城市軌道交通基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)車(chē)載系統(tǒng)分析

城市軌道交通基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)車(chē)載系統(tǒng)分析

隨著信號(hào)控制和通信技術(shù)的快速發(fā)展和融合，基于無(wú)線通信的列車(chē)管理系統(tǒng)cbct在城市軌道交通行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并成為一種主流體系。CBTC系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)性最直接體現(xiàn)的就是對(duì)列車(chē)定位精度、運(yùn)行速度控制精準(zhǔn)性的提升。VOBC(VehicleOn-BoardController)車(chē)載子系統(tǒng)充當(dāng)了這一過(guò)程決策者和執(zhí)行者的雙重角色。ATP列車(chē)自動(dòng)防護(hù)單元?jiǎng)t是VOBC的核心安全控制部件,直接關(guān)系著決策和執(zhí)行的安全與效率。重點(diǎn)研究ATP系統(tǒng)的功能需求以及硬件、軟件架構(gòu)是自主研發(fā)CBTC系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。1關(guān)于pm功能的描述1.1輸出緊急停車(chē)指令VOBC子系統(tǒng)中的ATP單元負(fù)責(zé)處理與行車(chē)安全相關(guān)的任務(wù)。通過(guò)安全輸入輸出模塊對(duì)列車(chē)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督,并輸出安全控制指令。其監(jiān)督內(nèi)容如下。(1)列車(chē)完整性。列車(chē)控制系統(tǒng)給出列車(chē)完整性表示,車(chē)載ATP單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)完整性信號(hào)。一旦該信號(hào)丟失,將輸出緊急停車(chē)指令,直到完整性信號(hào)恢復(fù)。(2)后溜防護(hù)。車(chē)載ATP單元通過(guò)測(cè)速、測(cè)距設(shè)備監(jiān)督列車(chē)運(yùn)行方向。監(jiān)測(cè)到列車(chē)后溜超出預(yù)定范圍后,車(chē)載ATP將觸發(fā)緊急制動(dòng)直到列車(chē)停止后溜。(3)車(chē)門(mén)防護(hù)。列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中,列車(chē)車(chē)門(mén)鎖閉信號(hào)丟失后,車(chē)載ATP單元將觸發(fā)緊急制動(dòng),停車(chē)以后車(chē)門(mén)鎖閉信號(hào)恢復(fù)或司機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)或按鈕手動(dòng)確認(rèn)車(chē)門(mén)旁路后,緊急制動(dòng)撤銷。列車(chē)停站后,車(chē)載ATP根據(jù)自身計(jì)算的列車(chē)位置信息與線路地圖中存儲(chǔ)的站臺(tái)停車(chē)點(diǎn)信息進(jìn)行對(duì)比。判斷列車(chē)確實(shí)停在預(yù)設(shè)的停車(chē)窗內(nèi)后,給出允許開(kāi)門(mén)信號(hào),司機(jī)或ATO(AutoTrainOperation)子系統(tǒng)根據(jù)此信號(hào)開(kāi)啟正確一側(cè)的車(chē)門(mén)。列車(chē)發(fā)車(chē)前,車(chē)載ATP確認(rèn)車(chē)門(mén)關(guān)好且鎖閉后,給出允許發(fā)車(chē)信號(hào)。1.2軌旁zc區(qū)域控制器的速度特性軌旁ATP設(shè)備(ZC區(qū)域控制器)根據(jù)線路實(shí)際情況和列車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表計(jì)算出每列車(chē)的安全停車(chē)點(diǎn)(距離),并通過(guò)車(chē)地安全通信通道以移動(dòng)授權(quán)的形式發(fā)送給車(chē)載設(shè)備。車(chē)載設(shè)備根據(jù)移動(dòng)授權(quán)內(nèi)描述的安全路徑和安全停車(chē)點(diǎn),結(jié)合線路地圖中存儲(chǔ)的線路情況(如土建限速、坡度等)計(jì)算出列車(chē)應(yīng)遵循的速度曲線。并且根據(jù)此速度曲線監(jiān)視列車(chē)運(yùn)行速度,一旦發(fā)現(xiàn)列車(chē)超速,將觸發(fā)緊急制動(dòng)。根據(jù)車(chē)地安全通信通道的不同,CBTC列車(chē)控制模式分為連續(xù)式通信(CTC,ContinuousTrainControl)和點(diǎn)式通信(ITC,IntermittentTrainControl)2種模式。其中CTC模式為系統(tǒng)常規(guī)應(yīng)用模式,ITC模式為系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行模式。(1)CTC模式下的速度監(jiān)督。連續(xù)通信模式下,車(chē)載ATP設(shè)備與軌旁ZC區(qū)域控制器之間可以建立連續(xù)的無(wú)線通信,實(shí)現(xiàn)真正意義上的移動(dòng)閉塞。速度曲線如圖1所示。列車(chē)完成定位后,將自身的狀態(tài)信息通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信通道周期性地發(fā)送給軌旁ZC區(qū)域控制器。同時(shí),ZC區(qū)域控制器根據(jù)線路占用情況和前方列車(chē)的位置向列車(chē)發(fā)送移動(dòng)授權(quán)。該授權(quán)的起點(diǎn)為本列車(chē)尾端,終點(diǎn)為前車(chē)的尾端或線路固有的安全停車(chē)點(diǎn)。列車(chē)根據(jù)移動(dòng)授權(quán)生成當(dāng)前的保護(hù)速度曲線和推薦速度曲線。“前車(chē)的尾端”在CBTC系統(tǒng)中的定義并不等同于列車(chē)物理意義上的車(chē)尾,而是前車(chē)車(chē)載ATP在綜合考慮了各種最不利的因素(輪徑值誤差、定位計(jì)算誤差、應(yīng)答器讀取誤差等)后報(bào)告給地面ATP設(shè)備的一個(gè)更有利于的絕對(duì)安全的位置,其含義是,即使在最不利的情況下列車(chē)的實(shí)際位置也會(huì)在絕對(duì)安全位置的前方(相對(duì)于列車(chē)運(yùn)行方向)。與基于點(diǎn)式通信下的速度曲線不同的是,連續(xù)式通信下的速度曲線是動(dòng)態(tài)的。前車(chē)的移動(dòng)或者前方線路的占用或解鎖都會(huì)影響到移動(dòng)授權(quán)的內(nèi)容,進(jìn)而影響到速度曲線。(2)ITC模式下的速度監(jiān)督。點(diǎn)式通信條件下,ZC區(qū)域控制器的移動(dòng)授權(quán)僅可以通過(guò)與主信號(hào)機(jī)相關(guān)的可變應(yīng)答器(主信號(hào)應(yīng)答器或填充應(yīng)答器)傳輸給車(chē)載設(shè)備。速度控制曲線如圖2所示。列車(chē)運(yùn)行至信號(hào)機(jī)1前方,ATP系統(tǒng)判斷車(chē)速和距信號(hào)機(jī)距離滿足技術(shù)要求,則通過(guò)DMI(DriverMachineInterface)人機(jī)接口給出“速度釋放”圖標(biāo)提示,司機(jī)人工確認(rèn)信號(hào)機(jī)開(kāi)放后,通過(guò)按壓圖標(biāo),給車(chē)載ATP單元發(fā)出速度釋放信號(hào)。列車(chē)在ATP監(jiān)督下前進(jìn),此時(shí)的保護(hù)速度為釋放速度(限速為25km/h)。列車(chē)經(jīng)過(guò)主信號(hào)應(yīng)答器1上方后,將收到新的移動(dòng)授權(quán)。該移動(dòng)授權(quán)起點(diǎn)為主信號(hào)應(yīng)答器1,終點(diǎn)為信號(hào)機(jī)2的保護(hù)區(qū)段終點(diǎn)。車(chē)載ATP將根據(jù)線路地圖中存儲(chǔ)的線路狀況和該移動(dòng)授權(quán)生成保護(hù)速度曲線和推薦速度曲線。保護(hù)速度曲線目的在于確保列車(chē)不會(huì)越過(guò)移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn)。推薦速度曲線目的在于使列車(chē)盡可能的停在信號(hào)機(jī)2的前方,以便收到下個(gè)點(diǎn)式移動(dòng)授權(quán)。在區(qū)間內(nèi),距離信號(hào)機(jī)2一定距離安裝有填充應(yīng)答器,其發(fā)送授權(quán)報(bào)文與主信號(hào)應(yīng)答器2完全一致,可以使列車(chē)提前獲取前方進(jìn)路開(kāi)放信息,以較高速度通過(guò)信號(hào)機(jī)2,進(jìn)入下一區(qū)段。如果列車(chē)經(jīng)過(guò)可變應(yīng)答器1上方后,如果沒(méi)有收到移動(dòng)授權(quán)(如收到紅燈報(bào)文、默認(rèn)報(bào)文或未收到報(bào)文)車(chē)載ATP將觸發(fā)緊急制動(dòng)。列車(chē)啟動(dòng)后只能以人工模式(最高限速為25km/h)通過(guò)信號(hào)機(jī)1和信號(hào)機(jī)2之間的區(qū)段。1.3車(chē)載atp單元車(chē)載ATP單元負(fù)責(zé)維護(hù)列車(chē)的狀態(tài)信息,并把狀態(tài)信息提供給其他系統(tǒng)使用,主要包括以下幾個(gè)方面。(1)DMI人機(jī)接口。車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)提供1塊液晶顯示屏,向司機(jī)提供信號(hào)系統(tǒng)信息,其中ATP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維護(hù)其中的列車(chē)速度、當(dāng)前安全限速、當(dāng)前推薦速度、目標(biāo)距離等運(yùn)營(yíng)信息。并且會(huì)通過(guò)圖標(biāo)顯示ATP子系統(tǒng)出發(fā)的緊急制動(dòng)及緊急制動(dòng)的原因。(2)車(chē)載ATO子系統(tǒng)。車(chē)載ATP單元負(fù)責(zé)向ATO單元提供自動(dòng)駕駛所需要的信息,包括列車(chē)當(dāng)前安全限速、列車(chē)前方停車(chē)點(diǎn)的位置、ATO發(fā)車(chē)條件是否具備等信息。(3)軌旁ATP設(shè)備。連續(xù)式通信條件下,車(chē)載ATP單元向軌旁ZC區(qū)域控制器發(fā)送列車(chē)的位置、速度、列車(chē)自身參數(shù)、屏蔽門(mén)開(kāi)啟授權(quán)等信息。ZC區(qū)域控制器據(jù)此計(jì)算并發(fā)布后車(chē)的移動(dòng)授權(quán);在列車(chē)停站期間,執(zhí)行當(dāng)前列車(chē)的開(kāi)、關(guān)屏蔽門(mén)命令。(4)軌旁ATS系統(tǒng)。連續(xù)式通信條件下,車(chē)載ATP單元向軌旁ATS列車(chē)自動(dòng)調(diào)度監(jiān)督設(shè)備發(fā)送列車(chē)的位置、速度、列車(chē)自身參數(shù)、列車(chē)運(yùn)行參數(shù)(到站、離站、跳停、緊制及其原因等信息)。這些信息將在控制中心顯示,并且作為調(diào)整運(yùn)行時(shí)刻表和自動(dòng)排列進(jìn)路的依據(jù)。(5)車(chē)載TIU單元。運(yùn)行過(guò)程中,車(chē)載ATP單元向車(chē)輛接口單元(TIU,TrainInterfaceUnit)提供包括自身工況,速度、里程、定位等必要信息,同時(shí)通過(guò)TIU與車(chē)輛其他系統(tǒng)通信接口,獲取有關(guān)車(chē)輛狀態(tài)信息,例如:TIMS車(chē)輛信息系統(tǒng)、PIS旅客向?qū)到y(tǒng)等。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備安裝VOBC車(chē)載系統(tǒng)主要由ATP、ATO、無(wú)線通信(TRU,TrainRadioUnit)、人機(jī)接口(DMI)、車(chē)輛接口(TIU)等單元組件構(gòu)成。其中車(chē)載ATP單元是VOBC的安全等級(jí)最高的核心部件,主要由ATP核心處理模塊、測(cè)速模塊、輸入輸出模塊和應(yīng)答器通信模塊組成。系統(tǒng)整體采用標(biāo)準(zhǔn)的分層的19英寸機(jī)箱結(jié)構(gòu),機(jī)架式安裝。在列車(chē)每端頭司機(jī)室安裝一套VOBC系統(tǒng),單端的ATP核心設(shè)備按照2乘2取2冗余配置,彼此通過(guò)貫通列車(chē)線(含通信線纜和車(chē)輛接口I/O線纜)連接,完成必要的數(shù)據(jù)校換。無(wú)線通信單元(TRU)、應(yīng)答器處理單元、定位傳感器、車(chē)地通信單元(LCU,LocalCommunicationUnit)、測(cè)速雷達(dá)等外圍基礎(chǔ)性設(shè)備采用頭尾冗余配置,VOBC(含ATP)硬件架構(gòu)如圖3所示。2.1豐富接口資源車(chē)載ATP核心處理單元采用2乘2取2冗余架構(gòu),由2套互為備份系統(tǒng)組成,每套系統(tǒng)則由并行校核的2取2雙系組成。每套系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為2乘2取2軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)提供了豐富的接口資源。首先,為了實(shí)現(xiàn)同系雙CPU間大量的數(shù)據(jù)交換,在雙CPU間設(shè)計(jì)了大容量雙端口RAM,雙CPU可獨(dú)立對(duì)雙口RAM尋址,其次,為了實(shí)現(xiàn)系間的同步與狀態(tài)轉(zhuǎn)換,主、備系間提供了高速串口和以太網(wǎng)通道,用于實(shí)現(xiàn)乘2冗余。基于雙端口RAM,編制了雙CPU同步、仲裁和校核邏輯,雙系比較不通過(guò),系統(tǒng)將切斷輸出,導(dǎo)向安全側(cè),并在不影響系統(tǒng)外部功能前提下,通過(guò)系間高速串口和繼電器狀態(tài)指示接口,啟動(dòng)主備系切換過(guò)程,確保系統(tǒng)功能安全可控。2.2東南角色單元處理板測(cè)速模塊具有列車(chē)速度測(cè)量功能。該模塊由2個(gè)測(cè)速單元處理板、1個(gè)測(cè)速雷達(dá)和2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器組成。轉(zhuǎn)速傳感器安裝于列車(chē)輪對(duì)上,檢測(cè)到列車(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)。測(cè)速單元處理板檢測(cè)該脈沖信號(hào)以獲取列車(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)信息?；诙嗥绽疹l移工作原理的測(cè)速雷達(dá)依靠向軌面輻射電磁波以非物理接觸方式獲取列車(chē)前行的速度和距離,并使用通信方式傳遞給測(cè)速單元處理板。轉(zhuǎn)速傳感器在列車(chē)發(fā)生空轉(zhuǎn)或打滑下會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差,測(cè)速雷達(dá)存在低速下測(cè)量不精確的問(wèn)題。測(cè)速單元處理板將根據(jù)特定的數(shù)學(xué)模型對(duì)以上兩者測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合優(yōu)化處理,綜合得出準(zhǔn)確的列車(chē)速度信息。測(cè)速模塊包含的2個(gè)測(cè)速單元處理板組成2個(gè)物理獨(dú)立的通道,分別給ATP同系的核心處理單元的2塊處理板提供速度信息。2.3時(shí)間壓電系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入、輸出模塊主要由智能安全采集驅(qū)動(dòng)單元和繼電器組成。通過(guò)安全數(shù)據(jù)通道與核心處理單元交換信息。輸入單元通過(guò)采集接口電路,采集車(chē)輛接口的狀態(tài)信息,發(fā)送給核心處理單元;輸出單元接收來(lái)自核心處理單元的輸出控制指令,通過(guò)驅(qū)動(dòng)接口繼電器,安全地驅(qū)動(dòng)車(chē)輛接口設(shè)備。輸入、輸出模塊與核心處理單元的通信接口協(xié)議采用安全通信協(xié)議,通過(guò)正反碼校核、雙重CRC校核、時(shí)間戳校驗(yàn)等措施確?？刂浦噶顢?shù)據(jù)安全。輸入部分自身可提供采集電源,對(duì)外界提供的接點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行采集。輸出部分使用獨(dú)立的安全電源驅(qū)動(dòng)電路與安全或非安全繼電器,提供給車(chē)輛控制系統(tǒng)獨(dú)立的繼電器接點(diǎn)。ATP主、備雙套系統(tǒng)使用獨(dú)立的輸入、輸出模塊。自主研發(fā)CBTC系統(tǒng)方案采用與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)相同設(shè)計(jì)的采集驅(qū)動(dòng)單元,該類型設(shè)備經(jīng)過(guò)了獨(dú)立第三方的SIL4(安全完整度等級(jí)-4級(jí))安全認(rèn)證并擁有大量應(yīng)用業(yè)績(jī),成熟性、安全性和可靠性有保證。2.4應(yīng)答器通信模塊在CBTC系統(tǒng)方案中,查詢應(yīng)答器根據(jù)應(yīng)用類型不同,可以劃分為無(wú)源應(yīng)答器和有源應(yīng)答器。其中無(wú)源應(yīng)答器主要用于列車(chē)線路絕對(duì)坐標(biāo)的校正,有源應(yīng)答器則兼顧坐標(biāo)校正和移動(dòng)授權(quán)發(fā)布,按照應(yīng)用地點(diǎn)不同,定義為主信號(hào)應(yīng)答器和填充應(yīng)答器。車(chē)載ATP單元的應(yīng)答器通信模塊由吊裝在列車(chē)底部的應(yīng)答器天線和位于VOBC機(jī)柜中的應(yīng)答器處理單元組成。應(yīng)答器處理單元通過(guò)2個(gè)獨(dú)立的通信鏈路分別向ATP的2塊核心處理板(主系或從系)提供應(yīng)答器報(bào)文信息。CBTC車(chē)載設(shè)備通過(guò)讀取軌道上布設(shè)的應(yīng)答器內(nèi)預(yù)置的信息,獲取自身所在的位置。列車(chē)投入使用前必須經(jīng)過(guò)2個(gè)應(yīng)答器以完成位置初始化,運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)答器信息可作為線路絕對(duì)坐標(biāo)的標(biāo)志點(diǎn)校正列車(chē)對(duì)自身位置計(jì)算的誤差。點(diǎn)式通信模式下,車(chē)載ATP所需要的授權(quán)信息完全從應(yīng)答器通信模塊得到。3底層硬件驅(qū)動(dòng)和邏輯運(yùn)算層VOBC子系統(tǒng)ATP主控軟件分為底層硬件驅(qū)動(dòng)層、任務(wù)調(diào)度層、安全冗余平臺(tái)和邏輯運(yùn)算層組成。系統(tǒng)主控軟件結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算層、安全冗余平臺(tái)和底層硬件驅(qū)動(dòng)層工作在不同等級(jí)的任務(wù)下,它們之間的控制權(quán)切換和數(shù)據(jù)共享由任務(wù)調(diào)度層實(shí)現(xiàn)。(1)底層硬件驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)對(duì)外通信接口的狀態(tài)維護(hù)和通信數(shù)據(jù)的處理,硬件驅(qū)動(dòng)層對(duì)外通信使用了安全通信協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)的有效性和實(shí)時(shí)性;(2)安全冗余計(jì)算平臺(tái)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的2取2安全比較和2乘2冗余處理,安全冗余平臺(tái)的運(yùn)算結(jié)果決定了本套ATP軟件在整個(gè)2乘2取2系統(tǒng)中的地位(主用、備用或者錯(cuò)誤狀態(tài));(3)邏輯運(yùn)算層負(fù)責(zé)ATP安全邏輯,底層硬件驅(qū)動(dòng)收取的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算層的處理轉(zhuǎn)化為對(duì)列車(chē)的控制命令和對(duì)外的狀態(tài)匯報(bào),然后通過(guò)底層硬件驅(qū)動(dòng)