CBTC系统结构

CBTC系统的组成部分主要有：数据库存储单元（Database Storage Unit，DSU）、计算机联锁（CI）、区域控制器（ZC）、车载控制器（VOBC）、列车自动监控子系统（ATS）、数据通信子系统（DCS）[26]。CBTC系统结构示意图如图2-2所示。

从上图中可以看到，处于CBTC系统最高层的是列车自动监控系统ATS，ATS系统包括控制中心设备和车站设备，是整个CBTC 系统的实时监控系统，提供列车监督、自 动调度和时刻表调整等主要功能，在整个系统中处于很重要的地位，属于非安全子系统。 列车自动防护系统（ATP）和列车自动驾驶系统（Automatic Train Opreation，ATO）都属于车载控制器VOBC。其中，ATP系统完成对列车速度控制，当列车超速时将触发紧急制动，确保列车在安全制动距离之内停车，属于安全子系统[27]。而 ATO 子系统的作用是获得列车当前命令速度信息（由 ATP 子系统传送）和列车调整信息（由 ATS 系统 获得），然后使用列车速度控制算法，使列车按照系统指令平稳舒适的运行，ATO 子系统属于非安全设备。区域控制器ZC是CBTC 系统中的关键设备，也是移动闭塞与固定闭塞最主要的区别，ZC 根据列车的位置报告信息追踪控制区域内线路上的所有列车，为后续列车计算移动授权，在移动授权的计算中需要考虑前行列车的位置不确定性（Position Uncertainty）等最不利情况下的安全余量（Safety Margin）[27][28]。计算机联锁CI系统是国产化 CBTC 系统的典型配置设备，它能够独立于 VOBC 和 ZC 运行，CI系统最主要的功能是能够在移动闭塞功能受限时提供后备模式运行，即司机可依靠轨旁信号行车，CI 还可在 CBTC 系统功能部分受限时根据控制轨旁动态信标的状态实现系统点式ATP的防护功能。数据存储单元DSU 是线路数据库的存储区域，线路数据库离线 编辑并经过编码存入DSU中，而数据传输系统DCS则与VOBC建立通信并且进行数据的校验工作，以确保数据的安全性与实时性。

CBTC子系统结构及功能

列车自动监控（ATS）子系统

ATS 子系统一般由ATS中央控制子系统和ATS车站子系统构成，它们分别设置在 控制中心和沿线车站及车辆段。ATS子系统结构图如图2-3所示

（1）ATS 中央子系统。ATS 中央子系统设置在控制中心，监控整条线路列车的计划运行。ATS中央子系统主要由一系列服务器（主机服务器、数据库服务器、通信服务器）和工作站以及与之相配套的设备（电源、防雷）等组成。为了提高系统的可靠性，调度员工作站能够相互管理，权限互换，使得他们之间相互冗余，互相帮助。ATS主机 服务器主要用来通过各式各样的应用软件实现其所需的各项功能，与此同时数据服务器，完成传递过来的报表等相关信息。而通信服务器，是建立其与其他系统正常的通信和信息传递，保证整个系统的完整和可靠。通常情况下，主机、通信和数据库服务器三者都建立两套互为冗余的保护配置，同时运行，一旦发生故障直接切换备用，并且无扰动实现[29]。

（2）ATS车站及车辆段子系统。ATS 工作站、发车指示器、网络设备等一同构成ATS车站子系统。ATS车站工作站一般设置在设备集中站，因为设备集中站有较多的信号机、道岔、轨道区段，可以监控全线的列车运行情况。为了节省成本，将ATS工作站和联锁设备操作站合并，统称为本地ATS控制工作站，以减少设备的安装和使用。发车指示器接收到ATS控制信号后，给出发车时刻，设置恰当位置。非设备集中站主要由网络传输设备和发车指示器构成。车辆段ATS子系统主要由调度员和司机工作站组成，以 备不时之需和随时调遣。ATS主要负责监控列车运行和设备状态，对列车运行提出实时的监控调整。它综合利用计算机技术、现代通信技术、网络技术和自动控制技术，能够完成列车运行图和时刻表计算机辅助编制、列车时刻表自动调整、列车运行自动追踪、列车运行及设备工作状态实时监视等功能[30]。并与联锁子系统、ATP/ATO 子系统等其它子系统相互配合由计算机按照列车运行图对全线列车的运行进行检测和控制。其主要实现以下功能：

（1）对列车运行状态和设备进行实时全程模拟及显示；

（2）为车站工作人员和全线调度员提供操作平台；

（3）设置列车停站时间以及突发事件时调整列车停站时间；

（4）自动生成和排列列车进路；

（5）记录列车的运行时刻，从而生成列车运行时间表；

（6）根据列车时间表，自动调节列车运行的时间；

（7）在有交汇路口处，计算优先选择的路径；

（8）车站人工等候区、站与站之间及区域之间封锁；

（9）与其他系统传递信息的过渡。

列车自动防护（ATP）子系统

车载部分 ATP 子系统和地面部分 ATP 子系统共同组成了完整的 ATP 子系统。ATP子系统与 ATO 子系统结合共同实现对列车运行的安全和自动拉制。车载 ATP 设备能够自动识别ATC（Automatic Train Control）监控区域，建立和完成列车进入ATP监控区的工作，并立即进入工作状态。地面ATP子系统可提供列车双线双方向的安全防护。如图2-4所示为ATP子系统结构框图。

ATP子系统能自动检测列车实际运行位置，自动确定列车最大安全运行速度，提供超速防护，保障列车运行、乘客和员工的安全，也能自动监测列车运行间隔，确保列车在规定距离内不超过规定速度的前提下安全运行。ATP子系统具体功能有：

（1）对行驶中的列车进行定位；

（2）控制列车行驶速度；

（3）控制列车间隔距离；

（4）与站台屏蔽口联动；

（5）紧急制动超速防护功能；

（6）停车点防护功能等。

在上述功能的保障下，列车具备了自动控制、高效率行驶的条件，同时防止了列车超速和撞车，确保了列车安全行驶。

2.1.1.1 列车自动驾驶（ATO）子系统

ATO 子系统由轨旁 ATO 子系统和车载 ATO 子系统组成，轨旁 ATO 子系统通过车

地通信，发送相关的控制命令以及运行限制信息给车载ATO子系统，车载ATO子系统 根据收到的命令和运行限制信息，来控制列车自动驾驶。车载 ATO 设备为主备冗余，

当主ATO设备发生故障时，主动切换到备用ATO设备。主、备ATO运行状态相同，并在相同的信息条件下运行，各自独立运算，但在同一时间内只有一个车载设备进行信息 输出。

ATO 主要负责保证列车自动驾驶，提供列车自动控制和调整并辅助司机驾驶等功

能。其主要功能如下：

（1）速度自动调节；

（2）站台程序定位停车；

（3）自动开/关门控制；

（4）自动折返；

（5）坡度不同，调整相应的制动力和牵引力使得达到预期目标；

（6）接收相关子系统提供的状态和控制信息。

 计算机联锁（CI）子系统

联锁是铁路信号保证行车安全的重要技术措施，指的是信号设备与相关因素的制约关系。联锁设备是城市轨道交通的重要信号设备，用来在车站实现联锁关系，建立进路， 控制道忿的转换盒信号机的开放以及进路解锁，以保证行车安全。联锁设备早起采用继电集中联锁，现在采用计算机联锁。城市轨道交通中，一般采用区域联锁方式，即一套联锁系统控制几个车站。实现 CBTC 各项功能的基础是联锁子系统。联锁子系统由以下几个部分组成：联锁计算机、显示联锁控制信号的工作站、采集信息系统、执行系统等。如图2-5所示为联锁结构图。

联锁子系统通过继电接口或网络与轨道或区间上的信号设备等通信，确保信号机、

区段、道岔三者正确无误相互联锁，系统整体功能以其为基础。其主要实现以下功能：

（1）设置进路（自动或人工）；

（2）设置引导进路；

（3）对进路解锁和取消；

（4）对轨道区段故障进行恢复；

（5）随时开放和关闭信号机信号；

（6）单独操作和锁闭道岔；

（7）联锁防淹门，实现信息交互；

（8）对所有的进路应进行侧防；

（9）能够锁闭；

（10）可以逐段解锁。

DCS子系统

DCS 子系统主要由无线通信子系统和有线通信子系统两部分组成，其结构图如图2-6 所示。有线通信子系统主要包括控制中心、骨干网、轨旁和车载局域网。骨干网主要用来连接 ATC 系统的各个部分，这些骨干网通过冗余光纤完成其相互间的连接。结构图的上半部分是网络冗余的局域网，其为一个系统监控网络，它通过网络交换机连接到骨干网[31][32]。结构图的下半部分为无线环网，由环间交换机与骨干网交换机联接，接无线环网接入网络，无线环网由无线接入点和和环网交换机串联，构成环网。无线环网设备主要由环网交换机、无线接入点、接入点交换机组成。

CBTC系统各子系统之间传输列车控制信息、控制中心信息和维护信息等信息主要依靠DCS子系统来实现，同时DCS子系统还为列车提供在地铁全线各站点、各区间、场、段以及试车线进行轨旁设备和车载设备之间连续双向的数据通信功能。具体系统功能有：

（1）确保车地间数字报文信息传输具有可靠性、连续性、实时性化及双向传输的

特点；

（2）各区间的无线设备覆盖半径大于无线设备间距的二分之一，确保了全线区间无覆盖死角，并为车载天线在越区时进行正常无线通信提供了保障；

（3）为列车在峰值速度（120km/h）运行时提供可靠的无线通信保障；

（4）保证系统的数据保护、数据加密功能；

（5）有效抵抗目前实际环境中普遍岀现的民用通信无线制式如：TD-LTE、WCDMA、TD-SGDMA等制式的信号产生的无线信号干扰；

（6）抵抗无线设备、藍牙设备、微波设备和其它WLAN系统设备的干扰； 

（7）抵抗相邻线路采用同频段通信的无线系统的干扰；

（8）无线系统能处理无线信号的时延问题和多径路干扰问题，降低信号的丢包率和误码率，提高信噪比等相关技术指标，保证系统安全、可靠的运行。