CBTC中ATP的功能需求与应用举例

一， CBTC

CBTC即基于通信的列车控制系统，是一种目前在铁路系统和城市轨道系统都具有广泛应用趋势的列控系统，是当前列车运营中移动闭塞技术的核心，属于轨道交通信号系统中的一部分。通过建立车地之间连续，双向，高速的通信，使列车命令和状态可以在车辆和地面之问进行实时可靠的交换，并确定列车的准确位置和列车之间的相对距离，保证列车的安全间隔。

1999年，美国电气及电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称IEEE）为CBTC系统制定了世界上首份标准：IEEE Std 1474.1-1999。其后，IEEE又多次制定、修改并发布了相应的诸多标准。

按IEEE在1999年发布的首份标准，CBTC被定义为：利用（独立于轨道电路的）高精度列车定位、双向大容量车-地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统。

我国自2003年后，新建及改造的城市轨道交通基本上都采用了基于IEEE802.11标准的CBTC系统，以WLAN通信为基础，以无线电台、漏泄波导管等为传输通道实现地-车信息的双向传输；而列车定位采用速度传感器进行测速及移动体位置测量，位置校正则由在轨旁所设置的应答器或信标实现；又基于移动闭塞原理，采用目标距离（Distance-to-Go）控制方式实现列车运行的连续闭环速度控制。

下图是基于无线电台通信技术的CBTC移动闭塞系统在世界各国城市轨道交通线路的应用状况。不同颜色代表不同提供商的产品，加横线的是已经实际运用的线路。

1.CBTC系统的特点

从技术上讲，CBTC系统是城市轨道交通列车自动控制系统（ATC）中所使用的一种闭塞系统技术，与速度码控制的固定闭塞系统和基于目标距离控制的准移动闭塞系统并立。CBTC系统突破了轨道电路的局限性和固定/准移动闭塞的桎梏，基本特性可罗列如下：
a.不依赖轨道电路的高精度列车定位。
b.连续的车-地和地-车数据通信网，比传统系统可传输更多的控制和状态信息。
c.轨旁和车载核心处理器处理列车的状态和控制数据，并可提供列车自动保护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）和列车自动监控(ATS)功能。

其中ATP、ATO和ATS是保证城市轨道交通安全、高效运行的重要系统——列车自动控制系统（ATC）的三个子系统。

ATO完成列车站间自动运行，进行列车速度调节和进站定点停车，对车门和屏蔽门的控制，接受OCC（运行控制中心）的运行调度命令，实现列车自动折返、站台扣车、站台调停等，根据控制中心的命令使列车按最佳工况正点、安全、平稳地运行，自动完成对列车的启动、牵引、惰行和制动。

ATS是城市轨道交通系统的运营核心，可集中监视调车区段内列车的运行情况，监测进路控制、列车间隔控制设备的工作，按行车计划自动控制轨旁信号设备；具有接发列车、列车运行轨迹的自动记录功能，可以自动生成、显示、修改和优化时刻表；另外还能够监测设备运行状态和记录调度员操作等。

整个城市轨道交通信号系统可以用下图示意。

2. CBTC系统的结构
IEEE CBTC标准列举了典型的CBTC系统结构框图，如下图。
CBTC地面设备（含联锁）通过数据通信网络向CBTC车载设备传输控制信息来控制列车运行；同时，CBTC车载设备也通过数据通信网络向CBTC地面设备（含联锁）传送列车信息，以此形成闭环信息传输及控制。而数据通信网络可由多种通信方式组成，诸如无线电台、裂缝波导管、漏泄同轴电缆、微波和GSM-R等方式。

二，ATP功能需求

ATP(自动列车防护) 是保证列车运行安全的信号系统，是CBTC信号系统的核心车载子系统，也是任何CBTC系统配置方式中必备的一个子系统，严格遵守故障导向安全原则，对列车运行进行监控和超速防护，通过对与行车安全有关的设备进行实时监测，保证列车在安全间隔下行驶，必要时给出各种信号的提醒，包括自动启动紧急制动；同时还可进行安全性停车点防护和列车车门控制，在列车不能停稳时不允许列车继续运动等。

列车定位和测速

CBTC列车位置/列车速度的确定应是任何CBTC系统配置所需的ATP功能。对于一台拥有CBTC装备的列车来说，列车的不连续定位是由应答器完成的，由列车上的查询应答器天线发出的信号提供电力，当列车经过一个应答器时，列车接收到一个数字信息，识别该应答器并输入一个数据进入轨道数据库，提供该应答器所处的地理位置。

CBTC列车位置确定应安全、准确地确定列车前后的位置，提供足够的列车位置分辨率和精度，以支持IEEE 1474.1标准的性能和安全要求。并且应为自初始化功能，当每列装备CBTC的列车进入CBTC区域并从CBTC设备故障中恢复时，应自动检测并确定其位置，而无需人工输入列车位置或列车长度数据。

CBTC列车速度测定功能应提供足够的速度测量分辨率和精度，以支持IEEE 1474.1标准的性能和安全要求，CBTC系统还应补偿测量误差对列车位置和速度测定的影响。具体来说，如果CBTC列车的位置/速度确定功能取决于车轮的旋转，CBTC系统应对车轮打滑或滑动引起的位置误差进行校正，并应对由于磨损、校正或更换引起的车轮尺寸变化引起的位置误差进行校正。

2.超速保护和制动保证

超速保护应为任何CBTC系统配置所需的ATP功能。基于CBTC的ATP系统中的车载控制器会对速度传感器和加速度计输入数据的一致性进行监控。如检测到速度传感器信息的非常规变化，会对其进行记录。在建立、监督和实施ATP配置文件时，CBTC系统应确保在任何情况下（包括故障），列车的实际速度都不会超过其安全速度。安全速度应通过考虑以下最严格的限制条件得出：

a） ATP曲线内轨道区段的永久速度限制

b）ATP曲线内轨道区段的任何临时速度限制

c）适用于列车特定等级或配置的任何永久速度限制

d）由于车载故障条件而对列车实施的任何速度限制

e）允许列车在列车运行权限限制之前安全停车或在进入该段轨道时足够减速以满足适当的永久或临时速度限制的最大速度

当列车的任何部分在限速区域内时，计算的ATP曲线的实施应通过比较CBTC确定的列车速度和CBTC确定的列车位置处的ATP曲线速度来实现。如果超过该位置的ATP速度，CBTC系统应立即启动制动。根据有管辖权的当局的规定，制动应用可以是立即紧急制动应用或监督行车制动应用。在后一种情况下，CBTC系统应监控所达到的制动率，以确保在预定的时间内达到可接受的制动率；如果没有，则应立即应用紧急制动。安全制动模型应包括与该制动保证功能相关的反应时间的适当裕量。

如图所示，ATP计算紧急制动曲线，以B点为基础，保证列车不超过B点，有时也可以在B点设置列车滑行速度值，一旦需要，列车可以在此基础上加速或者停在危险点的前方。

3. 列车间隔控制

在CBTC区域内运行的所有列车之间应提供安全的列车间隔，无论列车是否配备CBTC。CBTC系统应在配备CBTC的列车之间提供安全的列车间隔。

对于混合模式运行，应通过辅助轨旁系统和/或严格遵守有管辖权的当局规定的操作程序，提供安全的列车间隔。如果通过辅助轨旁系统确定辅助列车的位置，则对于非CBTC设备列车后的CBTC设备列车或不工作的车载CBTC设备列车，CBTC系统应将下一列车的移动权限限制在占用轨道区段的边界非CBTC配备或故障列车。如果有管辖权的当局指定，CBTC系统可进一步将移动权限限制在非CBTC装备列车或故障列车占用的进路的进路入口点。

CBTC列车间隔控制功能应包括：

a）根据固定的ATP数据（如永久速度限制）和可变的ATP数据（如临时速度限制和移动权限限制）计算出的ATP配置文件（即作为列车位置函数的安全速度配置文件）

b）CBTC系统计算出的ATP配置文件的监督和执行

ATP曲线是速度—距离曲线，他是列车司机控制列车行驶的最主要的依据。ATP检测曲线也是速度—距离曲线，ATP子系统如果发现列车测量点的测量速度超过该曲线的限定，就会立即激活紧急制动程序，之后，ATP子系统脱离控制回路，列车按照ATP检测曲线进行制动。

4. 车门控制

如果列车由乘务员操作，开门控制保护联锁装置可能是所需的ATP功能，由有管辖权的当局选择。对于没有乘务员的列车运行，必须有开门控制保护联锁装置。这些联锁装置（如提供）应确保在打开车门（和站台门，如安装）之前满足以下条件：

a）列车在指定的停车点“适当对齐”，其中指定的停车点和所需的公差应由有管辖权的当局规定。

b）列车侧面有一个允许开门的站台（或有管辖权的当局指定的其他位置）。

c）检测到零速度。

d）这列火车被限制在运动范围内。

对于列车长度超过站台长度的应用，应能选择开门。如果有管辖权的当局指定，可为前一开门控制保护联锁装置的本地手动旁路提供设施，以用于故障恢复。

5.发车联锁

如果列车由乘务员操作，根据有管辖权的当局的选择，发车联锁可能是所需的ATP功能。对于无乘务员的列车运行，必须设置发车联锁。这些联锁装置（如有提供）应防止静止列车移动（例如，通过禁用推进系统），除非所有车门（和站台边缘门，如有安装）按照IEEE Std 1475-1999第5.14条的要求正确关闭和锁定。如果有管辖权的当局指定，可为先前出发联锁装置的本地手动旁路提供设施，用于故障恢复。

进路联锁

CBTC系统应提供等同于传统联锁实践的进路联锁功能，以防止列车碰撞和脱轨。这些功能应包括列车进入联锁前的进路锁闭（时间或接近锁闭）和列车进入联锁后的进路锁闭（进路锁闭）。当含有道岔的轨道区段被列车占用时，道岔也应被锁定（探测器锁定）。锁定功能也应适用于可移动桥梁和类似的通行权设备。在有管辖权的当局规定的情况下，可提供（列车后面路线的）分段放行。

在设置并锁定适当的进路之前，不得将移动授权推进联锁。一旦通过联锁推进了移动授权，除非列车已经通过并被证实脱离联锁，或移动授权被拉回到联锁之外并生效，否则不得释放受影响的进路并清除冲突的进路。当有管辖权的当局指定辅助轨旁系统时，联锁功能可由单独的联锁设备提供，该设备基于由二级列车检测子系统建立的列车位置。在这种情况下，CBTC系统应根据由CBTC列车位置确定功能建立的列车位置，与常规联锁功能接口并可对其进行修改，以安全地实现CBTC系统的增强性能能力。

轮径确认和磨损补偿

ATP会对安装车载装置列车轮径进行自动计算，所设定的特殊编码的查询器装设于平坦和笔直的轨道之上（一般为车辆段转换轨部位），用于轮径的自动计算。在ATP超出并检测到此两应答器之时，ATP将会对速度传感器脉冲数和存储于数据库中的具体距离进行比较，从而得到计算轮径。

8.回退防护

在装备CBTC并且由CBTC确定运行方向的区域中，监控实际列车运行方向并且将测量到的列车运行方向与CBTC以设定或指定的方向比较，列车运行超过一个特定回退限度会导致紧急制动。

三, ATP应用举例

高速铁路既有ATP实现自动驾驶的技术方案研究[1]

根据《高速铁路ATO系统总体技术方案》，城际铁路列控系统车载设备由ATP (列车自动防护系统)与ATO (列车自动驾驶系统)2个部分构成，车载ATP设备满足《CTCS-3级列控车载设备技术规范》的要求，由车载安全计算机(VC)，GSM-R无线通信单元(RTU)，轨道电路信息接收单元 (TCR)，应答器信息接收模块 (BTM)，司法记录单元 (JRU)，人机界面(DMI)，列车接口单元(TIU)及测速测距单元(SDU)等组成。在原有ATP车载设备功能基础上增加车门防护功能，精确停车误差评定和自动驾驶ATO允许控制，DMI增加显示ATO功能相关的控制、状态、报警等信息显示及操作，具备支持 ATO 自动驾驶等功能。

车载系统方案是在300H-ATP系统结构的基础上增加ATO主控单元、300H扩展单元和 GPRS通信单元，300H扩展单元实现 300H型ATP的IO接口扩展，并负责与ATP、ATO及无线单元进行通信交互。该方案对既有 ATP 设备的改动较小，在确保列车行车的安全性的条件下，实现高速铁路列控系统车载设备的功能需求。

车载新增设备由ATO主控单元、扩展单元和无线通信单元设备组成，集成于独立机柜。ATO主控单元负责列车自动驾驶相关控车功能；扩展单元负责扩展ATP的输入输出接口，同时负责与ATP、ATO设备、无线通信设备的接口通信功能；无线通信单元负责车地无线通信功能。 ATO主控单元通过与车辆控制系统和车载其他信号系统部件（ATP系统）的接口，实现对列车运行状态的采集、列车速度控制曲线的生成等功能。车载ATO系统配置及连接如图所示。

2. ATP智能检修与作业卡控系统研究[2]

ATP设备现有的维护模式存在以下不足:智能运维设备研发力度和推广投入不足，导致ATP设备在投入应用的相当长时间，厂家提供的配套维护工具智能化程度仍较低，缺少必要的迭代更新；部分关键节点在技术层面上缺少必要的卡控手段等。

ATP智能检修与作业卡控系统主要由便携式智能维护平板、多通道并行数据维护线缆、智能作业卡控管理中心和检修维护作业大屏4部分组成，系统结构图如图所示。

3.CTCS3-300T型车载ATP设备

CTCS3-300T型车载ATP设备是高速铁路列车控制系统的重要、关键设备，关系到列车的运行安全。目前该设备主要应用于时速300公里/小时的客运专线上。应用的线路包括：武广客专、郑西客专、胶济客专、沪宁城际、沪杭城际、京沪高铁、哈大客专、京石武客专等多条线路。

CTCS3-300T型车载ATP设备硬件包含车载安全计算机（VCU）、应答器信息接收模块（BTM）、安全输入输出接口（VDX）、轨道电路信息接收单元（TCR）、测速测距单元（SDU）、安全传输单元（STU-V）、列车接口单元（DI/DX）、司法记录单元（JRU）、车载无线电台（GSM-R）以及人机界面（DMI）设备。

其中车载安全计算机可配置为CTCS-3控制单元（ATPCU）、CTCS-2控制单元（C2CU）、速度处理单元（SDP）和网关（TSG），CTCS-3控制单元负责在CTCS-3线路正常运行时的核心控制功能，同时也会监控CTCS-2控制单元的工作状态，CTCS-2控制单元负责C2级运行时的核心控制功能,速度处理单元用于处理来自SDU的速度脉冲信号，网关用于处理不同总线之间的信息传输。

CTCS3-300T型车载ATP车载设备采用分布式结构，包括profibus总线、信号MVB总线和车辆MVB总线，其中profibus总线用于VCU设备之间的通信，信号MVB总线用于VCU、SDU、VDX、BTM、TSG设备间的通信，车辆MVB总线用于DMI、JRU、TSG、DI、DX设备间通信。

CTCS3-300T车载设备与动车组的接口采用继电器或MVB总线方式，系统整体结构如下图所示：

CRH1/2型车载ATP系统结构

CRH3型车载ATP系统结构

参考文献

[1]易海旺.高速铁路既有ATP实现自动驾驶的技术方案研究[J/OL].铁道标准设计:1-7[2020-03-13].

[2]公丕宾.ATP智能检修与作业卡控系统研究[J].铁道通信信号,2019,55(11):29-32.

[3]唐涛《列车运行控制系统》，中国铁道出版社，2016年12月

[4]董昱《区间信号与列车运行控制系统》，中国铁道出版社，2008年4月

[5]张强锋陈林秀杨德友等《城市轨道交通系统概论》，科学出版社，2013年8月

[6]http://shtx.crsc.cn/tabid/4085/productid/347/language/zh-CN/Default.aspx

CBTC中ATP的功能需求与应用举例相关推荐

【算法思想】数学归纳法在算法题中的应用（含例题举例）
[算法思想]数学归纳法在算法题中的应用(含例题举例) 前言数学归纳法应用举例 1. 前n项和 2. 区域计数 3. 着色问题 4. 金字塔求和 5. 简单不等式 6. 欧拉公式 7. 有路可达 8 ...
三菱PLC中FB块的使用方法举例
三菱PLC中FB块的使用方法举例当我们日常编程时需要多次调用某个子程序或者想要结构化编程时,我们可以将程序做成FB块,然后进行调用,使程序更加科学合理且易于观察. 下面就以最简单的电机起保停电路程序 ...
英语翻译中从句的翻译技巧和举例
英语翻译中从句的翻译技巧和举例在英语学习或阅读外文文献时候,常遇到比较长的英语句子,这些句子中常常由一个或多个从句构成.本文将举例说明英语翻译中从句的翻译技巧. 六大翻译技巧 1. 保持句子结构的一 ...
C语言中符号表示什么意思？举例说明
C语言中>>=,<<=,&=,^=,|=分别表示什么意思?举例说明 1.C语言中的 >>= 意思为:右移后赋值代码示例为:x = 8; x >> ...
【ERP】MPS中ATP的算法介绍
假设将要编写自行车ZXCA-F的MPS,编写MPS的日期是2006年6月1日,现有库存量为120,安全库存量为20,生产批量为160,批量增量为160,提前期是1个时段. 第一步: 计算毛需求量. 需 ...
OpenCV3.3中逻辑回归(Logistic Regression)使用举例
OpenCV3.3中给出了逻辑回归(logistic regression)的实现,即cv::ml::LogisticRegression类,类的声明在include/opencv2/ml.hpp文件 ...
VLC SDK在VS2010中的配置及简单使用举例
1. 从http://www.videolan.org/vlc/download-windows.html下载vlc-2.2.0-win32.7z,解压缩: 2. 新建一个 ...
Leptonica在VS2010中的编译及简单使用举例
在tesseract-ocr中会用到leptonica库,这里对leptonica简单介绍下. Leptonica是一个开源的图像处理和图像分析库,它的license是BSD 2-clause.它主要 ...
python中类的用法_Python中的类和方法使用举例
成员变量对象的创建创建对象的过程称之为实例化,当一个对象被创建后,包含三个方面的特性对象聚丙属性和方法, 句柄用于区分不同的对象, 对象的属性和方法,与类中的成员变量和成员函数对应, obj = ...

CBTC中ATP的功能需求与应用举例

CBTC中ATP的功能需求与应用举例相关推荐

最新文章

热门文章