CBTC系统结构简介

CBTC系统结构概念示意图，如图7-2所示，从CBTC系统结构概念图可以看出，CBTC的主要组成部分有：

ATS：列车自动监控子系统；

DSU：数据库存储单元；

ZC ：区域控制器；

VOBC：车载控制器；

DCS ：数据通信系统（包括骨干网、网络交换机、无线接入点及车载移动无线设备）。

系统的安全型组成部分，是列车上的车载控制器（VOBC），轨旁区域控制器（ZC）和位于中央的数据库存储单元（DSU）。

列车控制子系统之间的逻辑接口有：列车自动监控（ATS）与区域控制器；ATS与车载控制器；ATS与司机显示；ATS与数据通信系统（DCS）；区域控制器与车载控制器（本区域内的列车）；区域控制器与区域控制器；车载控制器与司机显示；车载控制器与车载控制器（同一列车）。

（一）车载控制器（VOBC）

车载控制器，通过检测轨道上的应答器，从数据库中检索所收到的数据信息，以建立列车的绝对位置；车载控制器测量应答器之间的距离，并测量自探测到一个应答器后，列车所行驶的距离。数据库包括了所有相关的轨道信息，如道岔位置、线路坡度、限速、停站地点等。

车载控制器具备列车自动防护（ATP）子系统和列车自动运行（ATO）子系统的所有功能。车载控制器主动开始与区域控制器（ZC）的通信。这意味着当列车进入区域控制器的控制区域时，无论是刚刚进入系统或从一个区域控制器区域转移至另一个区域，列车会向区域控制器发送信息，表示列车已经进入该区域控制器的管辖区域。车载控制器，通过数据通信系统与控制中心ATS直接通信。ATS 周期性地接收到从各列车发来的列车所在位置和列车状态报告。

图7-2　CBTC系统结构概念示意图

（二）区域控制器（ZC）

区域控制器，接收其控制范围内列车发出的所有位置信息；根据控制中心列车自动监控子系统ATS的进路请求，控制道岔、信号机，并完成联锁功能；并根据所管辖区域内轨道上障碍物位置，向所管辖区域的所有列车提供各自的移动授权；所谓“障碍物”包括列车、关闭区域、失去位置表示的道岔，以及任何外部产生的因素，如紧急停车按钮、站台屏蔽门、防淹门和隔离保护门的动作等；区域控制器，还负责对相邻ZC的移动授权请求做出相应，完成列车从一个区域到另一个区域的交接。

（三）列车自动监控子系统（ATS）

列车自动监控（ATS）子系统是一个非安全子系统，它为控制中心调度员提供人机界面。ATS的线路显示屏上，显示线路状态、信号设备状态、各列车位置、列车工作状态；同时也提供调度员的各种调度命令功能，如临时限速、车站“跳停”、关闭区域等。

ATS还具有远程控制系统所具有的设备诊断功能，包括列车的车载ATC设备的状态检测。 ATS发出排列列车进路指令。它向区域控制器发送对应于每列车的排列进路指令，排列进路的指令必须和列车所接收的进路相一致。如果排列的进路不正确（如列车A分配到列车B的进路），相应的车载控制器将会检测到道岔设置和本列车的运行进路不符，从而阻止列车通过该道岔。

中央ATS（CATS）设备，位于控制中心。车站ATS（LATS）设备，位于区域控制器所在的联锁集中站的信号设备室。

（四）数据库存贮单元（DSU）

数据库存贮单元，是一个安全型设备，它包含了其他列车控制子系统使用的所有数据库和配置文件。区域控制器和车载控制器之间，使用一个安全的通信协议，从数据库存贮单元下载线路数据库。线路数据库都有一个版本号，在每个区域控制器和数据库存贮单元之间每隔一定时间，就会对版本号进行交叉检测。当列车第一次进入系统时以及之后每隔一定时间，在车载控制器和区域控制器之间也会进行相同的检测。

（五）线路示意图的数据库表示

基于无线通信的CBTC系统，轨旁定向天线与车载天线之间，通过无线基站蜂窝网进行信息交换。无线蜂窝网采用重叠方式布置，保证信息的不间断交换。

轨旁区域控制器向列车发送的数据信息中，主要是至目标停车点的“进路地图”信息，即线路的拓扑结构。线路示意图由一系列的节点和边线来表示，包括轨道的分叉、运行方向的变更以及线路尽头等位置，这些都归纳为“节点”。不同节点的位置是数据库的主要内容。而连接两个“节点”的线路称为“边线”（Edge）。每个边线均有一个从起始节点到终止节点的默认运行方向，“边线”上的任何一点均由其与起始节点的距离来表示，这称为“偏移”（Offset）。所以线路上的位置均有“边线”“偏移”矢量来定义，包括车站站台、道岔、应答器、速度区域边界、不同坡度的线路段等。(www.xing528.com)

这些距离信息对于列车定位至关重要，因此这种方式的CBTC在轨旁，还设有用于定位校正的信标。

（六）数据通信系统（DCS）

数据通信系统开放性的系统设计原则是：对所有列车控制子系统提供IEEE 802.3（以太网）接口；对列车控制子系统是透明的；符合实时和吞吐量要求。列车控制子系统之间发送和接受IP 报文，其中大多数列车控制子系统是移动的。数据通信系统对于这些传输的信息是完全透明的。

数据通信系统传送的是安全控制信息，但它本身不是一个安全系统。IEEE 802.3以太网标准用于整个局域网（LAN）；IEEE 802.11跳频、扩频技术的无线标准，用于网络内的所有无线移动通信。

与数据通信系统相连的任何两个节点之间，可以相互通信。数据通信系统可以在下列设备之间传送信息：区域控制器和相邻的区域控制器；区域控制器和车载控制器；ATS 和区域控制器；ATS 和车载控制器；ATS 和数据库存贮单元；数据库存贮单元和车载控制器；数据库存贮单元和区域控制器。

1.数据通信系统（DCS）结构

数据通信系统，对所有的列车子系统都是透明的，子系统之间的通信采用UDP/IP协议，数据通信系统完成报文通路，由于列车控制数据只占用不到10%的数据通信系统带宽，所以允许系统实现其他附加功能，如旅客广播系统（站台和车内）、旅客向导系统（站台和车内）、远程SCADA设备及车载视频监视系统等。

数据通信系统的系统结构图7-3所示。

图7-3　无线CBTC的数据通信系统结构框图

2.如何保证数据通信安全

由于采用无线通信，所以使数据通信公开化，如何保证数据通信的安全是个难题，为此采用以下解决方案。

DCS安全系统使用标准的通信协议和动态的密钥管理，确保报文认证和编码的保密性，认证授权支持IKE协议，以使管理所有的密钥（证书）信息。即所有对数据通信系统的接入，都要经过一个保安器件，所有收到的无效报文都由保安器件识别抛弃，中央认证机构，向保安器件发布认证授权证书，如图7-4所示。

通信协议由三个核心部分组成：真实性报头（AH），证实一个信息包的发送身份，并证实该信息包的真实性；封装的保安有效报文（ESP），在传输前，将一个包加密和证实；因特网密钥交换（IKE），管理发送器和接收者保安密钥的传送（动态密钥，不断更新），所以一个基于开放标准的数据通信系统，提供了单一无缝隙的IP网络，有良好的IEEE 802.3接口功能，一个符合IEEE 802.11接口标准的无线局域网，并向下兼容，有充裕的带宽，可用于先进的列车控制和辅助车载性能。

图7-4　无线CBTC数据通信系统安全结构示意图

3.采用开放标准接口

作为列车控制子系统间的接口标准为IEEE 802.3；作为无线通信接口标准为IEEE 802.11。IEEE 802.3和IEEE 802.11均支持互联网协议IP。

4.列车与轨旁间采用两条数据通道

两套车载无线设备均与车载控制器连接（冗余），所以区域控制器通过两个轨旁无线设备向车载控制器传送报文。车载控制器也分别通过两个车载无线设备向区域控制器发送应答信息。

5.无线通信技术

IEEE 802.11其指定FHSS（跳频扩频）的运营频率范围为：2.4～2.485GHz，带宽为79MHz。FHSS采用正交跳频序列，以防干扰。支持分段序列传输。支持多个WLAN蜂窝，具有桥接能力。

轨旁无线蜂窝，以100%的重叠率进行设计，保证在一个无线基站故障时，列车信号不丢失。至于车载无线设备与哪一个轨旁无线基站进行通信，取决于对信号强度的计算，如果本蜂窝区域的无线信号强度，低于某一门限值，车载无线设备会自动转换到下一个有可接收信号强度的轨旁无线电蜂窝。