CN111874048A - 一种集中控制城轨cbtc信号系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中控制城轨CBTC信号系统，将原有CBTC系统向TCC系统(Train Centralized Controlling System，列车集中控制系统)转换，集中控制在线列车的运行，并通过网络将命令发至列车执行，实现数字列车控制系统的目标。具体的，将数据采集和命令执行的硬件做成物理控制层设备，仅执行命令与数据采集工作，可以完整仿真CBTC系统的实际物理接口输入，并能在室内环境下仿真列车运行真实场景环境。并且，车载设备不再执行计算任务，车载控制器作为和列车的接口设备，用于指令的执行和数据的回采，对列车的控制和计算，由信息计算层完成，所有列车的运行由信息计算层统一调度。

Description

一种集中控制城轨CBTC信号系统

技术领域

本发明涉及城市轨道交通技术领域，尤其涉及一种集中控制城轨CBTC信号系统。

背景技术

随着城市轨道交通事业和通信技术的发展，基于CBTC(Communication BasedTrain Control System，通信的列车控制系统)控制的列车全自动驾驶系统(FAO)已成为当前国内外轨道交通行业的主流列车控制技术。这类全自动驾驶系统，是对原有CBTC系统结构和功能上的增强，使用的仍然是传统的CBTC系统架构。FAO主要使车辆段实现了自动运行，在正线增加了故障和紧急情况下，多系统联动的能力和反应处理能力，实质仍然是传统的CBTC系统的一次功能升级。

如图1所示，为传统CBTC系统架构。1)在传统架构CBTC中，车载设置种类较多，需要配置完整的车载安全冗余计算机，通信设备、显示操作设备。而在在全自动驾驶车辆中，这类设备需要占据较多空间，不符合全自动列车设备精简的发展趋势。2)传统CBTC，因为系统架构原因，使用的通信速率仅200kB/s，速率较低，传输的内容量明显受限。3)传统CBTC，依靠车载自主计算，故需要配置冗余计算机，设备故障几率较大。故障后，仍然需要听从调度员指令，人工驾驶。4)传统CBTC，为防止车载设备和地面ATP故障，均配置后备模式，即增加额外轨旁设备。5)传统CBTC，车载与地面设备均有安全完整性等级，而通信系统无安全完整性级别。

在数字交通发展规划纲要中，已明确提出使用5G通信技术，促进信息技术与交通运输的深度融合，以健全网络和数据安全体系，推动载运工具智能化。城轨信号系统追求的目标高效运输，要实现这个目标，需要不断追求高密度行车和行车计划的灵活可变。随着5G通信在轨道交通行业内的逐步应用，对线路网络覆盖程度和车地通信速率明显提高，传统的CBTC结构上，已经不适应这样通信技术的发展，应该做出结构更新。

总体而言，传统CBTC系统主要如下以下问题：

1、以车载为主体的列控模式制约了信号系统整体功能。

以往，由于通信速率低，地面设备将地面设备状态传给车载设备，车载设备自主计算后直接控车。这样造成了信号系统严重依赖车载设备。即使当前最流行的车-车通信的信号系统，仍然以车载设备为主体，使得信号系统的整体功能受到车载设备的制约。由于列车速度信号是软件根据人工输入的操作信息生成，未用到真实的速度信号发生单元，无法对CBTC系统输出的列车控制指令进行响应。从而造成了CBTC系统的列车自动驾驶功能无法在室内完成验证测试，需要占用大量的现场测试，严重影响了自动驾驶功能的稳定性和系统整体调试时间。

2、全自动运行列车的空间和设备均需简化。

在当前全自动驾驶列车取消司机室及保留简易驾驶台的现状下，以车载为主体的列控模式由于车载冗余设备较多，需要设计独立空间，这不符合全自动列车的设计趋势。

3、限制了智能技术更复杂的列车的运行。

由于车载列控设备的运行速率和容量的限制，在保证安全的前提下，已经最大化利用了现有车载硬件资源，不可能在进行更复杂的智能计算和执行灵活的调度任务。不仅限制了智能调度系统的发展，还无法进一步提高列车追踪密度的时间间隔。

4、系统结构复杂，不利于自动化测试。

由于CBTC系统涉及大量轨旁信号元素，需要手动输入，针对CBTC系统的自动化测试无法开展。系统测试需要人工执行，限制了测试的时间与规模，降低了系统稳定性测试的强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种集中控制城轨CBTC信号系统，将原有CBTC系统向TCC系统(Train Centralized Controlling System，列车集中控制系统)转换，集中控制在线列车的运行，并通过网络将命令发至列车执行，实现数字列车控制系统的目标。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种集中控制城轨CBTC信号系统，包括：信息计算层、系统通信层和物理控制层；其中：

所述信息计算层，基于获取的车载信息计算控车曲线，并输出控车曲线与控车命令，基于获取的地面信息下发相应的地面设备控制命令，以及监控所述物理控制层的状态，并基于所述车载信息与地面信息监控列车与地面设备的状态；

所述系统通信层，实现所述信息计算层与物理控制层的数据通信，包括：将所述物理控制层采集的车载信息与地面信息传输给所述系统通信层，以及将所述信息计算层输出的控车曲线与控车命令及运行计划传输给所述物理控制层；

所述物理控制层，用于采集车载信息与地面信息，以及根据控车曲线与控车命令控车列车的运行，根据所述地面设备控制命令控制相应的地面设备。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)将数据采集和命令执行的硬件做成物理控制层设备，仅执行命令与数据采集工作，可以完整仿真CBTC系统的实际物理接口输入，并能在室内环境下仿真列车运行真实场景环境。2)ATP、ATO、ZC及ATS在一个层面(即信息计算层)内工作，系统中硬件都是统一硬件，统一平台，结合云平台或者虚拟化，使得任务执行更快速，更直接，更简单。3)车载设备不再执行计算任务，车载控制器作为和列车的接口设备，用于指令的执行和数据的回采，对列车的控制和计算，由信息计算层完成，所有列车的运行由信息计算层统一调度。4)车载控制器和地面控制器作为协议转换器，能将网络信号转换成对应的串口，继电接口，模拟量接口，从而执行相应的命令；也能回采车辆状态数据和传感器接口数据，并将这些数据转换成网络信号。地面控制器能分散布置在单个轨旁设备旁，也能一种类型的多台设备使用一台地面控制器，地面控制器直接通过有线或无线网络接入联锁系统。5)无线通信可以依靠新一代4G/5G通信系统，提高了车、地数据传输的速率、稳定性，降低了数据延时，完成了车载设备命令的接收和状态的实时上传。也为大量的轨旁设备接入网络提供了良好通路途径。6)在测试中，由于减少了硬件系统的依赖，能提高软件自动化测试水平和覆盖面，为系统的快速升级、部署测试提供了一个很好的环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种集中控制城轨CBTC信号系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种集中控制城轨CBTC信号系统架构图；

图3为本发明实施例提供的又一种集中控制城轨CBTC信号系统架构图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种城轨CBTC信号系统，将原有CBTC系统向TCC系统转换，即所有信号系统计算设备均放置在地面，集中控制在线列车的运行，并通过网络将命令发至列车执行，实现数字列车控制系统的目标。

如图1所示，系统主要包括：信息计算层、系统通信层和物理控制层，其中：

所述信息计算层，基于获取的车载信息计算控车曲线，并输出控车曲线与控车命令，基于获取的地面信息下发相应的地面设备控制命令，以及监控所述物理控制层的状态，并基于所述车载信息与地面信息监控列车与地面设备的状态；

所述系统通信层，实现所述信息计算层与物理控制层的数据通信，包括：将所述物理控制层采集的车载信息与地面信息传输给所述系统通信层，以及将所述信息计算层输出的控车曲线与控车命令及运行计划传输给所述物理控制层；

所述物理控制层，用于采集车载信息与地面信息，以及根据控车曲线与控车命令控车列车的运行，根据所述地面设备控制命令控制相应的地面设备。

为了便于理解，下面针对系统中三层结构做详细的介绍。

一、信息计算层。

本发明实施例中，所述信息计算层主要包括：列车自动监控系统(ATS)、区域控制中心(ZC)、列车自动防护系统(ATP)、列车自动运行系统(ATO)、以及联锁系统(CI)。信息计算层位于地面端，也即上述系统对现有的车载与地面系统进行了整合，将车载设备功能移至地面。

本发明实施例中，将ZC、ATP及ATO、ATS设置在同一层面，作为同级关系，在一起工作，但是各自功能职责没变。信息计算层是系统的核心控制部分，该层可灵活设计。在具体实现时，ZC涉及控车曲线，可与ATP及ATO处于同一层，也可融入ATS，做到统一界面显示，相应的系统架构如图2、图3所示。

1、ATS与ZC。

列车自动监控系统，用于监控物理控制层的状态，并基于车载信息与地面信息监控列车与地面设备的状态，以及下发运行计划至所述联锁系统与区域控制中心。

所述区域控制中心，根据所述运行计划与车载信息，下发控车命令至所述列车自动防护系统与列车自动运行系统。

控制方面，操作人员能在ATS上编辑，操作运行图，给列车下达运行计划及指令。在非常规情况下，能直接通过车载控制器控制列车运行，可以完整的体现操作人员的操作意图。对地面信号设备能操作改变信号机，转辙机，计轴(轨道电路)，应答器信息等项目。示例性的，非常规情况可以包含如下两种情况：1)ZC和ATO异常时，联锁需要人工控制，车辆需要人工操作蠕动或限速运行；2)运行计划时，出现紧急情况，需要人工即刻干预情况下。

监督方面，ATS有较好的人机界面，能够显示车载控制器状态，列车位置，速度，地面信号设备状态，控制器状态，控制的指令，线路状态，与信号有接口的其他系统状态。

ZC系统涉及控车曲线、控车命令的下达，可以在ATS在线运行界面中叠加ZC控车曲线。在ATS离线编辑图中，也可增加ZC对离线图的计算结果。

另外，外部系统接入信号系统，通过网络信息互联，接入ATS，由ATS负责分析接口信息并作为中枢控制。

2、ATP与ATO系统。

ATP与ATO系统执行列车的复杂计算和逻辑处理功能，可为每列车配置单独的ATP、ATO软件，易于安全的实现运行控制计算。所述ATP与ATO系统，根据所述区域控制中心的命令，并结合所述车载信息计算控车曲线，并输出控车曲线与控车命令。物理控制层的车辆控制器直接根据控车曲线与控车命令控车，列车上不再布置ATP和ATO系统的计算设备，仅保留车载控制器用于采集和执行功能。

本领域技术人员可以理解，ZC、ATP与ATO系统均涉及控车曲线与控车命令的下达，区别在于各自角色不同，ZC级别最高，可下发命令给ATP与ATO系统，ATP系统为监督者，ATO系统为执行者。

3、CI系统

CI系统根据所述地面信息实现地面设备的监控，以及根据运行计划，计算地面设备的状态，并将计算结果反馈给所述列车自动监控系统(ATS)，由所述列车自动监控系统下发地面设备控制命令集中控制地面设备，并显示地面设备的状态。

具体来说，CI系统作为轨旁系统的重要控制设备，利用物理控制层的地面控制器采集地面设备的数据信息，以及对地面设备进行监控，地面设备包括但不限于：信号机，转辙机，屏蔽门，计轴，应答器等设备。CI系统接收ATS提供的运行命令，自动计算检查、设置地面设备的状态(例如进路状态，道岔位置等)，并将计算结果反馈给ATS系统，由ATS集中控制和显示进路状态。CI系统控制的地面轨旁设备的信息，直接影响ATS行车计划的执行，和控车设备的动作，是最基础的线路运行条件。在各种运行模式下，应保证联锁系统功能的正常。

本发明实施例中，信息计算层中信号系统的ATP与ATO系统使用标准服务器，可在云平台或虚拟化软件中部署软件。将数据采集和命令执行的硬件(即车载控制器)做成物理控制层设备，仅执行引入了速度发生器提供速度脉冲信号，引入了输入输出控制单元提供继电器动作(车载控制器工作，需要输入信号，例如速度发生器，其他输入(继电器)等)，并且实现了二者的自动控制，完整仿真了CBTC系统的实际物理接口输入。并根据CBTC系统的运行状态实现了接口的自动控制，使得接口信息符合CBTC系统的逻辑检查原则，可被视为合法输入，在室内环境下仿真实现包括ATO列车自动驾驶模式在内的列车运行真实场景环境。

另一方面，车载设备不再执行计算任务，车载控制器作为和车辆的接口设备，用于指令的执行和数据的回采，对车辆的控制和计算以ATP与ATO计算为主。所有列车的运行有ATS统一调度，为了实现无人驾驶的某些特殊模式(属于前文提到的非常规情况)，在地面设置控车台，使用遥控控车软件即可遥控列车。这些指令和控制的完成，依靠高速度、高可靠的无线通信系统；遥控控车软件在ATS防护的基础上的运行，车载控制器设于列车上，是遥控控车的接收端。

二、系统通信层。

所述系统通信层采用4G或5G无线网络、以及有线网络实现所述信息计算层与物理控制层的数据通信；其中，所述车载控制器与所述信息计算层通过4G或5G无线网络实现数据通信，所述地面控制器与所述所述信息计算层通过4G或5G无线网络和/或有线网络实现数据通。

5G通信具有超大带宽、大量连接、超低时延的特性，满足列车控制系统的需求。在车、地之间，通过车辆上安装车载控制器实现了ATP、ATO系统的直接控车，还实现车辆状态、设备监控信息的实时回传。在自动驾驶列车中，通过地面ATP设备，人工在地面实现驾驶列车的任务。

地面轨旁设备众多，都能通过5G网络接入联锁系统中实现高可靠双向通信。不再需要用继电器采集轨旁设备工作状态，减少联锁系统的设备构成，现实硬件，硬线向软件，网络控制的方向发展。

系统通信层依靠新一代4G/5G通信系统，提高了车、地数据传输的速率、稳定性，降低了数据延时，完成了车载设备命令的接收和状态的实时上传。也为大量的轨旁设备接入网络提供了良好通路途径。

对于通信系统要求和安全完整性级别设置如下：

对于4G(LTE)或5G无线网络：

1)上行每路传输速率不小于512kbit/s，下行每路传输速率不小于512kbit/s；

2)可用性不低于99.99％；

3)列丢包率不超过1％，通信中断时间不超过2s的概率不小于99.99％；

网络安全方面：采用了标准以太网TCP传输协议；LTE无线接入层中采用了安全加密措施，有线接入层中采用了MAC地址认证和交换机端口接入认证；在无线通信中使用了祖冲之加密算法，并设置了频带隔离，以隔离其他系统的频带干扰；在电磁干扰方面，无线设备均满足国家环境电磁波卫生标准。

网络连接可靠性方面：设置专网数据优先级优先保证列控数据的传输质量；通过设置无线双网交织冗余覆盖，保证无线网络的高可用性；在有线光纤环网中，单网一处故障不会影响全网通信；在软件层面，配置了按次数据重传机制，降低了丢包率；开发的网络实时监测系统，能监控全网通信设备状态，并且实时测量无线信号强度。

三、物理控制层。

所述物理控制层主要用于执行网络数据命令，采集物理设备状态，转换为网络数据回传，其主要包括：车载控制器与地面控制器。

车载控制器和地面控制器作为协议转换器，执行相应命令时能将网络信号转换成对应的串口，继电接口，模拟量接口。也能回采车辆状态数据和传感器接口数据，并将这些数据转换成网络信号。具体来说：

所述车载控制器用于采集车载数据，并转换为网络数据实时回传给所述信息计算层，以及根据所述控车曲线与控车命令控车列车的运行。

所述地面控制器用于采集地面信息，并转换为网络数据实时回传给所述信息计算层，以及根据所述地面设备控制命令控制相应的地面设备。地面控制器可根据环境布置，灵活管理轨旁设备，能分散布置在单个轨旁设备旁，也能一种类型的多台设备使用一台地面控制器。

在上述系统本系统架构中，有2个网络环，实现了列车控制的2种模式：一种是正常系统控车模式(ATP、ATO)，也即前文介绍的自动化控车模型，一种是后备人工控车模式(CI)，也即人工遥控控车的模式。每种模式下，车辆均能读取轨旁应答器数据。

本发明实施例提供的上述系统，在新的无人驾驶列车建设的趋势下，实现列车网络化，虚拟机的集中控制系统。克服原有CBTC系统已车载信号计算为主，无法适应高密度，可变计划的无人驾驶列车的需求。大大简化了系统的硬件和设备接口，使原来分散的控制系统，集中在地面的信息计算层，信息计算层可通过云平台或虚拟化软件实现，从而实现了硬件软件化，软件虚拟化，集中布置软件，简化了硬件配备和连接，采用了可靠云平台软件和虚拟化软件的方式，降低了专用硬件和软件的原有技术缺陷，使新的技术能尽快升级。在测试中，由于减少了硬件系统的依赖，能提高软件自动化测试水平和覆盖面，为系统的快速升级、部署测试提供了一个很好的环境。同时，本发明的设计的物理控制层设备是基于网络通信的通用的接口模块，对串口，网络，继电或模拟量都能兼容，克服了不同车辆和厂家设备不能通用的缺陷，为行业的信号系统标准化和互联互通提供了一个新的方案。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种集中控制城轨CBTC信号系统，其特征在于，包括：信息计算层、系统通信层和物理控制层；其中：

所述信息计算层，基于获取的车载信息计算控车曲线，并输出控车曲线与控车命令，基于获取的地面信息下发相应的地面设备控制命令，以及监控所述物理控制层的状态，并基于所述车载信息与地面信息监控列车与地面设备的状态；

所述系统通信层，实现所述信息计算层与物理控制层的数据通信，包括：将所述物理控制层采集的车载信息与地面信息传输给所述系统通信层，以及将所述信息计算层输出的控车曲线与控车命令及运行计划传输给所述物理控制层；

所述物理控制层，用于采集车载信息与地面信息，以及根据控车曲线与控车命令控车列车的运行，根据所述地面设备控制命令控制相应的地面设备。

2.根据权利要求1所述的一种集中控制城轨CBTC信号系统，其特征在于，所述信息计算层包括：列车自动监控系统、区域控制中心、列车自动防护系统、列车自动运行系统、以及联锁系统；其中：

所述列车自动监控系统，用于监控物理控制层的状态，并基于车载信息与地面信息监控列车与地面设备的状态，以及下发运行计划至所述联锁系统与区域控制中心；

所述区域控制中心，根据所述运行计划与车载信息，下发控车命令至所述列车自动防护系统与列车自动运行系统；

所述列车自动防护系统与列车自动运行系统，用于根据所述区域控制中心的命令，并结合所述车载信息计算控车曲线，并输出控车曲线与控车命令；

所述联锁系统，根据所述地面信息实现地面设备的监控，以及根据运行计划，计算地面设备的状态，并将计算结果反馈给所述列车自动监控系统，由所述列车自动监控系统下发地面设备控制命令集中控制地面设备，并显示地面设备的状态。

3.根据权利要求1所述的一种集中控制城轨CBTC信号系统，其特征在于，所述信息计算层包括：所述系统通信层采用4G或5G无线网络、以及有线网络实现所述信息计算层与物理控制层的数据通信；其中，所述车载控制器与所述信息计算层通过4G或5G无线网络实现数据通信，所述地面控制器与所述所述信息计算层通过4G或5G无线网络和/或有线网络实现数据通。

4.根据权利要求1所述的一种集中控制城轨CBTC信号系统，其特征在于，所述物理控制层包括：车载控制器与地面控制器；

所述车载控制器用于采集车载数据，并转换为网络数据实时回传给所述信息计算层，以及根据所述控车曲线与控车命令控车列车的运行；

所述地面控制器用于采集地面信息，并转换为网络数据实时回传给所述信息计算层，以及根据所述地面设备控制命令控制相应的地面设备。

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