城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)維護 課件 1.4 基于CBTC的列車自動控制系統(tǒng)

列車運行控制系統(tǒng)維護SYSTEMMAINTENANCEMAINTENANCEOFTRAINOPERATIONCONTROLSYSTEM1.4基于CBTC的列車自動控制系統(tǒng)主講教師：楊絢CBTC列車運行控制系統(tǒng)CBTCTrainOperationControlSystemPART01以通信技術為基礎的列車運行控制系統(tǒng)，即基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC，CommunicationsBasedTrainControl）。CBTC采用獨立于軌道電路的列車控制方法，通過高精度的列車定位和連續(xù)、高速、雙向的數(shù)據通信，建立車載和地面安全設備的實時通信，實現(xiàn)對列車的控制。是一種采用先進的通信和計算機技術，連續(xù)控制、監(jiān)測列車運行的移動閉塞方式。CBTC列車運行控制系統(tǒng)CBTC列車運行控制系統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的出現(xiàn)成功解決了基于軌道電路列車運行控制系統(tǒng)的以下弊端：2傳輸信息量有限。軌道電路限制了列車位置檢測的精度。13軌道電路易受到天氣、地理環(huán)境及電磁環(huán)境的影響。CBTC列車運行控制系統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的另外一個基礎則是列車定位。只有確定了列車的準確位置，才能計算出列車間的相對距離，保證列車的安全間隔；也只有確定了列車的準確位置，才能保證根據線路條件，對列車進行恰當?shù)乃俣瓤刂?。CBTC系統(tǒng)依據列車本身的測速測距和探測地面應答器或其他傳感器對列車位置的測量，查詢系統(tǒng)數(shù)據庫，實現(xiàn)列車的定位。CBTC列車運行控制系統(tǒng)CBTC系統(tǒng)確立“信號通過通信”的新理念，使列車與地面緊密結合、整體處理，改變以往車－地相互隔離、以車為主的狀態(tài)，其主要技術基礎在于其車地通信方式及列車定位方式，CBTC系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)在車-地之間建立連續(xù)、雙向、高速的傳輸通道，列車的命令和狀態(tài)可以在列車與地面設備之間可靠交換，使地面設備和受控列車緊密地連接在一起。所以，車-地通信是CBTC系統(tǒng)的基礎。較基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)比較，CBTC系統(tǒng)特點總結？基于感應環(huán)線的CBTC系統(tǒng)CBTC車-地通信方式：CBTC以列車與地面的傳輸信息方式來劃分，可以分為無線自由波、感應環(huán)線、漏纜及波導管等，北京地鐵S1線使用了帶交叉感應環(huán)線的CBTC技術。基于感應環(huán)線的CBTC系統(tǒng)，是我國“十一五”科技支撐計劃中的中低速磁浮交通技術及工程化應用的研究課題，在唐山機車車輛廠內建設了1.5km的中低速磁浮列車試驗線，交叉感應環(huán)線通信系統(tǒng)是中低速磁浮交通的關鍵技術，感應環(huán)線系統(tǒng)是列車運行控制系統(tǒng)的中樞，通過感應環(huán)線向地面和車載控制系統(tǒng)提供連續(xù)雙向的通信通道?；诟袘h(huán)線的CBTC系統(tǒng)感應環(huán)線具有成熟的使用經驗，使用壽命長以及投資少等優(yōu)點，目前仍繼續(xù)得到應用。感應環(huán)線的缺點是安裝在鋼軌中間，安裝困難且不方便工務部門對鋼軌的日常維修，車－地通信的速率低。優(yōu)缺點：感應環(huán)線的列車運行控制系統(tǒng)整體結構與軌道電路類似，其特點在于設置于車站的感應環(huán)線收發(fā)設備與軌旁感應環(huán)線的鋪設，是實現(xiàn)感應環(huán)線通信系統(tǒng)的關鍵裝備。安裝：基于感應環(huán)線的CBTC系統(tǒng)基于感應環(huán)線車地通信采用主從應答方式，地面控制中心為通信主站，各個車載控制器VOBC為從站。地面控制中心按順序輪流向VOBC發(fā)送命令，并要求相應的VOBC應答。地面控制中心和VOBC通常的輪循周期為0.5秒，并保證最長3秒鐘內，列車和地面能夠交換信息一次。當車載發(fā)送天線發(fā)送信息時，地面感應環(huán)線又變成為接收天線，接收車載設備發(fā)送的信息，從而實現(xiàn)車地雙向通信。感應環(huán)線與車載天線設置如下圖所示，感應環(huán)線每25-100米交叉一次，車載VOBC在經過每個交叉點是檢測到信號相位的變化，以此來進行定位計算。基于感應環(huán)線的CBTC系統(tǒng)基于感應環(huán)線的列車定位：車載線圈通過感應交叉回線中電流信號所生成的磁場產生感應電壓。車載設備對線圈感應電壓信號進行濾波、整形處理得到位置脈沖信號，再通過計數(shù)脈沖個數(shù)即列車通過交叉回線環(huán)路的個數(shù)來決定列車位置，該方法所得列車的位置信息基于交叉回線的回線寬度，回線寬度在測量上和均勻布置上會有誤差。相對定位的誤差會隨著時間積累，必須每隔一定距離要對列車的位置進行修正。當列車通過兩根感應環(huán)線的邊界確定了列車的精確定位點。列車在每一段感應環(huán)線所接收到的通信報文中感應環(huán)線標識號是不同的，這樣列車只要經過環(huán)線邊界就可以確定其精確位置了。而在基于無線通信的CBTC系統(tǒng)中，則需要在線路的固定位置配置一種可編碼應答器。列車行駛經過應答器時，應答器向列車發(fā)送定位信息確定列車的初始定位點。在基于感應環(huán)線的CBTC系統(tǒng)中，只需要經過環(huán)線邊界就可以確定其精確位置，不需要增加額外的設備?；诟袘h(huán)線的CBTC系統(tǒng)基于感應環(huán)線的列車定位特點：列車的行駛距離和方向由車輪轉速計確定，但應用車輪轉速計測量時會存在一些測量誤差，并且隨著距離的遞增不斷累積，從而影響定位效果。在基于感應環(huán)線的CBTC系統(tǒng)中，通常每隔25m感應環(huán)線交叉一次，當列車經過這個交叉點時，相位相反的信號會被接收天線收到，這樣就可確定列車的位置正處在交叉點上。又因為相鄰交叉點間的距離一定，所以列車在經過感應環(huán)線交叉點時，就可以對轉速計測量的列車行駛距離值進行修正，從而避免誤差累積。基于無線電臺的CBTC系統(tǒng)基于無線電臺傳輸?shù)腃BTC系統(tǒng)較基于感應環(huán)線電纜的CBTC系統(tǒng)使用更為廣泛，基于無線電臺通信的CBTC系統(tǒng)繼承了基于環(huán)線車地通信的各種優(yōu)勢，因其龐大的通信容量，同時還能為地鐵運營商增加其他更多的運輸操作功能和增值服務，更易于實現(xiàn)不同線路之間的互聯(lián)互通，已經越來越多地應用到國內外成熟軌道交通系統(tǒng)的新建線路和舊線改造中?；跓o線電臺的CBTC系統(tǒng)與基于感應環(huán)線的CBTC系統(tǒng)不同之處？基于無線電臺的CBTC系統(tǒng)無線電臺傳輸技術：無線電臺是城市軌道交通WLAN的一種主要應用方式。根據IEEE802.11無線局域網的標準，目前廣泛采用基于2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)用）頻帶，無線電臺方式傳輸?shù)淖畲缶嚯x約為700m。由于城市軌道交通線路多穿行于城市區(qū)域，其彎道和坡道較多，增加了無線場強覆蓋的難度。為了保證場強覆蓋的完整性，保證通信的質量和可靠性，無線電臺一般在地下線路200m左右設置一套，在地面和高架線路300m左右設置一套?；跓o線電臺的CBTC系統(tǒng)無線電臺設置原則：1．無線電臺的體積較小，安裝比較靈活，受其他因素的影響較小，可以根據現(xiàn)場條件和無線場強覆蓋的需要進行設計和安裝，且安裝和維護較容易。2．無線電臺在隧道內傳輸受彎道和坡道影響較大，同時隧道內的反射比較嚴重，需要考慮多徑干擾等問題。3．無線電臺在地面和高架線路安裝比較容易，但線路周圍不能有高大密集的建筑物，否則也會產生反射和衍射，從而導致質量下降和通信速率降低。4．無線電臺的傳輸距離小，為了保證在一個無線接入點（AP）故障時通信不中斷，往往需要在同一個地點設置雙網覆蓋，進一步縮短了AP布置間距。但這樣使列車在各個AP之間的漫游和切換比較頻繁，大大降低了無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性，同時相應的電纜使用量很大。討論總結：為保證信息的可靠、安全、及時傳輸是CBTC對無線通信子系統(tǒng)的基本要求，無線通信子系統(tǒng)應滿足什么特性？基于無線電臺的CBTC系統(tǒng)自由波天線裂縫波導管泄漏同軸電纜無線電臺傳輸方式：基于無線電臺的CBTC系統(tǒng)裂縫波導管無線傳輸技術采用沿線鋪設的裂縫波導及與波導連接的無線接入點作為軌旁與列車的雙向傳輸通道。波導管是一種空心且內壁光潔的導管，主要用于對超高頻電磁波進行傳輸。基于無線電臺的CBTC系統(tǒng)波導管是一種空心且內壁光潔的導管，主要用于對超高頻電磁波進行傳輸。波導系統(tǒng)具有通信容量大，可在隧道及彎曲通道中傳輸、干擾及衰耗小、無其他車輛引起的傳輸反射、可在密集城區(qū)傳輸特點。波導的缺點在于安裝困難，需全線沿線路安裝波導管，安裝維護復雜，并且造價高。波導管可以安裝在地鐵隧道頂部或者地面上，可以結合現(xiàn)場環(huán)境靈活確定，波導管安裝的要點是保證波導管和列車天線的距離保持不變，為了保證波導傳播，要求波導管與天線的距離保持在30~40厘米之間。北京地鐵2號線、機場線等多條線路，以及其他各大城市均有采用裂縫波導管傳輸技術。二、列車運行控制系統(tǒng)分類基于AP的CBTC列車自動控制系統(tǒng)基于無線電臺的CBTC系統(tǒng)泄漏同軸電纜：泄漏同軸電纜無線傳輸技術在新研發(fā)的系統(tǒng)采用的不多。漏泄電纜方式特點是場強覆蓋較好、可控，抗干擾能力強。單點AP的控制距離通常達800m（每側漏泄電纜長度400m）。缺點是漏泄同軸電纜價格較高，漏泄電纜通常安裝在距離隧道壁10厘米以上的距離，以消除對耦合損耗的影響?；跓o線電臺的CBTC系統(tǒng)按漏泄原理的不同，漏泄電纜分為三種基本類型:耦合型、輻射型和漏泄型。其中，漏泄型可以歸屬輻射型。如圖所示，其中1是內導體，2是絕緣體，3是外導體，4是長條形槽孔，5是護套，6是電磁波。討論總結：三種無線電臺傳輸方式的特點？自由波天線裂縫波導管泄漏同軸電纜列車運行控制系統(tǒng)分類基于AP的CBTC列車自動控制系統(tǒng)基于LTE的地鐵信號無線傳輸LTE技術（LongTermEvolution），是通用移動通信系統(tǒng)的重要演進項目，是新定義的無線空中接口標準，能夠有效開展增強型的多媒體廣播組播業(yè)務等工作，已經基本具備了4G通信技術手段的特征。LTE技術在實際應用的過程中，具有較強的抗干擾能力，能夠在較低成本的運行狀態(tài)中，更好地保證和提升信號系統(tǒng)無線傳輸服務的實際業(yè)務質量。相比WLAN，TD-LTE作為無線技術的新標準。目前在商用領域已經獲得較大規(guī)模的應用。我國新建地鐵線路。大多采用LTE作為地鐵信號無線傳輸技術?；贚TE的地鐵信號無線傳輸想一想：LTE技術在地鐵信號系統(tǒng)中的應用，具有哪些優(yōu)勢？基于CBTC的列車運行控制系統(tǒng)車地通信方式多是采用WLAN技術，WLAN是免費開放的無線局域網絡，這一技術保持著2.4GHz頻段應用效果，但由于其免費開放的特征，容易受到相同頻段的其他設備的干擾，需要較多的軌旁無線設備，并且無法充分有效地支撐地鐵運行系統(tǒng)的高速移動效果。相較于WLAN技術，LTE技術在地鐵信號系統(tǒng)中的應用，具有更為明顯的優(yōu)勢?；贚TE的地鐵信號無線傳輸LTE設備包括中央控制設備，基站設備，車輛終端設備等。中央控制設備由核心網絡設備和LTE網絡管理組成，與CBTC業(yè)務系統(tǒng)對接。核心網絡通過所有級別的交換傳輸網絡連接至基站設備，LTE網絡管理系統(tǒng)是整個無線覆蓋系統(tǒng)中配置和管理所有基站的網絡管理系統(tǒng)。核心網絡和網絡管理通過交換機