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1、城市轨道交通列车运行城市轨道交通列车运行控制系统控制系统主讲人：刘晓娟主讲人：刘晓娟Contents基于通信的列车控制系统基于通信的列车控制系统CBTCCBTC2城市轨道交通列车运行控制城市轨道交通列车运行控制3 11. 城市轨道交通列车运行控制城市轨道交通列车运行控制1.1 城市轨道交通城市轨道交通信号信号控制系统特点控制系统特点 城市轨道交通信号系统的技术制式虽然是沿城市轨道交通信号系统的技术制式虽然是沿袭干线铁路的制式，但还是有它固有的特点，主袭干线铁路的制式，但还是有它固有的特点，主要反映在以下几个方面：要反映在以下几个方面： 对列车速度监控提出了极高的要求，要求其能对列车速度监控提出
2、了极高的要求，要求其能提供更高的安全保证。提供更高的安全保证。 由于运行速度远低于干线铁路，在信号系统中由于运行速度远低于干线铁路，在信号系统中可以采用较低速率的数据传输系统。可以采用较低速率的数据传输系统。车车站站的的功功能能和和线线路路均均较较简简单单，联联锁锁设设备备的的监监控控对对象象远远远远少少于于一一般般干干线线铁铁路路车车站站，通通常常1 1个个控控制制中中心心即即可可实现全线的联锁功能。实现全线的联锁功能。城城市市轨轨道道交交通通车车辆辆段段的的功功能能较较多多，其其行行车车组组织织工工作作包包括括编编解解、接接发发及及调调车车等等，信信号号设设备备远远多多于于其其他他车车站，
3、通常独立采用一套联锁装置。站，通常独立采用一套联锁装置。在在城城市市轨轨道道交交通通的的信信号号系系统统内内，通通常常都都包包含含有有进进路路自自动动排排列列功功能能，即即按按事事先先预预定定的的程程序序自自动动排排列列进进路路，只有运行图变更时才有人工介入。只有运行图变更时才有人工介入。1.2 1.2 城市轨道交通对信号系统的要求城市轨道交通对信号系统的要求 现现代代城城市市轨轨道道交交通通的的主主要要运运行行特特点点是是行行车车密密度度高高、站站间间距距离离短短及及行行车车间间隔隔时时间间短短。目目前前的的发发展展水水平平，新新建建（或或改改建建）的的地地下下铁铁路路与与轻轻轨轨铁铁路路，
4、其其载载客客高高峰峰期期的的行行车车间间隔隔最最小小可可达达90s90s，甚甚至至更更小小。如如此此短短暂暂的的行行车车间间隔隔对对城城市市轨轨道道交通信号系统的自动化程度提出了较高的要求。交通信号系统的自动化程度提出了较高的要求。安全性要求高：安全性要求高：由于城市轨道交通尤其是地下部分由于城市轨道交通尤其是地下部分隧道空间小隧道空间小, , 行车密度大行车密度大, , 故障排除难度大故障排除难度大, , 若发若发生事故难以救援生事故难以救援, , 损失将非常严重。因此，对保障损失将非常严重。因此，对保障行车安全的信号系统提出了更高的安全要求。行车安全的信号系统提出了更高的安全要求。通过能力
5、大：通过能力大：城市轨道交通一般不设站线城市轨道交通一般不设站线, , 进站列进站列车均停在正线上车均停在正线上, , 先行列车停站时间直接影响后续先行列车停站时间直接影响后续列车接近车站列车接近车站, , 所以要求信号设备必须满足通过能所以要求信号设备必须满足通过能力的要求。另一方面力的要求。另一方面, , 不设站线使列车正常运行的不设站线使列车正常运行的顺序是固定的顺序是固定的, , 有利于实现行车调度自动化。有利于实现行车调度自动化。保证信号显示：保证信号显示：城市轨道交通虽然地面信号机少城市轨道交通虽然地面信号机少, , 但地下曲线地段受隧道壁的遮挡但地下曲线地段受隧道壁的遮挡, ,
6、信号显示距离受信号显示距离受到限制到限制, , 所以保证信号显示也是个重要问题。所以保证信号显示也是个重要问题。抗干扰能力强：抗干扰能力强：城市轨道交通均为电力牵引城市轨道交通均为电力牵引, , 是直是直流电气化铁路流电气化铁路, , 要求信号设备对其有较强的抗电气要求信号设备对其有较强的抗电气化干扰能力。化干扰能力。可靠性高：可靠性高：由于城市轨道交通隧道净空小由于城市轨道交通隧道净空小, , 且装有且装有带电的牵引接触轨或接触网带电的牵引接触轨或接触网, , 行车时不便下洞维修行车时不便下洞维修和排除设备故障，所以要求信号设备具有高可靠性，和排除设备故障，所以要求信号设备具有高可靠性，应尽
7、量做到平时不维修或少维修。应尽量做到平时不维修或少维修。自动化程度高：自动化程度高：城市轨道交通站间距短城市轨道交通站间距短, , 列车密列车密度大度大, , 行车工作十分频繁行车工作十分频繁, , 而且地下部分环境潮而且地下部分环境潮湿湿, , 空气不佳空气不佳, , 没有阳光没有阳光, , 工作条件差。所以要工作条件差。所以要求尽量采用自动化程度高的先进技术设备求尽量采用自动化程度高的先进技术设备, , 以减以减少工作人员，并减轻他们的劳动强度。少工作人员，并减轻他们的劳动强度。限界条件苛刻：限界条件苛刻：城市轨道交通的室外设备及车载城市轨道交通的室外设备及车载设备受土建限界的制约设备受土
8、建限界的制约, , 要求设备体积小要求设备体积小, , 同时同时必须兼顾施工和维护作业空间。必须兼顾施工和维护作业空间。1.3 1.3 城市轨道交通信号控制系统组成城市轨道交通信号控制系统组成ATOATPATSIS安安全全相相关关系系统统非非安安全全相相关关系系统统 城城市市轨轨道道交交通通的的列列车车运运行行控控制制系系统统从从一一开开始始就就直直接接使使用用了了列列车车自自动动控控制制ATC ATC （Automatic Automatic Train Train ControlControl）。该该系系统统包包括括列列车车自自动动防防护护ATPATP（Automatic Automati
9、c Train Train ProtectionProtection）、列列车车自自动动驾驾驶驶ATOATO（Automatic Automatic Train Train OperationOperation）及及列列车车自自动动监监控控ATSATS（Automatic Automatic Train Train SupervisionSupervision）三三个个子子系系统统（简简称称为为“3A3A”系系统统）。ATCATC系系统统与与联联锁系统共同构成城市轨道交通的信号系统。锁系统共同构成城市轨道交通的信号系统。 ATPATP子子系系统统是是ATCATC系系统统中中最最重重要要的的一一
10、个个子子系系统统。城城市市轨轨道道交交通通列列车车运运行行速速度度高高，在在高高峰峰期期列列车车密密度度大大，发发生生行行车车事事故故后后果果严严重重。依依靠靠运运行行人人员员防防止止运运行行事事故故发发生生远远不不能能满满足足运运行行安安全全要要求求，因因此此必必须须使使用用具具有有列列车车超超速速防防护护功功能能的的ATPATP。使使用用ATPATP子子系系统统的的优优点点是是保保证证了了行行车车的的安安全全可可靠靠性性，缩缩短短了了列列车车间间隔隔，提提高高了了线线路路的的利利用用率率。ATPATP系系统统根根据据故故障障安安全全原原则则执执行行列列车车间间安安全全间间距距的的监监控控、
11、列列车车的的超超速速防防护护、安安全全开开关关门门的的监监督督和和进进路路的的安安全全监监控控等等功功能能，确确保保列车和乘客的安全。列车和乘客的安全。 ATOATO子子系系统统以以ATPATP系系统统为为基基础础，配配置置车车载载计计算算机机系系统统和和必必要要的的辅辅助助设设备备，主主要要用用于于实实现现“地地对对车车控控制制”，即即用用地地面面信信息息实实现现对对列列车车驱驱动动、惰惰行行和和制制动动的的控控制制，传传送送车车门门和和屏屏蔽蔽门门同同步步开开关关信信号号，执执行行车车站站之之间间列列车车的的自自动动运运行行、列列车车在在车车站站的的定定点停车、在终点的自动折返等功能。点停
12、车、在终点的自动折返等功能。 使使用用ATOATO子子系系统统后后，可可以以使使列列车车运运行行规规范范化化、减减少少人人为为影影响响，对对于于列列车车在在高高密密度度、高高速速度度运运行行条件下保证运行秩序有很大好处。条件下保证运行秩序有很大好处。 ATSATS子子系系统统主主要要实实现现对对列列车车运运行行的的监监督督和和控控制制，辅辅助助行行车车人人员员对对全全线线列列车车运运行行进进行行管管理理，统统一一指指挥挥调调度度，充充分分发发挥挥其其运运输输快快捷捷、准准时时的的特特点点。它它可可以以为为行行车车指指挥挥人人员员提提供供全全线线列列车车的的运运行行状状态态显显示示；监监督督和和
13、记记录录运运行行图图的的执执行行情情况况；在在列列车车运运行行偏偏离离运运行行图图时时能能够够及及时时做做出出反反应应（提提出出调调整整建建议议或或自自动动修修整整运运行行图图），从从而而保保证证列列车车按按时时刻刻表表正正点点运运行行；还还可可通通过过ATOATO子子系系统统的的接接口口，向向旅旅客客提提供供运运行行信信息息通通报报（例例如如：列列车车到到达达、出出发发时时间间，运运行方向，中途停靠站名等）。行方向，中途停靠站名等）。 联联锁锁是是车车站站范范围围内内进进路路、信信号号、道道岔岔之之间间互互相相制制约约的的关关系系，它它们们之之间间必必须须建建立立严严密密的的联联锁锁关关系系
14、，才才能能确确保保行行车车安安全全。联联锁锁由由联联锁锁设设备备完完成成，建建设设较较早早的的城城市市轨轨道道交交通通，采采用用65026502电电气气集集中中联联锁，近年均采用计算机联锁。锁，近年均采用计算机联锁。 正正线线上上的的集集中中控控制制站站由由设设于于该该站站的的联联锁锁设设备备控控制制。该该设设备备除除了了实实现现联联锁锁关关系系外外，还还将将联联锁锁的的有有关关信信息息传传送送至至ATP/ATOATP/ATO系系统统，并并接接收收ATSATS系系统统的的命令。命令。1.4 城市轨道交通运行控制系统的发展城市轨道交通运行控制系统的发展 目前，基于通信的列车控制目前，基于通信的列
15、车控制CBTC（Communication-BasedTrainControl）系统发展迅系统发展迅速，由于其采用无线通信技术，可以实现地面和列速，由于其采用无线通信技术，可以实现地面和列车间双向信息传输和更高的传输速率、更多的信息车间双向信息传输和更高的传输速率、更多的信息量，实现了真正意义的移动闭塞。使行车间隔大大量，实现了真正意义的移动闭塞。使行车间隔大大缩短，增加了系统的实时性，提高了运能与安全性。缩短，增加了系统的实时性，提高了运能与安全性。 因此，因此，CBTC已成为未来城市轨道交通运行控制技已成为未来城市轨道交通运行控制技术的发展方向。术的发展方向。2. 基于通信的列车控制基于通
16、信的列车控制CBTC2.1 2.1 基于通信的列车控制系统基于通信的列车控制系统CBTCCBTC定义定义 19991999年年9 9月月，IEEEIEEE将将CBTCCBTC定定义义为为：“利利用用高高精精度度的的列列车车定定位位（不不依依赖赖于于轨轨道道电电路路），双双向向连连续续、大大容容量量的的车车一一地地数数据据通通信信，车车载载、地地面面的的安安全全功功能能处处理理器器实实现现的的一一种种连连续续自自动动列列车车控控制制系系统统”。定定义义中中指指出出CBTCCBTC中中的的通通信信必必须须是是连连续续的的，这这样样才才能能实实现现连连续续自自动动列列车车控控制制，利利用用轨轨间间电
17、电缆缆、漏漏泄泄电电缆缆和和无无线线通通信信都都可可以以实实现现车车、地地双双向向信信息息的的连连续传输。续传输。 列车运行速度的测定列车运行速度的测定 测定列车运行的实际速度，实施对列车的控制。测定列车运行的实际速度，实施对列车的控制。列车定位技术列车定位技术 判明被控列车的位置，以便构成动态闭塞区间。判明被控列车的位置，以便构成动态闭塞区间。列车列车- -地面之间双向通信技术：地面之间双向通信技术： 它它不不同同于于一一般般通通信信，因因为为它它要要传传输输的的是是高高可可靠靠重重 要要数数据据，其内容涉及人命财产，而且不能拖延时间。其内容涉及人命财产，而且不能拖延时间。列车完整性检测：列
18、车完整性检测： 测测量量列列车车是是否否完完整整，一一旦旦发发生生列列车车中中间间分分离离，则则对对后后半半截截列车分开而失去控制能力时，就有可能发生重大事故。列车分开而失去控制能力时，就有可能发生重大事故。2.2 CBTC2.2 CBTC系统中的主要关键技术系统中的主要关键技术 目前广泛应用的有：目前广泛应用的有： 车轴转动车轴转动/ /传感器检测法传感器检测法 各类陀螺法各类陀螺法 激光测速法激光测速法 雷达测速法雷达测速法 其他其他CBTCCBTC中的列车运行速度的测定方法中的列车运行速度的测定方法 测速测距法测速测距法 全球卫星定位法全球卫星定位法 查询查询/ /应答器法应答器法 钢轨
19、间感应线圈法钢轨间感应线圈法 无线测速无线测速( (转测距转测距) )法法 陀螺仪法陀螺仪法CBTCCBTC中的列车定位方法中的列车定位方法 轨间感应电缆法轨间感应电缆法 漏泄同轴电缆漏泄同轴电缆 漏泄波导法漏泄波导法 无线移动通信无线移动通信GSM-RGSM-R法法 无线局域网无线局域网WLANWLAN法法 其它其它CBTCCBTC中实现双向通信的方法中实现双向通信的方法列车管气压法列车管气压法 从从机机车车来来检检测测全全列列车车制制动动用用气气压压在在运运行行中中是是否有突变。否有突变。计轴法计轴法 固定点检测通过列车的轴数，验证其完整性。固定点检测通过列车的轴数，验证其完整性。CBTC
20、CBTC中的列车完整性检测的方法中的列车完整性检测的方法尾部无线信号检测法尾部无线信号检测法 在列车车箱有专用无线信号发送装置，司机在列车车箱有专用无线信号发送装置，司机室检测列车尾部车箱无线装置是否存在。主要用室检测列车尾部车箱无线装置是否存在。主要用于客车条件。于客车条件。IEEE Std 1473-1999IEEE Std 1473-1999车载单元间通信协议标准；车载单元间通信协议标准；IEEE Std 1474.1-1999 CBTCIEEE Std 1474.1-1999 CBTC性能及功能需求标准；性能及功能需求标准；IEEE Std 1475-1999 IEEE Std 147
21、5-1999 车载控制功能及动力系统、车载控制功能及动力系统、 制动系统的接口标准；制动系统的接口标准；IEEE Std 1482.1 -1999 IEEE Std 1482.1 -1999 车载事件记录仪标准；车载事件记录仪标准；IEEE Std 1483-2000 IEEE Std 1483-2000 铁路运输控制处理器系统铁路运输控制处理器系统 安全功能验证标准。安全功能验证标准。 CBTCCBTC规范规范 CBTC CBTC应用情况应用情况 CBTCCBTC系统是具有发展潜力的列车运行控制系系统是具有发展潜力的列车运行控制系统，正在日趋完善。目前，该技术已经在统，正在日趋完善。目前，该
22、技术已经在2020多个多个国家的城市轨道交通中使用。国家的城市轨道交通中使用。 基于无线通信的基于无线通信的CBTCCBTC系统，已在拉斯维加斯、系统，已在拉斯维加斯、旧金山、新加坡等地投入商业运行。法国巴黎有旧金山、新加坡等地投入商业运行。法国巴黎有六条线路、西班牙巴塞罗那地铁和马德里地铁、六条线路、西班牙巴塞罗那地铁和马德里地铁、瑞士洛桑地铁、美国华盛顿、纽约和西雅图、韩瑞士洛桑地铁、美国华盛顿、纽约和西雅图、韩国国铁等均采用了国国铁等均采用了CBTCCBTC系统。系统。 我国香港的竹篙线、上海八号线、广州一号线我国香港的竹篙线、上海八号线、广州一号线和五号线、北京十号线（含奥运支线）等也
23、都选择和五号线、北京十号线（含奥运支线）等也都选择了基于无线通信的了基于无线通信的CBTCCBTC系统。系统。 随着计算机技术（随着计算机技术（Computer）、通信技术）、通信技术（Communication）和控制技术（）和控制技术（Control）的飞跃）的飞跃发展，综合利用发展，综合利用3C技术代替轨道电路构成新型系统技术代替轨道电路构成新型系统已成为列车控制系统的发展方向，其核心就是通信已成为列车控制系统的发展方向，其核心就是通信技术的应用。技术的应用。 CBTCCBTC应用情况应用情况 通信信号一体化是现代城市轨道交通信号通信信号一体化是现代城市轨道交通信号系统的重要发展趋势。通信信号系统的相互融合，系统的重要发展趋势。通信信号系统的相互融合，冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了通信信号技术向数字化、的传统技术理念，推动了通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。智能化、网络化和一体化的方向发展。 CBTCCBTC应用情况应用情况课堂讨论：课堂讨论： 浅谈国内外城市轨道交通的发展及浅谈国内外城市轨道交通的发展及你对城市轨道交通信号系统的认识。你对城市轨道交通信号系统的认识。
