城市轨道交通信息系统(复习资料)

名词解释与填空

1、ARES ：全球定位卫星接收器和车载计算机；

2、ATCS ：采用设在地面上的自动应答器。

3、列车自动防护ATP：ATP-Automatic Train Protection

4、列车自动驾驶ATO：ATO-Automatic Train Operation

5、行车指挥自动化ATS：ATS-Automatic Train Supervision

6、列车运行自动控制提供的运行指令主要有：

（1）加速指令；（2）减速指令；（3）常速运行指令。

7、简答车载设备应提供实时的列车运行显示，内容包括：

（1）目标速度；（2）目标距离；

（3）允许速度；（4）实际速度。

8、速度控制命令显示包括：

（1）加速；（2）减速；（3）常速运行。

9、常用的检错码有两类：奇偶校验码与循环冗余编码（CRC，cyclic redundancy

code）。

10、RS-422为全双工，而RS-485为半双工。

简答

1、行车指挥自动化系统（ATS）：控制中心计算机系统根据计划运行图及列车

实际运行情况实现实时控制，指挥列车运行。

2、列车自动防护系统（ATP）：检测列车的实际位置，限制列车在安全速度以

下运行，保证列车的安全制动距离。

3、列车自动驾驶系统（ATO）：对于以设备控制为主的系统，在人的监督下，

可以控制列车最佳运行曲线进行列车操纵，保证进站后定点停车，并可根据中心计算机的实时指令调整列车速度，确保列车的最小追踪间隔，以提高系统的运行效率。

4、点式查询应答器：应答器的原文为Transponder(Transmit Responder)，

应答器：在接收外来信息的同时，能向发送单元反馈信息，构成双向通信的瞬间无线装置。应答器是实现无线综合列车控制与信号系统的关键设备。5、列车通信网络包含了两种总线：

连接一个车辆内设备的多功能车辆总线（MVB)，总线能快速响应，工作速率为1.5Mbit/s，介质为双绞线或光纤；

连接列车中各车辆的绞线式列车总线（WTB),总线能自己组态，工作速率为1Mbit/s，介质为双绞屏蔽线。

这些总线在链路层提供了相同的两种服务：

进程数据：周期性的，源寻址广播数据；

消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。

6、列车通信网络将传送两类数据：

时限紧迫的，短的进程变量（如牵引控制用的数据）；

时限不太紧迫的，但可能比较长的消息（如诊断用的数据）。

7、列车通信网络的构成（画出WTB 和MVB 包含的部分）

对列车通信网的要求为：

（1）实时性；（2）协议简单性；（3）短帧信息传送；

（4）信息交换的频繁性、网络负载的稳定性；

（5）较高的安全性、容错能力；（6）低成本需要。

8、MVB 传输的数据有以下三类：

过程数据：定时广播的带源地址的数据，定时间隔小于1ms ；

消息数据：有请求时应答，带有目的地址的点对点或广播数据；

管理数据：用于事件判决、主设备转换、设备状态发送的数据。

9、消息数据、包和消息

由于消息太长，不可能装在一个帧内，因而将它们分段成包，每个包为一帧。这些包 以及有关的控制包（确认、命令等）都在一特定总线上作为消息数据传输。

术语“包”适用于整个网络（例如，从车辆到车辆转发一个包），而消息数据是总线提 供的服务，如MVB 或WTB 上传送包。 特性 绞线式列车总线（WTB ） 多功能车辆总线（MVB ） 组态

根据列车编组在线自动组态 总线成员事先确定 介质 双绞屏蔽线，特征阻抗120D (860m ，32个节点，相当于22节UIC 车辆） 基于RS-485的双绞线(20m ，32个

设备)变压器耦合的双绞屏蔽线

(200m ，32个设备） 带星耦器的

光纤(2000m ，2个设备）

物理冗余 物理层双份冗余

编码

曼彻斯特码+分界符 信号数据速率 1.0Mbit/s 1.5Mbit/s

地址区间 进程数据(每节点1个)和消息数据都为8 位地址 进程数据(逻辑地址）和消息数据

(物理地 址)都为12位地址

物理地址 点对点和广播 点对点和广播

有效的帧长度 可变的4?132个八位位组

最大1024位

固定为16，32，64，128或256位最大256位 支持设备 最多32个节点

最多4096个节点 基本周期 25ms

最小1ms

地址相对的，在组态时在线分配事先确定

总线管理总线由一个主设备控制，支持总线主设备冗余

主权转移每个节点都可成为总线主

强总线主（根据命令）

弱总线主（根据默认）通过令牌传递总线管理器成为总线主

介质访问周期性的过程数据，偶发的消息数据，随机的监管数据

链路层服务进程数据

消息数据

监视数据周期性

偶发性

偶发性/周期性

广播源寻址数据集点对点或广播

数据报文总线管理的数据

收发器接口应包括如下信号：

a) TxS：发送器信号

此信号控制介质的电平，介质处于低电平（LOW)时为“0”；介质为高电平（HIGH) 时为“1”。

b) TxE：发送器使能信号

此信号为1时发送器有效。光纤传输无需此信号。它的定时对每种介质都有定义。

c) RxS：接收器信号

此信号表征介质的状态。当传输线为低电平时此信号为0，当传输线为高电平时此信号为1，对于未定义的电平信号，接收器认为要么是高电平要么是低电平。当没有一个发送器处于活跃状态时就不存在所定义的电平，尽管此时有些介质定义了空闲状态电平（通常为低电平)。

此图考法结合列车闭塞区间的自动闭塞：红、绿、黄、黄绿显示(或黄闪)，列车以220Km/h全速越过绿色信号机后，司机以常用制动方式开始减速，使列车减速到规定的速度170Km/h通过黄灯信号机，并继续减速至30Km/h时通过黄绿灯信号机并保证列车在下一个红灯信号机前停车。

分析与计算

1、信息传输速率与移动体的最高速度、应答器的纵向长度、信息量和要求累计

接收的次数有关，其相应的关系如下式：

2、设信号的传输速率为b(bps)，传送一个字符（8bit）所需时间T为8/b秒，

因此第一次谐波频率为b/8Hz。一般电话线的截止频率约为3000Hz。这个限制意味着该线路能通过的最高的谐波数为24000/b。例如试图在电话线上以9600bps的数据率传送信号，此时该线路能通过的最高的谐波数仅为2，接收到的信号无疑将产生畸变，即不能正确接收原比特流。在电话线上即使传输设施完全无噪声，数据率高于38.4kbps时，能通过的最高的谐波数也将为0，信号的传输是不可能的。所以说信道的带宽限制了信道的数据传输速率，即使是完全信道也是如此。

3、CRC码检错方法是将要发送的数据比特序列当作一个多项式f（x）的系数，

在发送方用收发双方预先约定的生成多项式G（x）去除，求得一个余数多项式。将余数多项式如到数据多项式之后发送到接收端。

4、CRC检错码的工作原理

CRC生成多项式G(x）由协议规定，目前已有多种生成多项式列入国际标准中，例如：

CRC-12： G（x）=x12+x11+x3+x2+x1+1

CRC-16： G（x）=x16+x15+x2+1

CRC-CCITT： G（x）=x16+x12+x5+1

CRC-32： G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 CRC校验码的检错能力很强，它除了能检查出离散错外，还能检查出突发错。

检错能力为：

（ⅰ）能检查出全部单个错；

（ⅱ）能检查出全部离散的二位错；

（ⅲ）能检查出全部奇数个数；

（ⅳ）能检查出全部长度小于或等于K 位的突出错；

（ⅴ）能以的概率检查出长度为（k+1）位的突出错。

校验序列应按如下的多项式公式计算：

G(x)=x7+x6+x5+x2+1

7位余数的结果应用一个偶校验位扩展。所有的8位数据取反发送。

例：

16 位信息 0111 1110 1100 0011

乘以 x7 0111 1110 1100 0011 000 0000

除以 x7+x6+x5+x2+1' 1110 0101

余数为 001 0001

余数用偶校验位扩展001 00010

发送的8位取反校验序列CS=1101 1101

5、MVB 帧

主帧的长度固定为33位，包括：

?9位主起始分界符；

?4位F代码，它指明所期望的从帧类型和长度；

?12位的地址或参量；

?8位的校验序列。

所有设备都对主帧译码，随后被寻址的源设备回答一个从帧，该从帧可被几个其它的设备所接收。

从帧可能有五种长度：33，49，81，153或297位，包括：

?9位从起始分界符；

?16?256位的数据；

?每个64位序列有一个8位校验序列，见图A-68。

6、列车总线寻址

铁路工作人员可以使用不同的方法对一列车中的车辆编号。列车通信网络提供一种寻址方案，从这方案可导出其它的地址。

TCN只考虑节点，不考虑车辆。它的命名方法允许列车以任选（可变）的方向运行、每节车辆上可有不同数量的节点。

列车的每个节点有两个方向：称为方向1和方向2。

车辆的布线使节点的方向1与车辆的方向1相同。如果一个车辆上有几个节点，它们的方向1是相同的。

注：UIC定义的方向1指向有停放制动的车辆末端。

车辆的两侧称为A侧和B侧，A侧和B侧与方向1和方向2有关，若方向1朝北，A侧则朝西。

与运行方向无关，列车总线用相对于主节点的位置来标识节点，主节点的地址总是01，

在总线主方向2上的节点，从02开始按递增顺序依次编号，最后命名的节点为顶节点。

在总线主方向1上的节点，从6 3开始按递减顺序依次编号，最后命名的节点为底节点

每个节点都知道它的地址，它的哪个方向（1或2)指向主节点以及哪个方向是主节点顶侧或底侧。例如图中，节点03认为它的方向2是指向底，而节点05认为它方向2是指向顶。

于是所有节点认可同一个方向作为“底”或“顶”，也知道它们的车辆与总线主所有的车辆是同向或反向。与总线主所在车辆A侧相应的车辆侧称为“P”，而另一侧称为“S”。

这样如果应用命令打开P侧（相应于总线主A侧）的门，与总线主取向相同的所有节点将打开“A”门；其它节点将打开“B”门，而无需知道运行的方向。

7、站标识符

在调试或查错时，系统工程师有兴趣通过管理消息来访问设备。但由于组态的多样性，一般不能使用物理设备地址。

图实例中，车辆02没有车辆总线，而车辆05有几个车辆总线，车辆03有两个能独立访问的列车总线节点，此外还可以有传感器总线。

图节点和车辆总线设备

车辆总线也可贯通一组正常运行中不可分开的车辆，每一组可连到一个列车总线节点上，见图。

图贯通几个车辆的车辆总线

为了在各种拓扑下寻址设备，网络管理把列车通信网络看成是挂在每个节点上的多个站，节点本身也是其中的一个站。

8、OGF、EMD、ESD实现混连的器件每一种传输介质实现的长度。

一个MVB结构应包括一个或多个总线段，这些总线段由下述介质之一构成：

a) ESD：电气短距离介质是依照RS-485标准的差分传输导线对，在无需电气隔离的情况下在20m的传输距离内最大可支持到32个设备，若使用电气隔离则传输距离可更远。

b)EMD：由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。在200.0m的传输距离内最大可支持32 个设备，允许使用变压器作电气隔离。

c) OGF：光纤介质。通过星耦器汇出，传输距离可达2.0km，主要用于较为苛刻的环境（如机车上）。

器件：MVB各总线段必需经由下述类型之一的耦合器相互连接：

a)连接不同介质的中继器。

b)将光纤汇入总线的星耦器。

例---在MVB结构中，ESD段包括一个总线管理器，几个在机箱内或外的设备及一个网关。EMD段包括一个总线管理器和几个其他设备。OGF段上也有几个其他设备。总线段之间通过中继器相互连接。本例中星耦器上的ESD段并未包含任何设备。

9、中继器

一个中继器应符合以下规则：

a)它应将接收到的第一个脉冲信号的方向作为其初始方向，并将此信号反向发送，此反向发送方向在接收到的初始方向信号稳定达2.0MS之前不应变化。e)产生碰撞时，误置的信号沿不经过再同步而直接发送，但碰撞不应在初始方向上传播。

f)它引入的在输入信号沿及相应的输出信号沿之间的延时最多不能超过3.0us，同时最大延时和最小延时之间的差值应小于0.20BT，在g)的情况下例外。

g)当两帧之间的间隔过小时，它应当对后一帧进行延时以保证间隔大于3.4.2.3中所规定的数值。

h)当总线段中连续的发送器工作的时间超过了暂停时间T_jabber_all (此时间等于段中任何设备所能发送的最长帧的时间加上15% (3.0))时，它应能识别和隔离总线段。

注：所有中继器的暂停时间T_jabber_all应大于设备的T_jabber且超过5%，以保证设备在错误产生后影响总线段之前能够自我切断。

12、MVB的5外类设备

0类设备无须具备表50中的任何性能。

注：0类设备包括一些特殊设备，例如中继器和星耦器，它们不参与或以其他方式参与（例如通过其他协议）应用数据交换。

1类设备

1类设备具有设备状态性能和过程数据性能。

注：在此类设备中，过程数据的端口地址与设备的地址有关，例如端口地址与设备地址相同。

2 类设备

2类设备具有设备状态性能、过程数据性能和消息数据性能。

注：2类设备是一种可通过总线配置的智能设备，但不可编程。

3类设备

3类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和用户可编程性能。4类设备

4类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和总线管理性能。注：也可具有用户可编程性能。

5类设备

5类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和TCN网关性能。5类设备也可具有总线管理器性能。

注：带有总线管理器性能的网关可使总线同步。

13、信息传的时间计算

报文定时

对每一种介质而言帧之间的时间间隔的计算是从帧的起始点开始到帧的结束点终止。

在双线总线段中,帧与帧之间的间隔时间的计算,是从任何一条线上的来得迟的前一帧的结束到任何一条线上来得早的后一帧的开始一此时只要RLD未被置位。

应答延时

对于一个给定的总线，应答延时T_reply是指在主设备上测量而得的从主帧结束到响应此主帧的从帧的开始之间的最大可能的延时。

应答延时为传输、解码和访问所花延时之和。

T_reply为一可设置参数，它告诉主设备在未接收到从帧或遭遇碰撞时应在等待多长时间之后发送下一个主帧。

例-带有两个中继器的总线的应答延时。图84。外加PDF210页

对于一个给定的总线其T—reply为两倍的传输延时（传输线和中继器上）加上最坏情况下的从设备延时：

T—reply[^s]=2*(6,0*L+T_repeat_max*Nrep)+T_source_max

其中：

6.0us/km为最坏情况下的一条传输线上每公里的延时（0.5*光速）

L为线路的电气长度,单位为公里。（大于物理距离）

T_repeat_max为中继器可能引入的最大延时（每个方向为3.0us);

Nrep为中继器的数目；

T_source_max (6.0us)是指源设备的最大延时。

例：

对于无中继器的20.0m总线，T_reply =6.24us。

对于含有两个中继器的2.0km的总线,T_reply =42.0us。

T_reply的默认值和最小值为T_reply_def = 42.7us。

注：在“扩展应答延时”设置选项中,T_reply将大于T_reply_def。

源设备中的帧间间隔

在主帧结束之后，被寻址的从设备应应答一个从帧，如图：

最早在T_source_min=2.0 us之后,以及最迟在T_source_max=6.0us 之前。

注：T_source的推荐值为4.0 us。T_source大于3.0 us的设备应遵循3.2.3.2。目标设备的帧间间隔

目标设备将忽略在其接收到最后一个主帧的时间T_ignore之后发送的所有从帧，如图

超时 T_ignore 的默认值为 T_reply_def=42.7us。

注：作为过程数据的从帧不包含地址，其地址由先前的主帧来确定。从帧（dat (X))和下一个主帧 (address Y)的丢失将会导致设备把第二个从帧（data (Y))作为属于第一个主帧（address X) 的数据接收,因此当设备测得延时t_ms大于发送一个最小从帧和随后的一个主帧所需的时间时(其大小为49us(22us+2us+22us+ 3us)),将会怀疑出现双重数据损失。由此设置了一个小于49us大小为42.7us 的时间T_ignore。

在另一方面，设备应当能够接收延时达T_reply的从帧，以便可接收最坏延时情况下的从帧数据。当T_reply的值小于42.7us时，此条件总能够被满足，但在扩展应答延时模式下例外，此时需有特定的预防措施（3.4.2.4.2)。

主设备上的帧间间隔

主设备应在发送前一主帧后不迟于T_alive=1.3ms的时间内发送后一主帧，如图主设备应按如下规则发送下一主帧：

a)在任何情况下在前一主帧发送之后的T_safe时间否尽早发送（3.4.2.4.2);

b)当可能存在碰撞或对发送主帧响应存在寂静时,在前一主帧发送之后的T_reply+T_m时间否尽早发送。

当不应存在碰撞或对发送主帧响应不应存在寂静时，在T_sm_min=3.0us时间否尽早发送。

14、主设备对碰撞和寂静的检测

对碰撞的检测

如果信任线上的解码器报告有碰撞或接收到的从帧不正确时，主设备应检测到碰撞。

当接收到一个正确的从帧，甚至由于传输的延时在接收第一个有效帧之后的T_reply时间内接收到第二个有效帧时，主设备也应检测到无碰撞，并认为第一个接收到的正确的从帧为一个单个的应答。

在类型为General_Event_Response, Group_Event_Response 和

Individual_Event_Response的帧中将有可能产生碰撞。

注：在一个长总线上，有可能几个从设备同时应答，但此时主设备只接收一个有效帧：一个近的发送器优先于远的发送器，或由于应答延时T_reply可能超过最小的从帧宽度（=22.0#)导致第二帧在第一帧的末尾到达。

对寂静的检测

如果在前一主帧结束后的T_reply时间内解码器没有检测到有效帧或碰撞，则主设备检测到有寂静。

除了过程数据响应，寂静有可能在所有帧中发生。

注：干扰会使主设备把寂静看成碰撞，从而使设备在错误的路径上调查。解码器可帮助区分干扰和碰撞。

15、事件仲裁（二叉树）

第一个组事件请求用它的地址最低位来区分设备,首先是用偶地址：

如果只有一个回答,则事件标识符响应就指示了该事件。

继续在奇地址的一组设备中仲裁；

如果仍有碰撞,表明至少有两个偶数地址的设备挂起了事件,则仲裁将在地址较高的一位上搜索；

如果是寂静，表明有事件的设备为奇数地址，仲裁将在奇地址的一组设备中继续。

在后两种情况下,总线主发送另一个组事件请求,这次检查地址的次低位，如果仍有碰撞,总线主则继续检查下一个低位,如此进行,直至收到单一的回答。

接收到一个正确的事件标识符响应将终止事件的仲裁。

随后，总线主搜寻留下的事件（当至少有一个碰撞时)，为此，它将在最后碰撞级的下级上运行搜索树。

表A-9为一实例，设备01000,01110及00110有一个事件

1、进程数据报文

进程数据是对含有F 代码为0…4及逻辑地址的主帧的响应，见图A-69。

进程数据帧由一个设备发送，但由所有其它设备接收。

2消息数据报文

消息数据是对F 代码等于12并含有一个设备地址的主帧的响应，报文长度固定为256 位。消息数据包含有12位的目标地址，所有设备都对目标地址译码，但仅是被选择的目标设备才接收该帧。

3监视数据报文

监视数据是对F 代码为8,9,13,14和15的主帧的响应，它的长度为16位。

特例：F 代码=15为读设备状态，总线主可以轮询以检查各设备的状态。

17周期和偶发的关系各自包含什么

主设备将轮回时间分成固定的时间片，这个时间片称为“基本周期”，其值为T_bp。用于轮回的基本周期的取值范围为：ms . T_bp , 2.5 ms。

注：为了同步，可使用2的幂作为分母来划分控制处理的周期，它的长度范围在1~2ms之间，例如: 1.042ms (16X60Hz) , 1.250ms (16X50Hz)，以及1.875ms (32X 16.66Hz)。

一个基本周期分为4个相，如图93 ：

a)周期相；b)监视相；c)事件相；d)保护相。

注：事件相、监视相和保护相构成偶发相。

T_spo的数值对不同的周期相可以变化。

T_spo的默认值为350.0us。

如果在有限个基本周期内需要使用较低数值的T_spo，则T_spo要大于发送最短报文的时间T_mm_min = 49.0 ^s + T_reply。

注：T_spo的最大值等于基本周期的时间。

WTB部分

1、总线控制器

总线访问每个设备由专用的总线控制器控制。

总线控制器通过发送器和接收器连到两个冗余的线路上。

MVB总线控制器包含编码器和译码器，以及控制通信存储器的逻辑。总线控制器对到达的帧译码并寻址相应的通信存储器。

MVB总线控制器的实例见图A-63。

总线控制器总线控制器也能读报告设备状况的设备状态寄存器。

PPTWTB第4页要补出总线控制器。

2、拓扑结构

节点应被插入WTB电缆，每个节点与两个总线节相连，见图

一个节点应能:

a)如果为中间节点，则此节点应使连接它的两个总线节具有电气连续性，或：

b)如果为末端节点，则此节点通过一个终端器（阻抗调节网络）电气上终止连接它的总线节。

末端节点可通过它们的总线节独立地进行发送或接收，而中间节点则只有一个收发器使能。（中间节点只用主通道，端节点主辅均用）

3、节点和电缆引起的延时

总线上任何两个节点的端到端之间的传输延时T_pd不得超过60us。

注1：对于一个给定的应用，传输延时可计算为T_pd=(L*6.0+R*T_rd)，其中：?L是以米为单位的电缆长度（包括干线电缆、扩展电缆和跨接电缆）；

? 6.0ns/m近似于带载的传输线的传输延时。

?R是中继器的数目；和

?T_rd是中继器的传输延时。

注2： WTB在860.0米长度内不需使用中继器，但中继器在某些应用中是有用的。注3：本规范与4.4.2.2和4.3.2.2中允许的延时相匹配。

4、WYB帧格式

当总线主轮询一个节点的进程数据时，被轮询的节点广播一个从帧如图所示。

该帧被所有其它节点接收，因为WTB上的所有节点都是用户，是所有其它节点进程数据的宿。节点以固定格式的进程数据帧响应，这种固定格式在每次组成改变时建立。为增加组成改变时的完整性，进程数据帧的开头两个八位位组留给帧内容的标识。

当总线主自己发送进程数据时，它先发送一个轮询帧。然后按与从设备相同的定时发送一个从帧。这称为自轮询。

注：主帧也可以传送只给被轮询从设备的进程数据。

消息数据报文

当总线主轮询一个节点的消息数据时，节点用包含一个消息包的从帧来响应，这样就形成一个消息数据报文，见图

该帧被一个目标接收（除非采用多播协议）

开头的4个八位位组构成链路报头，它们的格式对所有WTB帧是相同的。

消息从帧中也包含4个八位位组的网络报头（指示起始及最终实体），以及消息传送控制字段及传送层数据，这些字段与链路层无关。

与进程数据不同，消息数据的长度是可变的，它也可以是空的（长度=0)这发生在被轮询的节点无消息数据需要发送时。

当总线主自己需发送消息数据时，它先发送一个轮询帧，然后，它作为从设备按相同的定时发送从帧，这称为自轮询。