LCF— 型CBTC信 系统介绍

北京城市学院信息学部
2015-2016-1学期
LCF—300型CBTC信号系统介绍
专业：
班级：
学生姓名：
学号：
2015年 12月
1 绪论...........................................................
1.1论文的研究背景和意义......................................
1.2论文主要研究内容..........................................
2 城市轨道交通信号系统简介.......................................
2.1城市轨道交通ATC系统......................................
2.2ATC系统分类...............................................
2.3我国常见的信号系统供应商..................................
3 北京地铁亦庄线...................................................................... ...................................
3.1北京地铁亦庄线简介...................................................................... .................
4 LCF—300型CBTC信号系统 .......................................
4.1北京地铁亦庄线LCF—300型信号系统简介.....................
4.2北京地铁亦庄线LCF—300型信号系统的结构及组成.............
4.3LCF—300型的VOBC子系统...................................
4.4LCF—300型CBTC系统设备详解...............................
参考文献.........................................................
1绪论
1.1论文的研究背景和意义
CBTC的特点是用无线通信媒体来实现列车和地面设备的双向通信，用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制。

CBTC的突出优点是可以实现车—地之间的双向通信，并且传输信息量大，传输速度快，很容易实现移动自动闭塞系统，大量减少区间敷设电缆，减少一次性投资
及减少日常维护工作，可以大幅度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等等。

在CBTC 中不仅可以实现列车运行控制，而且可以综合成为运行管理，因为双向无线通信系统，既可以有安全类信息双向传输，也可以双向传输非安全类信息，例如车次号、乘务员班组号、车辆号、运转时分、机车状态、油耗参数等等大量机车、工务、电务等有关信息。

利用CBTC既可以实现固定自动闭塞系统(CBTC-FAS)，也可以实现移动自动闭塞系统(CBTC-MAS)。

在CBTC应用中的关键技术是双向无线通信系统、列车定位技术、列车完整性检测等。

在双向无线通信系统中，在欧洲是应用GSM-R系统，但在美洲则用扩频通信等其他种类无线通信技术。

列车定位技术则有多种方式，例如车载设备的测速-测距系统、全球卫星定位、感应回线等。

1.2论文研究主要内容
近30年来，中国城市轨道交通正逐步进入稳步、有序和快速发展阶段，尤其是近10年来，由于国家政策的正确引导和相关城市对规划建设轨道交通的积极努力，从发展速度、规模和现代化水平，突显了后发优势。

但是，与世界发达国家大城市的轨道交通发展现状相比，差距还很大。

中国城市还均未形成有效的轨道交通运行网络，总体规模不大。

作为城市发展中重要的一环，城市轨道交通所占的地位越来
越高，由此我们来研究城市轨道交通的信号系统。

第一章介绍CBTC系统简介
第二章介绍ATC系统的主要类型，特点以及国内主要的信号系统供应商
第三章简介北京地铁亦庄线
第四章主要介绍LCF—300型信号系统的功能，具体系统以及设备
2轨道交通信号系统简介
2.1城市轨道交通信号系统ATC简介
ATC系统主要由列车自动监控系统（ATS）列车自动保护系统（ATP）列车自动运行系统（ATO）组成三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

ATC系统包括五个原理功能：ATS功能、联锁功能、列车检测功能、ATC功能和PTI(列车识别)功能。

（1)ATS功能：是ATC的核心功能，可自动或由人工控制进路，进行行车调度指挥，并向行车调度员和外部系统提供信息。

ATS功能主要由位于OCC(控制中心)内的设备实现。

(2)联锁功能：响应来自ATS功能的命令，在随时满足安全准则的前提下，管理进路、道岔和信号的控制，将进路、轨道电路、道岔和信号和状态信息提供给ATS 和ATC功能。

联锁功能由分布在轨旁的设备来实现。

(3)列车检测功能：属于ATP子系统功能呢个能的一部分，一般由轨道电路完成。

(4)ATC功能：在联锁功能的约束下，根据ATS的要求实现列车运行的控制。

ATC 功能有三个子功能：ATP/ATO轨旁功能、ATP/ATO传输功能和ATP/ATO车载功能。

ATP/ATO轨旁功能负责列车间隔和报文生成；ATP/ATO传输功能负责发送感应信号，它包括报文和ATC车载设备所需的其他数据；ATP/ATO车载功能负责列车的安全运营、列车自动驾驶，且给信号系统和司机提供接口。

(5)PTI功能：是通过多种渠道传输和接收各种数据，在特定的位置传给ATS，向ATS报告列车的识别信息、目的号码和乘务组号和列车位置数据，以优化列车运行。

2.2ATC系统分类
列车自动控制系统（ATC）分类
1、按闭塞布点方式：可分为固定式和移动式。

固定闭塞方式中按控制方式，又可分为速度码模式（台阶式）和目标距离码模式（曲线式）。

2、按机车信号传输方式：可分为连续式和点式。

3、按各系统设备所处地域可分为：控制中心子系统、车站及轨旁子系统、车载设备子系统、车场子系统。

2.3目前国内轨道交通信号系统供应商
目前世界上主要的信号系统供应商主要为USSI公司、西门子公司、阿尔斯通、阿尔卡特等。

这些均为世界领先水平，由于轨道交通对信号系统要求较高，因此国内许多信号系统均为进口，但是本文主要讲解国产的LCF—300型信号系统。

3北京地铁亦庄线
3.1北京地铁亦庄线简介
北京地铁亦庄线，是北京地铁5号线向南的延长线，连接北京市区与北京经济技术开发区，由北京市地铁运营有限公司一分公司负责运营。

该线于2010年12月30日全线开通（亦庄火车站站暂缓开通）。

截至2014年12月28日，该线运营区段为宋家庄站至次渠站，途经丰台区、朝阳区、大兴区和通州区，运营里程23.3千米，共开放13座车站（其中换乘车站1座），拥有车辆基地2座（宋家庄停车场和台湖车厂）。

3.2线路图
4 LCF-300型信号系统
4.1LCF—300型信号系统简介
LCF-300?ATP列车自动防护系统是确保列车运行安全和提高列车运行效率的核心子系统，是轨道交通系统的大脑和中枢系统。

该系统是按照国际EN?50128&50129、IEEE1474等标准设计，并按照国际安全苛求系统安全设计与评估标准进行全过程风险控制而研发的列车控制系统，系统成功解决了高精度列车自主定位技术、大容量车地双向安全信息传输技术、高密度列车追踪运行安全防护控制技术、高可靠安全计算机平台研制等行业关键技术难题，可以实现当前最先进的、最小间隔的移动闭塞列车追踪。

列车在LCF-300?ATP控制下，后续列车以前行列车尾部为追踪目标点、根据列车运行状态实时监控列车间隔和速度，实现高安全、高密度的追踪控制，提高轨道交通系统的运行效率。

LCF-300?ATP?系统已在北京地铁亦庄线、昌平线投入载客试运营，并将在北京地铁14号线、7号线上投入使用。

LCF-CBTC 系统是由北京交通大学开发研制，具有自主知识产权，系统采用基于无线扩频的移动闭塞技术，通过自由空间无线传播手段来确定列车位置，从而实现列车控制的信号系统。

2.1 系统描述 LCF-CBTC 系统利用开放的无线方式实现车地间的双向信息传输，该系统根据列车轮轴测速测距与地面铺设应答器实现列车的精确定位，采用 COTS 商用现货设备实现 CBTC 系统的主要结构，依据IEEE802.11 系列的协议构件CBTC系统的地面骨干网络和列车网络，并选择“2 × 2 取 2”和“3 取 2”的安全冗余结构构建地面的区域控制器 ZC、数据存储单元 DSU 和车载VOBC 设备。

列车上的车载控制器 VOBC 通过探测安装在
轨道上的标准应答器或 TAG 信标，查找它们在系统数据库中的位置，然后确定列车所在位置，并且还测量从前一个探测到的应答器起已经行驶的距离。

列车车载控制器 VOBC 通过使用列车到轨旁的双向无线通信向轨旁 CBTC 设备 ZC 和ATS 系统报告本列车的位置。

区域控制器 ZC 根据各列车的当前位置、速度及运行方向等因素，同时考虑列车进路、道岔状态、线路限速以及其它障碍物的条件，向列车发送“移动授权MA”信息，即列车可以走多远、多快，从而保证列车间的安全间隔。

CBTC 系统以速度-距离模式曲线的原则控制列车。

移动授权 MA 是基于更为精确的分辨率，一般最小为 6.25m。

LCF-CBTC 系统在后备模式或初期开通时可采用点式 ATP 作为 CBTC 系统的后备模式。

4.2LCF—300型信号系统结构及组成
LCF-CBTC 系统包括：列车自动监控 ATS 系统、计算机联锁 CI 系统、点式 ATP 系统、CBTC 地面系统、CBTC 车载系统等。

ATS、CI、CBTC 地面系统等地面信号系统的组成部分完全连接在地面有线双重冗余骨干网络上，其依据IEEE802.3 协
议构建地面网络；列车两端的车载CBTC设备互为冗余备份，其网络结构依据IEEE802.3 协议构建；地车采用 2.4G 的无线方式，依据 IEEE802.11 系列协议构建地-车信息双向传输网络。

具体设备包括：中央设备；区域控制设备（设备集中站）；车站设备；轨旁设备；车载设备。

LCF-CBTC 系统由下列几部分组成：列车自动监控系统（ATS）；联锁设备（CI）；数据库存贮单元（DSU）；区域控制器（ZC）；车载控制器（VOBC）；数据通信系统（DCS）。

4.3 VOBC子系统
1.车载CBTC系统特点
（1）获得最佳的行车间隔
（2）公国列车自主定位，基于速度距离曲线对列车进行超速防护，在保证列车安全的情况下缩短追踪距离
（3）具有ATO自动驾驶功能
（4）正常模式下，与次级检测系统独立
（5）使用一套驾驶台的屏幕显示，能显示列车各种运行数据，并为驾驶员提供信息
（6）系统提供完备的数据记录和诊断故障功能。

4.4CBTC系统设备详解
移动闭塞系统由系统管理中心（SMC）；车辆控制中心（VCC）；车载设备（VOBC）；车站控制器（STC）；感应环线通信系统设备；车场系统设备；车站发车指示器、站台紧急停车按钮、接口等设备组成。

如图所示，系统管理中心与车辆控制中心进行双向通信，完成对所有列车的自动监控；车辆控制中心与全线的列车进行不间断地双向通信，所有的列车将其所在的精确位置和运行速度，报告给车辆控制中心；车辆控制中心在完全掌握所有列车的精确位置、速度等信息的前提下，告知各列列车运行的目标停车点；列车接收车辆控制中心发来的目标停车点信息，车载计算机根据允许运行的距离、所在区段的线路条件及列车的性能等，不断地计算运行速度，自动地完成速度控制。

车辆控制中心还与车站联锁装置通信，完成列车进路的排列。

1、系统管理中心（SMC）的构成
系统管理中心，对系统进行全面的协调管理，完成所有的列车自动监控功能。

其设备设于运营控制中心（OCC），系统的软件/硬件都按模块化的原则设计。

其主要硬件部分包括：
（1）系统管理中心工作站。

除系统服务器外，还配置调度员工作站、调度长工作站、模拟显示工作站、系统维护工作站、运行图编辑工作站及车场监视工作站。

（2）运行图调整服务器（SRS）。

冗余的运行图调整服务器，通过系统管理中心I/O与车辆控制中心相连，以实现运行图调整服务器与车辆控制中心的通信，运行图调整服务器还与SCADA、时钟、无线等系统接口。

（3）数据日志服务器，冗余配置，它可以保留二个月以上的运行数据。

（4）网络通信设施。

包括：系统管理中心的双局域网、冗余交换机、与光纤传输通道的冗余接入设施、与培训中心及综合维修基地连接的通信设施等。

（5）车站控制器紧急通路（SCEG），当车辆控制中心出现故障，不能对系统进行控制时，管理中心通过车站控制紧急通路，直接与车站控制器（STC）进行通信连接，实现对在线列车和轨旁设备的监控。

车站控制器紧急通路有紧急通路切换开关设备、协议转换单元（PCU）组成，每台协议转换单元可与两台车站控制器进行通信连接。

（6）系统管理中心I/O机架。

（7）投影模拟显示系统。

包括：模拟显示控制工作站，及背投模拟显示屏。

还有车场系统管理中心工作站，综合维修基地监测工作站、仿真及培训远程终端设备等。

2、车辆控制中心（VCC）的构成
车辆控制中心，位于运营控制中心，它有以下主要部分构成：
（1）车辆控制中心的中央计算机。

中央计算机采取三取二的配置，它包括三台工业级计算机，以及相关的输入/输出接口；三个中央处理单元通过显示/键盘选择开关，来共享一个显示和键盘；还有通用接口盒、电缆分线盒等。

（2）车辆控制中心的I/O机架。

主要设备有：多路复用输入设备；中央同步设备；电源、定时器、保险丝等。

（3）车辆控制中心的数据传输架。

（4）车辆控制中心的调度员终端。

（5）中央紧急停车按钮（CESB）。

它与车辆控制中心接口，当调度员按下该按钮，将封锁所有的轨道，而且所有的列车立即停车；当紧急停车按钮中插入钥匙后，才可以解除。

车辆控制中心还设有数据记录计算机、打印机等其他设备。

3、轨旁设备
轨旁设备，主要有车站控制器（STC）；感应环线通信系统；系统管理中心的车站工作站等设备。

（1）车站控制器，设于设备集中站，每个车站控制器都有一个道岔安全控制器，其中带冗余的双CPU固态联锁控制器，是车站控制器的核心单元。

车站控制器通过双共线调制解调链路与车辆控制中心通信，它有调制、解调器机架、接口盘、电源机架、预处理器及其机架等组成。

（2）感应环线通信系统，位于设备室和轨旁，它有以下设备组成：馈电设备（FID）；入口馈电设备（EFID）；远端环线盒；感应环线电缆；支架等。

感应环线电缆由扭绞铜制线芯和绝缘防护层组成，环线敷设于轨道之间，每25米交叉一次。

波导管：微波漏隙波导管是一种车．地双向数据传输的无线信号传输媒介，具有传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强等特点。

漏隙波导管为中空铝质矩形管，顶部朝车辆天线方向等间隔开有窄缝，使得无线载频信息沿波导管裂缝向外均匀辐射；在波导管附近适当位置
的无线接收器，可以接收波导管裂缝辐射的信号，并通过处理得到有用的数据。

在这方面应用比较成熟是法国 ALSTOM 公司的 URBALIS 信号系统应答器：一种用于地面向列车信息传输的点式设备，分为固定（无源）应答器和可变（有源）应答器。

主要用途是向列控车载设备提供可靠的地面固定信息和可变信息。

应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。

无源应答器：无源应答器存储固定信息，当列车经过无源应答器上方时，无源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其转换成电能，使地面应答器中的电子电路工作，把存储在地面应答器中的数据循环发送出去，直至电能消失（即车载天线已经离去）。

平常处于休眠状态。

有源应答器：有源应答器通过电缆与地面电子单元（LEU）连接，可实时发送LEU传送的数据报文。

当列车经过有源应答器上方时，有源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其转换成电能，使地面应答器中发射电路工作，将LEU传输给有源应答器的数据循环实时发送出去。

直至电能消失（即车载天线已经离去）。

平常处于休眠状态。

应答器设备用于向列车控制系统传送线路基本参数、线路速度、特殊定位、列车运行目标数据、临时限速、车站进路等固定和实时可变的信息，用于在特定地点实现地面与列车间的相互通信。

计轴器：计轴设备和轨道电路一样是用来检查区间是否有列车或车辆的检查监督设备。

优点：工作不受道床、轨道状态和气候条件影响，而且控制距离可达20km，区间无需装设钢轨绝缘等。

缺点：不能检查断轨，不能传输与行车有关的信息。

继电半自动闭塞列车完整到达及在区间有没有丢失是靠人工确定的（值班员）但人总是会犯错误的，如果装设了计轴设备，通过此设备可验证列车是否完整到达，以设备作为保证，则可大大提高行车的安全性。

列车进入区间，计轴器对轮轴进行计数，并发出区间占用信息，列车全部通过车站计轴点时，停止计数，并经传输线向对方车站发送本站所计车轴数。

当列车到达接车站计轴点时，由于列车是驶离区间，计轴器进行减轴运算，同时接车站在列车全部通过后，将所计轴数再传送给发车站。

两站的微机同时对驶入区间和驶离区间的轮轴数进行比较运算，两站一致时，发出区间空闲信息表示，这时微机控制闭塞设备自动复原，否则区间仍将处于占用状态。

（3）系统管理中心的车站工作站，由工业级计算机和接入设备组成，其接入光纤通信环网，实现与系统管理中心的远程通信。

它与车站控制器接口，实现车站的本地控制；还与旅客信息向导系统等设备接口。

轨旁设备还包括：站台紧急停车按钮；站台发车指示器；车站现地控制盘；及信号机、转撤机等现场设备。

4、车载设备
ATC车载设备主要包括：车载控制器（VOBC）及其外围设备。

（1）车载控制器，由电子单元（EU）、接口继电器单元（IRU）、供电单元等组成。

电子单元包括天线滤波器、高频接收器、数据接收器、数据发送器、高频发送器、定位计算机、双CPU处理单元、输出/输入端口、发送/接收卡、车辆识别卡、输出继电器、距离测量控制、转速表放大器等。

接口继电器单元包括：继电器面板、滤波/防护模块、电子单元与接口继电器单元的互联电缆等。

（2）车载控制器的外围设备包括天线，（每个车载控制器设2个接收天线和2个发送天线）；速度传感器，每个车载控制器设二个速度传感器；司机显示盘（TOD），每列车设置两套。

（3）接口。

信号系统内部接口包括：与信号监测子系统的接口；与电源子系统的接口；与模拟显示屏的接口；与发车指示器的接口；与中央紧急停车按钮的接口；与信号机、转辙机等继电器控制电路的接口；与车站现地控制盘及站台紧急停车按钮的接口；与车场的接口；人机接口；主系统内部间的接口等。

信号系统外部接口包括：与无线通信系统的接口；与时钟系统的接口；与通信传输系统的接口；与旅客信息系统（包括车上）的接口；与车辆的接口；与车辆管理系统的接口；与电力SCADA系统、FAS系统、BAS系统等的接口等。

参考文献
[1] 曾小清，王长林，张树京．基于通信的轨道交通运行控制[M]．北京：同济大学出版社，2007．
[2] 李冬．武汉轨道交通 1 号线一期工程信号系统的移动闭塞技术[J]．城市轨道交通研究[J]．2005．
[3]徐智群，周平．向无线CBTC城市轨道交通列车控制系统演进[J]．上海信息化，2005，。