世界范围计算机联锁的发展回顾Word下载.docx
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实时操作系统可以成为整个软件系统的中间件,即实时操作系统通过驱动程序与底层硬件相结合,而上层应用程序通过API和库函数与实时操作系统相结合。
实时操作系统完成系统多任务的调度和中断的执行,这样系统的安全模块和非安全模块将会得到有效的隔离,RTOS可以很好地解决硬件冗余模块的同步问题。
满足系统实时性的要求。
列车运行控制系统要求的是硬实时响应,实时性要求非常高,如果在系统中选用实用操作系统开发该系统的软件,会对该系统的实时性指标的提高有很大帮助。
缩短了新产品的开发周期。
由于RTOS提供了系统中的多任务调度、管理等功能,在此基础上用户只需开发与应用对象相关的应用程序,所以缩短了新产品的开发周期,降低了设备的成本。
RTOS还具有开发手段可靠、检测手段完善等特点。
充分发挥实时操作系统可移植性、可维护性强等优势。
采用RTOS后,一旦系统需要升级,只需改动力量程序,而不像以前系统需要重新进行设计,体现出RTOS再开发周期短,升级能力强的优点。
三、数字信号处理新技术的应用
随着铁路运输提速、重载的发展,基于分立元器件和模拟信号处理技术的传统铁路信号设备越来越满足不了铁路运输安全性和实时性的要求。
因此,全面引进计算机技术,利用计算机的高速分析计算功能,来提高信号设备的技术水平已非常紧迫。
数字信号处理技术(DSP,DigitalSignalProcessing)的出现为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。
与模拟信号处理技术相比较,数字信号处理技术具有更高的可靠性和实时性。
数字信号处理的频域分析和时域分析的两种传统分析方法有着各自的优缺点。
频域分析的优点是运算精度高和抗干扰性能好,而缺点是在强干扰中提取信号时容易造成解码倍频现象,例如将移频的低频11Hz误解成22Hz;
时域分析的优点是定型准确,而缺点是定量精确地剔除带内干扰难度大。
随着数字信号处理技术的新发展,在铁路信号处理中引入了新的实用技术,如ZFFT(ZOOM-FFT)、小波信号处理技术、现代谱分析技术等。
目前,我国的轨道电路的信号发送、接收以及机车信号的接收普通采用了数字信号处理技术,日本的数字ATC和法国UM2000数字编码轨道电路也都采用了数字信号处理技术。
四、计算机网络技术的发展
随着计算机网络技术的飞速发展,实施企业网络化管理已成为企业实现管理现代化的客观要求和必然趋势。
铁路信号系统网络化是铁路运输综合调度指挥的基础。
在网络化的基础上实现信息化,从而实现集中、智能管理。
网络化。
现代铁路信号系统不是各种信号设备的简单组合,而是功能完善、层次分明的控制系统。
系统内部各功能单元之间独立工作,同时又互相联系,交换信息,构成复杂的网络化结构,使指挥者能够全面了解辖区内的各种情况,灵活配置系统资源,保证铁路系统的安全、高效运行。
信息化。
以信息化带动铁路产业现代化,是铁路发展的必然趋势。
全面、准确获得线路上的信息是高速列车安全运行的保证。
因而现代铁路信号系统采用了许多先进的通信技术,如光纤通信、无线通信、卫星通信与定位技术等。
智能化。
智能化包括系统的智能化与控制设备的智能化。
系统智能化是指上层管理部门根据铁路系统的实际情况,借助先进的计算机技术来合理规划列车的运行,使整个铁路系统达到最优化;
控制设备的智能化则是指采用智能化的执行机构,来准确、快速地获得指挥者所需的信息,并根据指令来指挥、控制列车的运行。
近年来,我国铁路行业已成功地推广应用了原TMIS和DMIS(现称TDCS)等系统,在利用信息技术方面取得了长足的进步。
具有代表性的列车调度指挥系统TDCS,以现代信息技术为基础,综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技术,建立了新型现代化运输调度指挥系统(铁道部、铁路局、基层信息采集网)。
五、通信技术与控制技术相结合
随着计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)和控制技术(Control)的飞跃发展,向传统的以轨道电路作为信息传输媒体的列车运行控制系统提出了新的挑战。
综合利用3C(Computer、Communication、Control)技术代替轨道电路技术,构成新型列车控制系统已成必然。
用3C技术代替轨道电路的核心是通信技术的应用,目前计算机和控制技术已经渗透到列控系统中,称为“基于通信的列车运行控制系统”(CBTC,CommunicationBasedTrainControl)。
如上所述,世界发达国家陆续试验的CBTC系统有ATCS、ARES、ASTREE、CARAT、FZB等。
所有上述各类系统,均具有两个基本特点:
列车与地面之间有各种类型的无线双向通信。
可分为连续式和点式的。
其中又可分为短距离传输(指1m以内)和较长距离传输(远至几公里至几十公里)的移动通信。
它们仍然保留闭塞分区,其中最简易方式CBTC仍采用固定的闭塞分区,但是闭塞分区的分隔点不是用轨道电路的机械绝缘节或电气绝缘节(如无绝缘轨道电路),而是用应答器或计轴器,或其他能传送无线信号的装置构成分隔点,这种简易形式仍然保留固定长度的闭塞分区(FAS,FixedAotoblockSystem),简称为CBTC—MAS。
在CBTC中进一步发展的闭塞分区不是固定的,而是移动的(MAS,MovingAutoblockSystem),简称CBTC-MAS。
被欧洲联盟采用的ERTMS/ETCS的2级和3级是当前CBTC的代表。
ERTMS/ETCS经过多个试验项目的测试和认证后,进行了商业项目的建设,德国铁路计划到2021年在所有的高速铁路装备ETCS2级设备。
表1-2给出了其他欧洲国家铁路正在建设或已投入商业运营的ERTMS/ETCS商业项目。
通信技术与控制技术的结合重新规划了铁路信号系统的结构与组成,为列车运行控制的未来发展开辟了新开地。
六、通信信号一体化
随着当代铁路的发展,铁路通信信号技术发生了重大变化,车站、区间和列车控制的一体化,铁路通信信号技术的相互融合,以及行车调度指挥自动化等技术,冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念,推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。
从铁路信号系统纵向发展看,德国已经形成从LZB、FZB发展到ERTMS的发展趋势。
LZB利用轨道电缆环线传输列车运行控制系统行车指令和速度指令机车信号,取消地面闭塞信号机,保留闭塞分区,列车按固定闭塞方式(即FAS)运行。
FZB是基于无线的列车运行控制系统,是新一代移动自动闭塞系统(即MAS),其目的是实现低成本、高性能的列车运行控制系统,并已加入ETCS。
ERTMS/ETCS(欧洲铁路运输管理系统/欧洲列车控制系统)是欧盟支持的统一的行车控制系统,采用GSM—R作为传输系统,其成功应用将进一步推动铁路通信信号的技术进步,加快实现铁路通信信号一体化的进程。
从信号系统的横向发展来看,日本新干线在1995年成功开发和投入运行的COSMOS系统,则是通信信号一体化的又一个成功案例。
该系统包含运输计划、运行管理、维护工作管理、设备管理、集中信息管理、电力系统控制、车辆管理、站内工作管理等8个子系统,以通信信号一体化技术,实现中心到车站各子系统的信息共享,并使系统达到很高的自动化水平。
另外成功地应用了安全光纤局域网,使之成为联锁系统、列车运行控制系统的安全传输通道,达到通信技术与信号安全技术的深度结合,实现了通信信号一体化。
通信信号一体化是现代铁路信号的重要发展趋势,铁路信号技术发展所依托的新技术,如网络技术,与通信技术的技术标准是一致的,属于技术发展前沿科学,为通信信号一体化提供了理论和技术基础。
在借鉴世界各国经验的基础上,结合中国国情、路情,我国已制定了中国统一的CTCS技术标准(暂行)。
七、安全性与可靠性分析
保证铁路运输的安全,要求铁路信号系统具有高可靠性和高安全性。
安全评估理论的建立与推广为定量评估铁路信号系统的可靠性和安全性提供了重要手段。
在故障—安全理论的发展上,20世纪90年代初,IEC(InternationalElectricianCommittee,国际电工委员会)将故障—安全的概念进行了量化,制定了安全相关系统的设计和评估标准IEC61508。
该标准提出了安全相关系统的“安全完善度等级(SIL,SafetyIntegrityLevel)”的概念,它是一个对系统安全的综合评估指标。
IEC61508对安全系统提出了如下要求:
功能性(Functionality),包括容量和响应时间;
可靠性和可维护性(ReliabilityandMaintainability);
安全(Safety),包括安全功能和它们相关的硬件/软件安全完善度等级(SIL);
效率性(Efficiency);
可用性(Usability);
轻便性(Portability)。
随后欧洲和日本相应地以IEC61508标准为基础,制定了相关的信号系统的设计评估标准以及安全认证体系。
欧洲电工标准委员会(CENELEC)基于IEC61508标准为基础,附加列车安全控制系统的技术条件制定了一些安全相关系统开发和评估的参考标准。
这些标准包括:
EN50126铁路应用:
可信性、可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)规范和说明;
EN50129铁路应用:
信号领域的安全相关电子系统;
EN50128铁路应用:
铁路控制和防护系统的软件。
欧洲是世界上铁路最发达的地区之—。
欧洲国家多,国土面积小,各国内部的铁路网很密集。
近几年来,欧洲铁路公司和信号公司在对各自的既有信号系统进行升级或者技术改造的同时,在欧盟(EU)委员会和国际铁路联盟(UIC)的推动下,欧洲7大铁路信号公司,如法国的Alstom(阿尔斯通)公司、瑞典的Adtranz公司、德国的Siemens(西门子)公司、法国的Alcatel(阿尔卡特)公司、意大利的Ansaldo(安萨尔多)公司(含法国CSEE公司)、英国WestingHouse(西屋)公司,以及Invensys公司,联合起来为信号系统的互联和兼容问题制定信号标准,并制造了相关的产品:
在较大范围内开发并应用新型计算机辅助铁路运输管理系统;
在进路控制方面,随着区域计算机联锁技术逐步取代陈旧技术,自动化系统得到广泛应用;
在列车防护和控制系统方面,研制了基于通信的列车控制系统(CBTC);
为了欧洲铁路信号系统的互联和兼容问题,制定了统一的、开放性信号系统标准,从而实现欧洲各国铁路互通运营。
本章根据搜集到的有关欧洲铁路信号系统的论文、报道和技术资料,对它们进行了归纳整理,从列车运行控制系统、欧洲统一先进的列车运行控制系统(即ETCS)、联锁系统、行车指挥系统、高速铁路,以及磁悬浮铁路等方面介绍欧洲铁路信号系统的现状和发展,有关法国、英国和德国的铁路信号系统的详细情况在另外章节专门介绍。
第一节列车运行控制系统
一、种类繁多的列控系统
欧洲有7大铁路信号公司(Alstom、Adtranz、Siemens、Invensys、Alcatel、Ansaldo、WestingHouse,它们都是UNIFE的成员),它们研制生产的列车运行控制系统(ATP/ATC)有十余种,如德国的LZB系列和FZB系列、法国的TVM系列等。
这些运行控制系统有的适用于中速铁路,有的适用于高速铁路。
在欧洲铁路网上,各个国家的铁路部门使用各自不同的信号制式管理列车的运营。
二、基于通信的列车运行控制系统
近年来,几乎所有欧洲国家铁路都在建立列车运行管理和保证行车安全系统方面寻求新的经济有效的技术方案,其中包括地区性线路。
德国铁路和Adtranz公司共同研究制定了无线通信管理列车运行(FFB)地区性线路运营规划,在建立的列车运行管理系统中,几乎全部通过无线通信系统来实现通信服务联系,完全不用地面信号和监督线路空闲的线路设备,保证在任何线路上的列车运行安全。
基于通信的列车控制系统(CBTC)按欧洲统一的安全标准设计,系统符合欧洲PrEN50129和PrEN50128标准设计的一体化安全要求(SIL4,安全完善度等级4)。
三、列车控制系统向标准化、统一化发展
目前,欧洲由于种类繁多的铁路信号帛式互不兼容,影响了欧洲铁路跨国运输的效率。
在欧盟(EU)和国际铁路联盟UIC的支持下,欧洲铁路制定了统一的列车运行管理系统ERTMS(欧洲铁路运输管理系统),包括欧洲列车运行控制系统ETCS(欧洲列车控制系统)、列车与地面的双向无线通信系统GSM-R和欧洲运输管理系统ETMS。
第二节欧洲列车控制系统(ETCS)
一、ETCS的产生背景
在欧洲铁路网上,各个国家的铁路部门使用各自不同的信号制式管理列车的运营,列车运行控制系统(ATP/ATC)多达十余种,如LZB系列/FZB系列、TVM系列等,这些信号和控制系统互不兼容。
因此,跨国境运营的列车要么穿过边境抵达另一个国家后停下来更换机车,要么根据运行线路的不同装备多种不同的控制系统(最多的有6种),当列车穿过边境抵达另一个国家后,切换相应的运行控制系统。
因信号制式和控制方式的不同,列车无法在欧洲境内穿越国境时实现互通运营;
当列车装备多种控制系统后,由于每种控制系统价格昂贵,使得列车运营及维护费用上升,同时所遇到的繁多的信号技术使得穿越边界的操作非常低效。
基于上述原因,这就产生了研制通用信号系统和新型列车控制系统的要求。
这种通用信号系统应能满足:
跨国境运营的列车不受限制地穿越边界,提高列车运行效率;
信号和列车控制系统界面标准化,尽可能减少不同国家的特殊要求;
通过鼓励对设备的开放市场来产生商业吸引力,从而降低设备的成本。
欧洲铁路运输管理系统ERTMS是欧洲铁路和欧洲信号工业在欧洲委员会的财政支持和国际铁路联盟UIC的支持下,经过大约10年的工作得到的结果。
其目的是为了改善信号制式互不兼容的状况,在全欧洲范围内创立一个既可以兼容现有信号体制,又可以在各国统一推广使用的铁路信号标准,保证各国的列车在欧洲铁路网内的互通运营,提高运输效率。
二、ETCS的组成
前已述及,欧洲铁路运输管理系统ERTMS包括三个组成部分:
欧洲列车控制系统ETCS(EuropeanTrainControlSystem);
无线通信系统(GSM-R);
欧洲运输管理系统ETMS(EuropeanTrafficManagementSystem)。
其中,ETCS涉及列车控制和信号方面,它包含了所有的信号技术,也就是欧洲信号一体化技术。
ERTMS的信号技术表示为ERTMS/ETCS。
GSM-R是基于成熟的公共无线通信网络GSM的技术,为铁路专用的通信网络。
GSM-R可以覆盖地面设备和车载设备,为它们提供连续的、双向的信息(包括数据和语音)传输通道。
无线电技术(GSM-R是基于欧洲EIRENE和MORANE的结果。
ERTMS的无线通信技术表示为ERTMS/GSM-R。
ERTMS中的ETCS是一个先进的列车自动防护(ATP)系统和机车信号(CabSingnalling)技术规范,安装符合ERTMS/ETCS技术规范的列车运行控制系统,不仅能提高列车的安全性,而且使列车能够在欧洲境内穿越国境时实现互通运营。
欧洲采用ERTMS/ETCS的目的,不仅能保证系统的可互操作性,而且还要增强系统的性能,增加系统实现的灵活性,并降低系统的成本。
三、ETCS等级
欧洲列车控制系统ETCS考虑到长期发展的需要,制定了5个应用等级;
ERTMS/ETCS等级0、ERTMS/ETCS等级STM、ERTMS/ETCS等级1、ERTMS/ETCS等级2、ERTMS/ETCS等级3。
高等级向下兼容,使得欧洲各国铁路部门可以根据各自的实际需要安装使用不同等级的信号和控制系统。
在5个应用等级中,ERTMS/ETCS等级2和ERTMS/ETCS等级3采用移动通信网络GSM-R技术来实现地面与列车之间双向的信息传输(包括语音和数据),因此这两个等级属于CBTC的范畴。
(1)ERTMS/ETCS等级0
在ERTMS/ETCS等级0中,装备了ERTMS/ETCS的列车可以在没有装备ERTMS/ETCS地面设备或者无本国信号系统的线路上运行,或者在试运行中的ERTMS/ETCS线路上运行。
(2)ERTMS/ETCS等级STM
在ERTMS/ETCS等级STM中,装备了ERTMS/ETCS的列车,在装备了本国信号系统的线路上运行。
为了能够识别本国地面信号,车载设备还需另增加STM(SpecificTransmissionModule,专用传输模块)接口设备。
STM把接收到的本国信号译成标准的ETCS报文格式,然后传送给ETCS。
(3)ERTMS/ETCS等级1
在ERTMS/ETCS等级1中,装备了ERTMS/ETCS的列车,在装备有点式传输设备欧洲应答器Eurobalise的线路上运行,地面向列车传输的信息完全依靠Eurobalise,轨道电路只完成轨道区段的空闲/占用检查和列车的完整性检查。
为了增加信息传输的覆盖范围,线路上可以安装欧洲环线Euroloop或者无线注入单元。
因此ERTMS/ETCS等级1分成带注入信息和不带注入信息两种类型。
(4)ERTMS/ETCS等级2
在ERTMS/ETCS等级2中,装备了ERTMS/ETCS的列车,在由无线闭塞中心控制的、并且装备了Eurobalise和Euroradio的线路上运行。
车地之间的双向信息通信由GSM-R提供传输通道,由Eurobalise提供列车定位信息,地面设备完成列车完整性检查。
(5)ERTMS/ETCS等级3
在ERTMS/ETCS等级3中,装备了ERTMS/ETCS的列车,在由无线闭塞中心控制的、并且装备了Eurobalise和Euroradio的线路上运行。
车地之间的双向信息通信由GSM-R提供传输通道,列车定位和列车完整性检查由车载设备实现。
Eurobalise只提供ETCS等级转换命令。
四、ETCS的特点
1、ETCS的结构特点
ETCS在结构上具有以下特点:
模块化结构。
模块化结构便于系统的维护和管理。
接口标准化。
在欧洲联盟EU和国际铁路联盟UIC的支持下,欧洲所有信号公司共同组建了UNISIG工作组,共同制定了统一的ERTMS标准,即ERTMS技术规范。
该规范对设备的功能、设备间连接的接口、数据通信协议与格式等制定了统一的标准、不同的应用等级。
针对欧洲各国铁路信号制式的差异和运输需要的不同,定义了5个应用等级。
5个等级的系统按模块方式构成,为ERTMS/ETCS的用户提供了极大的灵活性。
低等级系统升级方便,不同等级可以互通运营。
显示界面一致性。
不但不同厂家设备的显示界面一致,而且在不同的应用等级中,显示界面的布局相同,只是显示内容有所差别。
设备的操作方法相同。
不同厂家设备的操作方式相同,只要熟悉一个厂家的设备,就会使用其他厂家的设备。
设备的维护方法相同。
设备研制与生产依据相同的安全设计规范和生命周期规范。
2、ETCS的技术特点
ETCS在技术上具有以下特点:
系统的开放性:
是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。
一个开放系统,是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。
通信协议公开,不同厂家的设备之间可实现信息交换。
ETCS技术规范是得到欧洲联盟和国际铁路联盟承认的标准,而且该标准是公开的。
所有ETCS的设备供应商都可以按照标准设备生产ETCS设备。
互可操作性与互用性:
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通;
而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
由于所有的ETCS的设备供应商均按照统一的ETCS技术规范来设备生产,所以不同厂家的ETCS设备可以任意组合、任意互换使用。
兼容性:
ERTMS/ETCS的5个应用等级的机车尽管其设备的车载设备不同,但机车可以在不同等级的线路互通运营。
可升级:
ERTMS/ETCS的低等级系统在原有设备的基础上,增加一些新的设备(模块)就能方便地升级到更高的等级,原有的列车运行控制车载设备在高等级的系统中继续使用。
第三节联锁系统
近十多年来,欧洲联锁设备经历了从继电器联锁技术到电子计算机联锁技术、再到区域计算机联锁技术的历程,取得了令人瞩目的发展。
计算机联锁系统主要用以下方式实现故障—安全:
硬件冗余表决:
软件冗余表决(具有相异性的不同版本软件比较);
动态信息及接口技术。
一、硬件冗余表决技术
目前欧洲联锁系统普遍采用以下三种硬件冗余结构:
结构核查方法。
如阿尔卡特公司联锁装置,采用两台计算机分别按两种不同设计的程序工作,一台计算机按输入指令检查运行和安全情况,另一台计算机核查结果,采用不同的程序检查后确认不会产生危险情况,向区域化联锁发展,强调了集中控制和智能化。
第四节高速铁路
一、欧洲高速铁路网的发展
欧洲高速铁路网未来的发展
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