第7讲列车自动控制系统1.ppt

1,M,列车自动控制系统ATC（1）,2,以西门子公司最先进的CBTC系统为例介绍。西门子先进信号和控制系统主要包括：TrainguardMT(ATP/ATO)、VICOS OC501和VICOS OC101列车自动监督系统、SICAS微机联锁系统等。西门子近年来在同类项目中积累了丰富的项目经验。TrainguardMT在中国的应用包括南京地铁2号线，广州地铁4、5号线以及北京地铁10号线和奥运支线项目等。,主要内容,3,系统总体结构,4,各部分关系,TRAINGUARD MT ATP/ATO系统为连续式移动闭塞列车控制系统，包括点式ATP后备级别。VICOS OC501和VICOS OC101为具备集中和本地操作能力的列车自动监控（ATS）系统。SICAS为故障安全、高可用性的微机联锁。SICAS/TRAINGUARD MT/VICOS这三个子系统被分到四个层级，以便分级实现指定的功能。这四个层次分别为：集中控制层、轨旁层、通信层、车载层。,5,各层主要功能,集中控制层：主要指ATS系统设立的控制中心。VICOS OC 501实现线路集中控制和备用功能。在车站级，VICOS OC 101系统为车站控制和后备模式的功能提供车站操作员工作站（LOW）和列车排路计算机（TRC）。轨旁层：沿着线路分布，它由SICAS微机联锁、TRAINGUARD MT系统、信号部件、计轴和应答器等组成，它们共同执行所有的联锁和轨旁ATP功能。通信层：在轨旁和车载设备之间提供连续式和/或点式通信。车载层：包括TRAINGUARD MT的车载ATP和ATO功能，连续式和/或点式通信功能。,6,系统运行方式,在正常运营过程中，整条线路控制由运行控制中心来执行。OCC使用的VICOS OC501系统的规模可以根据被监督/控制的系统的容量来调整。即使是在控制中心离线的条件下，线路仍能够在备用控制中心和各个分散的车站控制台进行监控。位于车站控制台的VICOS OC101监督各自的本地联锁区域。自动操作功能在集中控制层和车站级控制层实现。运行控制权的交接可以通过车站值班员或OCC操作员的指令实现。TRAINGUARD MT列车自动防护和列车自动驾驶（ATP/ATO）系统保证列车的安全和连续监督。系统设计能实现最佳行车间隔。正线区间线路、车站正线、折返线、存车线和车辆段试车线装设列车定位设备、ATP/ATO室内外设备及车地双向通信设备。,7,SICAS联锁系统,采用模块化的结构，可以根据线路条件灵活配置。采用3取2或2乘2取2配置的故障-安全计算机。无切换时间的真正热备。工作站、联锁计算机和电子接口模块以及相应的信号现场元件如转辙机、信号机和轨道空闲检测装置组成SICAS联锁系统的主要元件。联锁计算机（IC）计算当前的联锁功能，例如排列进路、进路锁闭和监督。电子接口模块（EIM）直接控制和监督室外设备。正常条件下，列车分隔和轨道空闲信息由ATP子系统与SICAS共同监督。如果是后备模式运营，在ATP故障的情况下，联锁将使用基于计轴的轨道空闲检测系统进行进路排列的安全处理。,8,TRAINGUARD MT ATP/ATO系统,TRAINGUARD MT是信号系统中提供列车自动防护（ATP）和列车自动驾驶（ATO）功能的子系统。TRAINGUARD MT系统是一个模块化的系统，根据客户的运营需要可以适用于不同的功能：连续式通信：无线技术实现轨旁和列车间的连续通信；点式通信：不依赖于连续通信通道,可以采用基于应答器的点式通信通道从轨旁向车上传输数据；移动闭塞运行：配合连续通信通道，列车根据移动闭塞原理分隔，在ATP/ATO控制下实现最小行车间隔；固定闭塞运行：配合点式通信通道，列车根据固定闭塞原理分隔，并受ATP/ATO控制。固定闭塞运行可以作为移动闭塞运行的后备模式；,9,TRAINGUARD MT ATP/ATO系统,混合运输：装备和未装备ATP/ATO的列车可在同一线路运行；混合模式：由司机人工驾驶的列车可以与 ATO 自动驾驶的列车混跑；可升级性：系统可以容易地从基本的运行模式（点式、固定闭塞）升级到高性能的模式（连续式通信、移动闭塞），直到无人驾驶的运行模式；适度降级：出现故障时，不同的运行等级可以使用一个比较低的等级作为后备级,例如：ATP/ATO移动闭塞/连续通信 ATP/ATO固定闭塞/点式通信 使用色灯信号机的联锁级；可扩展性：一条装备TRAINGUARD MT的线路能容易地扩展，增加车站和列车；,10,TRAINGUARD MT ATP/ATO系统,混合的列车类型：TRAINGUARD MT能够处理具有不同特性的各种类型的列车，如不同编组的列车、不同的加速和减速参数、不同的列车长度。列车将会依照他们各自的特性最佳地驾驶；TRAINGUARD MT系统在驾驶室连续的显示当前的驾驶指令（机车信号）并且连续的监督车速。TRAINGUARD MT使用移动闭塞原理分隔列车。TRAINGUARD MT的功能用保护区段来保障列车之间安全间隔，使行车间隔大大减小了。使用TRAINGUARD MT系统可以提高线路的利用率。与联锁的固定闭塞信号系统（基于轨道区段的间隔）相比，它可以实现更短的行车间隔。该系统的特点是在提供安全性的同时具有高可靠性。TRAINGUARD MT满足快速轨道交通系统对安全性、可靠性、可用性、容量、模块化和灵活性的所有要求。,11,连续无线通信,系统以高度模块化的方式实现。它采用标准无线局域网商业部件，同时为不同区段的特殊需求进行定制。符合IEEE 802.11b 标准。模块化的设计也反映了对可维护性、可升级和本地内容的高度要求。无线子系统包括：一组轨旁无线单元（WLAN接入点和天线）提供完全的、连续的线路覆盖。它们通过以太网交换机与ATS总线相连；一组两个车载无线单元安装在每列车的两头。一列车上的无线单元通过ATP/ATO车载设备之间的串行线相互连接。,12,信号系统组成-1,13,信号系统组成-2,14,各部分说明,时刻表计算机：用于创建最优化的无冲突时刻表，它包括列车自动调整和列车运行所需的所有相关数据。VICOS运行控制中心（OCC）：整条线路的运行控制中心。VICOS本地工作站（LOW）：用于车站控制的本地操作员工作站，具备降级功能。每个联锁控制区域的VICOS OC 101分别位于联锁主站的控制室内（SICAS SIMIS PC也位于其中）和部分有岔站。本地列车排路计算机提供了站级自动进路排列功能（ARS），列车监控和追踪功能（TMT）。当其中一个联锁区域的车站操作员工作站（LOW）发生故障时，另外一个LOW会接替它进行监控。,15,各部分说明,SICAS SIMIS PC：用于进路排列和解锁的主机，具备联锁逻辑（根据运行原理）。根据线路长度的不同，有可能使用几个SICAS SIMIS PC单元。SICAS ECC：用于控制分散型现场元件（道岔，信号，屏蔽门和物理电子接口）的计算机。多个SICAS ECC计算机通过ATC现场总线Profibus建立通讯。SICAS ECC单元的位置取决于室外现场元件和信号室之间的电缆长度。计轴系统：轨道空闲检测单元。计轴单元和SICAS ECC计算机一起放在信号室内。计轴单元和室外计轴传感器的最大距离为6.5 km（经过特殊排列后可延长至21 km）。,16,各部分说明,TRAINGUARD MT WCU_ATP：具备ATP轨旁功能的主机。用于追踪列车运行和根据移动闭塞原理形成移动授权。根据线路上的列车数量有可能会用到几个WCU_ATP计算机。每个WCU_ATP控制一部分线路。一列车注册于一个WCU_ATP。列车从一个WCU_ATP的控制区进入另一个控制区将由移交程序处理。VICOS S&D：维修计算机，保存所有故障信息细节。FEP：车站前端处理器，连接VICOS。COM服务器：用于无线子系统。轨旁电子单元：与信号机相连，向应答器发送报文。车载无线单元：建立轨旁和车上的无线通信。,17,各部分说明-4,车载ATP：速度监督。车载ATO：列车自动驾驶系统。车载OPG：里程脉冲发生器，通过计算车轮旋转来测量速度和距离。车载雷达：根据多普勒效应测量速度和距离。车载应答器天线：从轨旁应答器读取报文。车载HMI：给司机显示信息。各主要子系统间的通信连接是由通信总线提供的。VICOS、SICAS和TRAINGUARD MT间通过ATS总线通信。这个总线也用于SICAS ECC联锁计算机间的内部通信。SICAS SIMIS PC与沿线分布的SICAS ECC之间的内部通信使用联锁总线。,18,系统功能-ATS子功能,ATS功能提供了自动及人工控制铁路运行的手段，并向调度员及外部系统提供信息。ATS功能的主要子功能如下：列车监督和追踪（TMT）功能；自动排进路（ARS）功能；列车自动调整（ATR）功能；时刻表功能；控制中心人机界面（HMI）功能；车站操作员人机界面（HMI）功能；报告、报警与归档功能,19,系统功能-ATP和ATO子功能,ATP/ATO功能在联锁功能确立的约束下，依照ATS功能建立的要求负责列车安全运行。ATP/ATO系统的子功能如下：ATP轨旁功能负责列车分隔、列车追踪、并生成与ATS功能、联锁功能和ATP/ATO车载功能进行故障-安全通信的报文；通信功能负责发送和接收气隙信号，信号中包含由无线传输的、ATP/ATO车载设备需要的报文和其它数据；ATP/ATO车载功能负责列车的安全运行、自动驾驶、和提供信号系统和司机间的显示界面。,20,系统功能-联锁子功能,联锁功能在始终坚持安全准则的前提下，管理进路、道岔和轨旁信号机的控制，以响应来自ATS功能的命令。同时，联锁将进路、轨道区段、道岔和信号机的状态信息提供给ATS和ATP轨旁系统。联锁功能由沿着线路分布的设备来执行。联锁系统子功能如下：轨道区段处理（TCP）功能处理列车检测功能的输出信息，完善列车检测信息的完整性；进路控制（RC）功能排列、锁闭和解锁进路；道岔控制（PC）功能解锁、转换和锁闭道岔；信号控制（SC）功能决定轨旁信号机的显示，及向ATP功能发出许可，准许其发出进入某一进路的移动授权。,21,系统功能-列车检测功能,列车检测功能通过计轴器来实现，并以每个轨道区段是否“空闲”、“占用”的形式给出列车的位置信息。,22,系统通信级别,TrainGuard MT支持不同的通信级别:联锁级、点式通信级、连续通信级。点式通信级可以作为连续通信级的后备级使用。移动授权来自信号机的显示，该信息通过可变数据应答器从轨旁向列车点式传输。列车在路网中的定位与在连续通信级中相同，因此列车能在全面考虑 TDB 中详细的轨道信息的情况下自动地遵从所有的速度限制。当连续或点式通信级不能正常工作时，可以采用降级运行，标准的色灯信号系统提供全面的联锁列车防护。,23,连续通信级,在连续通信级，TRAINGUARD MT支持采用移动闭塞列车隔离原理的最先进的安全列车运行。列车通过检测和识别应答器来确定自己的位置。列车上有一个被称为轨道数据库(TDB)的铁路网络图，应答器的位置标注在TDB中。结合OPG和雷达所作的位移测量，列车知道它在网络中的确切位置并将位置报告发送给轨旁 ATP。根据这些位置报告和轨旁空闲检查的信息，轨旁ATP计算详细的路网空闲信息。这一个功能叫做列车追踪。从轨旁向列车发送的移动授权遵从移动闭塞原理下的安全列车隔离，以及来自SICAS的其它联锁条件。,24,驾驶模式,AM-自动驾驶模式(ATO)：基于连续式通信，在ATO、ATS控制下以及ATP界限内，列车自动运行。AM模式是较重要的自动模式，为列车控制提供灵活的选择。SM-ATP监督下的人工驾驶模式：在这个模式，有全部的ATP功能，没有ATO。TRAINGUARD MT提供连续监督和全部的安全性。SM模式是模块化的，可升级的TRAINGUARD MT家族的基本自动化级，它也是AM模式的后备模式。RM-限速人工驾驶模式：这是受限制的“谨慎前进”人工驾驶模式，在由于车载设备或通信通道故障导致得不到列车位置信息的时候，采用这种方式。BY-旁路模式：旁路模式用于车载ATP关闭时的列车驾驶。列车是由司机根据轨旁信号和调度员的口头指令驾驶的。他承担了列车运行安全的责任。紧急制动不由ATP控制。,25,驾驶模式,折返模式：TRAINGUARD MT在系统定义的区域内提供了折返驾驶的高度灵活性。折返模式有下列几种：ATO折返模式ATP监督下的人工驾驶折返后备模式下无ATP监督的人工驾驶折返ATP/ATO车载设备的折返模式是由连续式通信通道无线报文要求而自动启动的，并通过驾驶室显示设备指示给司机。司机必须按压折返按钮确认折返作业。无论运用折返轨折返，采用无人折返或有司机折返取决于司机采取的折返模式。折返请求传输是由ATS中央控制指令或由设计固定的ATP区域轨旁单元发出的，折返请求发出后，折返作业必须在该区域无条件进行。,26,控制模式,当有装备列车进入一个新的TGMT区域，而这一区域支持列车控制等级与其原来区域不同时，便会发生模式转换。列车控制等级的转换不必与列车驾驶模式的转换相关。列车控制等级的转换如下：,27,区域之间的转换,联锁区域：限制速度RM模式下的列车运行时，列车防护是外部的联锁系统和列车司机（目测）来执行的。ITC（点式）区域：ITC等级上的列车安全分隔和列车防护取决于联锁进路的固定闭塞和联锁控制下的信号显示。进路通常是两个信号机之间的轨道。该区域上的列车移动授权由与信号机相连的可变应答器提供。CTC（连续式）区域：该区域上的列车分隔是基于OBCU列车位置报告。从较低的控制等级到较高控制等级的转换(IXL-ITC-CTC)完全是自动进行的。从较高的控制等级向较低控制等级的转换需要列车司机的确认。,28,信号显示,SICAS联锁的信号控制功能负责监视轨旁信号机的状态，并且根据进路、轨道区段、道岔和其他轨旁信号机的状态来控制信号机。联锁也会响应ATS指令将信号机置为关闭状态。当ATC系统发布从一条进路到另一条进路的移动授权时，也会产生指令输出。正线有如下基本信号显示：红色显示：任何列车在信号机前停车，因为没有排列进路或进路没有完全得到监督。列车不允许超越信号机。该信号可用于始端信号机、引导信号机和阻挡信号机。绿色显示：绿色显示确保进路已排列，所有ATP条件都满足，同时进路的道岔都设在直向位置。列车具有移动授权通过信号机。,29,信号显示,绿色加进路指示器：绿色显示确保进路已经排列，道岔已经锁闭和所有ATP条件都已经满足。该信号指示器提供道岔处于侧向位置的信息。红色加月白显示：红色和月白色显示一起表示一个引导信号。引导信号控制层是进路联锁的列车信号下移动的最低监督级别，司机以RM模式驾驶列车。绿色闪光显示：该显示在SICASECC硬件和软件中实现。在本项目中该显示用来指示已建立发车进路，并以自动站间闭塞方式锁闭。信号机与下一停站之间的站台区间为空闲，允许人工驾驶列车运行到下一个站台，并以站间闭塞方法中规定的速度停止。白色显示：指示允许调车，列车可以规定速度通过信号机。,30,系统的降级使用及后备模式,系统具有各种冗余设计和后备模式的设计，所以，在部分故障情况下，系统可以继续运行，性能不损失以降级运行。另外，信号系统具有全面的自诊断功能以减少维护和运行中断时间。该功能监视以下子系统：联锁设备；ATP/ATO设备；轨道空闲检测；在控制中心和车站的ATS设备；在控制中心和车站的供电和UPS。所有子系统具有必要的冗余以满足可用性指标。,31,ATS运行故障概念,通常控制中心ATS控制整条线路。一旦控制中心出现故障，后备模式将自动激活。当与OCC的通信受到干扰且ATS的中央TMT和ARS功能不可用时，本地TMT和ARS则被激活。通过本地TMT，在车站操作员工作站的操作员得知系统中列车的位置。车次号信息（目的地号、序号、车次号）由读取点或人工输入提供，随着列车的移动向前步进。如果由于某些原因车站ATS列车排路计算机（TRC）也发生故障，SICAS ECC微机联锁的自动进路调用被自动地激活。进路调用功能可以根据轨道区段占用的情况排出预先定义的进路。最低级的后备模式是人工运行。一旦没有其他的提供更高自动化水平的进路设定功能可用，本地操作员可以在LOW上进行人工操作。,32,联锁运行故障概念,为了处理硬件故障，SICAS的主要组件已经采用了冗余结构，例如处理器单元或通信通道。如果接口模块中发生一个故障，例如信号机操作模块或一个室外单元，其影响是本地的而且仅影响该单元和通过该单元的进路。在修复或更换故障单元之后，系统更新当前状态并自动重新启用该单元。一种降级运行模式是SICAS的引导信号控制级。引导信号控制级是具有进路联锁的最低监督级。进路中所有的元件被征用，进路中的道岔被锁闭在最终位置，并被监督。引导信号级在操作员的HMI上有表示。,33,ATP/ATO运行故障概念,如果ATO子系统包括冗余单元发生故障，列车仍可以在SM模式下人工驾驶。如果司机的HMI系统发生故障，列车仍可以在ATO模式下正常运行。如果AM和SM模式都受到影响，列车可以在RM模式下驾驶。如果连续式通信通道发生故障，列车以固定闭塞方式按照信号显示运行（具备ATP/基本ATO功能）；在点式通信情况下可实现站间自动运行、精确停车的功能，但不能实现巡航/惰行的功能及区间运行时间的精确调整功能。旁路模式用于车载ATP完全故障时的运行。司机根据轨旁信号机和调度员的口头命令驾驶列车。ATP/ATO车载设备可以处理轨旁应答器缺失的情况。,34,故障处理措施-无线通信故障,对于所提供的无线通信方案，短时（小于5s）失去通信对列车的安全驾驶没有影响。移动授权和列车位置是有效的，因为位置是独立于通信通道计算的。假定长时间的故障影响到无线蜂窝。这个故障无线蜂窝里的第一列车将会按它既有的移动授权驾驶直到终点，列车将会停车，司机必须转换到RM模式。司机应在限制人工模式驾驶该列车到下一个有信标的地点，取得移动授权。如果满足先决条件，到达下一站时驾驶模式将会从RM变成AM模式。如果在通信故障发生之前已经经过上一架信号机，随后的列车将会保持模式不变；如果在通信故障发生之前没有经过上一架信号机，随后的列车将会以RM模式驾驶通过这一区段。变回到AM连续式通信的过程是自动进行的。由于无线通信的分散配置，故障只对相应无线蜂窝区段造成影响。,35,故障处理措施-车载设备故障,影响单一单元的车载设备故障靠冗余解决。一旦某一列车的无线车载单元故障，列车将会按它既有的移动授权驾驶直到终点。列车将会停车，司机必须转换到 RM 模式。列车将在这个模式中驾驶直到它到达下一架信号机。另外，可以在设计联络期间定义，要求故障列车在下一架信号机前停车（取消自动排进路），由值班员人工给出在该信号机的行车命令。如果后续列车在故障发生前通过了上一个信号机，其将同样转换到RM模式。如果后续某列车在故障发生前没有通过上一个信号机，列车将以RM模式跟踪前行故障列车。而其他后续列车以AM模式移动闭塞原理运行。只有故障列车和紧跟其后的列车以RM模式固定闭塞方式行驶。从连续通信的AM模式到RM模式的转换是自动进行的。,36,故障处理措施-轨旁ATP故障,一旦 ATP 轨旁设备包括冗余通道完全失效，在该轨旁ATP区域的列车将会按既有的移动授权驾驶直到终点，列车将会停车，司机必须转换到RM模式。列车将在这个模式中驾驶直到它到达下一个车站。如果轨旁ATP故障恢复，列车将自动变回移动闭塞下连续通信的AM模式。因为轨旁ATP的分散布置，ATP故障只会影响部分线路。,