第二章　基于通信的列車運(yùn)行控制（CBTC）系統(tǒng)綜述

第一節(jié)　CBTC系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

基于通信的列車運(yùn)行控制（Communication Based Train Control，簡稱CBTC）系統(tǒng)集先進(jìn)的控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)為一體，具有系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的特點(diǎn)。隨著系統(tǒng)功能的強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)組成越來越復(fù)雜，與線路、運(yùn)輸組織、車輛等專業(yè)的關(guān)系越來越密切。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能，需要對系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分，本章將對CBTC系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、CBTC系統(tǒng)總體組成

CBTC系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的分布式控制系統(tǒng)，主要由控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備五大部分組成，整個(gè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意如圖2-1所示。

控制中心設(shè)備主要包括ATS子系統(tǒng)設(shè)備，負(fù)責(zé)列車整體運(yùn)行控制及調(diào)整功能。

車站設(shè)備主要包括區(qū)域控制器設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲單元設(shè)備、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備及車站ATS設(shè)備，負(fù)責(zé)聯(lián)鎖邏輯處理、臨時(shí)限速管理、移動授權(quán)計(jì)算、車站級運(yùn)行控制等功能。

軌旁設(shè)備主要包括應(yīng)答器設(shè)備、計(jì)軸設(shè)備等，負(fù)責(zé)列車位置校正、后備級別下的移動授權(quán)授予、區(qū)段占用/空閑狀態(tài)監(jiān)測等功能。

車載設(shè)備主要包括車載ATP設(shè)備、車載ATO設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備（MMI）等，負(fù)責(zé)列車運(yùn)行中的安全防護(hù)、列車自動駕駛以及系統(tǒng)與司機(jī)間的人機(jī)交互等功能。

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備由有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)CBTC系統(tǒng)各部分設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)連接，其中控制中心設(shè)備、車站設(shè)備及軌旁設(shè)備通過有線骨干網(wǎng)進(jìn)行連接，而上述三部分設(shè)備與車載設(shè)備間的通信通過沿線布置的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

通過這五大部分設(shè)備的協(xié)同工作，組成完整的CBTC信號系統(tǒng)。

二、控制中心設(shè)備

控制中心設(shè)備主要由CBTC系統(tǒng)中ATS子系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成。ATS子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)站場信息、列車信息的監(jiān)督和對列車運(yùn)行的控制功能。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，ATS系統(tǒng)在控制中心設(shè)置了應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信前置機(jī)、運(yùn)行圖/時(shí)刻表編輯工作站、調(diào)度員工作站、ATS維護(hù)工作站等一系列設(shè)備?？刂浦行牡脑O(shè)備布置情況如圖2-2所示。

各設(shè)備的功能及組成如下：

1.應(yīng)用服務(wù)器

應(yīng)用服務(wù)器是控制中心ATS的核心處理設(shè)備。它從其他系統(tǒng)獲取現(xiàn)場信號設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和列車狀態(tài)數(shù)據(jù)，從調(diào)度員工作站接收控制指令，并進(jìn)行相應(yīng)處理。應(yīng)用服務(wù)器具有自動功能，包括：自動列車追蹤、自動進(jìn)路辦理、自動運(yùn)行調(diào)整、自動分配運(yùn)營任務(wù)。

應(yīng)用服務(wù)器由應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用軟件和雙機(jī)熱備平臺組成。應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用軟件運(yùn)行在雙機(jī)熱備平臺上。

2.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是ATS子系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫。它所存儲的數(shù)據(jù)至少包括：線路數(shù)據(jù)、列車數(shù)據(jù)、運(yùn)行圖數(shù)據(jù)、ATS子系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器能夠保存180天的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫軟件和商用雙機(jī)熱備平臺組成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫軟件都運(yùn)行在商用雙機(jī)熱備平臺上。

3.通信前置機(jī)

通信前置機(jī)是控制中心ATS與外部系統(tǒng)（如時(shí)鐘系統(tǒng)、無線系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等）的接口設(shè)備。同時(shí)，通信前置機(jī)也是ATS子系統(tǒng)的時(shí)鐘服務(wù)器，利用通信前置機(jī)，可以完成ATS子系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的校時(shí)。

通信前置機(jī)由通信前置機(jī)應(yīng)用軟件和雙機(jī)熱備平臺組成。應(yīng)用軟件運(yùn)行在雙機(jī)熱備平臺上。

4.運(yùn)行圖/時(shí)刻表編輯工作站

運(yùn)行圖/時(shí)刻表編輯工作站是地鐵運(yùn)營計(jì)劃的管理平臺。它提供計(jì)劃運(yùn)行圖/時(shí)刻表的編制、修改、刪除、上傳、下載、導(dǎo)入、導(dǎo)出、查詢、瀏覽、打印等功能。該工作站提供人工和自動兩種編圖方式。所編制的計(jì)劃運(yùn)行圖/時(shí)刻表在上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之前，自動進(jìn)行沖突檢查、有效性檢查，確保正確有效。利用計(jì)劃工作站，可以方便查詢數(shù)據(jù)庫中的既有計(jì)劃運(yùn)行圖/時(shí)刻表。

運(yùn)行圖/時(shí)刻表編輯工作站由運(yùn)行圖/時(shí)刻表編輯工作站應(yīng)用軟件和一臺計(jì)算機(jī)組成。應(yīng)用軟件運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上。

5.調(diào)度員工作站

調(diào)度員工作站是中心調(diào)度人員和系統(tǒng)的人機(jī)接口設(shè)備。它向調(diào)度員顯示站場狀態(tài)、列車運(yùn)行信息、當(dāng)日計(jì)劃運(yùn)行圖/時(shí)刻表和實(shí)際運(yùn)行圖/時(shí)刻表信息。調(diào)度人員可以在調(diào)度工作站上操作，控制現(xiàn)場信號設(shè)備和列車運(yùn)行。調(diào)度工作站還具有控制區(qū)域管理、系統(tǒng)設(shè)備連接狀態(tài)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、列車運(yùn)行信息查詢等功能。

調(diào)度工作站由調(diào)度工作站應(yīng)用軟件和一臺計(jì)算機(jī)組成。調(diào)度工作站應(yīng)用軟件運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上。

6.ATS維護(hù)工作站

ATS維護(hù)工作站是ATS子系統(tǒng)的維護(hù)平臺。在ATS維護(hù)工作站上，可以和調(diào)度工作站一樣監(jiān)視全線現(xiàn)場信號設(shè)備狀態(tài)和列車運(yùn)行情況，監(jiān)視接口狀態(tài)，監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)，報(bào)警管理與查詢等；可以對整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行配置；可以對ATS維護(hù)工作站所顯示的站場狀態(tài)、列車運(yùn)行和操作日志等歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放；可以對系統(tǒng)保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和備份。

ATS維護(hù)工作站由ATS維護(hù)工作站應(yīng)用軟件和一臺計(jì)算機(jī)組成。應(yīng)用軟件運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上。

控制中心是線路各處信息集中匯總處理的平臺，而為了獲取線路各處的信息，必須依靠分散于沿線各站的車站設(shè)備，下面將對車站設(shè)備進(jìn)行介紹。

三、車站設(shè)備

CBTC系統(tǒng)的車站根據(jù)設(shè)備布置和功能需求的不同，分為設(shè)備集中站和非設(shè)備集中站兩種類型，絕大多數(shù)的車站設(shè)備位于設(shè)備集中站里，因此以設(shè)備集中站（以下簡稱為集中站）為例，對車站設(shè)備進(jìn)行介紹。

集中站設(shè)備涉及多個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)設(shè)備、區(qū)域控制器子系統(tǒng)設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲單元子系統(tǒng)設(shè)備、車站分機(jī)設(shè)備等，典型集中站的設(shè)備布置如圖2-3所示。

各設(shè)備的功能及組成如下

1.計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備

設(shè)備集中站配置的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）設(shè)備包括聯(lián)鎖機(jī)、驅(qū)采機(jī)、現(xiàn)地控制工作站、維護(hù)工作站。

現(xiàn)地控制工作站是所轄區(qū)域的人機(jī)接口設(shè)備，采用顯示器與鼠標(biāo)相結(jié)合的操作方式。聯(lián)鎖機(jī)是進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算的計(jì)算機(jī)設(shè)備。現(xiàn)地控制工作站具有進(jìn)路辦理、重復(fù)開放信號、進(jìn)路取消或者人工解鎖、區(qū)段故障解鎖、道岔監(jiān)控、扣車等功能。

驅(qū)采機(jī)用于對所轄區(qū)域內(nèi)車站的道岔、信號機(jī)、計(jì)軸設(shè)備、緊急停車按鈕等信號設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)采集和控制。

維護(hù)工作站實(shí)時(shí)監(jiān)視車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的運(yùn)行情況，記錄車站值班人員的操作情況、車站運(yùn)行情況及故障記錄。通過友好的操作界面，為故障分析、事故分析、信號維護(hù)人員維修計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)提供幫助。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備分層結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系如圖2-4所示。

作為SIL4級要求的安全設(shè)備，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖必須采用安全計(jì)算機(jī)平臺作為載體，目前聯(lián)鎖設(shè)備一般采用“二乘二取二安全計(jì)算機(jī)平臺

2.區(qū)域控制器

區(qū)域控制器（Zone Controller，簡稱ZC）是CBTC系統(tǒng)ATP子系統(tǒng)核心控制設(shè)備，是車地信息處理的樞紐，與聯(lián)鎖一樣，作為SIL4級安全產(chǎn)品，區(qū)域控制器采用“二乘二取二”冗余結(jié)構(gòu)的安全計(jì)算機(jī)平臺。區(qū)域控制器的主要工作職責(zé)是根據(jù)CBTC列車所匯報(bào)的位置信息以及聯(lián)鎖所排列的進(jìn)路和軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內(nèi)的CBTC列車計(jì)算生成移動授權(quán)（MA），確保在其控制區(qū)域內(nèi)CBTC列車的安全運(yùn)行。

區(qū)域控制器設(shè)備主要由主機(jī)處理單元、通信控制器、容錯(cuò)安全管理單元（Fault Tolerant and Safety Management，簡稱FTSM）、維護(hù)機(jī)等部分組成，如圖2-5所示。

區(qū)域控制器同樣采用了二乘二取二安全計(jì)算機(jī)平臺。

3.數(shù)據(jù)存儲單元

數(shù)據(jù)存儲單元（Data Storage Unit，簡稱DSU）子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)中重要的地面控制設(shè)備，主要負(fù)責(zé)全線臨時(shí)限速存儲和下載功能，以及數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)庫版本管理等功能。

在CBTC控制級別下，ATP子系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)庫版本進(jìn)行管理，通過策略保證車載設(shè)備與地面設(shè)備、地面設(shè)備與地面設(shè)備之間使用的數(shù)據(jù)庫是一致的，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

ZC需與DSU進(jìn)行數(shù)據(jù)庫版本號比較，比較確認(rèn)數(shù)據(jù)庫版本號一致后，才允許對其管轄范圍內(nèi)的列車進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)庫版本號作為與列車的交互信息發(fā)送，用于保證車地使用相同的數(shù)據(jù)庫等功能。

同樣，車載ATP子系統(tǒng)需確認(rèn)其數(shù)據(jù)庫版本與其控制設(shè)備是一致的，才允許列車運(yùn)行在ATP模式下。

數(shù)據(jù)存儲單元與區(qū)域控制器、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖一樣，采用了“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)平臺，下面對此平臺進(jìn)行介紹。

車站設(shè)備中，聯(lián)鎖子系統(tǒng)設(shè)備、區(qū)域控制器設(shè)備及數(shù)據(jù)存儲單元設(shè)備均采用“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)平臺。此安全計(jì)算機(jī)平臺采用安全冗余設(shè)計(jì)，帶獨(dú)立“故障—安全”檢驗(yàn)的安全冗余系統(tǒng)，其硬件平臺從硬件設(shè)計(jì)上采用“二乘二取二”結(jié)構(gòu)、雙系并行工作的“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)部通信和外部通信都采用冗余通道設(shè)計(jì)。雙系之間采用隔離技術(shù)，對其中一系進(jìn)行維修與替換不會對另外一系以及其他子系統(tǒng)正常工作有任何影響，任何一個(gè)計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能正常工作，整個(gè)系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常運(yùn)行，不會導(dǎo)致其他子系統(tǒng)的無故切換?！岸硕《卑踩?jì)算機(jī)平臺的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。

二取二通道的兩臺計(jì)算機(jī)通過同時(shí)工作的雙冗余100Mbit/s內(nèi)部和外部以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單路通信應(yīng)能夠保證通信安全，同時(shí)工作的雙冗余方式保證數(shù)據(jù)通信的可用性。出于冗余設(shè)計(jì)的考慮，設(shè)置了2個(gè)相互獨(dú)立而功能相同的通信控制器。通信控制器分別向2系轉(zhuǎn)發(fā)CBTC系統(tǒng)中的其他設(shè)備發(fā)送給地面ATP子系統(tǒng)的信息，從而完成外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)信息的相互傳遞。這樣通信控制器的存在，使地面ATP子系統(tǒng)對于CBTC系統(tǒng)中的其他設(shè)備而言，表現(xiàn)為單一的IP地址，同時(shí)通信控制器起到安全計(jì)算機(jī)平臺內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)隔離的作用。

“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)平臺包括2個(gè)FTSM單元，每個(gè)FTSM單元負(fù)責(zé)控制一系內(nèi)雙機(jī)的運(yùn)行和與另一個(gè)FTSM單元共同控制2個(gè)通信控制器。2個(gè)FTSM單元相互作用來維持整個(gè)“二乘二取二”結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行。2個(gè)FTSM單元之間的互鎖/自鎖邏輯完成“主”“備”轉(zhuǎn)換，所以只要有1個(gè)二取二通道處于“正?！蹦Ｊ剑?個(gè)FTSM單元之間的互鎖/自鎖邏輯就可以“判決”出“主”通道。2個(gè)FTSM單元之間的互鎖/自鎖邏輯原理框圖如圖2-7所示。

上述各部分協(xié)同工作，構(gòu)成了完整的“二乘二取二”安全計(jì)算機(jī)平臺，為計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、區(qū)域控制器、數(shù)據(jù)存儲單元的安全性、可靠性和可用性提供保障。

4.ATS車站分機(jī)設(shè)備

ATS車站分機(jī)是設(shè)備集中車站ATS的核心處理設(shè)備。它負(fù)責(zé)處理本集中站所轄線路范圍內(nèi)的現(xiàn)場信號設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和列車狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收現(xiàn)地控制工作站的控制指令，進(jìn)行相應(yīng)處理，保證內(nèi)部邏輯控制對象屬性與實(shí)際現(xiàn)場一致。它主要實(shí)現(xiàn)對本集中站范圍內(nèi)列車的追蹤、進(jìn)路自動辦理、車次號的自動分配功能。

ATS車站分機(jī)由ATS車站分機(jī)應(yīng)用軟件和雙機(jī)熱備平臺組成。應(yīng)用軟件運(yùn)行在雙機(jī)熱備平臺上。

車站設(shè)備向控制中心設(shè)備發(fā)送了線路相關(guān)信息，而這些信息的基礎(chǔ)采集來自于軌旁的基礎(chǔ)設(shè)備，下面對軌旁設(shè)備進(jìn)行介紹。

四、軌旁設(shè)備

軌旁設(shè)備主要包括計(jì)軸系統(tǒng)和應(yīng)答器系統(tǒng)，主要功能為區(qū)段占用/空閑狀態(tài)監(jiān)測、列車定位及向列車發(fā)送后備模式下的移動授權(quán)信息等。

1.計(jì)軸系統(tǒng)

計(jì)軸系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成，具備外接復(fù)零條件以及與聯(lián)鎖和計(jì)算機(jī)監(jiān)測等設(shè)備的接口，其組成框圖如圖2-8所示。

計(jì)軸系統(tǒng)室外電子設(shè)備為：車輪傳感器。室內(nèi)設(shè)備主要包括：放大板、計(jì)軸板、輸出板、復(fù)零板和電源板等單元。其中車輪傳感器與放大板組成車軸檢測單元，計(jì)軸板與輸出板等組成計(jì)軸運(yùn)算單元。其功能框圖如圖2-9所示。

車輪傳感器是計(jì)軸系統(tǒng)用于監(jiān)測軌道占用/空閑情況的室外設(shè)備，安裝在鋼軌上，根據(jù)使用條件的不同，可采用打孔式安裝方式或夾具式安裝方式，如圖2-10、圖2-11所示。

計(jì)軸系統(tǒng)設(shè)備的室內(nèi)部分為計(jì)軸機(jī)柜，內(nèi)含下列主要板卡：

（1）電源板輸入50Hz交流220V電源，輸出直流12V和24V電源，為其他板件提供工作電源。

（2）車輪駛過傳感器作用區(qū)域時(shí)，車輪傳感器產(chǎn)生輪軸信號，并將該信號輸出至放大板。

放大板接收到車軸傳感器的輪軸信號，經(jīng)放大和整形，形成輪軸脈沖，為計(jì)軸板和輸出板提供工作條件。

（3）計(jì)軸板有2套獨(dú)立的計(jì)軸運(yùn)算單元，分別根據(jù)放大板傳送的車輪傳感器信息，判斷列車行進(jìn)方向，并完成經(jīng)過的列車軸數(shù)計(jì)入和計(jì)出統(tǒng)計(jì)，當(dāng)兩套計(jì)軸運(yùn)算單元計(jì)算結(jié)果完全相同時(shí)，才輸出空閑信息給輸出板。

（4）輸出板由12個(gè)繼電器組成，完成車輪傳感器的狀態(tài)輸出和區(qū)間空閑或占用的條件輸出。

（5）復(fù)零板執(zhí)行所屬區(qū)段計(jì)軸電路的復(fù)零。

典型的計(jì)軸系統(tǒng)設(shè)備機(jī)柜結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。

2.應(yīng)答器系統(tǒng)

應(yīng)答器系統(tǒng)是為點(diǎn)式級別列車提供移動授權(quán)（MA）信息，并為CBTC級別列車和點(diǎn)式級別列車提供位置信息的重要軌旁設(shè)備。

應(yīng)答器系統(tǒng)主要由應(yīng)答器、軌旁電子單元（Lineside Electronic Unit，簡稱LEU）組成。應(yīng)答器可以分為有源應(yīng)答器、無源應(yīng)答器、環(huán)線應(yīng)答器三類，符合歐標(biāo)應(yīng)答器各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、要求。通過應(yīng)答器對在線運(yùn)營列車進(jìn)行安全可靠的定位檢測，定位精度可滿足列車控制和追蹤間隔要求。

（1）有源應(yīng)答器

有源應(yīng)答器用于發(fā)送移動授權(quán)和復(fù)示信號機(jī)的信號顯示。

有源應(yīng)答器布置在進(jìn)路始端信號機(jī)前，向經(jīng)過的點(diǎn)式列車發(fā)送點(diǎn)式MA信息。

有源應(yīng)答器用以復(fù)示前方信號機(jī)的狀態(tài)信息時(shí)，根據(jù)牽引計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，用以提高線路的通過能力。

有源應(yīng)答器如圖2-13所示。

（2）無源應(yīng)答器

無源應(yīng)答器中存儲的信息包含應(yīng)答器標(biāo)識信息，該標(biāo)識對于整個(gè)線路上的每個(gè)應(yīng)答器是唯一的。應(yīng)答器標(biāo)識同樣包含在儲存于車載ATP里的靜態(tài)線路描述中，當(dāng)列車經(jīng)過應(yīng)答器時(shí)，車載ATP通過查詢獲得應(yīng)答器的信息，可實(shí)現(xiàn)列車的位置校正。

無源應(yīng)答器如圖2-14所示。

無源應(yīng)答器和有源應(yīng)答器的外形完全一致，不同之處在于有源應(yīng)答器需要外部供電帶有雙絞線接入用以改變存儲信息，而無源應(yīng)答器不需要外部雙絞線接入。

（3）環(huán)線應(yīng)答器

環(huán)線應(yīng)答器可以看作是一種特殊的有源應(yīng)答器，其作用也是為點(diǎn)式級別列車提供移動授權(quán)（MA）信息，并為CBTC級別列車和點(diǎn)式級別列車提供位置信息。環(huán)線應(yīng)答器比一般的應(yīng)答器要長，其長度可達(dá)4m，確保列車在對位停車時(shí)，能夠持續(xù)接收到環(huán)線應(yīng)答器發(fā)送的點(diǎn)式移動授權(quán)信息，從而保證列車不會在前方發(fā)車進(jìn)路沒有開放時(shí)誤出發(fā)。

環(huán)線應(yīng)答器如圖2-15所示。

（4）軌旁電子單元

軌旁電子單元（LEU）是與有源應(yīng)答器直接連接的設(shè)備，是在CBTC降級備用ITC（Intermittent Train Control，點(diǎn)式列車控制）模式下使用的ATP地面設(shè)備。LEU向有源應(yīng)答器和環(huán)線應(yīng)答器傳輸點(diǎn)式級別下的移動授權(quán)信息，滿足應(yīng)答器上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。LEU設(shè)備如圖2-16所示。

在點(diǎn)式級別下，LEU接收聯(lián)鎖發(fā)送的控制命令，選擇相應(yīng)的點(diǎn)式移動授權(quán)信息，并將該點(diǎn)式移動授權(quán)信息發(fā)送到可變應(yīng)答器和環(huán)線應(yīng)答器，車載ATP接收到移動授權(quán)信息后，對列車進(jìn)行ITC模式下的安全控制。

控制中心設(shè)備、車站設(shè)備和軌旁設(shè)備都是為車載設(shè)備服務(wù)的，所有的控制信息和指令最終均由車載設(shè)備進(jìn)行執(zhí)行，下面將對車載設(shè)備進(jìn)行介紹。

五、車載設(shè)備

CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備一般稱為VOBC（Vehicleon-boardController，車載控制器）或CC（Carbone Controller，車載控制器），車頭、車尾各一套，頭尾兩端通過通信線纜相連，用以實(shí)現(xiàn)頭尾兩端設(shè)備之間的通信以及車地?zé)o線通信的雙路冗余。車載ATP子系統(tǒng)為SIL4級系統(tǒng)設(shè)備，采用單端“三取二”的安全冗余技術(shù)或雙端各一套“二取二”，雙端共同構(gòu)成“二乘二取二”的安全冗余技術(shù)，確保車載設(shè)備的安全性、可靠性及可用性。車載設(shè)備的典型配置如圖2-17所示。

車載設(shè)備的組成主要包括：

（1）ATP安全冗余單元：車頭、車尾各安裝一套ATP車載設(shè)備，采用冗余安全計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)備轉(zhuǎn)換時(shí)間不影響列車正常運(yùn)行或司機(jī)正常駕駛，且不會導(dǎo)致車輛控制端的改變。

（2）雷達(dá)傳感器：車頭、車尾分別安裝一個(gè)雷達(dá)傳感器，與速度傳感器完成冗余的列車速度和走行距離測算與驗(yàn)證。

（3）速度傳感器：車頭、車尾在不同車軸安裝獨(dú)立的速度傳感器，與雷達(dá)傳感器完成冗余的列車速度和走行距離測算與驗(yàn)證。

（4）BTM應(yīng)答器主機(jī)單元：車頭、車尾各設(shè)置一個(gè)，與應(yīng)答器接收天線一起，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)答器報(bào)文解析和列車位置矯正等。

（5）應(yīng)答器接收天線：車頭、車尾各設(shè)置一個(gè)，接收地面應(yīng)答器發(fā)送的報(bào)文。

（6）車載無線單元：車頭、車尾各安裝一套車載無線單元，雙端互為冗余。

（7）車載無線天線：車頭、車尾各設(shè)置一套車載無線天線，接收/發(fā)送來自沿線無線信號。

（8）MMI單元：車頭、車尾各配備一套MMI單元設(shè)備，向司機(jī)提供駕駛信息的顯示與操作控制。

（9）兩端車載設(shè)備貫通線：車頭、車尾設(shè)置貫通線，用于兩端車載設(shè)備信息的交互。

車載設(shè)備的三個(gè)主要組成部分為列車自動防護(hù)（ATP）、列車自動駕駛（ATO）及人機(jī)界面（MMI）。

1.列車自動防護(hù)（ATP）設(shè)備

ATP設(shè)備是車載設(shè)備中負(fù)責(zé)列車運(yùn)行安全的重要設(shè)備，根據(jù)從車站設(shè)備獲取的移動授權(quán)信息及線路上的障礙物信息，結(jié)合與車站設(shè)備進(jìn)行了版本校驗(yàn)的電子地圖，列車自動防護(hù)設(shè)備將對列車的運(yùn)行行為進(jìn)行全面監(jiān)控，一旦出現(xiàn)威脅列車運(yùn)行安全的情況，列車自動防護(hù)設(shè)備將立刻采取措施，保證列車運(yùn)行安全。

列車自動防護(hù)設(shè)備的組成如圖2-18所示。

如前所述，列車自動防護(hù)設(shè)備采用“二乘二取二”或“三取二”安全計(jì)算機(jī)平臺，“二乘二取二”平臺已在本節(jié)車站設(shè)備中有所介紹，下面對“三取二”平臺進(jìn)行介紹。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于通用電子元器件本身不具備故障狀態(tài)的不對稱性，造成基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)不具有故障狀態(tài)的不對稱性。為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性，普遍采用冗余技術(shù)，例如三取二冗余方案。

在計(jì)算中，三模冗余（Triple Modular Redundancy，簡稱TMR）是一個(gè)容錯(cuò)形式的N-模冗余，其中三系統(tǒng)執(zhí)行一個(gè)過程，結(jié)果由表決系統(tǒng)進(jìn)行處理以產(chǎn)生一個(gè)單一的輸出。如果表決失敗，則整個(gè)系統(tǒng)就會失敗。一個(gè)良好的三模冗余系統(tǒng)的表決系統(tǒng)比其他組成部分可靠。

三取二系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。

三取二冗余系統(tǒng)采用3路獨(dú)立電源為主機(jī)A、B、C獨(dú)立供電，3個(gè)主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，對輸入進(jìn)行處理，輸出信息通過三取二表決器表決后輸出。三取二系統(tǒng)采用故障屏蔽技術(shù)來保證系統(tǒng)的安全，提高系統(tǒng)的可靠性，即3套同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的CPU控制單元兩兩進(jìn)行比較，有任何2個(gè)或2個(gè)以上的CPU控制單元工作正常且輸出一致則認(rèn)為系統(tǒng)工作正常。

2.列車自動駕駛（ATO）設(shè)備

ATO設(shè)備是車載設(shè)備中負(fù)責(zé)對列車進(jìn)行自動駕駛的設(shè)備，在列車自動防護(hù)設(shè)備的安全防護(hù)下，列車自動駕駛設(shè)備通過與車輛系統(tǒng)的接口，發(fā)出牽引、制動指令，控制列車進(jìn)行站間運(yùn)行及停站、啟動作業(yè)，并能夠根據(jù)控制中心設(shè)備所發(fā)出的控制、調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)站間運(yùn)行調(diào)整的功能。

列車自動駕駛設(shè)備組成如圖2-20所示。

由于列車自動駕駛并非SIL4級安全設(shè)備，因此一般采用單機(jī)結(jié)構(gòu)或采用雙機(jī)熱備的方式提高設(shè)備的可用性和可靠性。

3.人機(jī)界面（MMI）設(shè)備

MMI設(shè)備用于輔助司機(jī)進(jìn)行列車的安全駕駛，通過顯示屏向司機(jī)提供清晰、直觀的駕駛信息，通過觸摸屏操作輔助司機(jī)完成一系列信息錄入和設(shè)備日檢功能。

人機(jī)界面提供豐富的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、級別，列車運(yùn)行速度、目標(biāo)距離、牽引制動狀態(tài)，當(dāng)前控制級別及駕駛模式，控制信息等顯示，司機(jī)可通過人機(jī)界面對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察或進(jìn)行調(diào)整。

典型的人機(jī)界面如圖2-21所示。

六、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

作為一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備間需要通過可靠的骨干通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通信，車載設(shè)備與地面設(shè)備間也需要通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向大容量無線通信。

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具備完全冗余的特性。冗余概念應(yīng)用在DCS子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有層次上，包括交換機(jī)、光纖鏈路和空中的無線鏈路。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2-22所示。

1.地面骨干網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的有線網(wǎng)絡(luò)一般由商業(yè)級骨干網(wǎng)絡(luò)（SDH、RPR等）或工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。地面骨干網(wǎng)絡(luò)為信號系統(tǒng)提供專用有線信息傳輸，為控制中心設(shè)備、車站設(shè)備及軌旁設(shè)備間提供信息的透明傳輸通道。以SDH網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行介紹。

（1）SDH網(wǎng)絡(luò)

同步數(shù)字體制（Synchronous Digital Hierarchy，簡稱SDH），是不同速度的數(shù)字信號傳輸提供相應(yīng)等級的信息結(jié)構(gòu)，包括復(fù)用方法和映射方法，以及相關(guān)的同步方法組成一個(gè)技術(shù)體制，是一種成熟的商業(yè)級骨干網(wǎng)絡(luò)解決方案。

SDH網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)部分通過冗余的光纖骨干網(wǎng)互相連接起來。骨干節(jié)點(diǎn)和骨干網(wǎng)接入交換機(jī)構(gòu)成了軌旁網(wǎng)絡(luò)的一部分，該軌旁網(wǎng)絡(luò)通過光纖沿線路延伸，構(gòu)成整個(gè)信號系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

骨干網(wǎng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，分布到線路的典型站內(nèi)。骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖2-23所示。

骨干網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了完善有效的SDH網(wǎng)絡(luò)自愈保護(hù)方案，從而根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)靈活可靠的自愈保護(hù)倒換。

車站有線網(wǎng)絡(luò)采用成熟的基于IP的以太網(wǎng)技術(shù)接入到骨干網(wǎng)；接入網(wǎng)的設(shè)備為以太網(wǎng)交換機(jī)，接入交換機(jī)通過RJ45以太網(wǎng)接口與骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備相連。

與有線網(wǎng)絡(luò)連接的應(yīng)用系統(tǒng)主要包括：ATP/ATO子系統(tǒng)、ATS系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、MSS系統(tǒng)及電源監(jiān)測系統(tǒng)。邏輯上，根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，劃分有線網(wǎng)絡(luò)為5個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)：2個(gè)冗余的ATC網(wǎng)、2個(gè)冗余的ATS網(wǎng)和1個(gè)維護(hù)網(wǎng)（含電源監(jiān)測）。

（2）工業(yè)以太交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，即應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備。由于采用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)其開放性好、應(yīng)用廣泛；能適應(yīng)低溫高溫，抗電磁干擾強(qiáng)，防鹽霧，抗震性強(qiáng)，使用的是透明而統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，因此以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要通信標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的各個(gè)部分通過冗余的光纖骨干網(wǎng)互相連接起來。一段骨干網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成了軌旁網(wǎng)絡(luò)的一部分，該軌旁網(wǎng)絡(luò)沿線路延伸，構(gòu)成整個(gè)信號系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)全部采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)。骨干網(wǎng)由5個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)組成，其中ATC網(wǎng)絡(luò)為2個(gè)冗余備份的環(huán)網(wǎng)，ATS網(wǎng)絡(luò)為2個(gè)冗余備份的環(huán)網(wǎng)，維護(hù)網(wǎng)為1個(gè)環(huán)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-24所示。

工業(yè)以太交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)可采用的交換機(jī)品牌很多。分別支持不同的私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)上擁有大量交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)的情況下，保證快速完全恢復(fù)所有業(yè)務(wù)通信。

與有線網(wǎng)絡(luò)連接的應(yīng)用系統(tǒng)主要包括：ATP/ATO子系統(tǒng)、ATS系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、MSS系統(tǒng)及電源監(jiān)測系統(tǒng)。邏輯上，根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，劃分有線網(wǎng)絡(luò)為5個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)：2個(gè)冗余的ATC網(wǎng)、2個(gè)冗余的ATS網(wǎng)和1個(gè)維護(hù)網(wǎng)（含電源監(jiān)測）。

2.車地通信網(wǎng)絡(luò)

地面骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了地面設(shè)備間的相互通信，而車載設(shè)備與地面設(shè)備間的雙向大容量無線通信則是通過車地通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。車地通信網(wǎng)絡(luò)由冗余的紅、藍(lán)雙網(wǎng)共同構(gòu)成，技術(shù)方案主要有WLAN方案及LTE方案兩種。

（1）WLAN方案

采用WLAN方案的車地通信網(wǎng)絡(luò)采用類似IEEE 802.11g的專用通信協(xié)議，無線網(wǎng)絡(luò)工作在2.4GHz（2.4～2.4835GHz）開放頻段；采用冗余雙網(wǎng)設(shè)計(jì)，雙網(wǎng)分別對應(yīng)有線網(wǎng)絡(luò)的冗余ATC網(wǎng)，軌旁無線單元與車載無線單元都是冗余配置。

WLAN方案的車地通信網(wǎng)絡(luò)可采用多種傳輸方式或傳輸方式的組合，如無線自由波方式、波導(dǎo)管方式及漏纜方式等，適應(yīng)隧道、地面、高架等各種城市軌道交通的工程條件。

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)在軌旁配置軌旁無線接入點(diǎn)（AP）和軌旁定向天線。一個(gè)AP箱內(nèi)一般配置2個(gè)AP模塊，分別為2個(gè)不同的ATC網(wǎng)AP模塊，軌旁天線在一個(gè)點(diǎn)配置兩組連接不同ATC網(wǎng)的定向天線。

在站臺區(qū)域?qū)崿F(xiàn)站臺門聯(lián)動控制時(shí)，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)在車站內(nèi)為站臺與站臺門的聯(lián)動提供地—車無線通道，實(shí)現(xiàn)站臺門與列車車門的聯(lián)動打開和關(guān)閉。

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)在列車上配置信號系統(tǒng)車載無線單元（Client）、車載天線。在車頭、車尾分別安裝一套信號車載無線單元及車載天線，通過安裝在車體上的無線天線發(fā)送/接收無線自由波信號，車頭與車尾的無線單元分別與兩個(gè)ATC骨干網(wǎng)上的AP相關(guān)聯(lián)，同時(shí)利用兩個(gè)ATC骨干網(wǎng)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。

為了減少干擾，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)可以采用5MHz窄帶通信技術(shù)，另外還采取多種抗干擾措施，如定向天線、雙頻冗余覆蓋、電磁兼容設(shè)計(jì)等。

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括軌旁接入點(diǎn)、定向天線、車載無線單元、車載天線以及各種射頻電纜，所有無線設(shè)備均使用工業(yè)化、模塊化的COTS產(chǎn)品，可以方便地升級、維護(hù)和擴(kuò)展。

（2）LTE方案

除WLAN方案外，隨著無線通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，最新的TD-LTE技術(shù)也開始逐漸應(yīng)用到CBTC信號系統(tǒng)的車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)中。LTE技術(shù)是基于3GPP相關(guān)規(guī)范開發(fā)的，與現(xiàn)有3GPP系列無線接入技術(shù)（GSM、WCDMA、HSPA等）具有良好的兼容性。最重要的是，LTE具有極高的頻譜利用率和靈活性，從1.4MHz到20MHz，從連續(xù)的頻譜資源到非連續(xù)的頻譜資源，從TDD的頻譜資源到FDD的頻譜資源，LTE可以在靈活使用頻譜資源的基礎(chǔ)上獲得最高的頻譜利用率。LTE是未來移動數(shù)字生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工（Frequency Division Duplexing，簡稱FDD）和時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，簡稱TDD）兩種方式。信號系統(tǒng)多采用TDD-LTE制式，TDD-LTE具備頻譜申請靈活、上下行資源可調(diào)配的特點(diǎn)。

LTE技術(shù)采用了正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，簡稱OFDM），多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，簡稱MIMO），自適應(yīng)調(diào)制編碼（Auto Modulation and Coding，簡稱AMC）及混合自動重傳（Hybrid Automatic Repeat Request，簡稱HARQ）等技術(shù)，在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行150Mbit/s與上行75Mbit/s的峰值速率，同時(shí)在改善小區(qū)邊緣用戶的性能、提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲等方面都有顯著提升。

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用LTE技術(shù)進(jìn)行信號系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸時(shí)，從邏輯上可以分為3個(gè)部分：核心層、接入層、終端層。基于LTE的DCS系統(tǒng)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-26所示。

核心層是整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分，完成無線傳輸數(shù)據(jù)的匯聚與分發(fā)，與其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)互聯(lián)，提供可靠的雙向數(shù)據(jù)通信服務(wù)。所有的無線接入數(shù)據(jù)都需要通過核心層與外部系統(tǒng)通信。同時(shí)核心層負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理與維護(hù)。

接入層提供沿線無線接入服務(wù)，同時(shí)上行接入地面有線網(wǎng)絡(luò)，與中心子系統(tǒng)對接，完成對各類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。

終端層由車載無線終端組成，用于連接軌旁無線網(wǎng)絡(luò)。