轨道交通信号系统篇(1)

[关键词]城市轨道交通；信号系统；关键技术；分析

城市轨道交通信号系统在当今社会中发挥着重要的作用，是轨道交通发展中必不可少的科研成果。随着科技信息技术高速发展，列车对信号系统要求越来越高，不仅表现在安全方面，同时还表现在效率方面，都需要信号系统具有较强的技术基础，为此，下文对城市中城市轨道交通信号系统的关键技术进行深入研究。

1城市轨道交通信号系统

1.1城市轨道交通信号系统在生活中的作用

城市轨道交通在实际运行中具有舒适性、不间断性、准点性等特点，基于城市轨道交通的这些特点，在城市轨道交通系统中采用轨道交通信号系统能够将信号设备的作用充分发挥，达到事半功倍的效果。从世界上先进的轨道交通运营中发现，只有高水平的信号系统，才能够在交通中实现提高列车运行的效率，并且安全性能比较高[1]。

1.2城市轨道交通信号系统特征

第一，城市轨道交通中所承担的客流量比较多，基于安全角度考虑，对于行车之间的最小行车间距要求比较高，进而对列车的速度监控提出了较高的要求，其主要的目的就是为了实现列车运行中的安全保障。第二，对城市轨道交通运输速度进行分析，城市轨道交通运行中的实际速度与铁路干线相比，数值上相差很多，所以，在实际的城市轨道交通信号系统中，不需要数据传输较快的信号系统，只需要传输速度较低的系统就可以实现信号传输功能；第三，由于在城市中，列车的运行间隔比较小，运行中所展现的规律性比较强[2]。

2城市轨道交通信号系统设计情况

由于我国在城市轨道交通信号系统研发中起步比较晚，与国际水平间存在一定的距离。在城市轨道交通信号系统建设阶段，由于在各项技术上，外商对信号系统设计的核心技术掌握着主动权，因此，在国内市场中，不得不对信号系统进行比较长时间的调试；在信号系统的运营阶段，进口设备在实际运行与维护上存在很多障碍，一些比较轻微的故障就需要外援，并且设备在实际运行中的风险比较大；在建设阶段，对于网络化比较复杂的城市，存在多种形式的信号系统，因此，在实际的信号系统投入使用中，要想实现多元化网络系统的实际使用，需要在多种线路中进行线路互联，但是该种方式在某种程度上严重影响了资源的共享[3]。

3基于LTE技术的城市轨道交通信号系统技术分析

3.1LTE技术概述

LTE技术是当今比较适用的交通信号技术，该项技术在实际城市轨道交通信号系统中能够实现高传输速率，低时延，并支持信号系统中的多种功能，支持广播组的播出业务，具有无线接入架构。LTE技术的主体性能为：在20MHz频谱带宽条件下，技术系统能够提供上行、下行分别为100Mb/s和50Mb/s的峰值速率。实现的城市轨道交通覆盖率达到了100Km。为了实现更加优化的功能，LTE系统中采取一种网格化结构，集成了适用于宽带移动传输的众多先进技术。LTE技术优势有很多，能够实现传输效率高、频谱使用灵活等功能[4]。

3.2LTE技术与WLAN技术性能对比

第一，在项目干扰方面，LTE技术能够申请比较专业的频段，有效避免外部设备的信号干扰，并且由ICIC来解决系统内部干扰。但是WLAN技术在该方面采用的是开放性的频段，信号很容易受到外部的干扰。从技术的可维护性上进行分析，LTE技术在网元上的数量比较少，实现无线覆盖距离比较远，城市轨道交通轨旁设备之间的距离比较大。在WLAN技术下，其信号覆盖距离比较短，每200米就需要设置无线设备，后者在维护比较困难；从移动性上进行分析，LTE自动频率校正技术性能比较高，能够保证信号平稳。而WLAN只适合于低速环境；从技术的服务质量上进行分析，LTE技术支持优先级的设置，能够保证信号系统的无线传输，但是WLAN技术却不能实现信号系统的优先级。

3.3LTE信号系统在城市轨道交通中应用

随着科技不断发展，LTE技术在城市轨道交通中的应用越来越广泛，LTE技术在诸多个城市轨道交通中应用。信号系统主要涉及的问题就是安全，无线信息系统要想实现稳定性以及可靠性，对于信息系统的要求比较高。信号系统在进行通讯传输时实时性要求比较高，而在PIS系统中，无线通信传输要求比较低，但是在宽带方面的需求比较大。两者在技术需求上的方向不同，因此，不能单一的将PIS系统中的LTE技术灵活应用到城市轨道交通信号系统中来[5]。2014年，在北京地铁指挥中心的支持下，多家信号厂商对LTE技术在信号系统中的实际应用进行现场测试，希望能够通过专业的技能检测，促进城市轨道交通信号技术发展。在现场测试中，具有代表性的厂商有华为、中兴、普天等，通过这些厂商对LTE技术的实际测试，得出结论，并提出LTE技术在信号系统中应用的测试结果：第一，从延时方面，其传输时延的测试结果为10~25ms，其中最长的延时为106.5ms；第二，从信号方面，信号丢包率上下行均为0.005%以下；切换延时为34~46ms左右，其中最长时间为135ms；15MHz频宽的平均吞吐量为，上行11Mb/s，下行19Mb/s。在实际的测量下，LTE技术能够完全满足信号系统在无线传输中的要求。在频率信息选择上，工信部了与无线接入系统频率使用的相关事宜，对城市中轨道交通的申请使用提供支持以及肯定，换言之，城市轨道交通单位可以使用该频段，并获取得该频段的使用权。民用手持设备中，对于信号的频段占位将不会影响频段的使用。与WLAN的开放频段相比，专用频段能够有效缓解外部信息的干扰。LTE技术逐渐成为移动通信发展中的关键技术，在城市轨道交通信号系统中发挥着重要的作用。

4结论

本文中所介绍的城市轨道交通信号系统，在轨道交通行业发展中作用突出，是城市轨道交通的主力军。在科技不断发展的进程中，城市轨道交通信号系统与科技相结合，逐步实现智能化与科技化。本文立足于城市轨道交通信号系统的作用、特点，针对目前我国城市轨道交通信号系统的发展近况，对相关问题进行分析，为信号系统中的关键技术的发展研究提供了一定的帮助。

[参考文献]

[1]刘晓娟.城市轨道交通CBTC系统关键技术研究[D].兰州交通大学,2009.

[2]王飞杰.城轨CBTC智能调度指挥系统关键技术的研究[D].北京邮电大学,2011.

[3]阚庭明.城市轨道交通乘客信息系统关键技术研究[D].中国铁道科学研究院,2013.

[4]王东.轨道交通信号系统仿真测试与验证技术研究与应用[D].浙江大学,2014.

轨道交通信号系统篇(2)

关键词：无线传输 CBTC 网络 波导管 漏缆 电台

中图分类号：U231+.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（b）-0010-02

各大系统供应商都希望通过无线电传输系统减少轨旁信号线缆的铺设以及线缆的日常维护工作从而进一步降低成本。这种期望得到了业界内广泛的认可。但是，随之而来的问题就是使用何种无线传输技术实现CBTC功能。

CBTC系统需要高度依赖列车、轨旁以及控制中心之间的高速双向通信传输，因此，必须拥有一套可靠性、稳定性高的车地无线传输系统。组建一个无线通信系统必须充分考虑无线电波的传播问题。下面将针对车地无线传输系统的实现方式展开探讨。

1 漏缆

由于城市轨道交通的特点使得它必须是线性无线覆盖，并且要在列车行驶的线路上均匀覆盖。对于使用漏缆或漏泄波导管作为传输介质的网络有先天性的优势，因为它们的特性使它们非常容易在复杂的传输环境中与钢轨形成一个平行的无线覆盖网络。

漏缆一般由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波从发射端通过同轴电缆传至另一端。电磁波在漏缆中传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；而外界的电磁场则通过漏缆上的槽孔感应到漏缆内部并传送到接收端。漏缆的频段覆盖在450 MHz～2 GHz以上，能够适应现有的各种无线通信体制。与传统的天线系统相比，漏缆天线系统具有以下优点。

（1）适用频率宽，场强覆盖均匀稳定。

（2）漏缆衰减等传输参数更加均匀稳定，对安装环境适应能力强。

2 漏泄波导管

目前，北京地铁2号线就是利用此种方式来实现CBTC功能。波导管是一种用于传导高频电磁波的元件，是一种空心、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子，在其表面每隔一段距离刻有一条细微的裂缝，使无线电波从此裂缝中向外传送超高频电磁波。波导管物理特性和衰减性能很好，最大传输距离可达1 600 M，能够呈现良好的方向性分布，可在隧道及弯曲通道中传输。通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地。波导管具有以下优点。

（1）无线场强覆盖均匀，抗干扰能力较强，衰耗小。

（2）传输速率大、传输距离长，可以减少列车在各AP之间进行漫游和切换。

3 无线电台

目前，西安地铁1、2号线、北京地铁10号线均使用此种方式来实现CBTC功能。国内大多数地铁都采用此类信号系统，工程投资少，列车运行间隔短，轨道交通运输能力高，满足了大客流和运能的需求。它是根据IEEE802.11无线局域网的标准建立起的一套宽带通信系统。由轨旁、车载、骨干三部分网络组成。无线传播是目前使用最广泛的一种传播方式。它以无线信道作传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。它利用电磁波在空气中从车载天线到轨旁天线双向传递行车数据。这种空间自由传播的方式能够节省大量的轨旁设备，在轨道交通狭窄的隧道安装上具有特殊的优势。相对于有线网络，具有安装简单、灵活性强、终端设备可移动和可扩展等优点，已成为几乎所有行业网络便携式、固定式终端设备的接入标杆性应用。无线电台具有以下优点。

（1）设备安装位置限制较少，受其他因素影响小。

（2）AP数据传播速率较高，可实现网络冗余覆盖。

（3）安装、维护容易，成本较低。

4 交叉感应环线

由交叉感应环线构成的双向通信系统主要用于车地设备之间的无线双向通信。系统内包括环形电缆、车载设备及轨旁设备。环形电缆需要沿着钢轨的中心对称进行敷设，每隔一段进行一次交叉。车地间传输的数据通过直接数字频率合成技术转换为信号，在经过功率放大器的放大后输送至环线上，与车载设备进行车地无线通信。交叉感应环线具有以下优点。

（1）使用经验成熟，施工工艺成熟，环线使用寿命较长。

（2）环线设备及施工投资较少。

5 结语

众所周知，电波在隧道中的传播特性和自由空间不同。当隧道直线距离短、弯道多时，直射波传播将受到环境因素的影响。另外，由于隧道内有吸收衰减和多径效应，使传播衰减大大增加。因此，空间自由传播的方式在工程实施时必须提前进行勘察，设备布置的不确定性较大。在开放空间的区段（如高架桥，车辆段区域），因存在其他的民用WLAN，传输更加容易受到污染。该文仅从现有车地无线传输方式中进行比对，列举了目前各信号系统供应商及投入使用的信号系统无线传输系统各自的优点，下面将这几种方式的缺点统一列出。

（1）漏缆缺点：在地面和高架段施工安装时工艺复杂、美观效果差、漏缆采购价格较高。

（2）波导管缺点：工程施工难度较高，需全线安装，安装精度要求较高。设备造价较高，后期养护投入较大。

（3）无线电台缺点：电波传输受弯道和坡度影响大，隧道内反射严重，容易受到无线环境影响。频繁漫游切换，降低了无线传输连续性和可靠性。

（4）交叉感应环线的缺点：环线安装在钢轨的中间，安装困难且不方便日后对钢轨的维保工作。车地通信的速率低，环线交叉点距离比较小，在长线路铺设时施工较为繁琐。

CBTC列车控制系统能够根据前行列车和前方线路情况，在确保安全的前提下紧追踪前行列车运行，能有效缩短列车追踪间隔，运输效率也得到极大提高，因此在国内外能够得到迅速推广。目前各种无线传输系统均有着自身的优势和不足，如何利用优点，并克服缺点，合理化的应用城市轨道交通，是需要探讨并解决的问题。

参考文献

[1]付兵，廖理明.城市轨道交通CBTC信号系统[M].西南交通大学出版社，2016.

轨道交通信号系统篇(3)

关键词：信号机；显示方案；点灯电路；故障处理

在城市轨道交通中，由于地铁设计规范未对信号机显示作出统一规范，致使各城市轨道交通的信号机显示略有不同，信号机点灯电路也存在差异。由于信号机的点灯状态直接影响行车安全，因此研究信号机显示方案及信号机点灯电路问题具有重要意义。

1信号机显示方案

车辆段内的信号机常态点灯，正线信号机主要分为常态点灯和常态灭灯两种形式，本文将信号机显示方案与运营模式结合，对现存信号显示方案作如下分析：

1.1常态CBTC运营模式与信号机灭灯

正常情况下，列车在CBTC模式下运行时，正线信号机为灭灯状态，列车凭车载信号行车；而当非CBTC列车接近信号机且满足开放联锁条件时，信号机自动点亮允许灯光；当轨旁ZC故障，联锁将故障区域内的所有信号机转为点灯模式［1］。1）常态灭灯方案优点：一是可解决司机正常驾驶的干扰问题；二是满足绿色环保的设计理念。2）常态灭灯方案缺点：一是司机长期在灭灯状态下驾驶CBTC列车，容易产生思维定势；在驾驶非CBTC列车时，存在冒进信号的可能。二是信号机点灯故障无法被及时发现。

1.2常态CBTC运营模式与信号机点灯

1）常态CBTC模式，后备和CBTC均点灯。计算机联锁根据ZC区域控制器传送的信息（列车是“CBTC模式”还是“后备模式”），来判断信号机点灯方式。后备模式时，联锁需检查进路内的区段空闲条件，以确定是否开放信号机，而CBTC模式下，凭车载信号行车，被列车移动授权覆盖的信号机亮相对应的允许灯光。（1）优点：一是可实时监测信号机状态；二是正常情况下可实现车地信号显示意义的统一。（2）缺点：一是后备模式下与CBTC模式下受红灯或其他灯位故障影响不同，前者将红灯故障视为禁止行车信号，后者以车载为主体信号，即使地面红灯，也不影响列车运行。二是系统设计较复杂，在后备模式时，联锁是依据计轴信息和其他联锁逻辑，判断是否驱动信号机；在CBTC模式时，联锁通过与轨旁ATP设备的实时交互、自身逻辑判断来驱动信号机点灯，计算机联锁驱采软件相对复杂。三是不符合节能环保的设计理念。2）常态CBTC模式，随移动授权灭灯。CBTC模式下，信号机常态点灯，当列车接近信号机时，随着移动授权覆盖，使范围内的信号机灭灯，列车凭车载信号行车，列车越过信号机后，信号机自动再次点亮红灯；后备模式下的列车或非CBTC列车视地面信号的显示运行。（1）优点：一是正常情况下，可以解决车地信号显示不一致问题；二是可实时监测信号机状态；三是相对于一直亮灯的显示方案，节能环保。（2）缺点：系统设计较为复杂。3）常态CBTC模式，信号点蓝灯。信号机在原有基础上增加一个蓝灯位，信号机常态点蓝灯，表示列车运行在CBTC模式下，凭车载信号行车，当蓝灯故障时，信号机改点红灯，灯丝监测装置对故障蓝灯进行报警提示；后备模式下，蓝灯为禁止信号，联锁设备根据计轴区段占用信息，实时动态控制列车运行前方和后方各两架信号机，点亮相应灯光，此时蓝灯灭灯状态。（1）优点：一是正常情况下，解决车--地信号显示不一致问题；二是可实时监测信号机状态。（2）缺点：一是相对灭灯方案，不符合节能环保设计理念；二是相对于三灯位的信号机而言，增加了信号机构和室外电缆费用。4）常态CBTC模式，信号点红色M灯。信号机在原有基础上增加一个灯位（自上而下的灯光配列通常为M红、黄、绿、红），M红灯位的底色为白，字母为红，常态CBTC模式下，M红灯亮灯，表示信号机所防护进路为锁闭状态，CBTC列车凭车载信号运行，非CBTC列车需视M红灯为禁止信号；后备模式下，M红灯灭灯，联锁控制信号机点亮相应灯光；自动进路中的计轴区段故障也会将入口信号机转换为M红灯［2］。（1）优点：一是正常情况下，可解决车地信号显示不一致问题；二是可实时监测信号机状态。（2）缺点：一是远距离时，存在司机将M红灯误认为红灯的可能；二是不符合节能环保设计理念；三是相对于三灯位而言，增加了信号机构和室外电缆费用；

1.3常态为后备运营模式

1）常态为后备模式，CBTC灭灯。在常态后备模式下，信号机点红灯；当满足信号开放的联锁条件时，信号机开放允许信号（绿、黄、红黄）。当列车运行在CBTC模式下，室外信号机灭灯，当列车运行接近信号机时，信号机保持灭灯。2）在常态后备模式下，信号机点红灯；当满足信号开放的联锁条件时，信号机开放允许信号；在CBTC模式下，信号机常态点亮红灯，当CBTC列车接近信号机且满足开放条件时，信号机点亮蓝灯。

2信号机点灯电路逻辑分析

2.1正线信号机点灯电路逻辑分析及设计

为了区分正线不同的运营模式，在传统点灯电路中增加DDJ（点灯继电器），ZC区域控制器将运营模式信息发送给联锁，联锁控制DDJ的状态，当DDJ落下（DDJ=0）时，表示信号机应该处于后备模式。当DDJ吸起（DDJ=1）时，表示信号机应该处于CBTC模式。为简洁叙述，下文中“↑”表示继电器、控制器等电器元件吸起；“↓”表示继电器、控制器等电器元件落下。1）常态CBTC，点灯电路分析及设计。图2为典型的正线信号机点灯电路。（1）常态CBTC运营模式下，DDJ↑，信号机点蓝灯。（2）后备模式下，DDJ↓，联锁根据计轴状态，控制信号机点亮相应灯光。（3）灯亮条件。对于常态CBTC模式、信号机灭灯的情况（后备模式信号机正常点灯），可将图2的信号机点灯电路作如下变动：去掉蓝灯机构、灯丝继电器及电缆；而对于常态CBTC模式，后备和CBTC均点灯的情况，可将图2的信号机点灯电路作如下变动：去掉蓝灯机构、灯丝继电器及电缆；同时去掉电路中的DDJ，在DDJ继电器插座后面，用导线分别封连第1至第3组的后接点和中接点。2）常态后备模式，点灯电路分析及设计。（1）对于常态后备模式，CBTC灭灯情况下（后备模式信号机点灯，CBTC模式信号机灭灯），信号机点灯电路可在图2的基础上做如下改动：去掉蓝灯机构、灯丝继电器及电缆；将DDJ的前接点换成后接点，串接在继电电路中。（2）对于常态后备模式，CBTC亮蓝灯情况（后备模式下，信号机亮红灯；CBTC模式下，信号机常态红灯，列车接近信号机后，信号机亮蓝灯）的点灯电路如图3所示。

2.2段内调车信号机点灯电路逻辑分析

车辆段内以调车信号机居多，DXJ常态落下，信号机亮禁止灯光（蓝或红），当以调车信号机为始端排列进路时，联锁系统检查相关联锁条件，如联锁条件（进区段空闲、道岔位置正确且锁闭、敌对进路未建立等）满足后，DXJ被驱动吸起，信号机开放白色允许灯光。

3信号机点灯电路故障分析处理

3.1控制台蓝闪（红闪）报警

段内调车信号机点灯及驱采电路如图4所示。结合图4分析，平时蓝灯的主丝工作，当主丝熔断后，灯丝转换继电器两端失去电压，其接点落下，沟通副灯丝点灯回路，如果副灯丝也发生断丝故障，则变压器二次侧回路断开，一次侧失去电流，导致DJ落下，联锁无法采集到DJ的前接点状态，则控制台上的信号机会出现“蓝闪”现象，代表灯丝双断。如果采用了主灯丝报警装置，则可及时发现断丝故障，就不会出现“蓝闪”的现象，故障原因通常为：灯丝继电器故障、采集电路开路、室内开路、室外开路等，但在运维过程中，需快速精准判断故障点。（1）首先根据图纸，到分线架测量（A、BAH）电压值，如测得电压值为210V左右且蓝灯正常点亮，则需要进一步判断（DJ被击穿或DJ采集电路开路）故障原因，通过对DJ的测试可判断其是否被击穿，如未被击穿，则可采用“借电源法”查找采集电路，如图4所示，万用表黑表笔可在其他组合侧面端子借用IOF电源，红表笔沿采集电路逐点测量，电压值从有到无，则代表出现断点，例如，红表笔测试到DJ的12接点时有正常电压值，当移动到DJ的11接点时，电压消失，则说明11-12接点接触不良；虽测到210v电压，但蓝灯不能点亮，说明室外点灯电路开路，由于室外点灯变压器和灯丝转换继电器被集成为一个点灯单元，室外结构简单，按照电路逐点查找故障即可。（2）如测得电压小于10v，需甩掉分线架至室外的电缆后，重新测量电压，电压仍小于10v，则说明室内点灯电路开路，采用“借电源法”按图查找故障；若电压测得为210v，说明室外开路故障，需按图逐点查找点灯电路。

3.2控制台断丝报警

如果控制台出现断丝报警，以该信号机为始端排列进路，白色灯位开放后，如故障消除，则可判断蓝色灯位故障。故障具体排查步骤、方法简介如下：（1）拔出灯泡，检查灯泡（主灯丝是否断丝），如是则更换灯泡。（2）若灯泡工作正常，则检查灯丝转换按钮是否损坏，如已损坏，则更换信号机灯座。（3）若灯座正常，应检查灯丝变压器及相关配线、绝缘是否异常，发现问题及时处理。

3.3允许信号（白灯）无法开放

当出现允许信号无法开放及开放信号故障时，应测试分线架电压，根据所测得电压值进一步判断故障处所及原因。具体步骤与方法如下：（1）当所测电压值小于10v时，查看DXJ状态，若吸起后稍后落下，则室内DXJ31至分线架有开路现象，可采用“借电源法”并根据点灯电路逐点查找；继续查看DXJ状态，若未吸起，则DXJ驱动电路有开路，查看维修机记录，根据驱动电路查找。（2）当所测电压值为210v时，可针对可能出现的下面故障现象分别进行处理：①故障现象：室外信号机灭灯几秒后继续点蓝灯，控制台信号机显示白灯点亮后变为“蓝闪”状态，持续几秒钟后点蓝灯。故障原因分析：导致此故障的主要原因一是由于DXJ吸起，联锁可同时采集到DXJ和DJ的前接点，控制台上的白灯点亮；二是由于白色灯位室外开路，当超过DJ的缓放时间后，DJ因无电流通过而落下，此时联锁无法采集到DJ的前接点，故该信号机标志在控制台上出现“蓝闪”现象；三是联锁无法采集到DJ后，也停止对DXJ的驱动，DXJ落下后，蓝灯点亮，此时DJ再次吸起，联锁采集到DJ前接点后，使该信号机标志在控制台上出现稳定蓝灯。根据现象可判断室外部分有开路，按照电路逐点查找故障即可。②故障现象：室外信号机白灯点亮几秒后跳转蓝灯，控制台信号机显示持续“蓝闪”。故障原因分析：导致此故障的主要原因是开放允许信号的瞬间DJ被击穿，联锁无法采集到DJ的前接点，控制台信号机显示持续蓝闪，联锁停止对DXJ的驱动，DXJ落下，信号机点蓝灯，此种情况需更换DJ。

4结语

常态点灯和灭灯方案在国内轨道交通信号系统中均有采用。两种方案各有优点和不足，如何采用合适的信号显示方案，需针对不同的工程项目，根据业主要求，同时综合运营需求，以确定最终方案。

参考文献：

［1］何秀霞.地铁正线信号机显示方案设计分析［J］.铁道通信信号.2014（9）：47-49.

轨道交通信号系统篇(4)

【关键词】铁路；城市轨道；相同；区别；展望

中图分类号：F530文献标识码： A

一、前言

铁路和城市轨道都是轨道交通工具，但是两者具有一定的区别和联系，本文将进行详细分析。

二、城市轨道交通信号系统的发展和应用状况

二十世纪八十年代末加拿大温哥华的天车（skytrain）轨道交通信号系统首个通信列车控制系统CBTC（communicationbasedtraincontrolsystem）投入商业运营，CBTC是基于通信的列车控制系统，是一种连续的列车自动控制系统，采用高精度的列车定位，独立于轨道电路，连续、大容量、双向车-地数据通信，车载及轨旁处理器能够实施安全功能的信号控制系统。

CBTC系统已引起城市轨道交通建设的重视，但广泛采用CBTC信号系统还是在上世纪末开始。因为CBTC信号系统的自动化程度高、轨旁设备少、运营能力大和高安全性及高可靠性已逐步得到认可。因此，自二十世纪末以来，国外轨道交通信号系统的建设和改造项目几乎都采用了CBTC系统，国内近几年建设的项目也都采用了CBTC信号系统。正是由于CBTC系统与基于轨道电路的传统信号系统相比的诸多优点和优势，CBTC系统的开发、应用正在朝着互联互通和兼容性的方向发展，在轨道交通建设和改造过程中广泛采用，CBTC系统代表着城市轨道交通信号系统的发展方向。

三、铁路与城市轨道交通列车速度自动控制系统的主要相同点

铁路与城市轨道交通ATP系统,尽管因列车运行速度和行车间隔的要求不同而存在一些差异,但在很多方面还是相同的。

1、停车点防护

安全停车点是基于危险点定义的,危险点是列车超越后可能发生危险的点。停车点有时即是危险点,通常在停车点前方设置一段防护段,ATP系统计算得出的紧急制动曲线即以该防护段为基础,保证列车不超越防护段。有时也可在防护段设置一列车滑行速度值,如5km/h。根据需要,列车可在此基础上加速,或者停在危险点前方。

2、列车间隔控制

列车间隔控制是一种保证行车安全(防止两列车发生尾追事故)、提高运行效率(使两列车的时间间隔最短)的信号技术。目前,由于铁路线路条件、列车种类、行车组织方式和对通过能力要求的差别,列控系统也各不一样。一般列车运行控制系统可分为2个档次:第1档次是以一般轨道电路为基础,按固定闭塞方式实现列车速度分级控制,即以当前闭塞分区出口为目标点,按速度等级生成速度防护曲线;第2档次则是以数字编码轨道电路为基础,按一次制动模式控制列车。城市轨道交通列控系统一般采用的都是一次模式曲线。

3、速度监督与超速防护

ATP的速度限制分为2种:一种是固定速度限制,如区间最大允许速度(取决于线路参数),列车最大允许速度(取决于列车的物理特性);另一种是临时性的速度限制,例如线路维修、施工时临时设置的速度限制。ATP系统始终严密监视这类速度限制不被超越,一旦超过,先做告警,后启动紧急制动,并做记录。

4、测速与测距

高速铁路和城市轨道交通的列车速度自动控制系统,都具有测速与测距功能。ATP系统利用装在轮轴上的测速传感器测量列车的即时速度,并在驾驶室内显示。ATP系统的列车定位是以轨道电路为基础的,而对轨道电路内的运行距离测量,则可依赖于所记录的车轮转数及预知的车轮直径加以转换。

四、铁路信号系统与城市轨道交通信号系统的区别

城市轨道交通信号系统和铁路信号系统在基本控制原理、信息传输方式等方面都有相同或相似的地方，但两者的终极控制理念还是有很大差异:城市轨道交通更注重行车密度，把握列车的追踪间隔是控制的核心，而铁路信号系统不仅要缩短列车追踪间隔(这个间隔远比城轨的大)，更关键的是提高运行速度，增大运营能力。所以两种信号系统的区别远远多于共同点。以下作简要分析。

1、铁路信号系统和城轨信号系统的发展渊源不同

铁路信号系统其起始技术大多来源于自主发展，基本设备均国产化有自己的知识产权，就是目前的高铁技术也已经通过引进―――消化―――改进―――自主创新达到了很大程度的国产化，基本上达到了制式统一、体系完整，产品配套已经有自己独立的科研、教育、设计、生产制造、施工维护队伍，这就是具有中国特色的一整套完备的铁路信号系统。而城轨信号系统基本上都是全套引进国外先进技术，还没有完全从引进消化发展到自主创新的阶段，城市轨道交通信号系统的自主研发才蹒跚起步，目前还没有一套具有自主产权的信号系统，也没有形成行业完备的技术规范和标准。

2、信号系统的构成方式不同

城市轨道信号系统主要是ATC系统和车辆段联锁系统组成，ATC(ATS\ATO\ATP三个系统组成)系统主要保证正线列车的运行控制，完成系统信息检测、运行防护和列车运行方式的控制，而城轨车辆段类似于铁路的区段站，其行车组织工作主要包括编解、接发及调车，因而，城轨交通车辆段的信号设备远多于其他车站，通常独立采用一套联锁装置。除车辆段外，其他车站的行车组织作业既单纯又简单，所以在联锁车站上的信号灯也仅有3种颜色、4种含义。

铁路信号系统包括车站联锁设备、区间闭塞设备及编组站驼峰控制系统及列车运行自动控制系统等组成，其设备的复杂性和控制的各自为政导致技术的更新达不到步调一致，使整个系统不容易整合。

3、信号设备的布局及应用的差异，导致联锁关系的难易程度不同

（1）信号机的布局及显示

在城轨中信号机一般设置在线路右侧，大都采用LED信号机，列车信号基本上有红绿黄三色显示，城轨中大多数信号机均设置在车辆段。不同于铁路信号的左向行车制，大都采用色灯信号机，信号显示组合多样，含义复杂，时速200km/h高速铁路，均取消了区间地面信号机，车载速度显示成为列车运行的凭证。这点和城轨到有相似之处。列车自动运行控制系统对于提高运输效率、保障高速铁路列车运行安全将具有非常重要的意义。

（2）道岔控制

目前高速铁路在正线上采用大号码可动心轨道岔，需要多点多台转辙机牵引，并采用复合锁闭(内锁闭和外锁闭)技术。联锁中需设有特殊电路控制，并要求列车速度控制系统应具有防止列车超速通过道岔的功能，从这一点上说，高速铁路应较城市轨道交通复杂。城市轨道交通因为对速度要求较低另外有地域范围限制，正线一般采用9号道岔，车辆段(停车场)一般采用7号道岔，如果正线上采用的是9号AT道岔(弹性可弯道岔)时才需要两个牵引点，即一组道岔需要两台转辙机牵引。

（3）联锁方式

铁路与城市轨道交通信号系统相比，有一个显著的不同，那就是城市轨道交通一般车站没有分支(折返站除外)，不设道岔，从而也不设地面信号机，仅在少数的有岔联锁站和车辆段才布局道岔和地面信号机，所以联锁设备的监控对象远远少于铁路车站的监控对象，城轨车站(折返站除外)全部的作业就是旅客的乘降，作业形式单调，联锁关系简单。

5、中断站

高速铁路由于站间距较长，无法满足信息传输的要求，往往需在区间增加设置区间信号无人值守中继站，一个中继站一般只可以管理区域内的256个环线。而城市轨道交通则不需设置。

五、铁路与城市轨道交通信号控制系统展望

目前,我国高速铁路的发展尚处在起步阶段,若将城市轨道交通的一些成熟的信号技术移植到高速铁路中,将大大促进高速铁路信号技术的发展。通过前面的比较不难看出,高速铁路具有闭塞分区长,行车速度快、联锁及道岔控制复杂等特点,所以高速铁路应针对自己的特点在城市轨道交通列车运行控制系统的基础上进行改造和创新。

可喜的是,近几年来,三大干线相继开行了最高时速达140~160km/h的旅客列车,繁忙干线全面提速取得了历史性进展。我国正在建设时速200km/h的秦沈客运专线以及即将建设时速300km/h以上的京沪高速铁路,均取消了区间地面信号机,车载速度显示成为列车运行的凭证。列车自动运行控制系统对于提高运输效率、保障高速铁路列车运行安全将具有非常重要的意义。

六、结束语

综合两者的比较分析我们不难发现，城市轨道交通和铁路共轨运行是当前城市交通发展的趋势，铁路和城市轨道交通的合并统一将成为大的趋势。

参考文献:

［1］傅世善．青藏铁路信号系统方案的研究［J］．中国铁路，2002(3):47－49．

轨道交通信号系统篇(5)

【关键词】轨道交通；信号系统；设计

城市轨道交通的信号系统是整个城市交通运营中最为重要的任务。如其主要任务是控制列车运行，同时也能对列车的实际运行进行相应的指挥等。可以说，它影响着整个城轨交通的实际运营情况，能影响到它的安全，能关乎它的效益，这是一个至关重要的关键点。而城市快速轨道交通现代化也是社会发展的必然结果，它的最为直接的标志我们可以进行把握，应该是信号系统的实际水平。而设计者的责任也就凸显出来了，其设计的优秀系统方案能利于行车的安全，有效提升道路的整体运输能力。更为直接的是能对行车进行迅速上的控制，能进行相应的准确及时的调度。总之，就是最大化的提高其服务质量。同时，还能有效降低工程投资以及降低工程造价等。

1、系统构成方案

城市轨道交通从本质上来说就是个运输体系，而这个体系具有技术先进的特点，同时还具备一定的自动化水平。信号控制系统的构成要依据整个交通运输情况。

《城市快速轨道交通工程项目建设标准—试行本》对信号系统划分为三个层次：第一层次，主要是设备在运量不大的线路，也或是在行车密度不高的线路上；第二层次，同第一层次恰好相对，其设备在运量相对较大的线路上，在行车密度较高的线路上，一般都可配置列车自动监控，也就是ATS系统，也可配置列车自动防护系统；第三层次，同第二层次较为相似，其设备在运量相对较大线路上等，很多时候都可配置列车自动监控系统或是配置列车自动防护系统，也可配置ATO系统。

在上述内容中，从水平等级来看，第一层次系统配置属最低水平等级。一般其适用线路较为固定，一般只适于行车间隔不小于3 min 的线路。话句话说，如果行车密度相对来说还是较高的。可以依据实际情况，对线路实施的整个系统进行相应的改造或是完善，但是这样就的话其实也是合适的。因为在改造的过程中就必须投入自己，而这样的造成了一定的浪费，进而也会出现一些烂尾工程等；另一方面，机车信号信息量有限。其自动停车装置也不能容纳更多的信息。这也造成了列车运行过程的安全性较不稳定，保障程度不高。更多时候依赖于司机的驾驶，依靠其经验实现。其国产化率水平和工程造价水平也都是呈现两极分化，一个最高，一个最低。此外，还有第二层次的信号系统配置，更为适于行车间隔在2min以上。而其行车安全主要是通过列车自动防护系统提供保障；第三层次的系统配置，它的现代化技术水平相对较高。主要适于行车间隔小于2min的线路运用，由列车自动防护系统来保证行车安全。

2、主要技术方案

2.1设计行车间隔

如今的城市轨道交通的乘客运量相对都较大，其行车密度也很高，这样相应的城市轨道交通工程就应该抓住这一特点，采取有效的办法，如多采取缩短行车间隔方法，进而减少旅客候车时间，相应地也能提高其服务质量。同时，还能减少列车编组辆数，进而最大限度的节省工程投资。然而受到信号ATP系统技术等诸多因素的影响，其正常的行车间隔的缩短也是有限度和范围的。

我们可以参照发达国家城市轨道交通的运营的成功经验，利用信号ATP系统。可以说，客流量如果在某个特殊时段内，增加到了预测高峰值的130%时，这样ATP系统还是可以满足运营采取的临时措施。如，临时增加运营列车等措施。表1以某一条线路运营方案为例予以说明。

而在对这两种方案进行分析后，我们知道，这两种方案都能满足其运量的要求。但是，方案A和方案B的单向运输能力与高峰小时单向最大断面客流量比分别为1.00和1.08，也就是说这个数值还是存在差异的。整体上，从信号系统设计角度分析出方案B应该是更为优化的，也是更为科学的，相对来说方案A还存在一定的缺陷和不足。

当然，在实际的工程运用中应结合线路近、远期运量，同时也要考虑到工程实施方案，结合ATS调控能力等，这些综合因素都需要注意。在此基础上，才能设计行车间隔，才能保证其能满足运营要求，同时还能最大化节省工程投资。

2.2ATP信息传输方式

一般来说，我们更为关注的是列车运行安全。而提供为其提供最为有效的保障的应该有很多环节或是关键设备。而ATP系统相对来说又是其最为关键、也是最为重要的设备。一般都是由轨旁设备，当然也必须包括车载设备等，由他们共同组成了ATP系统。在列车的运行中，其信息的接收途径相对单一，一般都主要通过地面ATP设备来实现。

而连续式的ATP设备主要是接收地面信息，基本都是利用轨道电路，也有的是利用连续敷设的电缆来实现的。其特点也比较明显，信息传递实时性相对高，同时其技术也相对复杂，进而造成了其造价也相对昂贵一些。点式ATP设备主要是通过地面应答器，也有的是通过点式环线等，实现列车的地面信息接收。但是，其具备实时性相对较差的特点，相对来说其技术较为简单，当然造价也相对低廉一些。

我国的现有地铁交通情况还不够理想，也可以说其实际情况还存在较大的不足。其特殊性也较为明显，在个别时期的运量非常之大，其行车密度也相对较高。还有就是在地铁隧道内的驾驶条件还不容乐观，这些实际问题很是明显。而这些特点也都是需要我们关注的。而依据这些特点就可采用连续发码方式的ATP系统，这也最为有效的，也是最为适宜的。

如今，点式ATP技术不断发展，其具体应用也越来越多，越来越合理。如在城市轨道交通工程中就能有效采用点式ATP设备。目前，较有代表性的西门子公司ZUB120点式ATP系统的主要技术指标如下：

·传输制式移频键控（FSK），串行

·传输速率50k-1

·传输间距130～210mm

·电码可靠性循环码多次判断，海明距为4

·电码长度可编程有用比特96位

·机车设备平均故障间隔时间2×104h

·地面应答器平均故障间隔时间9×105h

点式系统控制实时较差的缺点不容忽视，其还缺乏紧急停车功能等。而这些问题都应该想法解决，一般通过接近连续式发码方式就能进行一定程度上的弥补。如，上海莘闵轻轨交通线是我国第一条城市轻轨线路，在这一系统中就按点式ATP系统来实现其特有设计。而，最新的点式ATP系统打破了90s行车间隔限制，更为重要的是这一系统实现了自动驾驶的目标，具备独特的功能。

3、小结

总之，系统构成以及技术方案相继确定，那么信号系统也就随之构成，或是说基本上就定型了。然而这还不是一个良好的系统，在设计的过程中还需要注重很多的细节问题。因为这些细枝末节会影响到这个系统，正所谓牵一发而动全身。此外，在设计过程中，更应该关注城市轨道交通信号系统的特殊技术指标。这是其设计情况的最为直接的体现。

轨道交通信号系统篇(6)

关键词：信号系统自动控制系统无人驾驶技术

中图分类号：TJ53文献标识码： A

一、前言

城市轨道交通包括地铁在内的信号系统通常都是由列车自动控制系统组成，以下简称ATC，ATC系统包括列车自动监控系统（简称ATS）、列车自动防护子系统（简称ATP）、列车自动运行系统（简称ATO）三个子系统。这三个子系统都是经由信息交换网络来构成一个封闭连环的系统，这使得车上与地面控制、中央与地面控制得以互相结合，于是形成一个集列车运营情况的调整、列车的指挥以及列车无人驾驶自动化等多种功能为一体的列车自动控制系统。

这其中ATP系统是ATC系统至关重要的组成部分，它负责列车的超速警告，列车与列车之间安全间距、安全开关门的的监控等工作，以此来保障列车以及司乘人员的安全性能。同时ATS系统主要负责自动调整列车的运营时间表、生成列车运营时间表、监管列车运营的状态以及保障列车能够正点运营。ATO负责的是列车在车站能够准点停车、站点停的期间能够继续自动运营以及到达终点后可以自动折返。现如今的ATC系统大部分都可以满足现如今客运量对列车运营的安全性和列车运营正常时刻表等的需要，但是与此同时ATC系统还具备安全设备种类繁多、体积大、以及接口之间关系复杂等特点，因此在安全稳定性能方面仍有需要完善的地方。不过随着科学技术的快速进步，信号系统势必会发展成为更先进可靠、服务性能更好、智能化程度更高的系统。

二、地铁中信号系统即ATC系统的应用

早期地铁信号系统以音频轨道电路为基础，不过由于音频轨道电路因其稳定性与抗干扰等性能都不能满足高密度行车的需要，于是渐渐的赖到了数字轨道电路，这其中应用得最多的地铁信号系统便是以数字轨道电路为基础的ATC系统。总的来说,ATC系统由ATS、ATP、ATO三个子系统组成,其中ATP/ATO按地理位置的分布又分为轨旁ATP/ATO以及车载ATP/ATO。

1、ATS系统

ATS子系统负责监视和控制整个地铁线路中列车的运行状态。ATS为非故障安全系统,它的全部或任何一个部分的故障或不正确操作,都不会影响列车运行的安全。ATS通过ATP有效地防止了由于ATS故障或不正确操作可能导致的对列车运行的危害。

2、ATP系统

ATP系统以故障安全原则强制系统安全工作。它用来检查和控制所有涉及道岔动作、列车占用状态、列车运行速度、列车追踪间隔、地面信号灯指示、列车进路等安全性。列车紧急制动闸的释放、行驶距离的确定、车门的监督、折返的监督、列车运行速度的监督等也属于ATP控制的范畴。

3、ATO系统

ATO执行站间自动运行、车站定点停车、自动折返、开/关车门和车站停车时间控制等功能。地铁信号系统现在所采用的ATO方式多为站间自动运行方式,车站的开、关门及列车出站时的启动由驾驶员负责,其实现如今的技术从理论层面讲来早已可以实现全程自动驾驶，不过照顾到司乘人员的心理需求以及对安全稳定性的要求，列车基本都有司机。

地铁信号系统的发展趋势

地铁信号系统的发展趋势主要体现在两个方面：一是随着通信安全性、可靠性的提高和通信手段的多样化，目前普遍采用的站间ATO 方式将向全程无人 ATO 方式发展；二是利用先进的计算机网络技术实现单一的 ATS 系统向集成化的综合地铁控制系统方向发展。

3.1集成化的综合地铁控制系统

现如今的ATS子系统以及开始向集成化方向转型，不同于如今的列车自动监督,地铁信号系统的其它子系统如电话系统、无线通信系统、公共广播系统、闭路电视系统、环控系统、电力监控系统、自动售检票系统、火灾报警系统及保安系统等的监督和控制功能,可与乘客信息系统、列车自动监督系统等功能集成在一个系统中,这样既能保障地铁安全正常运营的协调性能,又可以减少设备同工作人员的数量。

3.2全程无人驾驶技术

目前普遍采用站间ATO方式,即正常情况下列车出站时的启动由驾驶员完成,运行过程则是全自动的。全程无人ATO方式则是列车上没有任何驾驶员或工作人员的全自动方式,站停、发车、运行、折返、入库等过程由操作控制中心直接管理。如果能够确保信息系统通信的安全稳定性能以及通信的速率,如今的ATO方式便能发展成全程无人驾驶。全程无人ATO方式具备非常高的灵活性,对突然增长的能力需求和不可预见的事件具备敏捷的反应能力,而且不需要增加系统操作人员的工作压力,自然也就提高了运输效率和经济利益。让更多的人力资源直接用于为旅客提供服务,这才是乘客最迫切需要的。

四、结束语

总而言之，无论是城市人口数量的飞速增长，还是城建方面的快速发展，都使得对地铁运输能力的要求越来越严格。科学技术的进步以及客户群体的要求无不促进着地铁信号技术的发展。地铁信号系统的发展方向为基于通信的ATC系统、全程无人ATO系统、集成的地铁控制系统。随着后续科学技术的进一步发展，地铁信号系统会择优选择安全性能高，可操作性强并且运行稳定的系统，将会呈现多元化的发展趋势。

参考文献：

[1] 戚磊.基于地铁信号系统中的通信系统[J]. 科学大众. 2006(05).

轨道交通信号系统篇(7)

关键词　上海市轨道交通5号线　信号系统　profibus　控制网络　数据传输

 

1  前　言

      当今城市轨道交通信号系统是控制列车运行的核心设备,数据传输的安全性和可靠性对于列车运行控制至关重要。在上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中,控制中心和联锁之间的通信和所有相关组件之间的数据传输都采用profibus总线(即:processfieldbus过程现场总线),该网络系统支持了整个信号系统的构成。profibus,是德国国家标准din19245和欧洲标准50170的现场总线标准,是一种国际性的开放式的现场总线标准。现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的,被誉为自动化领域的计算机局域网。它把单个分散的监控设备变成网络节点,以现场总线为纽带,把它们连结成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

      profibus网络技术主要应用于:制造业自动化、过程控制自动化、铁路交通自动控制等。

2 现场总线技术的标准———profibus及其概貌

      profibus现场总线,由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。1996年3月15日批准为欧洲标准,即din50170v.2。profibus产品在世界市场上已被普遍接受,市场份额占欧洲首位,年增长率25%。目前世界上许多自动化技术的生产厂家都为他们生产的设备提供了profibus接口。

      profibus可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化,该系统分为主站和从站。profibus根据应用特点,分为三个兼容版本,即:profibus dp(decentralizedperiphery),profibus pa(processautomation),profibusfms(fieldbusmessagespecification)。

      上海市轨道交通5号线信号系统由西门子交通技术集团提供,其控制网络采用了profibus fms,是一个令牌结构、实时多主网络。整个系统中共有19个工作站,即:联锁xml1、联锁xml2、人机接口mmi1～4、总调台mmic、时刻表ttp、列车自动跟踪和列车自动进路att/ars1、att/ars2、过程耦合单元pcu、5个设备集中站的本地工作站low1～5、服务与诊断s＆d、存档archive、记录与回放r＆p。19个工作站均作为控制网络系统中的主站,主站决定总线的数据通信,当主站得到总线控制权(令牌)时,可以主动发送信息。

3 上海市轨道交通5号线控制网络profibus的协议结构

3.1 profibus协议结构是根据iso7498(iso国际标准化组织)国际标准,以开放式系统互联网络(opensysteminterconnection简称osi)作为参考模型的。

      osi模型是现场总线技术的基础。现场总线技术既要遵循开放系统集成的原则,又要充分兼顾测控应用的特点和特殊要求。对于工业控制底层网络来说,单个节点面向控制的信息量不大,信息传输的任务相对比较简单,但实时性、快速性的要求较高。现场总线采用的通信模型大都在osi模型的基础上进行了不同程度的简化。

      osi参考模型将开放系统的通信功能划分为7个层次:物理层;数据链路层;网络层;传输层;会话层;表示层;应用层。

      profibus fms的协议结构定义了第一、二、七层,应用层包括现场总线信息规范(fieldbusmessagespecification fms)和低层接口(lowerlayerinterface lli)。fms包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。lli协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口,如图1所示。

      profibus fms的协议结构层和子层说明如下:

      第一层:物理层(physicallayer简称phy)规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性。

      第二层:数据链路层。现场总线数据链路层包括介质存取控制(mediumaccesscontrol简称mac)子层,描述了连接到传输介质的总现存取方法;和现场总线链路控制(fiedlbuslinkcontrol简称flc)子层,规定了对低层接口(lli)有效的服务,提供服务访问点的管理和与lli相关的缓冲器。

      第二层的现场总线管理(fma1/2)完成第二层mac子层特定的总线参数的设定和第一层phy的设定,激活或撤消flc子层和lli子层之间的服务访问点的管理。第一层和第二层可能出现的错误事件会被传递到更高层(fma7第七层的现场总线管理)。

      第三～六层:在profibus中没有具体应用,但这些层要求的任何重要功能都已经集成在底层接口(lli)中。例如,包括连接监控和数据传输的监控。

      第七层:应用层。包括低层接口(lli)子层和现场总线信息规范(fms)子层,lli子层将现场总线信息规范(fms)的服务映射到第二层flc子层的服务。除了上面已提到的监控连接或数据传输,lli还检查在建立连接期间用于描述一个逻辑连接通道的所有重要参数。可以在lli中选择不同的连接类型,主/主连接或主/从连接。数据交换可以是循环的也可以是非循环的。现场总线信息规范(fms)子层将用于通信管理的应用服务和用于用户数据(变量、域、程序、事件通告)的分组。借助于此,才可能访问一个应用过程的通信对象。fms主要用于协议数据单元的编码和译码。

      第七层的现场总线管理(fma7)保证fms和lli子层的参数化以及总线参数向第二层(fma1/2)的传递。在某些应用过程中,还可以通过fma7把各个子层的时间和错误显示给用户。

      位于第七层之上的应用层接口(applicationlayerinterface简称ali)构成了到应用层的接口。ali的目的是将过程对象转换为通信对象。

3.2重要的profibus电文结构

用户数据按如下原理组成块结构:

synsddasafcdata-unitfcsed

数据块中各字段含义如下:

syn同步位

对于profibus,每个握手报文前必须保持33位的空闲状态(二进制“1”信号)。

sd启动字节(启动符)

规定了有关的报文类型。profibus区别对待到以下几种报文:

不带数据域的信息域长度固定格式sd1(代码:10h)

信息域长度可变格式sd2(代码:68h)

带数据域的信息域长度固定格式sd3(代码:a2h)

令牌报文sd4(代码:dch)

短确认sd5(代码:e5h)

da目的地址字节(目的地址)

sa源地址字节(源地址)

fc控制字节(帧控制)

此字段定义报文类型

data-unit数据域

此字段包含要传输的用户数据。数据域有固定长度(=8字节)和可变长度(<246字节)。数据域还包括ssap(源服务存取点)和dsap(目的服务存取点)。

fcs校验字节(帧校验序列)

在profibus中,所有报文(除令牌和短确认外)用校验和存储。

ed终止字节(结束符)

      此字段标志着报文结束,而且对于可变长度格式的报文,为了得到海明距离hd=4,这些报文的实际长度也必须传输。

4 profibus的传输技术

profibus提供了三种数据传输类型:(物理层)

用于dp和fms的rs485传输

用于pa的iec1158-2传输

光纤:用于dp和fms

      上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中采用了rs485传输和光纤传输技术。

4.1rs485传输技术

      在rs-422标准的基础上,eia(美国电子工业协会)研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的rs-485总线标准(半双工)。rs-485传输是profibus最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为h2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。

4.2光纤传输技术

      profibus系统在电磁干扰很大的环境下应用时,可使用光纤导体,以增加高速传输的距离。可使用两种光纤导体,一是价格低廉的塑料纤维导体,供距离小于50米情况下使用;另一种是玻璃纤维导体,供距离小于1km情况下使用。这两种光纤在5号线控制网络中均有应用。许多厂商提供专用总线插头可将rs-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成rs-485信号。这样就为在同一系统上使用rs485和光纤传输技术提供了一套开关控制十分方便的方法,如5号线控制网络中应用的olm(光连接模块)。

4.3 系统网络的冗余结构

      上海市轨道交通5号线信号系统网络采用profibus现场总线,该网络是冗余结构,分为通道冗余和机器冗余。

      通道冗余指profibus网络分为a、b网络,两套网络同时工作,a、b通道信息同步。5号线信号系统19个工作站中有8个工作站是通道冗余的,即存档archive、pcu、mmic、时刻表ttp、联锁xml1、联锁xml2、列车自动跟踪和列车自动进路att/ars1和att/ars2,见下图2。这8个工作站可使用profibus网络中a、b通道中任意一个通道来传输信息,完成数据交换,提高了可靠程度。       机器冗余指两台工作站具有相同的功能,如att/ars1和att/ars2、mmi1和mmi2。以att/ars1和att/ars2为例,为了提高att(列车自动跟踪系统)和ars(进路自动排列系统)设备的可靠性,运行这两套系统的计算机有两台。这两台计算机有相同的软件配置,即它们能完全独立的运行,无需依靠另一台计算机。当两台电脑都正常运行时,一台为主机,一台处在待命状态。两台计算机从联锁系统获得完全相同的数据输入并完全独立的进行数据处理。工作的主计算机将其处理结果发送到后续系统(例如vicosoc100人机界面,联锁系统等),待命的计算机则不发送其处理结果。由于只有一台计算机处理att输出,避免了两套(列车自动跟踪系统都向ars系统发送初始信号的危险。如果主计算机发生故障,自动切换到备用计算机进行数据处理,理论上无任何中断。至于哪台计算机为主,哪台为备用,这完全自由决定。

      上海市轨道交通5号线信号系统网络拓扑结构是冗余的由星型和线型组成的混合型拓扑结构,数据传输速度=500kbps。下图2是上海轨道交通5号线信号系统控制网络的连接简图。从图上可见各个本地工作站和控制中心工作站都连在profibusa、b网络上,信号系统通过pcu与外部系统进行通信。

5 profibus的总线存取协议

      profibus的三个版本dp、fms、pa均使用一致的总线存取协议。该协议是通过数据链路层来实现,包括保证数据可靠性技术以及传输协议和报文的处理。

      profibus总线存取协议的设计要满足在复杂的自动化系统(主站)间的通信,必须保证在确切限定的时间间隔中,任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

5.1 总线存取协议的内容

      上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中19个工作站均为主站,采用令牌传递方式。令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)。令牌是一条特殊的电文,它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在profibus中,令牌仅在各主站之间通信时使用,每一个站用唯一的地址标识,禁止多址分配,令牌循环周期ttr为200ms。

5.2 总线存取协议的特点

      (1)主站或从站可以在任何时间点接入或断开,总线存取协议将自动地重新组织令牌环。

      (2)令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它的通信任务。因此,用户必须计算全部目标令牌环时间(ttr)。

      (3)总线访问协议有能力发现有故障的站、失效的令牌、重复的令牌、传输错误和其他所有可能的网络失败。

      (4)所有信息(包括令牌信息)在传输过程中确保高度安全,以免传输错误。海明距离hd=4。

6 上海市轨道交通5号线信号系统控制网络的安全性、可靠性

      对轨道交通的信号系统而言,除了信息处理必须满足故障-安全原则外,数据信息传输也必须符合信号安全的基本原则,即数据传输是符合故障—安全原则的安全数据传输。在上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中,控制中心和各个本地工作站通过标准的profibus现场总线进行相互连接和数据传输,通信协议采用dp协议。差错控制采用具有较强检错能力的循环冗余校验crc码,海明距离为4。通过这些技术提高了数据传输的安全性。与其它现场总线系统相比,profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准en50170做保证,并经过实际应用验证具有普遍性。经调查,在德国和欧洲市场中,profibus占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。

      由于采用了profibus现场总线,信号控制网络的系统结构具有高度分散性,网络采用冗余结构,而且从profibus-fms协议结构模型看,显而易见不仅简化了系统结构和设备,还提高了可靠性。重要工作站,如:att/ars都享有信息通道冗余,可实时地选用profibusa、b网络中任一通道完成数据传输,保证了信息的安全性和可靠性。

 

参考文献

1 阳宪惠主编.现场总线技术及其应用.清华大学出版社,1999.