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

列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)維護(hù)SYSTEMMAINTENANCEMAINTENANCEOFTRAINOPERATIONCONTROLSYSTEM1.4基于CBTC的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)主講教師：楊絢CBTC列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)CBTCTrainOperationControlSystemPART01以通信技術(shù)為基礎(chǔ)的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，即基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC，CommunicationsBasedTrainControl）。CBTC采用獨(dú)立于軌道電路的列車(chē)控制方法，通過(guò)高精度的列車(chē)定位和連續(xù)、高速、雙向的數(shù)據(jù)通信，建立車(chē)載和地面安全設(shè)備的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的控制。是一種采用先進(jìn)的通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)，連續(xù)控制、監(jiān)測(cè)列車(chē)運(yùn)行的移動(dòng)閉塞方式。CBTC列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)CBTC列車(chē)運(yùn)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(chē)運(yùn)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(chē)位置檢測(cè)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(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的另外一個(gè)基礎(chǔ)則是列車(chē)定位。只有確定了列車(chē)的準(zhǔn)確位置，才能計(jì)算出列車(chē)間的相對(duì)距離，保證列車(chē)的安全間隔；也只有確定了列車(chē)的準(zhǔn)確位置，才能保證根據(jù)線路條件，對(duì)列車(chē)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)乃俣瓤刂啤BTC系統(tǒng)依據(jù)列車(chē)本身的測(cè)速測(cè)距和探測(cè)地面應(yīng)答器或其他傳感器對(duì)列車(chē)位置的測(cè)量，查詢(xún)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。CBTC列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)CBTC系統(tǒng)確立“信號(hào)通過(guò)通信”的新理念，使列車(chē)與地面緊密結(jié)合、整體處理，改變以往車(chē)－地相互隔離、以車(chē)為主的狀態(tài)，其主要技術(shù)基礎(chǔ)在于其車(chē)地通信方式及列車(chē)定位方式，CBTC系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)在車(chē)-地之間建立連續(xù)、雙向、高速的傳輸通道，列車(chē)的命令和狀態(tài)可以在列車(chē)與地面設(shè)備之間可靠交換，使地面設(shè)備和受控列車(chē)緊密地連接在一起。所以，車(chē)-地通信是CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)。較基于軌道電路的列車(chē)控制系統(tǒng)比較，CBTC系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)？基于感應(yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)CBTC車(chē)-地通信方式：CBTC以列車(chē)與地面的傳輸信息方式來(lái)劃分，可以分為無(wú)線自由波、感應(yīng)環(huán)線、漏纜及波導(dǎo)管等，北京地鐵S1線使用了帶交叉感應(yīng)環(huán)線的CBTC技術(shù)?；诟袘?yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)，是我國(guó)“十一五”科技支撐計(jì)劃中的中低速磁浮交通技術(shù)及工程化應(yīng)用的研究課題，在唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛廠內(nèi)建設(shè)了1.5km的中低速磁浮列車(chē)試驗(yàn)線，交叉感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)是中低速磁浮交通的關(guān)鍵技術(shù)，感應(yīng)環(huán)線系統(tǒng)是列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的中樞，通過(guò)感應(yīng)環(huán)線向地面和車(chē)載控制系統(tǒng)提供連續(xù)雙向的通信通道?；诟袘?yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)感應(yīng)環(huán)線具有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，使用壽命長(zhǎng)以及投資少等優(yōu)點(diǎn)，目前仍繼續(xù)得到應(yīng)用。感應(yīng)環(huán)線的缺點(diǎn)是安裝在鋼軌中間，安裝困難且不方便工務(wù)部門(mén)對(duì)鋼軌的日常維修，車(chē)－地通信的速率低。優(yōu)缺點(diǎn)：感應(yīng)環(huán)線的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與軌道電路類(lèi)似，其特點(diǎn)在于設(shè)置于車(chē)站的感應(yīng)環(huán)線收發(fā)設(shè)備與軌旁感應(yīng)環(huán)線的鋪設(shè)，是實(shí)現(xiàn)感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備。安裝：基于感應(yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)基于感應(yīng)環(huán)線車(chē)地通信采用主從應(yīng)答方式，地面控制中心為通信主站，各個(gè)車(chē)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(yīng)的VOBC應(yīng)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(zhǎng)3秒鐘內(nèi)，列車(chē)和地面能夠交換信息一次。當(dāng)車(chē)載發(fā)送天線發(fā)送信息時(shí)，地面感應(yīng)環(huán)線又變成為接收天線，接收車(chē)載設(shè)備發(fā)送的信息，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)地雙向通信。感應(yīng)環(huán)線與車(chē)載天線設(shè)置如下圖所示，感應(yīng)環(huán)線每25-100米交叉一次，車(chē)載VOBC在經(jīng)過(guò)每個(gè)交叉點(diǎn)是檢測(cè)到信號(hào)相位的變化，以此來(lái)進(jìn)行定位計(jì)算?；诟袘?yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)基于感應(yīng)環(huán)線的列車(chē)定位：車(chē)載線圈通過(guò)感應(yīng)交叉回線中電流信號(hào)所生成的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。車(chē)載設(shè)備對(duì)線圈感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、整形處理得到位置脈沖信號(hào)，再通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)即列車(chē)通過(guò)交叉回線環(huán)路的個(gè)數(shù)來(lái)決定列車(chē)位置，該方法所得列車(chē)的位置信息基于交叉回線的回線寬度，回線寬度在測(cè)量上和均勻布置上會(huì)有誤差。相對(duì)定位的誤差會(huì)隨著時(shí)間積累，必須每隔一定距離要對(duì)列車(chē)的位置進(jìn)行修正。當(dāng)列車(chē)通過(guò)兩根感應(yīng)環(huán)線的邊界確定了列車(chē)的精確定位點(diǎn)。列車(chē)在每一段感應(yīng)環(huán)線所接收到的通信報(bào)文中感應(yīng)環(huán)線標(biāo)識(shí)號(hào)是不同的，這樣列車(chē)只要經(jīng)過(guò)環(huán)線邊界就可以確定其精確位置了。而在基于無(wú)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(yīng)答器。列車(chē)行駛經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器向列車(chē)發(fā)送定位信息確定列車(chē)的初始定位點(diǎn)。在基于感應(yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)中，只需要經(jīng)過(guò)環(huán)線邊界就可以確定其精確位置，不需要增加額外的設(shè)備?；诟袘?yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)基于感應(yīng)環(huán)線的列車(chē)定位特點(diǎn)：列車(chē)的行駛距離和方向由車(chē)輪轉(zhuǎn)速計(jì)確定，但應(yīng)用車(chē)輪轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量時(shí)會(huì)存在一些測(cè)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(yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)中，通常每隔25m感應(yīng)環(huán)線交叉一次，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)這個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)，相位相反的信號(hào)會(huì)被接收天線收到，這樣就可確定列車(chē)的位置正處在交叉點(diǎn)上。又因?yàn)橄噜徑徊纥c(diǎn)間的距離一定，所以列車(chē)在經(jīng)過(guò)感應(yīng)環(huán)線交叉點(diǎn)時(shí)，就可以對(duì)轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量的列車(chē)行駛距離值進(jìn)行修正，從而避免誤差累積。基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)基于無(wú)線電臺(tái)傳輸?shù)腃BTC系統(tǒng)較基于感應(yīng)環(huán)線電纜的CBTC系統(tǒng)使用更為廣泛，基于無(wú)線電臺(tái)通信的CBTC系統(tǒng)繼承了基于環(huán)線車(chē)地通信的各種優(yōu)勢(shì)，因其龐大的通信容量，同時(shí)還能為地鐵運(yùn)營(yíng)商增加其他更多的運(yùn)輸操作功能和增值服務(wù)，更易于實(shí)現(xiàn)不同線路之間的互聯(lián)互通，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外成熟軌道交通系統(tǒng)的新建線路和舊線改造中。基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)與基于感應(yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)不同之處？基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)無(wú)線電臺(tái)傳輸技術(shù)：無(wú)線電臺(tái)是城市軌道交通WLAN的一種主要應(yīng)用方式。根據(jù)IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛采用基于2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用）頻帶，無(wú)線電臺(tái)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(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的難度。為了保證場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的完整性，保證通信的質(zhì)量和可靠性，無(wú)線電臺(tái)一般在地下線路200m左右設(shè)置一套，在地面和高架線路300m左右設(shè)置一套?；跓o(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)無(wú)線電臺(tái)設(shè)置原則：1．無(wú)線電臺(tái)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，且安裝和維護(hù)較容易。2．無(wú)線電臺(tái)在隧道內(nèi)傳輸受彎道和坡道影響較大，同時(shí)隧道內(nèi)的反射比較嚴(yán)重，需要考慮多徑干擾等問(wèn)題。3．無(wú)線電臺(tái)在地面和高架線路安裝比較容易，但線路周?chē)荒苡懈叽竺芗慕ㄖ?，否則也會(huì)產(chǎn)生反射和衍射，從而導(dǎo)致質(zhì)量下降和通信速率降低。4．無(wú)線電臺(tái)的傳輸距離小，為了保證在一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)（AP）故障時(shí)通信不中斷，往往需要在同一個(gè)地點(diǎn)設(shè)置雙網(wǎng)覆蓋，進(jìn)一步縮短了AP布置間距。但這樣使列車(chē)在各個(gè)AP之間的漫游和切換比較頻繁，大大降低了無(wú)線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性，同時(shí)相應(yīng)的電纜使用量很大。討論總結(jié)：為保證信息的可靠、安全、及時(shí)傳輸是CBTC對(duì)無(wú)線通信子系統(tǒng)的基本要求，無(wú)線通信子系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足什么特性？基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)自由波天線裂縫波導(dǎo)管泄漏同軸電纜無(wú)線電臺(tái)傳輸方式：基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)裂縫波導(dǎo)管無(wú)線傳輸技術(shù)采用沿線鋪設(shè)的裂縫波導(dǎo)及與波導(dǎo)連接的無(wú)線接入點(diǎn)作為軌旁與列車(chē)的雙向傳輸通道。波導(dǎo)管是一種空心且內(nèi)壁光潔的導(dǎo)管，主要用于對(duì)超高頻電磁波進(jìn)行傳輸?；跓o(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)波導(dǎo)管是一種空心且內(nèi)壁光潔的導(dǎo)管，主要用于對(duì)超高頻電磁波進(jìn)行傳輸。波導(dǎo)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(wú)其他車(chē)輛引起的傳輸反射、可在密集城區(qū)傳輸特點(diǎn)。波導(dǎo)的缺點(diǎn)在于安裝困難，需全線沿線路安裝波導(dǎo)管，安裝維護(hù)復(fù)雜，并且造價(jià)高。波導(dǎo)管可以安裝在地鐵隧道頂部或者地面上，可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境靈活確定，波導(dǎo)管安裝的要點(diǎn)是保證波導(dǎo)管和列車(chē)天線的距離保持不變，為了保證波導(dǎo)傳播，要求波導(dǎo)管與天線的距離保持在30~40厘米之間。北京地鐵2號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線等多條線路，以及其他各大城市均有采用裂縫波導(dǎo)管傳輸技術(shù)。二、列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)分類(lèi)基于AP的CBTC列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)泄漏同軸電纜：泄漏同軸電纜無(wú)線傳輸技術(shù)在新研發(fā)的系統(tǒng)采用的不多。漏泄電纜方式特點(diǎn)是場(chǎng)強(qiáng)覆蓋較好、可控，抗干擾能力強(qiáng)。單點(diǎn)AP的控制距離通常達(dá)800m（每側(cè)漏泄電纜長(zhǎng)度400m）。缺點(diǎn)是漏泄同軸電纜價(jià)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(duì)耦合損耗的影響。基于無(wú)線電臺(tái)的CBTC系統(tǒng)按漏泄原理的不同，漏泄電纜分為三種基本類(lèi)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(nèi)導(dǎo)體，2是絕緣體，3是外導(dǎo)體，4是長(zhǎng)條形槽孔，5是護(hù)套，6是電磁波。討論總結(jié)：三種無(wú)線電臺(tái)傳輸方式的特點(diǎn)？自由波天線裂縫波導(dǎo)管泄漏同軸電纜列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)分類(lèi)基于AP的CBTC列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)基于LTE的地鐵信號(hào)無(wú)線傳輸LTE技術(shù)（LongTermEvolution），是通用移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要演進(jìn)項(xiàng)目，是新定義的無(wú)線空中接口標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效開(kāi)展增強(qiáng)型的多媒體廣播組播業(yè)務(wù)等工作，已經(jīng)基本具備了4G通信技術(shù)手段的特征。LTE技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在較低成本的運(yùn)行狀態(tài)中，更好地保證和提升信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線傳輸服務(wù)的實(shí)際業(yè)務(wù)質(zhì)量。相比WLAN，TD-LTE作為無(wú)線技術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)。目前在商用領(lǐng)域已經(jīng)獲得較大規(guī)模的應(yīng)用。我國(guó)新建地鐵線路。大多采用LTE作為地鐵信號(hào)無(wú)線傳輸技術(shù)?；贚TE的地鐵信號(hào)無(wú)線傳輸想一想：LTE技術(shù)在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有哪些優(yōu)勢(shì)？基于CBTC的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)車(chē)地通信方式多是采用WLAN技術(shù)，WLAN是免費(fèi)開(kāi)放的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，這一技術(shù)保持著2.4GHz頻段應(yīng)用效果，但由于其免費(fèi)開(kāi)放的特征，容易受到相同頻段的其他設(shè)備的干擾，需要較多的軌旁無(wú)線設(shè)備，并且無(wú)法充分有效地支撐地鐵運(yùn)行系統(tǒng)的高速移動(dòng)效果。相較于WLAN技術(shù)，LTE技術(shù)在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)?；贚TE的地鐵信號(hào)無(wú)線傳輸LTE設(shè)備包括中央控制設(shè)備，基站設(shè)備，車(chē)輛終端設(shè)備等。中央控制設(shè)備由核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和LTE網(wǎng)絡(luò)管理組成，與CBTC業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接。核心網(wǎng)絡(luò)通過(guò)所有級(jí)別的交換傳輸網(wǎng)絡(luò)連接至基站設(shè)備，LTE網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)線覆蓋系統(tǒng)中配置和管理所有基站的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。核心網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)管理通過(guò)交換機(jī)