城市轨道交通区域控制器的研究-城市轨道交通控制毕业论文

1、 毕业论文题目 城市轨道交通区域控制器的研究 学生姓名 学号 班 级 专 业 城市轨道交通控制 分 院 指导教师 201x年12月 9日目 录题目 城市轨道交通区域控制器的研究1摘 要1一、绪 论11.1 概述112 CBTC技术的发展213本论文研究意义及主要内容4二、我国城市轨道交通发展的历程621 CBTC系统原理622 CBTC区域控制器组成原理623区域控制器功能需求724 Z0与其它子系统关系925 ZC切换10三、当前我国城市轨道交通发展的主要特点1431有色Petri网建模可行性分析1432 ZC与DSU交互模型设计1533 ZC与VOBC交互模型设计1634 ZC与ATS交互模型设计1935 ZC与C I交互模型设计20四、轨道交通的安全问题得到高度重视2441移动授权的内容2442移动授权相关ZC输入输出信息2543移动授权延伸2644移动授权算法设计2745不同运行场景下的移动授权设计2846系统故障工况下的ZC处理策略37总 结39致谢语40参考文献41 xxxxxxxx毕业论文（设计）专用纸 摘 要基于无线通信的列车控制系统CBTC(Communication

2、 Based Train ControD是今后城轨交通列控系统的发展趋势。作为CBTC系统的核心地面设备，区域控制器主要实现移动授权的生成和发送，是决定CBTC系统下列车行车效率、控制精度、安全性和可靠性的重要因素。本文在分析了CBTC系统的运行机理基础上，确定了区域控制器的功能需求和设计原理，剖析了区域控制器与其它子系统的关系，以区域控制器作为研究对象，进行系统建模和仿真。论文在研究区域控制器的功能和交互过程基础上，在VC+开发平台上设计了区域控制器的仿真系统软件，完成了对区域控制器在不同列车运行场景下进行多车控制的功能验证和仿真实现。关键词：CBTC 区域控制器 移动授权 有色Petri网 VC+ 41一、绪 论1.1 概述当今城市经济飞速发展，不断扩张的城市规模和不断增长的城市人口使城市交通问题变得日益严峻，交通堵塞状况在各个城市愈演愈烈，交通问题已经成为世界范围内制约各城市发展的瓶颈，也是各城市发展亟待解决的问题。城市轨道交通因其运量大、运行速度快、安全性能高和不易受干扰等特点，使其成为了解决城市交通问题的首选运载方案和模式。列车运行控制系统是提高城轨列车运行效率，保证行车安全

3、的关键技术装备。近些年无线通信技术飞速发展，无线通信的可用性和可靠性大大提升，基于无线通信的列车控制系统CBTC(Communication Based Train Contr01)是今后城市轨道交通列车控制系统的发展方向和趋势。CBTC系统是不再采用依赖轨道电路来进行信息传送和检测的控制方式，脱离了传统的固定闭塞模式的新一代铁路信号系统。CBTC系统在确保车地之间不问断地通信和高精度的列车定位基础上，对列车进行更加精确和安全的运行控制，缩短列车运行间隔，提高客运量，保证行车安全。传统的铁路信号系统是通过轨道电路技术来检测运行列车位置的，并通过轨道电路向列车发送控制信息。轨道电路主要优势在于可靠性高，技术成熟，能够保障行车安全。但轨道电路本身技术和结构上的缺陷也制约着信号系统的进一步发展和线路通行能力的继续提升：(1)轨道电路抗干扰能力差，工作稳定性低，维护费用高；(2)车地通信过程中轨道电路传输信息量小；(3)列车定位精度低；(4)从乘客角度来说，采用轨道电路会不可避免的带来噪声、电磁干扰辐射等影响。而CBTC系统采用应答器、交叉感应环线或计轴器进行高精度的列车定位和准确地判断列车占

4、用轨道情况，通过WLAN无线通信技术进行高速、连续、双向地车地通信，摆脱了轨道电路技术上的缺陷和束缚，通过地面和车载安全设备实现对运行列车的安全控制。CBTC技术起源于欧洲连续式列控系统，在CBTC几十年的发展历程中，对CBTC系统的定义逐步趋于一致。为了更好地规范CBTC技术的发展，IEEE在1999年首次制定了CBTC系统相关标准IEEE Std 147411999，其中明确定义了CBTC系统是利用高精度的列车定位技术(不依赖于轨道电路技术)，高速、连续、双向、大容量地进行车地数据通信，依靠车载和地面安全设备实现的一种自动连续列车控制系统。与传统的基于轨道电路技术的列控系统相比，CBTC系统具有以下优势：(1)列车定位不再依赖轨道电路技术，定位精度更高，可对列车实现精确度更高的控制，有效缩短列车运行间隔，可灵活组织列车双向运行和单向连续发车；(2)车地之间通信采用无线通信方式，传输的控制信息和状态信息数据量显著提高，容易实现移动闭塞；(3)大量减少区间敷设电缆，减少日常维护工作，降低了维护费用；CBTC系统现成为城轨交通信号系统的首选方案，包括西门子、卡斯柯等多家列车控制系统设备供

5、货商均研发出了自己的CBTC系统，并在世界上多个城市的地铁及轻轨线路上投入使用，国内也有多条线路使用了CBTC系统。12 CBTC技术的发展1.21国外CBTC发展与应用国外对CBTC的研究起步时间较早，技术发展速度也较快，目前许多国家和信号设备供货商都研发出了自己的CBTC系统，如：北美铁路公司研发的ATCS，法国自动化实时追踪系统ASTREE，德国铁路研发的新型无线列车控制系统FZB，日本铁路的新型列车控制系统CARAT。(1)北美ATCS系统ATCS整体结构由车载设备、数据通讯网络、沿线设备、调度控制中心等构成ATCS共有4个级别，各铁路公司可根据线路和自身情况逐级实现相应的ATCS系统，这4个级别是根据系统的复杂程度来划分的。通信系统为ATCS系统的核心，将无线移动数据通信作为信息传输的主要手段，在隧道中将泄露同轴电缆作为传输介质，整个通信系统参考OSI模型。ATCS系统的另一特点是引入了列车识别和定位系统，使得ATCS系统成为一个闭环控制系统。ATCS系统的研发晚于国外其它系统，故采用了一些新技术，整体性能也优于其它国外CBTC系统。(2)德国FZB系统德国铁路为该系统进行了

6、大量而深入的研究和实验，它也是目前一个较为典型的基于无线通信的列控系统。FZB系统通过无线传输方式实现车地通信，传输的信息包括列车普通信息列车控制信息等。FZB系统在通信安全性方面采取了许多有效的措施，以防止通信过程中可能发生的恶意入侵、破坏等。FZB系统不仅支持高速客运线路，还支持货运运输线路。(3)日本CARAT系统CARAT系统包括车载设备和地面设备，地面设备包括无线通信设备和地面监控设备，车载设备负责对列车的直接控制。列车运行过程中，对自身所处位置进行检测，通过无线通信方式将位置信息发送给地面设备。地面设备接收来自列车的位置信息，在实施列车追踪运行的同时，监视沿线轨旁设备的状态，并根据线路周围的状态，判断列车可以安全运行的区间。车载设备连续地监视列车运行速度，列车速度超过安全防护速度时，按照缓和制动、常规制动、紧急制动的顺序，根据实际运行情况由车载控制设备自动地实施制动。CARAT系统中各子系统都具有较完善的自检和自诊断功能，对各子系统的设备进行实时监督和故障报警。122国内CBTC发展与应用1994年我国与瑞典Adtranz公司、Dalarna大学及瑞典国家铁路合作，进行了C

7、BTC2MAS的可行性研究，并且在CBTC系统技术指标的制定、理论研究、计算机模拟等方面取得了一定成果和结论。1 999年北方交通大学提交了关于无线通信安全性、有效性方面研究的“无线数据传输在铁路安全中的应用研究”报告，报告对基于GSMR网络的数据传输、无线列控安全性进行了分析与研究。20世纪8090年代我国学者对CBTC条件下的系统整体结构、行车控制方式、线路通行能力及列车运行组织方法、通过能力模拟等，进行了深入和广泛的研究。2002年，铁道部完成了青藏铁路无线通信机车信号设备的研究及两套通信样机的生产，其中每套样机包括两台车载设备和一台地面设备，并完成了在青藏铁路的现场性能测试。2004年9月，武汉地铁一号线进入运行阶段，此条线路也是国内第一个采用CBTC技术的城轨线路，阿尔卡特公司为武汉地铁一号线提供了SelTrac$40 CBTC信号系统解决方案。并且阿尔卡特公司还为广州地铁三号线提供了CBTC技术解决方案。随着CBTC技术的飞速发展和城轨交通在城市发展中的地位不断提升，国内城市轨道交通采用CBTC方案已经成为一种趋势。例如上海轨道交通6号线、8号线、北京地铁4号线和昆明地铁1

8、号线的供货商均提供了CBTC解决方案。13本论文研究意义及主要内容1.3.1研究意义为了提高城轨交通运输效率和确保行车安全，近年来各条城轨交通线路的信号系统均采用CBTC技术，这也就迫切需要性能先进和安全可靠的信号装备。区域控制器ZC(Zone Controller)是CBTC列控系统中的一个安全计算机系统，它对系统的安全性和可靠性有着极高的要求，并且区域控制器的工作稳定性直接影响着列车运行效率和行车安全。根据欧洲连续式列控系统规范，CBTC系统需要设置ZC地面设备。现在区域控制器设备主要由欧美和日本几个铁路信号供应商提供，比如法国阿尔斯通公司、德国西门子公司、加拿大庞巴迪公司和日本日立公司等。随着国外铁路公司对区域控制器的不断深入研究，并投入应用的同时，国内对CBTC的研究逐渐起步，国内运营线路上现有的关键信号设备均采用进口设备，也就是说国外供应商垄断了国内CBTC关键设备的供货。因为城轨交通的发展决定着城市的发展速度和规模，所以对CBTC系统的研究迫在眉睫，而区域控制器的国产化任务也刻不容缓。近几年已有多家国内科研院所和公司在引进国外区域控制器的基础上，已经开始了对区域控制器的理论

9、研究和系统仿真。区域控制器的体系结构是否合理，能否计算出安全且不影响行车间隔的移动授权，能否稳定运行，直接关系到系统是否可以安全地控制列车运行，甚至关系到整个CBTC系统能否正常运行。本文遵循并发系统建模思想，采用Pctri网建模方法，紧密联系CBTC系统的特点，建立了ZC与其它子系统的交互模型，并在此基础上分析了ZC的核心功能移动授权的生成，最后采用VC+开发方法，对ZC控制列车运行的过程进行仿真。因此本课题的研究无论从近期还是远期看对CBTC系统的研究都有一定的参考价值，对我国在区域控制器方面的技术进步具有积极的意义。1.3.2主要内容论文在详细分析了在CBTC系统地面设备中起到核心作用的区域控制器的系统结构、功能需求和控制功能的基础上，对ZC与其它子系统的交互过程进行建模，并结合实验室条件，搭建了ZC系统仿真运行环境，完成了区域控制器控车模型的功能验证，实现了简单的CBTC系统下的列车运行控制。二、我国城市轨道交通发展的历程21 CBTC系统原理基于无线通信的列车控制系统CBTC(Communication Based Train Contr01)是指在高精度的列车定位前提下，通过WLAN无线通信技术进行高速、连续、双向地车地通信，从而实现对列车

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