城市軌道交通信號與通信系統(tǒng)任務(wù)二：基于通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)認(rèn)知課件

1、學(xué)習(xí)目標(biāo)了解基于通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)的車地通信傳輸、列車定位了解基于通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)中無線局域網(wǎng)的傳輸方式任務(wù)二：基于通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)認(rèn)知一、基于通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)1、介紹基于通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)（CBTC）不依靠軌道電路檢測列車位置、向車載設(shè)備傳遞信息，而是利用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn) “車地通信”和 “列車定位”， 通過車載設(shè)備、軌旁通信設(shè)備實(shí)現(xiàn) 列車 與車站或控制中心之間的信息交換，完成列車自動控制。系統(tǒng)通過建立車地之間連續(xù)、雙向、高速的通信，使列車命令和狀態(tài)可以在車輛和地面之間可靠交換，將系統(tǒng)主體CBTC地面設(shè)備和受控對象列車緊密的連接在一起，可靠地確定列車的準(zhǔn)確位置

2、，計算出列車間的相對距離， 保證列車的安全間隔；同時根據(jù)線路的條件，對列車進(jìn)行限速 或與地面設(shè)備發(fā)生聯(lián)鎖關(guān)系。能夠?qū)崿F(xiàn)車地實(shí)時雙向通信，由于沒有預(yù)先設(shè)置的閉塞分區(qū)，不以固定閉塞分區(qū)為列車追蹤的最小單元， 而是 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行速度、制動曲線 和 進(jìn)路上列車位置，動態(tài)計算出相鄰列車之間的安全距離，列車安全距離的計算 是 后續(xù)列車的受控停車點(diǎn)和前一列車尾部的確認(rèn)位置之間的一段固定距離。與固定閉塞相比，運(yùn)行間隔相對可能大大減少。與準(zhǔn)移動相比，則具有更大運(yùn)用靈活性和更小行車間隔，也因此具備了更大運(yùn)行調(diào)整能力。移動閉塞ATC系統(tǒng)就車地雙向信息傳輸方式而言，分為：（1）基于電纜環(huán)線傳輸方式（2）基于無線通信傳

3、輸方式其中基于無線通信傳輸方式，又具體為：（1）按無線通信的調(diào)制方式可分為：跳頻擴(kuò)頻FHSS、直接序列擴(kuò)頻DSSS 和 正交頻分復(fù)用OFDM。（2）按數(shù)據(jù)傳輸方式可分為：無線擴(kuò)頻電臺、漏纜、裂縫波導(dǎo)管等方式?；谕ㄐ诺囊苿娱]塞ATC系統(tǒng)分為基于感應(yīng)環(huán)線的移動閉塞ATC系統(tǒng)基于無線通信（包括無線擴(kuò)頻電臺、裂縫波導(dǎo)管和漏纜）的移動閉塞ATC系統(tǒng)。2、車地通信傳輸（1）基于感應(yīng)環(huán)線移動閉塞ATC系統(tǒng)廣州地鐵3 號線采用加拿大泰雷茲公司的感應(yīng)環(huán)線方式進(jìn)行車-地雙向連續(xù)通信。交叉感應(yīng)環(huán)線方式傳輸特性好,抗干擾能力強(qiáng)，但無冗余配置。車至地通信56kHz/600b/s，地至車通信36kHz/1200b/s。

4、雖然感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)傳輸速率較低， 但能夠滿足移動閉塞對 數(shù)據(jù)量的需求。原理：根據(jù)中心輸出邏輯，車輛控制中心(VCC) 將以1200b/s的 傳輸速率輸出一個83位的串行命令報文，以36kHz移頻鍵控(FSK）信號的形式通過 中心饋電設(shè)備(CFD) 和 軌旁饋電設(shè)備(FID) 送入環(huán)線電纜。該信號被車載天線接收后,將由車載控制器(VOBC)進(jìn)行譯碼。與此相反，VOBC 的響應(yīng)報文被車輛的發(fā)送天線( 56 kHz，F(xiàn)SK) 發(fā)送到環(huán)線上，并通過軌旁饋電設(shè)備和中心饋電設(shè)備送回VCC 進(jìn)行運(yùn)算處理。另外，軌旁饋電設(shè)備還生成一個監(jiān)督環(huán)線狀態(tài)的9kHz信號，并發(fā)回到中心饋電設(shè)備。感應(yīng)環(huán)線電纜敷設(shè)于軌道之間，

5、是一種絞合銅芯電纜，外加絕緣和非屏蔽的防護(hù)外套，作為感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)的發(fā)送及接收天線使用，大約每25 m 交叉1 次。每組感應(yīng)環(huán)線控制距離約為1000 m。車載控制器在經(jīng)過每個交叉點(diǎn)時檢測感應(yīng)信號相位的變化，并以此來進(jìn)行定位誤差校準(zhǔn)，定位精度為6. 25 m。運(yùn)營維護(hù)：感應(yīng)環(huán)線電纜的敷設(shè)方法較為靈活，可根據(jù)道床、牽引軌和列車的情況確定安裝方式，可采用非對稱或?qū)ΨQ形式，但需要沿整個地鐵線路架空鋪設(shè)，大大增加了線纜施工的工程量，對軌道專業(yè)的維護(hù)作業(yè)也有一定的影響，需要信號專業(yè)配合，并且需要對環(huán)線交叉點(diǎn)重新精確定位。另外，信號專業(yè)每季度需要對室內(nèi)環(huán)線饋電設(shè)備的電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證數(shù)據(jù)通信傳輸質(zhì)量;

6、 同時每隔3 個月還要對環(huán)線電纜，諸如刻痕、切斷、磨損和變形等損壞情況進(jìn)行檢查，若環(huán)線電纜下垂超過75 mm，則必須進(jìn)行拉直校正，否則將影響車底天線的感應(yīng)靈敏度。在日常運(yùn)營過程中，一旦感應(yīng)環(huán)線出現(xiàn) 數(shù)據(jù)通信故障 ( 環(huán)線電纜斷裂 或與VCC 聯(lián)系中斷超過3 s) ， 就會造成本環(huán)線區(qū)域內(nèi)的車-地通信中斷;故障區(qū)域內(nèi)或目標(biāo)點(diǎn)已進(jìn)入故障區(qū)域的所有列車將采取緊急制動; 還未進(jìn)入該環(huán)線區(qū)域的列車將采取常用制動停在故障區(qū)域外。在通信故障排除以前，所有列車都需要轉(zhuǎn)為人工駕駛模式通過該區(qū)域，直至下一個投入點(diǎn)建立車- 地通信，對運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量將造成一定影響。(2)基于無線通信移動閉塞ATC系統(tǒng)基于無線通信移動閉

7、塞ATC系統(tǒng)車地通信傳輸采用無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車與地面雙向?qū)崟r通信。對于基于無線通信標(biāo)準(zhǔn)的移動閉塞系統(tǒng)，地面設(shè)備可以直接向無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送信息，由 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 將該信息路由傳遞給車輛。基于無線通信技術(shù)的車地通信傳輸信息容量比較大，能夠滿足較大容量的傳輸要求。列車通過無線網(wǎng)絡(luò)與地面實(shí)現(xiàn)實(shí)時雙向通信，列車將自身列車車次號、運(yùn)行方向、列車位置 和 實(shí)際速度實(shí)時傳遞給地面軌旁設(shè)備，地面軌旁設(shè)備根據(jù)正線所有列車位置信息，經(jīng)計算生成列車的運(yùn)行權(quán)限，傳遞給列車，內(nèi)容包括停車點(diǎn)位置、最大允許速度、運(yùn)行方向和車門控制等信息。通常軌道交通的線路設(shè)計有地下、地面和高架三種。每條線路可以采用其中單獨(dú)的一種

8、方式，也可以是幾種組合的方式?；跓o線通信的CBTC信號系統(tǒng)為了滿足車地雙向通信的需要，在線路沿線進(jìn)行無線場強(qiáng)的覆蓋，通常有三種傳輸方式可供選擇，即無線擴(kuò)頻電臺、漏泄同軸電纜和裂縫波導(dǎo)管。3、列車定位（1）基于感應(yīng)環(huán)線移動閉塞ATC系統(tǒng)車載控制器在經(jīng)過每個交叉點(diǎn)時檢測感應(yīng)信號相位的變化，并以此來進(jìn)行定位誤差校準(zhǔn)，定位精度為6. 25 m。車站定點(diǎn)停車采用對位環(huán)線或應(yīng)答器方式，達(dá)到所要求的停車精度。3、列車定位（2）基于無線通信移動閉塞ATC系統(tǒng)在地面設(shè)置含有絕對位置信息的應(yīng)答器，當(dāng)列車從上方經(jīng)過時，為列車提供絕對位置信息，達(dá)到為列車定位和位置校準(zhǔn)的目的。車站定點(diǎn)停車采用對位環(huán)線或應(yīng)答器方式，達(dá)

9、到所要求的停車精度。（3）、輔助列車位置檢測設(shè)備在CBTC工作正常時，列車位置檢測設(shè)備并不作為列車控制和聯(lián)鎖功能實(shí)現(xiàn)的依據(jù)，其主要作用是檢測CBTC系統(tǒng)設(shè)備故障或 無CBTC系統(tǒng)設(shè)備列車位置，完成必要的聯(lián)鎖功能，并可實(shí)現(xiàn)站間閉塞。輔助列車位置檢測設(shè)備提高了 系統(tǒng)降級使用能力的安全性。輔助列車位置檢測設(shè)備僅僅作為列車位置檢測設(shè)備，不具有車地通信功能，計軸和軌道電路均可作為輔助列車位置檢測設(shè)備。4、系統(tǒng)特點(diǎn)1）線路沒有固定劃分的閉塞分區(qū)，列車間隔是動態(tài)的，并隨前一列車的移動而移動。2）列車間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下所需的制動距離，加上安全余量計算和控制的，確保不追尾。3）制動的起點(diǎn)是動態(tài)的，終點(diǎn)

10、是相對動態(tài)的，軌旁設(shè)備的數(shù)量與列車運(yùn)行間隔關(guān)系不大。4）通常列車最小運(yùn)行間隔可做到80-85s。5）減小了牽引回流對信號系統(tǒng)的諧波干擾，可靠性高。6）采用先進(jìn)的 車地雙向?qū)崟r傳輸，信息量大， 易于實(shí)現(xiàn)無人駕駛。基于無線通信移動閉塞ATC系統(tǒng)采用 無線網(wǎng)絡(luò) 重復(fù)覆蓋方式，形成實(shí)時雙向雙通道冗余結(jié)構(gòu)，以彌補(bǔ)無線通信的非故障安全缺陷。7）可減少軌旁設(shè)備，便于安裝維修，有利于緊急狀態(tài)下利用線路作為人員疏散的通道，有利于降低系統(tǒng)生命周期內(nèi)的運(yùn)營成本。8）支持靈活多變的運(yùn)行，很容易實(shí)現(xiàn)雙方向運(yùn)行而不增加地面設(shè)備，有利于線路故障或特殊需要時的反向運(yùn)行控制。9）無線通信移動閉塞系統(tǒng)作為舊線升級改造是一種最佳的

11、選擇，在不影響既有線正常運(yùn)營的前提下，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行升級改造，將對運(yùn)營的影響將到最低。10)無線通信移動閉塞系統(tǒng)能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃， 實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)（如通信、供電）之間的無線接口。11）無線通信容易受到外界的干擾，尤其在地面和高架區(qū)段。二、移動閉塞與準(zhǔn)移動閉塞的比較三、無線局域網(wǎng)傳輸方式目前，移動閉塞ATC系統(tǒng)無線通信技術(shù)大都采用無線局域網(wǎng)技術(shù)，即WLAN。通常有三種傳輸方式：無線擴(kuò)頻電臺、裂縫波導(dǎo)管、漏纜等方式。1、無線擴(kuò)頻電臺根據(jù)IEEE802.11無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛采用的是基于2.4GHz的ISM頻帶，無線擴(kuò)頻電臺方式傳輸?shù)淖畲缶嚯x約為400米，由于軌道交通線路多穿行于城市郊區(qū)，其

12、彎道和坡道較多，增加了無線場強(qiáng)覆蓋的難度。由于隧道內(nèi)有吸收衰減和多徑效應(yīng)，使極化紊亂，傳播衰減增加，為了保證場強(qiáng)覆蓋的完整性，保證通信的質(zhì)量和可靠性，往往需要在同一個地點(diǎn)設(shè)置雙網(wǎng)覆蓋。按照工程經(jīng)驗(yàn)和測試結(jié)果，一般在 地下線路200米左右設(shè)置一套，在地面和高架線路300米左右設(shè)置一套。無線擴(kuò)頻電臺安裝比較靈活，受其它因素的影響小,可以根據(jù)現(xiàn)場條件和 無線場強(qiáng)覆蓋需要 進(jìn)行設(shè)計和安裝，且安裝和維護(hù)容易。無線擴(kuò)頻電臺在隧道內(nèi)傳輸受彎道和坡道影響較大， 同時隧道內(nèi)的反射比較嚴(yán)重，需要考慮多徑干擾等問題。無線擴(kuò)頻電臺在地面和高架線路安裝比較容易，但線路周圍不能有高大密集的建筑物，否則也會發(fā)生反射和衍射，

13、從而導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降和通信速率降低。無線擴(kuò)頻電臺的傳輸距離小，為了保證在一個AP（無線接入點(diǎn)）故障時，通信不能中斷，提供通信的可靠性，往往需要在同一個地點(diǎn)設(shè)置雙網(wǎng)覆蓋，進(jìn)一步縮短了AP布置間距。列車在各個AP之間的漫游和切換特別頻繁，大大降低了無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性，同時相應(yīng)的電纜使用量很大。2、漏泄同軸電纜供貨商有法國ALSTOM和美國BOMBARDIER采用基于2.4GHz ISM頻帶的漏泄同軸電纜， 其傳輸特性 和衰減性能較好，傳輸距離較遠(yuǎn)，最大傳輸距離達(dá)到600m，且沿?zé)o線場強(qiáng)覆蓋均勻，且呈現(xiàn)良好的方向性分布，抗干擾能力較強(qiáng)，適合于狹長的地下隧道內(nèi)使用。采用同軸電纜可以減少列車在各個

14、AP之間的漫游和切換,提高無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。安裝要求不是很高，可以根據(jù)現(xiàn)場條件安裝于隧道側(cè)墻（即適用于全地下線路），或隧道頂部（僅適用于全地下線路，且三軌供電），其與列車車載天線的安裝基本對應(yīng)。對于地面和高架線路安裝比較困難，且美觀效果較差。正因如此，供貨商均可以實(shí)現(xiàn)漏泄同軸電纜 與無線擴(kuò)頻電臺混合組網(wǎng)的可能，對于地下線路部分采用漏泄同軸電纜覆蓋，地面及高架線路部分采用無線擴(kuò)頻電臺進(jìn)行覆蓋。因漏泄同軸電纜的安裝位置較高，一般不會影響軌旁設(shè)備的維護(hù)工作，其自身安裝調(diào)試完成后維護(hù)工作量很小。3、裂縫波導(dǎo)管目前供貨商只有法國ALSTOM裂縫波導(dǎo)管采用的是一種長方形鋁合金材料，在其表面每隔一段（約6cm）刻有一條2mm寬3cm長裂縫，能夠讓無線電波從此裂縫中漏泄出來，因其波導(dǎo)物理特性和衰減性能很好，傳輸距離較遠(yuǎn)，最大傳輸距離可達(dá)到1600m，且沿?zé)o線場強(qiáng)覆蓋均勻，且呈現(xiàn)良好的方向性分布，抗干擾能力較強(qiáng)，適合于狹長的地下隧道內(nèi)使用。裂縫波導(dǎo)管傳輸距離要優(yōu)于漏泄同軸電纜，減少列車在各個AP之間的漫游和切換，大大提高無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。裂縫波導(dǎo)管的安裝要求較高，其與列車車載天線的安裝位置要求對應(yīng)。裂縫