无线局域网技术不断发展成熟， CBTC 系统可 以直接采用由第三方厂商提供的基于开放标准的无线通信平台，提高 了系统集成度，并且减少了轨旁设备，系统的可维护性进一步增强。 无线局域网不仅提供物理层和数据链路层服务，还提供网络层和运输 层服务(即TCP/IP协议)。这使得车地通信更加透明，只要知道车载 CBTC 设备的 IP 地址，地面 CBTC 设备就可以直接向通信子系统发 送信息，由通信子系统负责将该信息路由传递至车辆。而不再像感应 环线通信系统那样，需要由VCC确定将信息发送到哪一根环线。从 而进一步简化了地面CBTC设备的软、硬件结构。(2)列车定位在CBTC系统中，列车在线路上的位置是由列车本身确定的，然 后通过车地通信系统，将该信息实时地报告给地面CBTC设备，这与 传统列车位置通过轨道电路检测的方法不一样。CBTC列车定位需要 解决的三个主要问题是：(1)如何确定列车的初始定位点；(2)如何测 量列车的走行距离和方向；(3)如何消除列车走行距离测量的误差。在使用感应环线的CBTC系统中，列车的初始定位点由两根感应 环线的边界确定。当列车经过感应环线边界时，前后接收到的通信报 文中含有不同的感应环线标识号，从而可以确定列车所经过的环线边 界。每个环线边界在线路上的坐标位置是确定不变的，所以列车经过 了某个环线边界后，就确定了其初始位置。对于采用无线通信的 CBTC 系统，则必须在线路固定位置安装可编码的应答器。列车经过 应答器时，通过接收到应答器发送的信息，确定列车初始定位点。列车初始定位点确定后，通常由安装在车轮上的转速计测量列车 的走行距离和方向，再结合初始定位点，跟踪确定列车在线路上的位 置。车轮转速计在测量列车走行距离时存在测量误差，而且误差随着 列车走行距离的增加而不断积累，所以在列车定位系统中，需要消除 这个误差。在采用感应环线通信的 CBTC 系统中，感应环线每隔固定 距离(通常是 25 米)交叉一次，当列车经过感应环线交叉点时，接收 天线收到相位相反的信号，从而确定列车正处在交叉点位置上。由于 相邻交叉点间的距离是一定的（即 25 米），所以列车每经过一个感应 环线交叉点，就可以对转速计测量的列车走行距离值修正一次，避免 误差累积。对采用无线通信的CBTC系统，消除测量累积误差的原理 是一样的。系统安装时，必须按照预定长度沿线路设置地面应答器， 列车经过这些应答器时，就可根据预定的长度对列车走行距离测量值 进行修正，消除误差累积。2.国外CBTC情况（1）国外技术体系目前，发达国家对于高速铁路基于通信的列控系统的研究已经形 成欧洲、美国和日本3 大体系。i. 美国 AATC美国于 1992 年初提出了基于无线通信的“先进的自动化控制系 统（AATC）”。AATC属于CBTC系统，最突出的特点是列车定位使 用扩频通信方式，采用军用加强型定位报告系统（EPLRS）,沿线安 装无线电台，路旁无线电台将测定信号送至控制中心，控制中心根据 无线电波传播时间计算出列车所在位置，并根据列车定位计算出列车 安全运行速度，车站由此可决定列车定车距离、发送安全行车速度码， 以及其加速命令，实现对列车的控制。ii. 日本 ATACS为了迎合CBTC系统在全世界铁路的发展，日本于1995年由日 立公司开发研制了一种基于双向无线通信的先进列车管理与通信系 统（ATACS）。该系统的列车控制也不再基于轨道电路，而采用了 CBTC 技术。 在 ATACS 中，将铁路线路划分成若干个控制区，每个控制区有一个 地面控制器和一个无线电基站。地面控制器完成一些控制功能，它与 相应的无线电基站相联。地面控制器接收列车坐标信息后，就能进行 列车运行的间隔控制。在编组站还有进路控制。在平交道口则对道口 信号及栏杆进行控制。无线电基站则通过移动无线电方式将列车位置 参数、运行速度等数据传送至车载设备，以此完成车载设备与地面之 间的信息交换。iii. 欧洲 ETCS随着欧共体蓬勃兴起，欧洲各国之间的合作加强，为便于管理和 长远发展，欧共体于 19941998 年建立了统一的铁路运输管理系统， 并开发了欧洲列车运行控制系统（ETCS）。ETCS是一种应用于铁路 干线的列车自动防护和机车信号系统，功能多，系统的应用分为 3 个 级别，每个级别有不同的特征和功能。第 1 级采用传统的地面信号 系统和固定闭塞方式，通过查询式应答器将行车命令传达给列车，由 轨道电路检查列车的完整性和列车位置；第2 级取消轨旁信号设备， 采用无线通信系统GSM-R，实现连续式列车速度控制，用应答器定 位列车，并通过轨道旁的移动闭塞中心（RBC）检测列车的完整性； 第 3 级取消地面信号系统，采用移动闭塞，系统通过 GSM-R 实施 移动授权，应答器实现列车定位，车载设备实现列车完整性的检查。 任何一级 ETCS 系统应用完全按照 ETCS 语言来设计，实现系统的 管理、计算和控制。事实上，只有第 3 级属于 CBTC。（2） CBTC系统主要供应商近年来， CBTC 发展迅速，国际上一些生产 ATC 系统的大公司 正把目光瞄准基于无线通信的列车控制系统。经过近十年的努力，无 论在可靠性、安全性方面，还是在兼容性、抗干扰性方面，都已取得 了长足的进步，并己进入实际应用阶段。目前，推出 CBTC 系统的国 外公司主要有Siemens（西门子），GE（通用电气），Alcatel（阿尔卡特）， Alstom（阿尔斯通）,Bombardier（庞巴迪）等。i. Siemens基于无线的CBTC系统Siemens 公司是较早开展基于无线通信列车控制系统研究的公司 之一，目前其在国内推荐实施的基于无线的TRAINGUARD MT移动 闭塞信号系统的无线部分采用西门子公司的 Railcom Wireless 无线局 域网 WLAN 系统。系统硬件由符合工业标准的通用无线局域网设备 组成，采用IEEE802.11b无线局域网标准的直接扩频技术（DSSS）。无 线系统设计在列车运行速度不大于250km/h，在满足列车控制无线传 输的同时，通过增加和调整系统配置，还可实现列车和地面之间视频、 语音以及地面集群无线（TETRA ）的应用。Siemens公司的CBTC系统已经应用在纽约的NYCT、德国纽伦 堡的RUBIN和巴黎地铁14号线项目中。ii. GE 的 CBTC 系统一AATC先进列车自动控制系统（Advanced Automatic Train Control AATC） 是美国旧金山海湾地区快速交通管理局（BART）与GE公司、Raytheon 飞机公司等合作，在美国军用的增强型位置定位报告系统 （EPRLS）基础上发展起来的。AATC控制区域内的线路分为若干个控 制区，每个控制区由一台计算机控制。控制区域采用分布式无线构成 通信网络，无线网络与列车通信采用时分多址访问协议（TDMA），该 协议以 0.5s 一帧的间隔分割为 256个时隙。通过车载无线装置和地面 无线装置传输时隙，系统可追踪的列车数多达 20 列，并可在各个控 制区与这些列车通信。与远端控制区的通信通过地面无线装置的无线基站逐次中继实 现。系统采用自愈技术，当无线系统故障时，可以自动报告故障，通 过维修或更换器件，重新配置故障无线基站附近的无线网络。AATC 是完全均衡的动态控制系统，每一列车的位置都以0.5s的间隔连续确 定，利用列车位置的修正信息为所有列车计算和传送新的速度命令， 精度可达1.6km/h，列车运行最小间隔可达90s，可以大大提高线路 的通过能力。iii. Alcatel 的 CBTC 系统Alcatel基于无线的CBTC系统采用了数据通信系统(Data Communication System，DCS)。该系统由有线网络和无线网络及其保 密系统(NSS)共同组成。无线网络又包括轨旁无线单元和车载无线单 元，支持在城市轨道环境下速度超出120km/h的列车与地面实现数据 传输。DCS系统采用具有开放标准协议和接口的商用设备(COTS)。 整个网络采用 IEEE802.3 的以太网标准， 无线通信采用基于 IEEE802.n跳频扩频(FHSS)标准的无线局域网(WLAN)技术。Alcatel 公司的 CBTC 系统己经分别于 2004 年在拉斯维加斯单轨 线和 2005 年香港地铁迪斯尼乐园线开通运营。此外，美国华盛顿杜 勒斯机场捷运线和阿联酋迪拜机场轻轨线等多条轨道交通线路也采 用了 Alcatel公司的CBTC系统。位于洛杉矶的MUNI线，通过应用 Alcatel公司的CBTC系统，轨道每小时的载客运输能力从原来的30 列车增加到60列车。温哥华的Sky Train采用了 Alcatel公司的CBTC 系统，能够运行两代性能不同的列车。iv. Alstom 的 CBTC 系统一URBALISTM 300法国Alstom公司 URBALISTM 300移动闭塞CBTC系统，可以 实现全线无人驾驶自动运行(DTO模式)。其无线通信采用 IEEE802.11g无线局域网标准，采用正交频分复用(OFDM)扩频方法, 无线发射网络由若干连接到无源耦合器件的漏泄波导管部分组成。系 统利用波导管同时传输CBTC信息和多媒体信息，实时高质量地将车 辆视频监控系统的信息传输到控制中心，旅客信息系统等图像信息传 输至各车厢。系统在线路沿线设置信标，车载ATP/ATO计算机实时 计算列车的走行距离并通过读取沿线信标的位置信息来校正其位置 误差，进行列车精确定位。车辆测速系统设备采用编码里程计，区间 定位误差小于 2%，站台定点停车误差正负 15cm。该系统已于 2003年6 月在新加坡东北线投入商业运行。v. Bombardier 的 CBTC 系统一 CITYFLO 650早在上世纪 90 年代初，庞巴迪公司就为移动闭塞地铁运营和机 场行人捷运系统(APM)开发了一套先进的列车控制解决方案 一 CITYFLO 650系统。该系统可实现有人值守DTO驾驶模式或无人值 守 UTO 驾驶模式，采用 2.4GHz 扩频无线电台和沿隧道铺设的漏泄 同轴电缆(Leaky Coaxial Cable，LCX)完成车地之间的双向通信。系统 从功能上可基本分为四层：第一层，列车自动监控(ATS)子系统；第 二层，轨旁区域列车自动控制(RATC)子系统一区域列车自动防护 (RATP)和区域列车自动驾驶(RAT O)第三层，通信层；第四层，车 载列车自动控制子系统一车载列车自动防护(VATP)和车载列车自动 运行(VATO)。马德里地铁1号和6号线的改造采用了 CITYFLO 650系统。3. 国内CTBC情况2004 年 9 月，武汉轨道交通 1 号线一期工程正式开通，进入全 天候运行阶段，成为中国第一个采用 Alcatel CBTC 技术的范例。武 汉轻轨采用的是 Alcatel 提供的基于交叉感应电缆环线实现列车和轨 旁设备之间通信的SelTrac 540 CBTC系统，该系统提供列车自动防 护ATP、列车自动驾驶ATO、列车自动监控ATS和中央列车控制功 能。在SelTrac 540移动闭塞系的控制下，武汉轨道交1号线能够根 据列车的最高运行速度、制动曲线和列车在轨道上的位置，进行动态 计算，算出前后列车之间的安全间隔，从而保证列车安全高效地运行。 由于位置报告系统具有很高的精确度，后行列车能够最大限度地安全 接近前行列车，同时保持着安全的制动距离，安全制动距离是根据最 后一次验证的前行列车的车尾位置得到的。目前，我国青藏铁路采用美国先进的增强型列控系统（ITCS）。 青藏铁路使用的列车控制系统区问不设轨道电路，使用虚拟闭塞， 列车的位置采用GPS确定。ITCS信号系统设备包括地面和车载2部 分。地面设备主要包括：无线闭塞中心（RBC）、车站联锁及接口单 元（VHLC）、GPS差分站，以及始端站RBC、位于移动交换中心 MSC 处的 ITCS 消息转发设备，为 MMT 提交维护信息的通道选择 设备和轮询检查设备。车载设备主要包括：车载安全计算机 OBC、 司机显示操作单元MMI和ITCS模式选择开关、2个GPS接收器、 2个速度传感器、GSM-R车载电台，以及列尾装置EOT/HOT。车载定位系统根据车载线路电子地图确定所占用的虚拟闭塞区 间确定列车位置并通过 GSM-R 网络报告给地面无线闭塞中心 （RBC）。地面RBC据此确定虚拟信号机显示，被占用的闭塞分区由 禁止信号进行防护。车载计算机OBC的定位处理器（LP）每0.5 s 确定一次列车的位置，并将定位结果报告车载计算机主处理器。这样， 主处理器就可以做出提高操作性能的最佳决策，以此实现对列车进行 安全、可靠、高效的控制。2008年，北京地铁10号线作为奥运会的标志性线路开通运营， 该线路采用了德国西门子公司的 TRAINGUARD MT 基于无线通信 的列车控制系统。