北京地铁15号线CBTC信号系统[教学]

北京地铁15号线CBTC信号系统[教学] 北京地铁15号线CBTC信号系统 蒋先进 郑聪 摘 要:本文介绍北京地铁15号线采用的信号系统的特点，描述了ATP/ATO子系统的功能， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了ATP/ATO子系统的结构，并解释了ATP/ATO子系统的工作原理。 关键词:北京地铁15号线 ;CBTC信号系统 Abstract: The paper introduces the characteristic of the signaling system used on the capital international airport link project, describes the function of ATP/ATO subsystem, analyzes the configuration of the ATP/ATO subsystem, explains the work principle of CBTC system. Key words: mass transit of Beijing; capital international airport line; CBTC signal system 1 概述 北京地铁15号线一期 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 规划线路整体呈东北——西南走向，西起八达岭高速东侧北沙滩，东至顺义区俸伯站。北京地铁15号线一期线路全长38.3公里，其中地下线约24.6公里，高架线约13.7公里。本工程共设18座车站，其中孙河站-后沙峪站4座车站为高架车站，其余为地下车站。同时本工程设有一处车辆段(马泉营车辆段)，一处停车场(俸伯停车场)。 北京地铁15号线全线采用双线分方向运营、右侧行车制，北沙滩站至俸伯站为上行方向，俸伯站至北沙滩站为下行方向，最高运行速度100km/h，平均旅行速度不小于55km/h，技术速度不低 /h。于65km 北京地铁15号线低压供电采用三相五线制配电、TN-S接地系统;信号系统用电负荷为一级负荷，由两路独立的低压交流电源(380/220V?5,、50Hz?0.5%)供电。 2 北京地铁15号线信号系统构成 北京地铁15号线信号系统采用由北京交大/日信联合体提供的SPARCS系统(Simple Structure and high Performance ATC by Radio Communication System)，是一套基于无线通信的移动闭塞系统(CBTC)，该系统可以实现全线自动驾驶。它包括以下五个主要的子系统: ?列车自动监控子系统(ATS); ?ATP/ATO(列车自动防护/驾驶)子系统; ?CI(计算机联锁)子系统; ?MSS(维护支持)子系统; ?DCS(数据通信)子系统。 线路的运营管理主要依赖于覆盖整条线路的有线传输网络，该网络为各子系统之间提供双向信息传输。 通过无线自由波(2.4GHz)为信号轨旁设备和车载信号设备之间提供双向无线信息传输。沿着全线分布的轨旁无线电台保证了无线网络对整条线路的覆盖，该无线网络传送连续的 CBTC 信息。 ATS设备位于控制中心、备用控制中心、各车站和车辆段;ATP/ATO位于6个设备集中站和1个车辆段内的试车线;CI位于6个设备集中站、1个车辆段和1个停车场;MSS除位于各设备集中站外，还在各个维护工区设有终端，用于监测全线信号系统的工作状态。 列车定位是CBTC系统的固有特性，同时也可以通过计轴设备来完成辅助的列车定位。对于北京地铁15号线正线装配计轴设备，车辆段和停车场内则通过轨道电路来确定列车位置。 在车辆段/停车场采用与正线一样的CI系统，用于管理车辆段的轨旁设备和试车线，可以方便的实现正线联锁和车辆段/停车场联锁接口和试车线的控制，可以控制列车进/出非CBTC区域。 所有主要的子系统设备都将提供冗余配置，即某单一故障不会影响正常运行。 不管是有线网还是无线网的信号传输系统都是冗余的。单个通道的故障和干扰，不影响子系统间的信息传输。 本文结合北京地铁15号线的工程实际，重点介绍CBTC 信号系统ATP/ATO子系统的特点、构成及功能，与其他线路信号系统原理相同的ATS和CI等子系统不再复述。 3 ATP/ATO子系统构成 ATP/ATO子系统分为地面(轨旁)设备和车载设备。 3.1地面(轨旁)设备 正线的每个设备集中站设置一套ATP/ATO设备，分6个区域管理北京地铁15号线正线上运营的所有列车。 在车辆段的试车线另外单独设置一套ATP/ATO设备，用于试车线的列车管理。 由于车辆段仅监督不控制，因此不在ATP/ATO管理范围之内。 每套ATP/ATO能控制20列车，因此6套设备完全能满足北京地铁15号线的容量要求以及将来的车辆扩容。 3.2车载设备 车载ATP/ATO系统组成包括: ?ATP/ATO冗余单元(2取2):在列车每端上安装一套2取2的ATP/ATO车载设备，两套实现热备冗余，并可以实现CBTC系统向点式ATP系统的降级处理。 ?两套速度发电机:在列车的两端各安装1台速度发电机。 ?两套应答器接收单元:在列车的两端各安装1套应答器接收单元，可以在点式ATP和连续式ATP下提供列车MA和位置校正。 ?2套无线接收单元:每端安装1套无线接收单元，每套设有两台并且双端互为备份，该单元只是在连续式ATP的无线自由波传输方式下使用。 ?2套MMI单元:在列车的两端各安装1套DMI向司机提供与列车运行以及驾驶有关的详细 信息。 ?双端设备连接电缆。 ?其他辅助设备和部件。 具体结构图如下图所示: 首车 尾车 天线天线 车载无线电台车载无线电台 驾驶台MMI驾驶台MMI ATP/ATOATP/ATO 车载设备车载设备 牵引/制动/牵引/制动/ 门控等 门控等 TGTG 车载应答器天线车载应答器天线 图1 车载设备结构图 4 ATP/ATO子系统功能 4.1ATP子系统 ATP子系统是保障行车安全、实现列车运行自动防护的关键设备，严格遵循故障-安全原则。在北京地铁15号线CBTC信号系统中，ATP子系统分为连续式ATP子系统和点式ATP子系统。 连续式ATP子系统的车-地连续双向通信是通过基于中继接力工作方式的安全可靠的无线传输网络来实现的，沿线布置的无线电台(WRS)之间无须再铺设光缆，从而降低设备费用和施工成本，便于维护和方便系统升级。 ATP/ATO地面逻辑部分别将列车的在线位置计算结果、前方列车的位置、进路的开通状态、地面数据库线路运行条件、到目标停车位置的距离信息和限速信息传输到车载设备。ATP车载设备根据接收到的这些信息生成到目标停车位置的制动曲线，保障列车的行车安全。 如果连续式ATP系统功能丧失无法正常使用，系统将使用点式ATP系统作为后备模式。点式ATP系统是通过安装在地面信号机外侧的有源应答器将目标停车点的距离信息传送至车载设备，车载设备根据该信息生成到目标停车点的制动曲线，从而保证列车的行车安全。 连续式ATP与点式ATP系统共用同一车载设备，可通过车载模式开关切换使用。 ATP系统结构如下图所示: 有线网络 ATP/ATOATS逻辑部 轨旁计算机联锁CI无线 电台WRSSRSSRSWRS DCU 道岔 信号机 计轴 VRSPSDVRS车载ATP车载ATP 防冒进应答器TGTG 无源应答器有源应答器P0 图2 ATP系统结构图 4.2 ATP/ATO子系统车载设备功能 (1)与车载无线电台的通信 ATP/ATO车载设备将列车速度、运行距离、运行模式等信息通过车载无线电台发送到ATP/ATO机柜。 ATP/ATO车载设备通过车载电台接收从ATP/ATO机柜发出的“允许移动距离(Moving Authority)”的信息。 (2)列车速度和行驶距离的计算信息 计数测速器(TG、)发出的脉冲输入值，计算列车速度以及行驶距离。当列车通过轨旁设置的地面应答器时，列车行驶距离被归零设置，从0开始不间断地计算列车行驶距离。 (3)生成速度防护曲线 ATP/ATO车载设备利用ATP/ATO机柜发出的“允许移动距离(Moving Authority)”信息和区间限速、坡度信息，生成ATP防护曲线。 (4)速度监视 ATP/ATO车载设备根据ATP防护曲线核查列车的实际运行速度。 当列车实际运行速度超出ATP防护曲线速度时，ATP/ATO车载设备将输出制动指令。 把列车实际运行速度严格地控制在ATP防护曲线速度范围以内。 (5)显示信息的输出 将列车运行信息随时显示在设在驾驶台上的DMI上。 5连续式ATP子系统工作原理 5.1 概要 连续式ATP 子系统是基于无线通信的移动闭塞系统，由进行车地双向数据处理的通信设备构成。地面的信号设备不间断地接收每辆列车发出的位置信息，并据此得出每辆列车的移动授权(MA)，实时地向列车发送移动授权和线路运行条件信息。列车根据接收到的移动授权以及线路运行条件信息，计算列车运行速度曲线，实现精确的定点停车，保护列车前后两个方向上的安全行驶，由此形成的运行模式可以最大限度地发挥线路的通过能力。 5.2 位置检测原理 5.1.2.1 初始位置定位以及列车行驶过程中的无线测距 接通ATP/ATO车载设备电源后就可以通过无线测距获得列车位置，分别使用车头和车尾的VRS与对应的2个地面WRS进行无线测距。使用从2个WRS获得的测距结果画2个圆，其交叉点判断为车头和车尾的位置。 一旦确定了VRS的初始位置，就可以通过最近的一个WRS来进行测距确认VRS位置，而不是通过2个WRS的组合来测距。而SPARCS地面设备对2个WRS发出测距指令是为了保证在其中一个WRS发生故障时，也可以进行测距判断VRS位置。 地面ATP/ATO设备选择车载VRS无线电台天线朝向的2个WRS(WRS1、WRS2)，对其发出无线测距指令，使用获得的测距值确定VRS位置。地面ATP/ATO设备通过自身的数据库可以得知VRS位置和WRS的设置位置，并确定其位置关系，从多个VRS位置中选出真正的VRS位置。 5.1.2.2 TG位置验证和异常时的防护范围 ATP/ATO车载设备采用最后通过的地面应答器发出的累计TG脉冲数，计算列车的移动距离，地面ATP/ATO设备通过地面应答器的设置位置数据和ATP/ATO车载设备发出的移动距离计算列车位置，在算出列车位置后，将设定的TG误差作为安全缓冲，再加上列车本身长度作为通过TG脉冲检测得到的列车在线范围。设定的TG误差如下。车站停车时(P2通过速度在20km/h以下)通过和P2地面应答器对接，得到最小安全缓冲值，列车驶入定点停车位置。 同时，系统在通过无线测距计算出列车位置后，将无线测距得出的最大测距误差(21m)作为安全缓冲区，再加上列车本身的长度，得出列车在线范围。 通过TG得到的列车在线范围和通过无线测距计算出的列车在线范围这两个位置信息之间的关系如下图所示。当打开车辆电源后，要采用通过无线测距计算出的列车在线范围。但是每当列车开始移动并到达最初的地面应答器后，开始采用通过TG得出的列车在线范围。如果，两者的在线范围相差超出一定值时，为确保列车安全则必须停车。 通过TG获得的列车位置会在每0.5秒进行位置数据更新，同时与通过无线测距获得的列车在线位置进行比较验证。当通过TG获得的列车位置超出从无线测距获得的列车在线范围一定值以上时，会判断为TG位置检测异常。发生异常时的列车位置采用通过无线测距获得的列车位置，此时列车在线范围如下所示:通过对从TG获得的列车在线范围和从无线测距获得的列车在线范围的运 用，确保系统的故障-安全性。 5.1.2.3 车轮打滑、空转的判定和安全缓冲区的扩大 当车轮空转或打滑时，不会影响通过无线测距算出的列车在线范围，但会影响通过TG获得的位置信息。因此，要通过“正常最大加速度”和“正常最大减速度”的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 来判断是否发生了车轮打滑或车轮空转。 车载设备连续监视通过TG获得的速度的变化，通过比较每100ms的速度和当前的速度，判断该差值是否正常。当检测出超过列车最大加速度(αMAX)和最大减速度(βMAX)时，可以判断为发生了空转和打滑。 当车载设备检测出空转和打滑时，ATP/ATO机柜将扩大安全缓冲区，以此确保行车安全。一是把列车车尾的安全缓冲区的边界固定在空转或打滑发生时刻的位置，防止后续列车追尾;二是把列车车头的安全缓冲区的边界更新为当列车以最大加速度行驶时计算出的位置，防止列车冲撞前方列车和向前方停车点冒进。采用车载设备通知的列车的移动距离计算出列车车头位置。 当通过地面应答器进行位置修正时，列车位置被地面应答器位修正到正确的位置上，安全缓冲区被重置为最小值。 5.3 发生故障时对运行的影响 5.1.3.1 ATP/ATO设备发生故障时的影响 ATP/ATO设备为冗余结构，因此在单个系统发生故障不会影响列车运行。当双系统都发生故障时，列车控制信息则不能传送到控制区域的车辆上。控制区域内，如果所有车辆的车载设备在2.7秒期间检测不到信号时，启动紧急制动停车。 接近ATP/ATO设备双系统发生故障的列车将控制区域分界线作为停车点进行控制。 ATP/ATO设备双系统发生故障时，可转换为点式ATP运行。 5.1.3.2 SRS发生故障时的影响 SRS有两台，为冗余机构。当,台发生故障时也不影响列车运行。当两台SRS都发生故障时，该区间的ATP系统则不能进行列车控制，转换为点式ATP运行。SRS发生故障后，同ATP/ATO设备对列车运行的影响相同。 5.1.3.3 WRS发生故障时的影响 WRS可以与相邻的WRS以及下1台WRS进行无线通信。因此，只要不是相邻的两台WRS都发生故障，则不会影响列车运行。当相邻的两台WRS都发生故障时，车载设备则不能接收信息。车载设备在2.7秒期间检测不到信号时，则启动紧急制动。在該区间，列车在WRS修复之前用点式ATP运行。 5.1.3.4 用于位置修正的地面应答器发生故障时的影响 位置修正是在车载应答器与地面应答器结合时，将地面设备检测的位置修正为地面应答器的设置位置，使安全缓冲区的达到最小的功能。在所有地面应答器进行位置修正。通过发生故障的地面应答器时，安全缓冲区没有达到最小，继续与距离成比例地增加。直至安全缓冲区与地面应答器结合，则会与运行距成比例地增加，不至于陷入危险状态。 5.1.3.5 与无线电台同步使用的GPS接收器发生故障时的影响 与无线电台同步使用的GPS接收器在所有的控制区域都设由1台。GPS接收器发生故障后，与GPS接收器连接的无线电台则失去基准时钟的功能，这时，与GPS接收器相连接的沿线的其他无线电台管理的基准时钟则取代它的功能，不影响系统动作。 5.4 移动闭塞原理 使用移动闭塞时，不存在轨道电路的闭塞边界，列车停止点的计算是通过地面ATP/ATO机柜提供的移动授权(MA)实时得到的。因此，后续列车的停止点通常是随着前行列车的前进不断向前变化，线路的通过能力也因此得到很大提升。 连续式地面ATP/ATO设备以500ms为周期计算控制区域内的所有列车的在线位置。地面设备根据前方列车的在线范围，加上一定的安全保护距离，计算后方列车的停车点位置，然后通过无线网络发送给后方列车。 车载设备通过无线网络连续接收地面ATP/ATO设备发送的信息(到停止点的距离，限速，坡度)，计算包括车辆减速度和空转时间在内的ATP曲线(紧急制动曲线和常用制动曲线)。 ATP曲线如上图所示。相对前方列车的车头和车尾，预设一定的保护距离，计算出到前方停车点的制动曲线。按周期更新制动曲线，实现移动闭塞的ATP控制。 5.5 列车控制原理 连续式ATP中，结合与前方列车的距离，通过地面ATP/ATO设备接收移动授权，并通过车载设备生成最佳制动曲线。当车速超出制动曲线(NB)规定的速度时，车载设备会自动启动常用制动(NB)，当超出紧急制动曲线(EB)规定的速度时，则启动紧急制动(EB)，以此控制车辆。同时，若地面设备判断列车的可行驶距离不存在时，地面设备会直接向车载设备发出EB指令，车载设备启动紧急制动。 5.6 EB的缓解方法 列车在MTO和正线ATO运行模式下EB缓解方式均暂定列车速度检测5KM/h以下和操纵杆位置EB持续3秒钟， 该时间调试时可做增大调整 在车站无人自动折返时，EB缓解方式由ATO自动处理或信号设备故障时人工干预处理。 5.7 临时限速 (1)临时限速类别 临时限速分为临时限速1、临时限速2、临时限速3、临时限速4、临时限速5、临时限速6六种类型。 (2) 临时限速的设定单位 a. 在联锁车站以线路单位。 b.在区间以100m左右为一个区段。但是考虑到弯线区段和坡度区段，允许该区段的长度在90m 以下。 (3)功能 临时限速为连续式ATP的功能(运行模式:ATO、ATP)。所以从、ATO模式、ATP模式 转换到点式ATO、点式ATP、RM、NRM模式后，无法继续进行临时限速控制。 5.8 对信号机的防护 (1) 进路开通时列车的防护范围 ATP模式(包括ATO模式)进路开通时的列车防护位置，为与点式ATP对应的设在信号机内侧1.3m(最小値)的计轴位置。同时，列车防护的目标位置为信号机前1.0m。 因此，车头位置至列车防护目标位置的距离为5.42m以上。 ATP的信号机防护如下图所示。 列车防护曲线 进路未开通 车头 车载应答器 P0 2.41m 1.3m ，5.42m 1.0m ，8.83m 注:车头为连接器的连接面 6、结束语 首都机场线CBTC信号系统许多新的设计思想开拓了我们的思路，值得我们借鉴;无人驾驶模式在北京轨道交通的成功运用，为北京奥运增添了一道亮丽的风景线，也必将带动北京乃至全国城市轨道交通CBTC信号系统的大发展。 参考文献: 北京交大/日信联合体提供的“北京地铁15号线信号系统技术规格书”