城轨交通新一代CBTC列车控制系统方案研究

目前广泛应用的基于通信的列车控制系统(CBTC)主要由联锁和区域控制器协同配合为列车分配线路资源,基于“车-地-车”数据交互架构实现列车安全防护。这种系统结构复杂、延时较大,导致运营效率较低。通过分析轨旁控制系统一体化和车车通信的技术现状,提出新一代CBTC系统方案,从系统结构和列车运行控制流程2方面进行研究,设计实现在线列车运行计划调整、列车及线路资源管理、车载自主计算移动授权等关键功能。该方案系统结构精简、维护方便、响应及时、运营灵活,能够极大地缩短列车运行间隔,提高运营效率,符合未来信号系统的发展方向。

世界最长的采用CBTC列车控制系统的地铁线路在北京开通

2012年12月30日，随着北京地铁10号线二期的正式运营，10号线环线成为世界上最长的采用CBTC（基于通信的列车控制）系统的地铁线路。这是继参与建设2008年奥运会前开通的10号线一期工程后，西门子再次为该地铁线路提供全球领先的西门子TrainguardMT列车自动控制系统。目前，北京地铁10号线共有84列列车及其设备安装了该系统，发车间隔缩短至2．5min，进一步缓解了北京的城市交通压力。

世界最长的采用CBTC列车控制系统的地铁线路在京开通

2012年12月30日，随着北京地铁10号线二期的正式运营，10号线成为世界上最长的采用CBTC（基于通信的列车控制）系统的地铁线路。这是西门子冉次为该地铁线路成功提供全球领先的Trainguard MT列车自动控制系统。

世界最长的采用CBTC列车控制系统的地铁线路在北京开通

2012年12月30日，随着北京地铁10号线二期的正式运营，10号线环线成为世界上最长的采用CBTC（基于通信的列车控制）系统的地铁线路。这是继参与建设2008年奥运会前开通的10号线一期工程后，西门子再次为TFainguardMT 列车自动控制系统。目前，北京地铁10号线共有84列列车及其设备安装了该系统，发车间隔缩短至2分30秒，

中低速磁浮列车悬浮控制系统冗余设计方案探讨

悬浮控制系统作为中低速磁浮列车的核心子系统,其可靠性和容错能力对于列车正常运行至关重要。为提高悬浮控制系统容错能力,通过分析工程应用中的悬浮控制系统故障数据设计了一种处理器模块冗余、电源冗余以及悬浮传感器冗余相结合的悬浮控制系统方案,通过软、硬件设计搭建了新方案的样机实物并进行了初步测试。处理器模块采用双机热备冗余,电源采用双路DC24V冗余,悬浮传感器采用二乘二取二冗余。其次运用马尔可夫理论建立了悬浮冗余控制系统的可靠性模型,对系统进行可靠性分析,研究故障率、故障检测率对悬浮冗余控制系统可靠性的影响,将悬浮冗余控制系统与常规悬浮控制系统的可靠性进行对比分析。并通过Simulink和Stateflow建立主从切换状态机模型和主从切换控制系统模型,实现了逻辑仿真。研究结果表明,在悬浮控制系统生命周期内,本文提出的悬浮冗余控制系统方案相比于常规悬浮控制系统的可靠性提高了50%,提升主模块的故障检测率和降低各单元的故障率均能有效提升悬浮控制系统可靠性。在制定合适的故障检测和切换控制策略前提下,双机热备冗余设计的悬浮控制系统相比于常规悬浮控制系统更具可靠性,是提升悬浮控制系统可靠性和容错能力的有效措施,适合在中低速磁浮列车上推广应用。

基于传染病和网络流模型分析APT攻击对列车控制系统的影响

高级可持续威胁(APT)是目前工业控制系统面临的主要威胁之一。APT攻击利用计算机设备漏洞入侵列车控制网络,感染并且扩散到网络中的其他设备,影响系统正常运行,因此评价APT攻击对列车控制系统的影响非常必要。提出一种基于传染病模型和网络流理论结合的APT攻击影响分析方法。首先,分析在APT攻击的不同阶段设备节点状态之间的转化规则,结合传染病理论建立APT攻击传播模型,研究攻击过程中的节点状态变化趋势;其次,把设备节点的状态变化融入网络流模型中,研究APT攻击过程中设备节点状态变化对列车控制网络中列车移动授权信息流的影响;最后,结合列车控制系统的信息物理耦合关系,分析APT攻击对列控系统整体性能的影响。仿真实验展现了APT攻击过程中节点状态变化的趋势,验证该方法在分析APT病毒软件在列车控制网络中的传播过程对列车控制系统整体性能影响的有效性,为管理者制定防御方案提供依据,提升列车控制系统信息安全水平。

基于禁忌搜索的列车运行控制系统测试用例生成方法研究

当采用故障注入方法对高速铁路列车运行控制系统功能进行组合测试时,系统容易受到输入参数之间约束关系的影响,产生无效测试用例。为了应对多个故障间的耦合作用,以临时限速场景为例,提出一种基于禁忌搜索算法的测试用例生成方法。首先,提取临时限速场景的设备故障特征作为故障注入输入参数,分析设备间的约束关系,建立约束满足模型;然后,依据信号设备的特点,改进禁忌搜索算法的初始解生成方式和邻域搜索过程,生成满足约束关系的测试用例;最后,依托京张智能高速铁路列车运行控制系统仿真测试平台,结合现场线路数据和实际设备信息,验证所提算法的有效性。实验结果表明:临时限速场景中加入约束后的测试用例个数比加入约束前在覆盖维度为2、3、4时分别减少了7.7%、7.0%、4.5%;所提算法生成的测试用例个数比IPOG、IPOG-F、mAETG、TS算法分别降低了32%、30.1%、24.5%、3.7%,且组合覆盖率比随机测试和自适应随机测试提高了9.5%和3.7%。该研究成果可为列车运行控制系统优化及安全性验证提供一定的参考。

城轨列车全自动运行系统噪声子空间鲁棒预测控制方法

为建立与实际运行状态更吻合、预测精确度更高的城轨列车全自动运行(fully automatic operation, FAO)系统预测控制模型,根据城轨列车运行的历史数据,综合考虑城轨列车运行过程中的噪声干扰,采用子空间辨识方法得到含噪声的预测控制模型,控制过程不断加入实时采集的数据,迭代模型辨识的历史数据,在线更新模型参数,得到抗干扰能力较强的城轨列车FAO系统噪声子空间鲁棒预测控制器。分别采用幅值为0、2、5、10 km/h的随机干扰噪声,在软件MATLAB中进行仿真试验,对比分析城轨列车FAO系统噪声子空间鲁棒预测器与传统子空间预测控制器的预测精度。结果表明:在随机噪声干扰下,城轨列车FAO系统噪声子空间鲁棒预测控制器的预测精度较高,噪声幅值为10 km/h时预测精度比传统子空间预测控制器提高14.21%。城轨列车FAO系统噪声子空间鲁棒预测控制器可在强干扰运行状态下高精度跟踪给定运行曲线。

CTCS-3(中国列车运行控制系统3级)在市域铁路中的应用分析

[目的]目前,我国市域铁路仍没有应用CTCS-3(中国列车运行控制系统3级)的案例。为扩展CTCS(中国列车运行控制系统)在市域铁路中的应用,应对CTCS-3在市域铁路的应用进行探讨。[方法]分析了现有市域铁路的特点及CTCS制式在市域铁路应用的现状,提出了CTCS-3在市域铁路应用的技术方案。分析了CTCS-3在市域铁路的适应性,对应用于市域铁路的CTCS-3的技术方案提出了优化建议。[结果及结论]与CTCS-2(中国列车运行控制系统2级)相比,CTCS-3(不以CTCS-2为后备)在市域铁路中具有更好的适应性,其在牵引供电制式适应性、保护区段设置方式、与其他轨道交通制式互联互通等方面均具有优势,信号工程成本也较低。

基于列车控制与管理系统的双受电弓主动选择控制方案

[目的]受电弓故障会造成列车牵引能力的丢失,严重影响列车的正常运行。为了改善列车同一辆车上两架受电弓碳滑板磨耗不均的情况,提出一种基于列车控制与管理系统的双受电弓主动选择控制方案。[方法]介绍了城市轨道交通双受电弓控制技术的现状;分析了受电弓碳滑板的磨耗原因;介绍了基于列车控制与管理系统的双受电弓主动选择控制方案的原理及受电弓的控制流程。[结果及结论]根据碳滑板磨耗算法,所提受电弓主动控制方案能够综合计算碳滑板的热磨耗和机械磨耗程度,实时自动评估同一辆车上两架受电弓碳滑板的磨耗程度,最终使列车自动选择升起碳滑板磨耗较小的受电弓。通过所提受电弓主动选择控制方案的逻辑判断与执行,可以提高受电弓控制的智能化程度,同步两架受电弓碳滑板的更换周期,降低受电弓的维护成本。

列车自主控制系统在道岔安全区域的控制算法

[目的]与现有CBTC(基于通信的列车自动控制)系统控制机理不同,列车自主控制系统通过直接控制轨旁资源实现列车自主运行。为了提高道岔区段的运行效率,需研究列车自主控制系统在道岔区段的控制算法,采用颗粒度更小的道岔安全区域作为列车自主控制系统的控制资源。[方法]列车自主控制系统的控制算法将轨道区段视为共享资源,道岔安全区域单独分配给列车使用。对单开道岔区段和交叉道岔区段场景下的列车自主控制系统和CBTC系统进行了对比分析,并采用真实列车控制系统和道岔的参数进行仿真计算运行提升效率。[结果及结论]与CBTC系统的传统联锁算法相比,列车自主控制系统的道岔安全区域控制算法性能更好。在单开道岔区段场景中,列车运行安全间隔提升率最大达到74.5%;在交叉道岔区域场景中,列车道岔通过时间提升率最大达到33.8%。通过在系统架构和控制算法上的优化,列车自主控制系统增加系统灵活性和效率,为下一代列车控制系统重要发展方向。

支持虚拟编组技术的列车运行控制系统方案研究

[目的]随着城市轨道交通网络化发展,线网客流时空分布不均衡的特性逐渐凸显,既有列车固定编组方式难以实现“按需运输”。为充分利用线路运力,需研究新一代列车运行控制系统。[方法]提出了一种支持虚拟编组技术的列车运行控制系统设计方案,并从列车运行逻辑控制、线路资源管理及调度指挥机制等方面分析了支持虚拟编组技术的列车运行控制系统与传统列车运行控制系统的性能差异;介绍了虚拟编组的关键技术;为实现虚拟编组技术在工程项目中的应用,提出了在项目规划和设计阶段,针对虚拟编组列车停车区域、正线站台区域及站台门接口等方面需要考虑的工程设计内容。[结果及结论]车车通信架构为虚拟编组技术的实现提供了更合理的系统架构设计基础;基于“撞软墙”模型协同运行控制及智能感知的列车运行控制是虚拟编组列车运行控制系统的关键技术。随着虚拟编组技术的大规模应用,列车运行控制系统能够在客流变化时快速调整在线列车编组长度,提高了运输组织的灵活性,提升了乘客服务水平。

基于车-车通信的列车运行控制系统后备系统

[目的]目前,以TACS(列车自主运行系统)为代表的基于车-车通信列车运行控制系统后备系统尚不完善,需对其后备系统进行进一步地深入探讨和研究。[方法]分析了新的运营需求,结合新技术的发展,对一种基于环境识别的TACS后备系统进行探讨。详细介绍了TACS后备系统的架构及功能,分析了TACS后备系统建设的技术难点,阐述了TACS后备系统的列车运行空间监测场景及降级运行场景应用情况。[结果及结论]在发生故障后列车降级运行的情况下,TACS后备系统能提高运营TACS系统效率,并能增强运营安全性。

磁浮列车机械制动系统交叉耦合控制方法

机械制动系统在制动过程中产生一定的能量消耗,若控制策略不合理,容易导致制动能耗过大,影响磁浮列车的正常运行,为此,提出磁浮列车机械制动系统交叉耦合控制方法。根据磁浮列车机械制动系统结构框架,计算液压力伺服系统的传递系数和闸瓦与轨道之间的摩擦系数,以此获取磁浮列车机械制动系统传递函数。根据该传递系数,引入气隙、速度双重同步交叉耦合控制器,求取气隙同步误差和扰动量,获得交叉耦合控制结果。利用果蝇优化算法(fruit fly optimization algorithm,FOA)对该控制器的控制参数实施参数寻优,得到最优控制参数,进而实现磁浮列车机械制动系统交叉耦合稳定控制。实验结果表明,所提方法能够获取最优控制参数,并提高控制精度和效率。

基于大数据分析的城市轨道列车运行速度自动化控制系统设计

为提升城市轨道列车的运行效率,该文设计基于大数据分析的城市轨道列车运行速度自动化控制系统。利用云计算框架搭建自动化控制系统,采集列车的速度、位置信息后传送至控制层,控制层的智能控制部分利用K-means聚类算法对城市轨道列车运行数据聚类处理,构建列车运行速度自动化控制优化模型,识别列车运行状态,计算列车的最佳速度曲线。利用灰色速度控制器,控制列车的执行机构输出理想速度。系统测试结果表明,采用该系统自动化控制列车运行速度,列车的停车时间误差低于10 s,停车距离误差低于15 cm,满足列车高效率运行需求。

重载列车群组运行控制系统研究

传统列控系统在追踪间隔及运能方面达到瓶颈,列车群组运行控制系统打破传统闭塞制式,基于无线通信和动态协同控制实现列车区间紧追踪及站内高效接发车。分析群组运行控制需求并设计系统架构,从通信、定位、完整性、动态协同追踪及群组运行计划管理等关键技术进行研究,为铁路进一步运能提升、运输安全、多制式兼容及构建安全、高效、先进、经济的列控系统奠定基础。

基于通信网络的列车控制系统

自动组网(初运行)是列车控制与管理系统(TCMS)的重要特征,通过初运行,确定列车通信网络(TCN)内的节点组成、节点之间的顺序、总线主以及各个节点相对总线主的朝向,这是TCMS对列车进行控制与管理的基础。对于基于无线通信的TCMS,由于无线列车骨干网(WLTB)的网络节点之间没有通信线缆的物理连接,以传统的方式实现自动初运行十分困难,因此实际工程中采用人工设置参数的方式来组网。同样,在虚拟联挂(VC)系统中,多列列车通过WLTB组成列车编队,也存在动态自动组网的问题。在VC系统中,由于跟随列车处于自动驾驶模式,通过人工设置参数来组网的方式也不可行。文章分析了TCN、WLTB的初运行和VC列车编队/解编,探讨了基于无线通信的列车编组初运行或编队动态组网问题的实质与根源,提出通过引入一个更大的网络系统、融合TCMS和信号系统来解决自动组网问题的方法,基于列车控制的视角给出了面向列车全自动运行的基于通信网络的列车控制(NBTC)系统自动组网方法、分层次功能和系统架构,并提出了与NBTC相关的研究方向。

列车网络控制系统的可靠性分配方法研究

列车网络控制系统的可靠性设计与分配在权衡方案利弊、找出影响系统可靠性薄弱环节、促进设计改进等方面有非常重要的指导意义。文章从列车网络控制系统可靠性需求分析出发,研究了计算网络拓扑可靠性的理论技术,提出针对列车网络控制系统冗余架构的网络拓扑状态转移模型,并基于马尔可夫过程推导出网络拓扑可靠性计算的数学表达式;在此基础上,结合复杂度、技术发展水平、重要度、环境条件等影响因素,提出采用评分分配法进行系统部件的可靠性分配方法。最后,以实际应用项目为输入,验证了列车网络控制系统可靠性计算与分配方法。该方法有助于依据实际项目应用对网络控制系统的RAMS分配指标,设计列车网络控制系统拓扑结构,并给出RAMS设计合理性论证方法。

基于感知的车车通信列车运行控制系统降级运行方案研究与分析

为提高传统CBTC系统降级运行的效率,采用基于感知的车车通信列车运行控制系统(perception based train autonomous control system,PB-TACS)结合SIL4级感知“自主感知运行”的降级运行方案有着重要意义。通过研究增加备用通信WLAN设备,优化轨旁信号设备配置,采用自主感知后备运行级别(autonomous backup level,ABL)移动闭塞运行方案作为车车通信列车控制系统的降级系统,可减少列车区间停车等待时间、提升降级列车恢复效率、减少列车掉线问题。通过对基于感知的车车通信列车运行控制系统降级运行方案进行研究和探讨,为后续全面提升CBTC级别的后备运行方案的完整性和可用性提供有力保障。

基于线路级能量管理系统的列车柔性过分相电压控制仿真研究

针对列车过分相时分相区两端压差过大导致受电弓拉弧、危害列车行车安全的问题,文章提出了一种基于能量管理系统(energy management system,EMS)的柔性过分相电压控制系统。该系统通过采集牵引网状态信息获取电压控制指令来控制能量调度装置(energy dispatching equipment,EDE),以实现分区所两端的电压平衡,保证列车平稳过分相。文章介绍了该系统电压调节的原理,并针对重庆轨道交通15号线交流供电系统搭建EMS调压系统仿真模型。仿真结果表明,基于EMS的柔性过分相电压控制系统能够降低分区所两端电压差20%以上,有效地控制了分区所两端电压的平衡,该结果充分验证了所提控制系统的有效性和可行性。