1、.轨道交通信号处理课程考核报告CBTC 系统列车追踪间隔计算系 部： 电子与信息工程系专业班级： 通信工程 09 秋 2 班姓 名： 郑庭春学 号： 09032230指导教师： 邱欣寅2012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 1完 成 日 期 2012 年 12 月目录1 引言 .12 列车最小追踪间隔模型的建立 .22.1 坡道处理模型 .22.2 安全制动距离模型 .32.3 ATO 列车运行控制仿真模型 42.3.1 ATO 速度控制过程 42.3.2 列车任意点最小追踪间隔求算 .43 列车追踪间隔算法组成 .73.1 数据库组成 .73.2 ATO 速度
2、曲线计算模块组成 73.3 ATP 紧急制动距离最小追踪间隔计算模块 .74 列车追踪间隔 .84.1 区间追踪间隔 .84.2 站台区域追踪间隔 94.3 影响追踪间隔的主要因素 105 安全制动距离 .115.1 安全制动距离类型 1115.2 安全制动距离类型 2115.3 安全制动距离类型 3125.4 安全制动距离类型 4136 列车运行仿真与安全间隔时间计算 .146.1 列车运行仿真 146.2 列车运行安全间隔时间计算 .156.2.1 准移动闭塞列车运行安全间隔时间的计算 167 结束语 .17参考文献 .182012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号
3、处理 11 引言随着通信技术特别是无线电技术飞速发展，人们开始研究以通信技术为基础的列车运行控制系统，CBTC 系统就是基于无线通信的 列车自动控制系统，它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
4、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。在城市轨道交通信号系统的实施过程中，列车最小
5、追踪间隔是衡量系统能力的关键指标之一，是最终用户考核和运营验收系统的关键参考依据。也是信号系统设计重点关注的内容。为此，在准确地分析 CBTC 条件下列车控制方式，确定影响列车追踪间隔的各种因素基础上建立切合实际的列车最小追踪间隔计算模型，并在计算机上以高效算法实现是本文研究重点，也是研发国产 MTC-I 型 CBTC系统的重要工作之一。2 郑庭春：CBTC 系统列车追踪间隔计算 2012.122 列车最小追踪间隔模型的建立前后两列车沿同一轨道、同一方向运行，列车的前端通过同一地点的时间之差称为该点的追踪间隔，最小追踪间隔是后车的速度不因前车的存在而受影响、以正常速度运行至前车相同位置的时间间
6、隔。最小追踪间隔受线路的限速、坡度及列车长度、列车运行模式、列车牵引制动性能、车站停车时间等因素的影响，在线路的不同地点有着不同的最小追踪间隔。线路的通过能力受线路上最小追踪间隔最大点的限制，整条线路的最小追踪间隔是线路上各点最小追踪间隔的最大值，通过计算线路上各点的最小追踪间隔，取其最大值就得到了该线路的最小追踪间隔。最小追踪距离是指后车的速度不因前车的存在而受影响、与前车保持的最小距离。在 ATC 控制下，最小追踪距离是 ATP 安全制动距离与安全保护距离之和。如果两车间距不小于最小追踪距离，后车的运行就不会因前车的存在而受影响，同时能够保证后车的运行安全 1。在 CBTC 列控模式下，前
7、车的位置是实时更新的，后车可以实时获得前车的位置信息并将移动授权实时向前延伸，因此，最小追踪间隔不受固定闭塞模式下轨道电路长度的限制，线路上各点的最小追踪间隔是连续的。2.1 坡道处理模型根据能量守恒定律，列车从 A 点运行到 B 点的能量是守恒的，即：（1）BA动 能势 能外 力 功动 能势 能 （2）21121 Bpp vMghsavMgh式（2）中： 为列车的静态质量，单位为 k g； 为列车的动态或p i惯性质量，单位为 kg；g 为重力加速度，单位为 ； 为制动曲线 A2/smAv点的速度，单位为 ； 为沿着制动曲线在 A 点前方 处 B 点的速度，sm/Bv单位为 ； 为 A 点的
8、高程，单位为 ； 为 B 点的高程，单位为 ；s/hhm2012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 3为列车在平直轨道的加速或制动的加速度，单位为 。根据式(2)推a 2/sm导出如下公式：（3）hgMsavpAB12式（3）中： 为与 对应 B 点与 A 点之间的高度差，单位为 。m式（3）对于坡道的处理适用于 ATO 运行的全过程。与式（3）对应的有以下公式：（4）tGradeMgvpAB12式（4）中： 为 B 点与 A 点之间的坡度，上坡为负值，下坡为正值； 为列车从 A 点与运行到 B 点之间的时间，单位为 。t s式（4）对于坡道的处理适用于 ATP 紧
9、急制动停车的全过程 2。2.2 安全制动距离模型在列车施加紧急制动停车的过程中需要考虑各种最不利的情况，以保证列车在极端情况下的运行安全。图 2.1 描述了最不利情况下的列车紧急制动过程的 4 个阶段。即时间上分别对应 T1牵引切除延迟，T2牵引切除到制动施加的延迟，T3制动建立时间（制动率从 0 到最大的时间），T4 以最大制动率减速到停车的时间，列车运行对应距离分别为 S1、S2 、S3、S4。T 1 T 2 T 3 T 4S 1牵引切除延迟阶段S 2制动延时阶段S 3制动建立阶段时间速度S 4最大制动停车阶段图 2.1 列车紧急制动过程示意图4 郑庭春：CBTC 系统列车追踪间隔计算 2
10、012.12T1 阶段列车速度的增加是考虑在最不利情况下，牵引力切除之前，车辆仍在执行牵引命令，导致列车以最大故障加速度加速运行；T2 阶段是牵引已经切除、制动尚未施加的过程，在该阶段列车既没有施加牵引也没有实施制动，在此也不考虑运行阻力的影响，因为从安全性角度来说，运行阻力对于制动距离来说只会缩短而不会增加；T3 阶段制动力从无到有，直至增加到最大值，体现了车辆制动力变化的特性；T4 阶段列车以最大制动减速度减速直至停车 3。根据以上安全制动距离模型，紧急制动停车距离 S 可以通过下式进行计算：（5）4321sss2.3 ATO 列车运行控制仿真模型2.3.1 ATO 速度控制过程ATO 列
11、车控制分为加速、匀速、减速、停车 4 个阶段，最小追踪间隔按 ATO 最快运行模式下的速度曲线进行计算，即列车在加速阶段按ATO 最大加速度加速、匀速阶段保持最高允许速度、减速阶段按 ATO 最大可控制动率减速，从而获得最短的运行时间，达到最快的旅行速度。（1）加速阶段。当列车速度低于当前限速时，列车以最大加速度加速到限制速度。列车的加速度是与速度相关的变量，在不同运行速度下需按不同的加速度进行计算，以使计算结果尽量贴合列车实际运行情况。（2）匀速阶段。当列车的速度达到最高限速时，ATO 控制列车保持一定的牵引力以弥补运行阻力和坡度的影响，控制列车基本按照匀速运行。（3）减速阶段。列车以 AT
12、O 最大可控制动力减速乃至停车，保证尽可能缩短运行时间。（4）停站阶段。ATO 控制列车实现站台精确停车，在规定的停站时间结束后发车驶向下一车站 4。2.3.2 列车任意点最小追踪间隔求算2012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 5ATO 控制下的列车运行速度、距离、旅行时间曲线如图 2.2 所示。速度限速曲线 速度曲线旅行时间曲线车站 1 车站 2位置图 2.2 ATO 运行速度、距离、旅行时间示意图如图 2.3 描绘了线路上任意点最小追踪间隔的求算方法。用公式描述如下：（6）21PLPTB（7）122 PTraveltimraveltiHeadwy式中： 为线
13、路上的任一点（最小追踪间隔的求算点对应的限制点），1为列车在 点以当前速度实施紧急制动停车的距离， 为安全保护距BLPPL离， 为列车长度， 为最小追踪间隔的求算点。 为 点的最T2 2Headwy小追踪间隔， 、 分别为列车以ATO正常运行曲线2Praveltim1PTravelti从线路起点运行到 、 点的累计旅行时间。1速度位置紧急制动停车距离P 1 P 2安全保护距离列车长度P 2 列车最小追踪间隔6 郑庭春：CBTC 系统列车追踪间隔计算 2012.12图 2.3 最小追踪间隔求算示意图在列车超速防护实施安全停车控制时，为防止停车位置离散性有可能造成的危险，而设置了自预定停车位置至目
14、标地点的一段安全保护距离。在CBTC条件下，安全保护距离的大小与列车位置的不确定性的上限（由测速误差、空转/打滑的影响、系统处理延迟等因素决定）、通信周期（前车位置对于后车更新的周期）、系统允许最大的通信延迟时间等因素有关 5。2012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 73 列车追踪间隔算法组成3.1 数据库组成数据库分为车站数据表、坡度数据表、限速数据表（以上3个表包括土建及运营的各种基础数据及限制），速度、加速度、故障加速度表（包括车辆的不同速度下加速度及故障加速度参数）和结果数据表（保存线路各点的速度、旅行时间、制动距离、最小追踪间隔等计算结果） 6。3.2
15、 ATO 速度曲线计算模块组成（1）计算线路限速子模块。根据列车当前位置和列车长度，在限速数据表中查找列车所受到的最严格的限速，就是当前列车的线路限速，同时记录线路限速终点位置。（2）计算限速点位置、限速、及减速点位置子模块。根据列车所在位置，以列车中点为参考点，从前方限速点减去半个列车长度开始，根据坡道处理模型逐个坡段从坡段终点反算坡段起点速度，直至达到或超过当前的线路限速，如果超过当前线路速度，则根据当前线路速度及最近一个坡段的起点的速度计算减速点位置。在算法中比较列车当前位置前方连续3个限速点中最严格的限速点，得到限速点位置、限速及减速点位置。（3）计算限速子模块。根据当前列车位置及前方
16、限速点的位置及限速，根据坡道处理模型一次求算列车当前限速。3.3 ATP 紧急制动距离最小追踪间隔计算模块对于线路的每一点，按照牵引切除延迟、制动延迟、制动建立、最大制动停车4个阶段，根据ATP坡道处理模型以时间为步长（计算机运算时推进的固定数值）求算各阶段的运行距离，根据公式（5）计算紧急制动停车距离。然后根据公式（6）、（7）计算求算点最小追踪间隔 7。8 郑庭春：CBTC 系统列车追踪间隔计算 2012.124 列车追踪间隔在移动闭塞系统中，列车的移动授权( movement authority)必须大于列车在该位置最不利情况的制动距离(worst case braking)。如图4.1
17、所示，连续列车的追踪距离是由列车(Train 2)实时计算的当前位置最不利情况的制动距离、前行列车(Train 1)的位置不确定性( position uncertainty) 和列车长度等因素决定的，追踪间隔( headway)是指在前行列车不影响后续列车运行的情况下，它们连续通过同一点的时间间隔 8。图4.1 移动闭塞列车追踪的基本原理4.1 区间追踪间隔如图4.2是区间追踪间隔示意图。2012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 9图4.2 区间追踪间隔示意图中： 为列车常用制动距离； 为常用制动停车点到安全servic safety制动距离的差； 为前行车的位
18、置误差; 为列车长度； unrt trnl )(max_vATO指该列车在位置 的最高自动驾驶速度。则安全制动距离为：x（8）safelyservicSBDS对于区间，列车在位置X 处的追踪间隔为:dxvttXATOheadwy)(1)(max_（9）uncerttlesfelyservict SS4.2 站台区域追踪间隔列车在站台区域的追踪距离计算方法与区间追踪相同，如图4.3所示。图4.3 车站区域列车追踪间隔示意但是由于列车需要在车站停车，于是列车在位置X 的追踪间隔为:（10）exitdwlentryheadwyxt )(式中： 为列车进站时间，从列车开始减速制动到列车停稳 ；tr s
19、X10 郑庭春：CBTC 系统列车追踪间隔计算 2012.12为停站时间，从列车停稳到列车开始启动； 为列车出站时间，从dwelt exit列车启动到列车尾部（包括列车的位置误差， ）到达列车（Train uncrtS2）在位置 时的安全制动距离，此时列车头部位置为 9。X tXs tsXATOdwelATOheadwy dxvtxvt )(1)(1)( max_max_（11）uncerttmlesfelyservict SS4.3 影响追踪间隔的主要因素从式（9）和式（11）可以看出，决定正线的列车追踪间隔主要为两个方面：列车的追踪距离和列车通过该距离的运行速度。列车的追踪距离由式（8）定
20、义的列车安全制动距离决定，是列车在该位置最不利情况的制动距离，即列车在该位置触发紧急制动(emergency brake,EB)后最不利情况下列车所运行的距离。自动驾驶系统(ATO) 根据速度控制算法计算的列车命令速度曲线控制列车。由于列车命令速度曲线是由紧急制动触发速度曲线推算而得到，因此，在列车停站时间不能改变的情况下，紧急制动触发速度曲线是影响线路列车追踪间隔的根本原因。2012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 115 安全制动距离由于安全制动距离是影响线路列车追踪间隔的重要原因，因此，需要计算线路上每一点的安全制动距离。列车的紧急制动触发速度和安全制动距离
21、可以由列车的目标速度和目标距离根据列车的安全制动模型计算得到，通常情况下，按照线路和列车追踪的情形，可以分为4种类型。5.1 安全制动距离类型 1安全制动距离类型1如图5.1，列车的目标点位于前行列车的尾部，安全制动距离为目标点 。当前列车必须在目标点之前停车，目标速度为3X0。图5.1 安全制动距离类型1该类型中，列车在位置 触发紧急制动，经过系统响应时间（从 到sXt） 列车切除牵引，在此过程中，列车处于失控加速阶段；从 到 ，列1t 12车牵引已经切除，尚未建立紧急制动，列车处于非牵引非制动的惰性状态；从 开始，列车已经施加了紧急制动，在最不利情况下，列车沿紧急制动2t包络线在目标点完全
22、停止。12 郑庭春：CBTC 系统列车追踪间隔计算 2012.125.2 安全制动距离类型 2安全制动距离类型2如图5.2。图5.2 安全制动距离类型2在该情形中，列车前方存在更低的限速区域，目标点为该更低限速区域的起点。与安全制动距离类型1相比，在最不利情况下，列车须在目标点不能超过该限速值。若列车在位置 的紧急制动触发曲线上触发紧急sX制动，列车经过失控加速阶段和惰行阶段后建立紧急制动，列车紧急制动的包络线在目标点不能超过限速值。因此在最不利情况下列车沿该紧急制动包络线停车，安全制动距离为 。45.3 安全制动距离类型 3安全制动距离类型3如图5.3。2012.12 上海师范大学天华学院电
23、子与信息工程系 轨道交通信号处理 13图5.3 安全制动距离类型3一般为列车运行在下坡线路段，尽管列车在惰行阶段已经切除牵引，但由于重力加速度的作用，列车仍处于加速过程，并通过惰行阶段后在达到线路的土建限速。在该类型中，列车运行的目标速度为土建限速，2X目标点为土建限速上从惰行开始时间 到惰行结束时间 限制列车当前速1t2t度最严格的位置，通常状态下，下坡阶线路中限速点为惰行结束时间 对3t应的位置 。该情况下，如果在位置 的紧急制动触发曲线上触发紧急2XsX制动，列车沿该紧急制动包络线停车，安全制动距离为 。3X5.4 安全制动距离类型 4安全制动距离类型4如图5.4。14 郑庭春：CBTC
24、 系统列车追踪间隔计算 2012.12图5.4 安全制动距离类型4通常为列车运行于上坡或平坡线路段。该类型中，列车运行的目标速度同样为土建限速，目标点为土建限速上从惰行开始时间 到惰行结束时1t间 限制列车当前速度最严格的位置。通常状态下，上坡阶段，限速点为2t惰行开始时间 对应的位置 ，该情况下，如果在位置 的紧急制动触1t1XsX发曲线上触发紧急制动，安全制动距离为 。36 列车运行仿真与安全间隔时间计算6.1 列车运行仿真仿真参数如图6.1所示，按照国内地铁的设计标准，正线的直线段土建限速为80km/h，站台限速为60km/h。在仿真过程中，列车以CBTC模式从起点（Start）运行至终
25、点（Stop），列车经过9个车站（ST1到ST9），按照设定的停站时间停车。为了测试系统的追踪间隔优化功能，特别地在车站ST5 设置了较长的38s 停站时间。由于本次仿真目的在于测试系统列车追踪间隔计算及优化功能，线路的曲线和坡度参数均可以简化，为了简便，本次仿真中都采用直线和平坡。图6.1 列车仿真线路数据图6.2为CBTC 列车仿真结果。仿真系统根据列车速度控制算法计算列车每个位置的命令速度，ATO依据命令速度行驶列车得到列车的实际运行曲线( Actual)。仿真过程中，根据每个位置的紧急制动触发速度计算出该点安全制动距离( safetybraking distance,SDB)，从而得到
26、图中的安全制动距离-距离曲线图。根据式（2）、式（4）和图6.2的仿真结果，可以计算列车在每一点的追踪间隔，如图6.3列车追踪间隔-距离图。2012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 15图6.2 CBTC列车仿真与安全制动距离图6.3 列车追踪间隔-距离6.2 列车运行安全间隔时间计算城市轨道交通列车运行安全间隔时间是决定区间通过能力的关键因素之一，是追踪运行的两列车间的最小允许间隔时间，如图6.4所示。其数值是根据追踪运行的两列车的后续列车头部到前行列车头部计算得到。图6.4 列车运行安全间隔时间示意图16 郑庭春：CBTC 系统列车追踪间隔计算 2012.12
27、在理想情况下，列车应该严格按照牵引曲线运行，此时，只需根据速度曲线计算追踪运行列车在区间任意位置上的间隔时间，并取其中最大间隔时问作为列车在整个区间内追踪运行的间隔时间，这样既能保证列车运行安全，又能得到理想的区间通过能力。做如下假设：前后两列车具有相同的启动加速度 、制动减速度 、ab车长 、制动反应时间 。并引入以下符号：区间最大允许速度 、轨tLant maxv道电路区段后端均设有防护段 、两列车之间的问隔距离 、准移动闭塞sLL列车运行安全间隔时间 、移动闭塞列车运行安全间隔时间 10。1st 2st6.2.1 准移动闭塞列车运行安全间隔时间的计算以数字轨道电路为基础的准移动闭塞，其最
28、小定位单元（量化单位）为 。在准移动闭塞中，列车之间的间隔距离 表示为 的整数倍，minL Lmin即： minNL如图6.4所示，两列车之问的距离，即后续列车进路行驶距离为： bvtan2axm考虑到列车运营停车点和定位单元分界处的分布最不利的情况下，N取 。其中， 表示取整运算。2minLITINT将 分为 、 、 三部分计算，分别如下。1stt23t（1） ：先行列车1出清车站并驶过安全防护区段 。计算 ，又分如下两种情况。t当 ，且 ，即列车1以加速度 出清)(2maxstLv2)(atsta车站并驶过 ，则有：s Ltst/)(212012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系
29、 轨道交通信号处理 17当 ，且 ，即列车)(2maxstLv )(2)( max1axmvtvLst 1以加速度 运行达到 ，再以速度 匀速运行，共驶过距离maxvax，则有：stLmax211)(2vLts（2） ：后续列车从 到停稳所消耗的时间。其值为：tmaxvbtax27 结束语CBTC技术集成先进的卫星定位系统、计算机技术、数据通信、传感、自动控制等高新技术，并将其有效地运用于铁路运输管理、列车控制管理等各个方面，从而有利地促进了铁路运输向着信息化、智能化的方向迈进。我国高速铁路智能化运输系统的进一步发展，必将带动铁路运输能力的提高，并且将为中国RITS体系的最终形成提供前所未有的
30、机遇和巨大的推动力。列车运行安全间隔时间的计算是轨道交通系统的主要指标之一，它反映了系统的最大载客能力，并直接影响系统的设计标准与复杂程度，从而影响造价，同时还表明了系统的适应性或灵活性。CBTC属于移动闭塞系统。移动闭塞系统是一种区间不分割，根据连续检测先行列车位置和速度进行列车间隔控制，确保后续列车不会与先行列车发生冲突，能够安全行车的列车间隔控制系统。在这次项目设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。这个项目实施起来还是有一定的困难的，真是万事开头难，不知道如18 郑庭春：CBT
31、C 系统列车追踪间隔计算 2012.12何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在
32、创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。参考文献1 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,19962 王欣 ,朱刚, 谈振辉.高速铁路智能交通综合信息系统中关键问题的探讨J.铁道学报,2003. 3 汪希时.智能铁路运输系统ITS-RM. 北京: 中国铁道出版社,20044 王卓 ,贾利民 ,王艳辉等.中国铁路智能运输系统关键技术体系及战略研究J.交通运输系统工程与信息,20055 高晶晶,陈霞,谈振辉. 高速铁路智能交通系统中的 CBTC技术J.电气化铁道,20066 陈志武. 基于CBTC 的ATS数据结构分析与设计D. 西南交通大学 ,20107 黄志红,刘旻. 基于无线通信的CBTC 系统J.科技信息,20098 凌祝军. CBTC系统中的联锁技术研究 J.铁道通信信号,20099 陈荣武,诸昌钤,刘莉.CBTC系统列车追踪间隔计算及优化 M.西南交通大学学报,20112012.12 上海师范大学天华学院电子与信息工程系 轨道交通信号处理 1910 居理.移动闭塞后备系统的应用分析J. 城市轨道交通研究 ,2011
