地铁CBTC信号系统DCS子系统的设计与研究

时间:2021-12-25 11:52 作者:lol竞猜app
本文摘要:随着我国城市社会经济发展和城市化进程放缓,许多一二线城市的交通拥堵日益严重,通勤供需矛盾日益突出。城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准时、环保、节能和节约用地等特点。对缓解城市交通压力起到了重要作用。 CBTC(通信基地)列车控制系统是一种基于无线通信的安全、高可靠性、低稳定性的列车自动控制系统。它仍然依靠传统的轨道电路向车载设备表达信息,而是利用现代通信技术构建车地双向通信,动态表达列车定位和控制信息,可以大大缩短行车间隔,提高行车速度和运输效率。

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随着我国城市社会经济发展和城市化进程放缓,许多一二线城市的交通拥堵日益严重,通勤供需矛盾日益突出。城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准时、环保、节能和节约用地等特点。对缓解城市交通压力起到了重要作用。

CBTC(通信基地)列车控制系统是一种基于无线通信的安全、高可靠性、低稳定性的列车自动控制系统。它仍然依靠传统的轨道电路向车载设备表达信息,而是利用现代通信技术构建车地双向通信,动态表达列车定位和控制信息,可以大大缩短行车间隔,提高行车速度和运输效率。数据通信系统是CBTC系统的传输神经,实现CBTC系统各子系统之间,以及控制中心、车辆段、停车场、沿线车站、车辆及地面设备之间的双向、可靠、安全的数据交换。

论文首先阐述了选题的背景和意义,结合国内外的研究现状,阐述了集散控制系统对CBTC系统的重要性,明确提出了包括集散控制系统在内的CBTC系统关键技术研究和国产化改造的现实意义。设计研究集散控制系统骨干环网和接入网的解决方案。车地无线双向通信是集散控制系统的关键技术。本文分析了主流无线通信技术和无线传输介质的优缺点,明确提出了适合地铁实际情况的无线局域网技术的无线解决方案。

集散控制系统的安全性也是本文的重点。对分散控制系统中不存在的安全威胁类型进行了分析和列举。

通过对802.11i协议和差错控制编码技术的研究,保证了CBTC信息传输的安全性。最后,从实际到达出发,搭建了隧道无线局域网环境,并对无线局域网技术进行了一系列功能测试,以测试其在CBTC地铁系统中应用的可行性。关键词:CBTC,DCS,802.11i,车地双向交流,WLANDESIGN AND SEARCH OF hedscs SYSTEM un soway’scbtcssignal SYSTEM 1简介1.1选题背景和意义中国正处于经济发展和城市化的缓慢时期,城市交通“栅栏、栅栏、栅栏”问题日益突出,严重影响了广大人民群众的日常通勤工作。

城市轨道交通具有大容量、高速度、安全、准时、环保、节能和节约用地的特点。世界各国已经普遍认识到,解决问题城市交通问题的明显决心在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。

地铁信号系统是地铁运输系统中的核心安全系统。根据列车时刻表和运输能力的市场需求组织交通,按照一定的道岔模式指挥交通安全和正点运行,是地铁交通指挥员最重要的装备系统。是集交通安全、提高运输能力、增加列车追踪间隔为一体的自动控制与通信技术的总称。

信号系统的发展也是决定一个国家轨道交通技术和设备现代化发展水平的最重要的组成部分。cbtc(communication based train control)系统[1]是一种基于无线通信的安全、高可靠性、低稳定性的列车自动控制系统,它仍然依靠传统的轨道电路向车载设备表达信息,而是利用通信技术构建列车与地面的双向通信,动态表达列车定位控制信息。CBTC系统可分为CBI计算机联锁系统、ATO列车自动驾驶系统、ATP列车自动保护系统、ATS列车自动监控系统和DCS数据通信系统[26]。目前CBTC系统中有两个关键技术:1 .列车定位技术。

在传统的信号系统中,通过轨道电路或计轴器的相同部分来识别方位 在系统初期,大多采用基于传感器环缆的传感器环通信系统。长期以来,它的低传输速率和低比特率一直不适合环境轨道交通CBTC信号系统的发展。随着无线通信技术的发展,CBTC系统也进入了一个新的发展阶段。

特别是随着基于IEEE802.11标准的无线局域网技术的快速发展和成熟,车辆与地面的通信更加可信和透明。它不同于一般的通信,也排斥信息传输的实时性、准确性和安全性。集散控制系统是CBTC系统的传输神经,无线双向车地通信是集散控制系统的主干。一旦无线故障再次发生,控制中心的调度控制信息中断,直接影响CBTC系统的控制,导致列车运行延误,运输效率降低。

因此,数据通信技术的应用和不断完善将大大提高CBTC系统的可用性,这将大大促进地铁信号技术的发展。1.2国内外研究现状起源于欧洲的CBTC系统已在世界范围内得到应用,并成为列车控制系统的发展趋势。近年来,由于城市轨道交通的快速发展,CBTC技术在城市轨道交通中得到了广泛的应用,中国现在是城市轨道交通发展最慢的国家。集散控制系统是影响CBTC系统控制精度、效率和安全性的主要因素。

一旦故障再次发生,将不可避免地影响CBTC系统的控制,导致列车运行延误,运输效率降低。在欧美许多国家,地铁CBTC系统大多采用专用无线通信的数字集合通信系统,这是一种专门为轨道交通开发的数字无线通信系统[20]。

虽然国内信号系统的CBTC技术发展较早,但也处于快速发展时期。到目前为止,北京四号线、机场线、广州APM线已经通车,但是核心技术都是外方控制,大部分设备都是进口设备,包括DCS系统设备。所有无线传输无一例外都采用波导技术,价格昂贵,为后期维护保证了较高的成本。

国内一些原有的运营线路也面临着CBTC的大改造,市场需求巨大。因此,中国迫切需要开展CBTC系统的关键技术研究和国产化改造,以降低成本。

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1.3本论文的主要内容和贡献1.3.1本论文的主要内容如下:(1)DCS骨干网和接入网解决方案分析与研究分析设计了DCS骨干网环网和接入网的网络架构,重点阐述了SDH环网和RPR环网的技术差异,说明了RPR环网技术的原理和优势,分析了实际环网出现故障时的治愈技术。(2)无线WLAN技术在2)DCS系统中的解决方案分析研究,列举了五种主流无线通信技术的优缺点,并对无线传输介质进行了对比总结,明确提出了适合地铁实际情况的无线WLAN技术解决方案。进一步阐述了实际地铁环境下无线局域网技术工程设计中的关键问题:无线覆盖区域和接入点的无缝过渡。

(3)DCS系统的网络安全研究与分析列出了DCS系统不存在的安全威胁类型。通过比较802.11i协议、CCMP算法和RC4算法,自由选择差错控制技术,保证了CBTC信息传输的安全性。从系统和工程实施的角度出发,明确提出无线网络安全解决方案,进一步保证DCS系统网络的安全。

(4)无线局域网技术解决方案在4)集散控制系统中的现场隧道测量与分析。在野外隧道内搭建无线局域网环境,进行场强、比特率、转换、CBTC流量对抗和干扰测试等一系列功能测试,对地铁CBTC系统无线局域网技术方案进行测试和分析。1.3.2主要贡献基于以上研究内容。

本文的主要贡献如下:在满足CBTC系统数据传输拒绝的前提下,明确提出了集散控制系统解决方案,特别是 1.4本文的创新点如下:(1)列举五种主流无线通信技术,结合我国轨道交通的实际情况,分析其优缺点,自由选择无线WLAN技术用于DCS系统的解决方案。在分析无线局域网抗干扰能力技术关键问题的基础上,结合实际工程需求,明确提出了无线抗干扰方案。(2)在运营线路上搭建无线局域网无线环境,测试分析各种技术参数,论证无线局域网技术方案在CBTC系统中应用的可行性。1.5本文的组织结构本文的主体分为五章,其内容描述如下:第一章是绪论,首先说明了选题的背景和意义,然后分析了CBTC系统集散控制系统在国内外的研究和开发现状,接着明确提出了本文的研究内容、主要贡献和创新点,最后确定了本文的内容。

第二章是DCS子系统的设计与研究,对比分析了RPR和SDH环网技术、主流无线通信技术和外部无线障碍分析,明确提出了DCS系统骨干网和接入网的解决方案以及DCS系统车地无线WLAN技术的解决方案。第三章是CBTC系统分散控制系统子系统的安全分析,分析了分散控制系统中不存在的安全威胁,明确提出了系统网络和无线网络的安全防范措施。第四章基于以上分析和研究,搭建无线局域网无线环境,测试和分析各种技术参数,论证在CBTC系统中使用无线局域网技术解决方案的可行性。

第五章是对本文研究工作的总结,并对下一步的研究工作进行了分析,明确提出了自己的想法。2.1DCS子系统的设计与研究2.1 CBTC集散控制系统的结构与功能(通信基础数据控制)是一种基于无线通信的安全、高可靠性、低稳定性的列车自动控制系统。

CBTC系统可分为CBI计算机联锁系统、ATO列车自动驾驶系统、ATP列车自动保护系统、ATS列车自动监控系统和DCS数据通信系统。数据通信系统是一种宽带通信系统,它实现了CBTC系统各子系统之间以及沿线控制中心、车辆段、停车场、车站和车辆之间的双向、可靠和安全的数据交换。集散控制系统可分为四层网络结构:主干网、路旁通信网、车地双向通信网和车载数据通信网。

集散控制系统的体系结构框架如图2-1所示。图2-1: DCS子系统架构框图(1)骨干网:路侧骨干网由骨干交换机包含。传输层不应该使用智能环技术来连接网络。

获取标准10M/100M以太网模块,符合国际流行的IEEE802.3u和802.3x协议。(2)路旁数据终端网络:用于获取路旁无线设备(路旁AP等)的CBI、ATP、ATO、ATS和终端数据通信子系统的模块。)。

终端交换机获得标准10M/100M以太网模块,符合国际流行的IEEE802.3u和802.3x协议。(3)车载数据通信网络:获取ATP、ATO与车载设备和车载无线设备之间的通信接口。

获取标准10M/100M以太网模块,符合国际流行的IEEE802.3u和802.3x协议。(4)车地双向通信网络:实现车地双向、可靠、安全的数据交换。

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无线模块采用国际先进设备的IEEE802.11a/g技术,遵循IEEE802.11i无线网络安全协议[9]。根据CBTC标准(IEEE STD 1474.1-1999 CBTC性能和功能要求)[28]和国外CBTC案例分析[20],下表2-1说明了车地通信涉及的指标。

表2-1车地通信中无线电传输介质的主要特性电磁波技术标准采用802.11系列无线局域网标准CBTC比特率1mb基站网络时延不小于500ms丢包率不小于1%无线通信设备移动交换时间不大于50ms 针对集散控制系统对信号和信息传输高可靠性的排斥,整个集散控制系统采用了“两网分段”的设计思想,从物理和逻辑上保证了两网的分段工作,构建了系统整体可靠性最低的体系。同时,要考虑获得一切合理的途径,防止单个独立国家故障或多个故障对列车运行的影响。

2.2DCS系统骨干网在骨干网设计的自由选择方面,我们一般不会自由选择集中在车站和控制中心(OCC)的设备作为设备集合节点。每个采集节点配有两个骨干交换机(BS)作为采集节点的数据交换和传输设备,每个网络A一个,每个网络B一个,都是独立的国家。每个骨干交换机通过传输模块与光缆相连,形成一个环路。

骨干网的流形见图2-2。5总结与未来发展5.1论文摘要地铁信号系统是地铁运输系统中的核心安全系统,是保障列车运行安全、打造车长和列车运行现代化、提高运输效率的关键系统设备。信号CBTC系统是一种基于无线通信的安全、高可靠性、低稳定性的列车自动控制系统。

集散控制系统是CBTC系统的传输神经,无线双向车地通信是集散控制系统的主干。一旦故障再次发生,控制中心的调度控制信息中断,直接影响CBTC系统的控制,导致列车运行延误,运输效率降低。

根据集散控制系统的结构特点,分析设计了集散控制系统骨干环网和接入网的网络架构,重点阐述了SDH环网和RPR环网的技术差异,阐述了RPR环网技术的原理和优势,分析了实际环网出现故障时的修复技术,明确提出了集散控制系统骨干网和接入网的解决方案。同时,列举了五种主流无线通信技术的优缺点,并对无线传输媒体进行了比较和总结,明确提出了适合地铁实际情况的无线局域网技术的无线解决方案。

进一步阐述了无线局域网技术在实际地铁环境下工程设计中的关键问题,明确提出了无线局域网技术在集散控制系统中的解决方案。在对集散控制系统网络安全的研究和分析中,对集散控制系统不存在的安全威胁类型进行了分析和列举。通过比较802.11i协议、CCMP算法和RC4算法,自由选择差错控制技术,保证了CBTC信息传输的安全性。从系统和工程实施的角度出发,明确提出无线网络安全解决方案,进一步保证DCS系统网络的安全。

论文最后对无线局域网技术解决方案的现场隧道进行了测量和测试,并在现场隧道中搭建了无线局域网环境。为测试无线局域网技术在地铁CBTC系统中应用的可行性,进行了场强、比特率、转换、CBTC流量对抗和干扰测试等一系列功能测试。

5.2未来工作发展在本次WLAN计算中,干扰源指定为蓝牙和802.11b,未对其他类型的干扰源进行干扰测试。在今天的城市,“数字城市”的概念正在出售。

在大无线环境下,抵抗3G4Gwifi的障碍也是我们下一步研究的重点课题。如今,为了节省投资成本,许多地铁施工人员正在探索CBTC的集散控制系统和PIS系统资源共享方案的可行性[20]。安全系统与非安全系统的共建仍面临许多亟待解决的根本性技术问题。


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