cbtc系统简介

cbtc系统简介（3篇）

1.cbtc系统简介 篇一

CBTC安全制动模型

一、模型介绍

CBTC安全制动模型取自于IEEE1474.1，用于计算列车之间的安全制动距离。典型的安全制动模型如图1-1所示。

1-1 安全制动模型

根据IEEE中的定义，安全制动模型要考虑以下情况： a)前方列车位置的不确定性（包括后遛的最大距离）b)后方列车的位置不确定性 c)列车长度 d)列车配置

e)CBTC系统能够容许的超速 f)CBTC系统速度测量的最大误差 g)CBTC系统的反应时间和延迟时间

h)当检测到列车超速时，列车的紧急制动加速度

i)当检测到列车超速后，CBTC系统切断牵引力和采取紧急制动的最大反应时间

j)紧急制动曲线(GEBR)k)线路坡度

2.cbtc系统简介 篇二

1 CBTC系统概述

1999年, 国际电气和电子工程师协会轨道交通运输车辆接口委员会 (IEEE Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee, IEEE RTVISC) 制定了基于通信的列车运行控制标准———《IEEE基于通信列车运行控制的性能和功能需求》, 列举了典型的CBTC系统的功能框图, 如图1所示。

CBTC系统包括“CBTC地面设备”和“CBTC车载设备”, 地面设备和车载设备通过“数据通信网络”连接。在CBTC系统中增加列车自动监控子系统, 用于实现运行图管理、进路排列、列车监控等功能。另外, CBTC系统中的联锁作为一个独立模块, 与地面设备连接, 实现对道岔和信号机的控制。

2 轨旁设备布置的目标

轨旁设备布置是一个复杂的多目标约束问题, 它必须在满足必要约束条件的基础上, 获得安全、效率、经济三大目标, 这些目标相互影响和制约。

(1) 安全目标

对于正线区间, 轨旁设备布置原则必须满足以下安全条件:确保列车在最不利情况下停车, 列车采取紧急制动时不会驶出安全防护区段的终端信号机处, 从而避免追尾事故发生。

对于车站, 轨旁设备布置原则必须满足以下安全条件: (1) 列车进站停车, 在最不利情况下, 确保列车不会越过安全防护计轴器; (2) 列车第1轮对停在道岔防护计轴前时, 确保列车的最前端不会与道岔另一方向运行的列车发生侧向冲撞。

(2) 效率目标

在布置轨旁设备之前, 首先要确认该线路期望的效率参数, 主要包括:线路设计间隔、线路最多可运行列车数、列车旅行时间等, 然后根据这些效率参数进行相应轨旁设备布置, 确保线路上每个点都能满足性能要求。

(3) 经济目标

在满足安全目标和效率目标的基础上, 应该尽可能减少设备的数量来实现经济目标, 所以轨旁设备的布置应该本着“最小间隔最大化, 轨旁设备最少化”的原则进行设计。

3 轨旁设备布置方案

3.1 轨旁设备布置因素及条件

CBTC系统一般采用无线通信, 区间轨旁设备较少, 主要的轨旁设备集中在车站[2]。另外就效率来说, 车站的追踪间隔远远大于区间的追踪间隔, 所以车站的轨旁设备布置是研究的重点。以行车安全为目标, 轨旁设备布置中需要考虑的因素有: (1) 列车超速进站, ATP实行紧急制动, 列车制动距离大于正常停站的距离; (2) 列车进站后, 车载设备在运行过程中失控, 导致列车紧急停车; (3) 站外道岔距离站台出站侧的距离过小, 可能导致轨旁设备布置的冲突; (4) 列车停站后倒溜或向前滑行。

在出站信号机CZ前方, 布置可变应答器VB, 可以完成“列车位置定位”及“获得有效的点式MA (移动授权) ”。同时, 为标识站界, 在站台进站端前方布置进站计轴, 在站台出站端后方布置出站计轴, 在距出站信号机一个安全防护距离布置安全防护计轴。车站安全防护距离如图2所示。

图2中, JZ1、JZ2表示进站计轴、出站计轴;JZ3表示安全防护计轴;L1为进站计轴JZ1与站台进站端之间的距离;L2为可变应答器VB与出站信号机CZ之间的距离;L3为可变应答器VB与出站计轴JZ2之间的距离;LS为出站信号机CZ与安全防护计轴JZ3之间的距离, 即为安全防护距离;LCZ为站界与出站信号机距离。

3.2 具体布置方案

3.2.1 进站计轴

列车停靠站台, 列车中心与站台中心重合, 此时进站计轴至列车车尾距离大于列车车载的初始定位误差与一定的列车退行防护距离之和。在线路设计中, 站台处存在一个实际的站台端, 列车正常进站停车情况下, 列车车尾在进站站台端内, 可得:L1≥a+b, 式中:a为列车车载的初始定位误差;b为列车退行防护距离。

3.2.2 出站信号机

一方面, 为了防止出站计轴电磁干扰, 还要保证列车停车一定的车辆滑行距离不至于越过出站信号机, 取出站信号机一般距站台出站端最短5 m。另一方面, 出站信号机布置距离站台出站端过远, 不满足视距条件, 一般不超过10 m。综合两方面因素考虑, 布置出站信号机距站台出站端5~10 m处。

3.2.3 可变应答器

可变应答器为列车点式ATP模式下传输行车许可[3], 可变应答器的布置应保证列车停在信号机内范围, 列车BTM天线处在应答器辐射范围, 可得:L2≥c, 式中:c为车载BTM天线到车头距离。

3.2.4 出站计轴

考虑列车经过点式配套应答器组升级到CBTC的需求, 提高ZC (区域控制器) 筛选成功率, 保证列车BTM天线经过可变应答器时, 列车车头未越过出站计轴。出站计轴与可变应答器距离为车载BTM天线到车头距离与应答器接受延迟时间下运行距离之和, 可得:L3≥c+vt, 式中:v为列车通过应答器最高速度;t为应答器接受延迟时间;c为车载BTM天线到车头距离。

3.2.5 安全防护计轴

3.2.5. 1 最小值的确定

计算安全防护计轴距出站信号机距离LS应考虑的因素有:

(1) 前方障碍物的影响, 包括障碍物 (如计轴) 的安装误差, 前方有列车可能发生的退行, 列车最后车轮距车尾的距离等, 该部分总距离设为s1;

(2) 列车的安全防护模型需要的制动距离, 该距离根据列车越过应答器时可能的速度结合列车的性能 (如最大加速度、制动减速度等) 进行计算可得, 设该部分总距离为s2;

(3) 列车的测距误差, 在车载设备进行是否要制动判断时, 使用的是测量位置, 而该位置是存在误差的, 安全防护距离的设置就是要保证在误差最大的情况下也不会撞上前方障碍物。该误差包括应答器的安装误差、接收误差, 列车测速测距的累积误差等, 该部分总距离设为s3;

(4) 应答器天线到列车头部的距离, 由于列车是靠应答器天线接收应答器信息后才实施相关操作, 但最终要保证列车车头不撞上前方障碍物, 因此必须将应答器天线到车头的距离考虑在内, 该部分距离设为s4;

(5) 如果出现应答器丢失时, 还要考虑应答器的开窗范围。车载设备在判断出列车越过开窗范围最大可能的辐射范围后, 即认为此应答器已经丢失, 即应答器的理论开窗范围应该是应答器的辐射范围与列车的测距误差之和, 设该部分距离为s5;

(6) 还需要考虑预留列车在停车后可能会发生一定的溜逸, 或者再预留一段距离用于防护未考虑到的因素, 设该部分距离为s6。

考虑最不利的情况, 车站安全防护距离应是以上6部分之和, 即:LS≥s1+s2+s3+s4+s5+s6。可见, 为了保证列车运行安全, 安全防护距离不能小于此值, 由此确定了安全防护距离的最小值。

3.2.5. 2 最大值的确定

对于CBTC系统, 车站是线路通过能力的瓶颈, 车站追踪间隔时间就是列车最小追踪间隔时间。

对于中间站, 前行列车完全出清安全防护计轴, 后续列车的移动授权才能延伸至站台区段, 车站追踪间隔模型如图3所示。前行列车刚刚出清车站, 且出清安全防护区段后, 后续列车以线路允许最大速度运行, 并正好位于距车站入口处的距离刚好等于列车制动距离加上制动反应时间内列车的走行距离[4]。

由此可得CBTC系统的车站最小追踪间隔时间th为:

式中:tr为反应时间;ts为停站时间;vl为线路限速;vp为站台限速;a为列车加速度;b为列车减速度;Ld为停车点到逻辑区段终点的距离;Lb为逻辑区段长度;Ls为安全防护距离;Lt为列车长度。

设CBTC系统正线设计间隔时间为HCBTC, 由车站最小追踪间隔时间必须满足设计间隔时间可得:

可见, 要满足CBTC系统设计的通过能力, 安全防护计轴与出站信号机的距离应不大于此值。由此确定了安全防护计轴位置的最大值。

4 仿真验证

利用仿真方法分析轨旁设备布置方案有利于保证结果的正确性和可靠性。CBTC系统通过能力仿真与验证平台正是以信号系统为原型, 基于轨旁设备布置方案开发出的一套仿真工具。平台选用北京地铁某真实线路, 基于线路数据、列车模型和信号系统限制条件, 对正线通过能力进行仿真, 仿真结果如表1所示。

由表1计算可得:运行距离为22 728.0 m;运行时间为1 876.95 s;平均速度为43.59 km/h;正线最小追踪间隔为103.39 s。平台自动绘制列车运行过程中的速度—距离曲线 (v—s曲线) 和时间—距离曲线 (t—s曲线) , 截取部分v—s曲线和t—s曲线如图4所示。

综合表1和图4, 信号系统设计运行间隔为108s, 仿真结果正线最小追踪间隔为103.39 s, 满足CBTC系统设计运行间隔的要求, 验证了轨旁设备布置方案合理有效。

5 结束语

在分析城市轨道交通轨旁设备布置现状的基础上, 结合列车性能参数和信号系统参数, 提出了CBTC系统轨旁设备的布置方案, 通过开发一套仿真工具, 并以真实线路为例, 验证了布置方案的合理性, 该布置方案可为CBTC系统工程设计提供一定的参考价值。

参考文献

[1]郜春海.基于通信的轨道交通列车运行控制系统[J].现代城市轨道交通, 2007 (2) :7-10.

[2]IEEE Std 1474.1TM-2004.IEEE Standard for Communications Based Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements[S].

[3]林瑜筠.城市轨道交通信号基础设备[M].北京:中国铁道出版社, 2012.

3.cbtc系统简介 篇三

ATP/ATO, 即列车自动防护子系统/列车自动驾驶子系统, 是城市轨道交通基于通信的列车控制系统 (CBTC) 的核心组成部分。CBTC系统软件由操作系统、支持软件、应用软件等组成。作为CBTC系统核心应用软件, ATP/ATO软件的设计和开发遵循ISO9001、GB/T7828、欧洲铁路安全标准EN50128等的要求, 并遵循故障-安全原则。

ATP/ATO系统软件的开发主要采用EN50128建议的“V模型”进行开发, 并采用功能化、模块化设计, 以降低软件复杂度。同时, 软件设计采取必要的容错和避错设计策略, 如选用“3取2”或“2乘2取2”安全计算机平台, 以保证软件执行的正确性和安全性。

2 软件结构设计

作为CBTC系统软件的重要组成部分, ATP/ATO系统软件开发全部秉持“高内聚、低耦合”的理念, 采用模块化结构, 遵循故障导向安全的设计原则, 按照EN50128标准的相关要求和软件生命周期流程相关内容, 最大程度地保证系统软件的安全性和可靠性。

具体来说, 就是将整个系统分成若干个组成模块, 各个模块除能实现某一功能外, 还具备可移植性, 即只需进行关键参数的配置, 便可作为组成模块被应用到其它的系统中。

3 子系统软件设计

3.1 车载ATP软件

车载ATP子系统是CBTC系统列车车载部分的核心控制设备, 主要用以防止由于列车敌对运行所引起的冲撞、由于非正常的车门打开、列车退行等事故而使旅客发生危险、由于列车超过土建限制速度 (或命令速度) 而导致对线路的损害或者使列车发生危险等情况。

3.2 地面ATP软件

地面ATP设备主要由区域控制器ZC、数据存储单元DSU、轨旁电子单元LEU等构成。其中, ZC和DSU均采用“2乘2取2”冗余结构的安全计算机平台。在地面ATP系统软件中, ZC软件相对复杂且更具代表性, 因此, 本文以其为例来对地面ATP软件进行介绍。

ZC是基于通信的CBTC系统的地面核心控制设备, 是车-地信息处理的枢纽, 主要负责根据CBTC列车所汇报的位置信息以及联锁所排列的进路和轨道占用/空闲信息, 为其控制范围内的CBTC列车计算并生成移动授权 (MA) , 确保在其控制区域内CBTC列车的安全运行。其中, 列车移动授权的计算和生成、在各种控制等级和驾驶模式下进行列车管理等功能均由ZC软件予以实现。

3.3 车载ATO软件

车载ATO系统主要实现功能是根据当前车辆的速度、位置, 考虑线路限速、ATS控制命令等信息, 在ATP的防护下, 控制列车安全、舒适、高效的运行。ATO对列车输出牵引制动指令, 控制列车按ATP速度曲线运行。ATO系统能自动控制列车的起动、巡航、精确停车以及车门和安全门的自动打开/关闭。ATO应用软件结构如下图1示。

4 软件分析和测试

ATP/ATO软件分析和测试的活动包括静态分析和动态分析两个部分。静态分析包括软件质量标准分析、代码规则一致性验证等;动态分析则包括功能测试、基于边界值分析的测试和覆盖分析等。

4.1 软件静态分析

按照CENELEC标准的需要, 静态分析的目的主要是评估质量标准和验证软件开发规范和编码, 即利用诸如Logiscope和Polyspace的静态分析工具来对软件的标准符合性进行评估。

(1) 软件质量标准分析。软件质量标准分析是使用质量评估手段进行的初步的软件体系架构评估, 包含在不执行软件的情况下所进行的静态验证及测量; (2) 代码规则一致性验证。代码规则一致性验证用以检验代码是否按照“软件实现指南”完成, 同时遍历代码以检查其是否违反所定义的规则。

4.2 软件动态分析

按照EN50128要求, ATP系统需应用从边界值分析开始执行的测试、等价类和输入分隔测试两种技术进行系统软件动态分析。

(1) 边界值和等价类的分析。根据EN50128标准的规定, 边界分析测试必须覆盖程序输入域的边界值和极端值测试, 且需检验输入域的边界值与软件规格书中的定义是否一致; (2) 测试用例的生成。测试用例由独立的V&V (核实及验证) 团队根据系统和软件设计文档进行设计。每个测试用例和用例所依照的需求之间将建立起可追溯性, 并符合“边界值分析”和“等价类输入分离测试”的要求; (3) 测试覆盖率。测试用例旨在达到100%的语句覆盖, 如果发现任何不完整覆盖, 将在设计文件中增加更为详细的需求规格书, 并增加新的测试用例来增加软件覆盖, 或要求通过删除多余部分的代码来修改软件。

5 结语

ATP/ATO是整个CBTC系统的核心部分, 其中涉及列车运行安全防护和运行精度控制等的数据计算和命令输出均由其软件部分完成, 因此, 在系统软件设计和开发过程中任何涉及ATP/ATO软件的关键代码修改均须经过自身质量安全管理部门的审查, 且须通过专门的独立第三方安全认证机构的安全评估和系统认证, 在取得相应许可后方可在实际系统中应用。

摘要：本文主要介绍城市轨道交通列车自动防护子系统/列车自动驾驶子系统 (ATP/ATO) 软件的结构和功能设计, 并详述ATP/ATO软件的分析和测试方法。

关键词：ATP/ATO,轨道交通,软件开发,分析和测试

参考文献

[1]赵明, 郜春海.现代铁路信号系统分析研究[J].北方交通大学学报, 1999 (02) .