移动闭塞系统（共6篇）
移动闭塞系统 篇1
1 概述
随着在城市轨道交通改造工程和新线建设中越来越多地采用先进的移动闭塞系统, 移动闭塞的应用也越来越多地引起人们的关注。移动闭塞是一种新型的闭塞制式, 是指当列车车载设备发生故障或列车前方出现障碍物时, 列车和旅客能够置身于一个受到保护的区域内, 即列车紧急制动后, 在这个区域内能够安全地停车, 一定不会与任何阻碍物 ( 包括其他列车) 相撞, 也不会由于道岔位置没有调整到位而发生脱轨事故。这个安全区间会随着列车的移动而移动, 故称移动闭塞。
2 SelTrac MB移动闭塞系统的基本原理
移动闭塞是相对于固定闭塞而言的。固定闭塞是在区间设置固定的闭塞分区和相应的防护信号, 而移动闭塞虽然也有防护列车运行安全的闭塞分区, 但其闭塞区间是移动的, 是随着后续列车和前方列车的实际行车速度、位置、载重量、制动能力、区间的坡度、弯道等列车参数和线路参数的变化而改变, 随着列车运行而移动。
SelTrac MB是基于感应环线通信的移动闭塞系统, 车辆控制中心 (VCC) 通过敷设于轨道上的交叉感应环线电缆与车载控制设备 (VOBC) 进行数据通信, 某列车与前一列车之间的安全间隔是根据列车当前运行速度、制动曲线以及列车在线路上的位置而动态计算得出。由于 SelTrac MB系统列车定位精度更高, 后续列车在保证安全制动距离的前提下, 能够以该线路区段最大允许的速度安全的接近前一列车最后一次确认的尾部位置。SelTrac MB系统通过提高列车的定位精度和允许列车移动指令更新的频率, 更进一步缩短了列车运行间隔, 提高了系统的通过能力。另外, 由于感应环线通信不受列车运行方向的限制, 该系统支持全线列车双向运行。
SelTrac MB系统采用移动闭塞原理。根据这一原理, 与前一列车之间的安全间隔是根据列车当前运行速度、制动曲线以及列车在线路上的位置而动态计算出来的。由于列车位置定位精度高, 因此后续列车可以该线路区段最大允许速度安全地接近前一列车最后一次确认的尾部位置, 并与之保持安全制动距离。相对于固定闭塞系统而言, 移动闭塞系统的运行间隔可以显著缩短, 因为列车不需要在被占用的固定闭塞分区的入口处的前方停车。
传统信号系统的一个主要设计目标是通过地面信号机、列车停车以及司机确保列车不得进入其它列车已占用的闭塞分区, 从而实现列车的绝对分隔。而移动闭塞系统的主要设计目标除保证列车安全外, 还通过提高列车定位的精度和允许列车移动指令的更新频率增加系统的通过能力并缩短列车间隔距离。在移动闭塞系统中上述功能是通过与车载控制器进行数据通信实现的。另外, 阿尔卡特的移动闭塞系统允许多列车安全占用相同的区段, 而这在传统的固定闭塞方案中是不可能做到的。
列车之间始终保持一个“安全距离”。安全距离是指后续列车的指令停车点与前车尾部位置之间的一个固定距离。该距离的计算是在最不利情况发生时, 仍能保证安全间隔为前提。
对安全列车间隔的安全监督是通过向车载子系统提供最大允许车速及当前停车点等信息来实现的。通信被周期性更新, 保证了列车可以连续地收到更新信息。
3 列车管理模式
ATC列车运行控制系统主要有6种列车管理模式:ATO无人驾驶模式、ATO自动模式、ATP防护人工驾驶模式、ATP限制人工模式和非限制模式。
3.1 ATO无人驾驶模式
无人驾驶模式是指在没有人工干预的情况下, 列车从一个停车点移动到下一个停车点。除关门以外的所有列车功能都由VOBC完成。在启用该模式后, 不需要调度员的进一步干预。正常情况下, 司机关闭列车门后, 在离开驾驶室前启动该模式。列车在到达下个车站后将退出无人驾驶模式。
3.2 ATO自动模式
系统日常运行时, 所有列车都应用自动模式。自动模式中, 列车自动进行加速、惰行、减速、停站和开门。在自动模式中, 车门关闭由司机操作。对自动模式运营的监控和调整可以通过中央调度员输入信号命令进行, 或者由SMC、VCC和VOBC等子系统执行的系统自动功能进行。
在自动模式中, 司机显示屏上的“自动”表示灯点亮, 表明由VOBC控制列车功能。在列车完全停车并停在正确的位置后, 列车靠近站台一侧的车门自动打开。停站时间结束后, 会有声响提醒列车准备发车。列车收到车门关闭状态立即发车。
自动模式列车会不断加速, 直到到达预定的惰行速度级, 或者达到了制动抛物线速度。当VCC要求列车制动至某限速或完全停车时, VCC将不向VOBC发送进一步的目标点命令, 这导致列车采用常用制动降到要求的速度。
3.3 ATP防护人工模式
此模式与自动模式非常相似。ATC系统仍然提供列车进路自动设置。司机根据司机驾驶盘指示控制列车运行。对列车提供所有的ATP保护。
ATP防护人工驾驶模式提供全部ATP功能, 但列车运行由司机控制。列车加速、惰行、减速、停车和开门都由司机直接人工控制, 并由ATP监控。
门的控制由司机进行, 并可在列车停稳在站台, 并且“到位”灯点亮的任何时候, 由司机启动。车门关闭后, 只有在预定发车时刻到达、或列车进路设置好后才能发车。这一点由司机驾驶盘上的“列车发车就绪”指示灯表明。
在ATP防护人工驾驶模式下, 司机驾驶盘上显示当前列车速度和当前目标速度。当列车接近速度限制时, 司机驾驶盘上显示“目标距离”。
列车到达为达到新目标速度而必须开始制动点的3秒钟之前, 目标速度显示表将下降, 显示新的目标速度;
列车到达为达到当前目标点而必须开始制动点的3秒钟之前, 目标速度显示表下降到0km/h, 除非目标点是车站停车;
列车到达为车站服务停车而必须开始制动点的3秒钟之前, 列车速度显示表下降到5km/h。一旦列车到达了停车点, 则目标速度显示表显示0km/h。
3.4 ATP限制人工模式
ATP限制人工模式提供很有限的ATP功能。ATP系统提供的唯一功能是超速防护。这由车载ATC系统VOBC提供, 确保在ATP限制人工模式中, 车速不能超过25km/h。如果车速超过了速度限制极限, 则VOBC采取紧急制动。超速防护功能在列车离开ATC控制区时仍然有效。当列车以ATP限制人工模式进入人工车辆段时, 车速仍由VOBC控制在25km/h。
ATP限制人工模式运营必须在由严格的运营规章控制, 在保持中央调度员与司机的连续通话下进行, 并且所有的列车移动都需要中央调度员授权。中央调度员还必须为ATP限制人工模式列车设置人工进路预留。ATC系统将不允许自动模式或ATP防护人工模式列车越过预留进路的SD安全距离边界。另外, 预留进路上的道岔在人工预留进路未取消之前不能为自动列车进路或由中央调度员转动。
3.5 非限制人工模式
ATC系统支持非限制人工模式列车的运营。ATC区域的非限制人工模式运行可用于无通信能力的列车和无配备的列车。
为更好地保护非限制人工模式列车通过自动线路, 人工进路预留必须由中央调度员输入。
在非限制人工模式中, 所有列车功能包括列车运行和门控制都由司机人工控制。列车运行安全由司机和中央调度员全面负责。列车运行的“非限制性”仅体现在ATC系统不, 且不能对非限制人工模式运行的列车施加任何限制。列车运行将受限于运营规章。任何非限制人工模式运营必须由严格的运营规章保障, 其中包括司机与中央调度员的通话。所有列车移动必须由中央调度员授权。
VOBC的电源在非限制人工模式中关闭。ATC系统不对非限制人工模式下的列车提供任何ATP功能, 例如速度限制。因为列车不与VCC通信, 所以ATC系统不跟踪列车运行。但是, 只要列车不超出调度员为之设置的人工进路预留的范围, 则人工进路预留就可以为自动模式和ATP防护人工模式列车提供防护。
4 结束语
移动闭塞系统采用先进的通信、计算机技术对列车连续控制, 能够实现90s的列车运行间隔要求, 提高运营效率, 可以取消传统的地面信号机、轨道电路等设备, 有效降低系统的安装维护费用, 移动闭塞车底之间可以实现双向信息传输, 信息传递量大, 便于实现无人驾驶。移动闭塞系统是城市轨道交通信号控制系统的主要发展方向。
参考文献
[1]肖宝弟.对我国城市轨道交通信号系统发展战略的思考.现代城市轨道交通, 2004 (2)
[2]周洁, 陈衡Mircea Geo rgscu.移动闭塞的原理、系统结构及功能.城市轨道交通研究, 2004 (1)
[3]诸蓉萍, 吴汶麒.移动闭塞技术及其应用.城市轨道交通研究, 2004 (2)
移动闭塞系统 篇2
【关键词】电子自动闭塞系统；监测维护终端
The Study and simulation research on the Monitoring Maintenance Terminal for Electronic Automatic Block System
Zhang Rui-fang
（Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control，Ministry of Education，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070）
Abstract：The monitoring maintenance terminal for electronic automatic block system blend the computer network communication，database，software engineering as a whole，provide the scientific basis for electricity department to master current status of interval host and analysis accident by monitoring and recording the operation of the system’s state and communication data. This monitoring maintenance terminal completely meets the need of technical requirements，realizes the real-time monitoring，diagnosising，positioning，preventing the fault of the monitoring maintenance terminal.
Key words：Electronic Automatic Block System；Monitoring Maintenance Terminal
1.引言
目前我国时速160km以下的区间自动闭塞系统，即CTCS0/CTCS1级自动闭塞系统仍采用传统的继电器组合电路实现自动闭塞的逻辑关系，电路体积大，维护和排除故障困难，影响自动闭塞区段的通过能力。随着计算机技术、信息技术和电子技术的快速发展，使自动闭塞系统的电子化，即电子自动闭塞系统的实现成为可能。
监测维护终端实时接收区间控制系统主机发送的监测信息，并通过人机界面显示。系统还具有数据逻辑判断功能，当通信数据异常时，及时进行报警，避免因系统故障或通信异常影响列车安全[1]。监测维护终端是监视区间控制主机通信状态、可靠运行，及时发现和排除潜在隐患，进行事故分析的重要设备[2]。通过对监测维护终端的仿真研究，实现其各个部分功能的数据化仿真与测试，对于保证设计方案的正确性，测试设备的适应性，减少试验周期与试验成本，提高行车效率，保证高速铁路建设质量是十分必要的。
本论文拟实现电子双线双向自动闭塞系统监测维护终端的仿真，具有重要意义。目前，还缺少对区间控制主机监测维护终端的仿真，本论文正是针对此问题，提出方案，实现监测维护终端仿真，使电子双线双向自动闭塞系统的仿真系统更加完善。
2.监测维护终端简介
2.1 主要功能
自动闭塞系统的电子化实现采用集中式控制模式，系统单独设置区间控制机柜，由区间控制系统主机和区间电子执行单元组成。电子自动闭塞系统监测维护终端的主要功能有以下几点：
（1）具有操作方便易于维护的人机交互界面。
（2）实时显示并记录系统运行情况。
（3）对所记录的信息进行逻辑分析。
（4）对所记录的信息提供查询、打印、回放。
（5）对异常情况进行报警，根据系统故障性质分别产生一级报警、二级报警、三级报警和预警。
（6）监测维护终端应当独立于电子自动闭塞系统，终端的故障不能影响系统正常运行。
2.2 监测内容
监测维护终端对电子自动闭塞系统的工作状态进行监测报警，具体内容如下[3]：
（1）区间控制系统主机的工作状态，区间控制系统主机与联锁、邻站的通信接口状态。
（2）CPU板卡、通信板、LXA信号机点灯模块板卡、区间轨道电路模块板卡接口通信状态。
（3）联锁接发车进路信息、线路方向信息、信号降级信息。
（4）邻站的边界信息、改方信息。
（5）区间区段信息：空闲、占用码位。
（6）区间信号点灯状态：灭灯、红灯、绿灯、黄灯、绿黄。
（7）轨道电路编码信息。
（8）区间控制系统主机维护报警信息。
3.监测维护终端需求概述
监测维护终端设备启动应由系统初始化、与区间控制主机建立通信，对邻站控制系统、联锁系统的通信建立监听三个过程组成。在系统主机上电、复位后，应首先进行系统各变量状态的初始化。
3.1 系统总体功能和结构
电子自动闭塞系统具备诊断与维护功能，同时把监测状态信息发送给集中监测设备。监测维护终端通过以太网接口实现对区间信号控制系统的监测和维护。系统结构图如1所示。
电子自动闭塞系统的总体功能有以下几点：
（1）根据列车进路状态和轨道区段状态，实现区间轨道电路的载频、低频信息编码功能，并控制区间轨道电路发送方向。
（2）可以获取区间轨道电路状态信息。
（3）可以实现区间运行方向与闭塞控制。
（4）实现站间安全信息传输，实时传输区间轨道电路状态、区间方向等安全信息。
（5）实现区间信号机点灯控制。
（6）实现中继站控制。
（7）具备诊断与维护功能，同时把监测状态信息发送给集中监测设备。
3.2 硬件系统需求
本系统所需硬件设备如表1所示。
3.3 软件系统需求
本文以Windows 2000／XP及以上环境作为操作平台，用Visual C++ 6.0及其以上版本进行开发。其中区间显示数据，进路显示数据等以文本文件的形式存储，区间进路实时数据及信号灯点灯状态以Access表格的形式存储。软件设计采用自顶向下的设计思想，将系统分为通信接口、记录存储、数据查询和数据显示四个功能模块，采用模块化的设计思想实现监测维护终端功能。
3.4 系统外部接口需求
监测维护系统通过一路100Base-T以太网接口与区间控制系统主机连接。实时接收由区间控制系统主机传输的状态信息和报警信息。通信通道采用点对点连接方式。监测维护系统和区间控制系统主机的通信接口为标准RJ45类型。数据流图如图2所示。
区间控制系统主机发送至监测维护终端的监测信息有：
（1）系统工作状态和通信接口状态：硬件板卡状态、与本站模拟系统、邻站模拟系统通信接口状态；
（2）区间信号点灯状态；
（3）轨道电路编码；
（4）方向继电器驱动输出；
（5）与ZPW-2000接口信息。
4.结束语
本文分析原有继电自动闭塞系统的工作电路，包括闭塞分区电路及移频总报警电路，分析监测信息与报警条件，对自动闭塞系统监测维护终端进行了研究。根据自动闭塞系统电子化实现的系统原理，采用仿真技术及模块化软件设计思想对电子双线双向自动闭塞系统监测维护终端进行辅助研究和预研验证，并且实现对电子双线双向自动闭塞系统的实时监测和系统故障的诊断、实时定位和预防功能。
参考文献
[1]林瑜筠.新型移频自动闭塞[M].北京:中国铁道出版社,2007.
[2]赵相荣.TJWX-2000型信号微机监测系统[M].北京:中国铁道出版社,2003
[3]铁路信号集中监测系统技术条件[J].运基信号[2010]709号.
作者简介：张瑞芳（1986—），女，甘肃兰州人，硕士研究生，现就读于兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，研究方向：交通信息工程及控制。
移动闭塞系统 篇3
1 无线通信技术在城轨交通CBTC信号系统中的应用
无线通信设备是CBTC系统实现车-地通信的通道，国内CBTC系统的供货商大多是采用2.4G频段组建无线局域网，而在扩频方式上最常用的是直序扩频DSSS和跳频扩频FHSS技术。目前较常见的CBTC系统比如，西门子系统采用直序扩频技术提供车地通信，USSI无线CBTC系统也采用直序扩频技术，而泰雷兹无线CBTC系统则采用跳频扩频技术。
采用DSSS直序扩频技术的信号系统，其车地通信一般都选用信道1和11作为主信道，而采用跳频扩频技术的信号供应商，由于FHSS跳频扩频技术在全频段进行频率实时、高速跳变，不同于DSSS直序扩频的频率固定传输，因此较好地规避了频率干扰。
在地铁系统内部，信号、通信系统对采用的无线频段进行了协调分配，就是为了避免同频干扰的问题。一般情况下地铁内部信号系统采用2.4G频段，而PIS系统采用5.8G频段。随着移动通信技术的发展，社会上个人移动通信信息量的需求迅速上升，一些城市采用开放的2.4G频段的WLAN技术覆盖城市地上地下空间，由于2.4G频段的使用环境复杂且是开放频段，所以信号CBTC车地数据通信系统面临复杂的使用环境，干扰源比较复杂，对系统的正常运行带来威胁。
2 CBTC信号系统干扰源的分析
我国无线委员会规定，短距离使用的2.4G频段为无线局域网、射频设备、无线个人局域网、无线接入系统、点对点或点对多点扩频通信系统、微波炉、无绳电话、微波医疗设备等各类无线电设备的公用频段，所以目前所遇到的干扰源比较复杂。
1)地铁车厢内出现大量便携式WiFi路由器，将3G信号转换为其手机或平板电脑等终端设备提供上网通道，这样存在相同频段的干扰，如果使用人员多，将会对信号无线车地数据通信系统产生同频干扰，使无线数据传输误码率增加，情况严重时对列车运行产生影响。
2)移动、电信运营商的WiFi系统引入地铁，在地铁内构建Wi Fi公众使用的无线局域网，对车地数据传输产生干扰，一定程度上对列车正常运行产生影响。当然目前国内城市尚未全面无线覆盖，所以暂时地铁尚未引入Wi Fi系统。
3)地铁附近使用的微波医疗等设备同样会对地铁CBTC无线数据传输产生干扰，目前国内地铁曾经发生过类似医疗设备对CBTC系统干扰，从而对正常运营产生影响。
4)地铁形成线网后，换乘站（特别是同站台换乘）或者是联络线的同频干扰问题比较突出。因为两条线路的CBTC系统都采用相同的频段和信道，信号会相互渗漏，当渗漏的信号功率足够大时就会产生同频干扰。
不论是何种干扰源，也不论干扰源的功率大小，对地铁CBTC信号系统始终形成威胁，因此必须深入研究避免或者减少干扰的措施。
3 探讨防止无线干扰采取的措施
无线干扰问题是目前信号CBTC系统面临的现实问题，但是无线干扰源的复杂性随着无线通信技术的发展会越来越多，防患无线干扰面临诸多困难，因此探讨无线干扰防范措施主要从以下几方面入手。
3.1 根据地铁的特点以及地铁运行环境，以后在系统的选型、设计等方面可以从以下几方面深入考虑。
(1）现有的WLAN技术，相对于直序扩频（DSSS），跳频扩频（FHSS）技术规避频率干扰的能力稍强于直序扩频技术，跳频技术具有更好的保密性和抗干扰性能。
国家无委核准的2.4G频段使用的各类微功率设备，其等效全向辐射功率（EIRP）按天线增益!10dBi时，发射!27dBm(500m W），最大功率谱密度采用跳频扩频时应!27d Bm/MHz(EIRP），采用直序扩频时应!17d Bm/MHz(EIRP）。因此跳频技术具有带宽窄、功率谱密度高的特点，从而具有较强的抗干扰能力。此外跳频扩频技术是经由载波快速在不同频率中切换，并在接收与发射端使用一种虚拟随机的过程，所以可以很好的抵御外界同频干扰的问题。
(2）在采用直序扩频（DSSS）技术时，一是车地通信采用双网双频冗余设计；二是在频点的选择上，坚持双频优于单频的原则，采用互不干扰的双频道。双频目前比较常见的配置是1和11信道；由于12～14信道尚未开放，如果以后可能的话，1和12、1和13配置更为理想，1和14将非常的理想，0和14信道是最合理、最理想的配置。这样两种频率同时受扰的概率将降低。
(3）采用直序扩频（DSSS）技术时，还可以利用窄带技术，将原频道占用的频宽收窄，可以获得相对较高的功率谱密度、抬高通道占用的强度门限。比如使用5M的频宽，使其对20M频宽的设备具有更高的抗干扰能力。这样降低了窄带频道被占用的可能，在频道的选用上也更灵活。
(4）采用直序扩频（DSSS）技术时，为了规避换乘站或联络线同频相互干扰的问题，在设计或者地铁网络规划时，应提前做出信道分配的规划，避免同频干扰的问题。
3.2 城市轨道交通运营维护部门，也可以做以下工作，以减少无线干扰对行车产生的影响。
(1）地铁维护部门对地铁沿线的环境进行检测，如医院的微波设备、其它行业的通信基站及其它能产生无线干扰源的设备设施等，提前采取措施，或者通过行政部门制定相关的制度进行约束，尽量在地铁沿线不建无线设备，避免无线干扰。
(2）地铁维护部门根据无委的规定，定期对地铁内部环境进行检测，纳入设备维护管理的一部分内容。
(3）为了减少车厢内部无线漏油的干扰，可以考虑采取将车头、车尾与客室之间的隔板加装屏蔽措施，比如加装金属网格等，这样可以将便携式WiFi漏油器的干扰进一步屏蔽，减少了对CBTC系统的无线干扰。当然这种方式需要进行测试，对抗干扰的效果进行评定。
3.3 中长远期的规划设想
(1）考虑用5.8G频段作为CBTC系统车地数据传输通道，这样PIS系统将不能使用该频段。主要考虑5.8G频段相对2.4G频段来说，使用环境较为清洁，但是5.8G频段传输距离较短，无线覆盖范围较小，轨旁设备将增加，投资加大且维护工作量增加，所以5.8G频段可以作为一种备选方案，总体性能不如2.4G频段。
(2）随着无线网络技术的发展，目前LTE 4G技术已经成熟，国际电联公布了4G技术的标准，相信随着市场产品的开发，LTE 4G技术将会应用在城市轨道交通无线通信系统中，从长远来说这也可以作为规避频率干扰的一种备选方案。
(3）申请地铁CBTC信号系统车地通信专用频段。这是一个长远的方案，如果申请专用频段，还可带来一些新的问题，因此需要充分考虑以下几方面的问题。
a.市场上是否有与专用频段配套的产品将成为申请专用频段的障碍。2.4G频段是开放的频段，因此2.4G移动运营市场非常庞大，与之相适应的产品非常多，可选性也比较大，而一旦使用专用频段后，由于CBTC系统需求量少，设备商是否愿意投入力量进行产品研发将成为疑问。
b.专用频段的无线性能是否能够很好地满足CBTC信号系统无线数据传输的需求，还需要进行大量的测试、分析，特别是丢包率等关键指标能否适应CBTC系统需要深入研究。
c.专用频段因其普及量小，专业性较强，设备维护较为困难，而且由于需求量少，一旦产品停产，在市场上很难找到相应的替代品。
4 结束语
随着地铁建设事业的发展，越来越多的城市加入到地铁建设的大潮中，信号系统也由最初的固定闭塞发展到准移动闭塞、再到如今的移动闭塞系统，无线技术在地铁信号系统的应用标志着列车自动控制系统智能化程度进一步提高，同时随着无线设备在各行各业以及民用移动系统的普及，无线干扰问题对CBTC信号系统的威胁也日益突出。在这里提出这个问题，也是希望和同行们进行交流，以便大家探讨出较好的无线抗干扰措施。
摘要：介绍了无线通信技术在城市轨道交通CBTC信号系统中的应用,针对地铁环境从技术角度分析了影响CBTC系统的无线干扰源,对无线抗干扰提出了一些抗干扰措施,供大家共同探讨。
关键词：城市轨道交通,CBTC信号系统,无线干扰
参考文献
[1]陈鼎鼎译.现代通信干扰原理与技术.电子工业出版社
移动闭塞系统 篇4
移动闭塞方式能够实时地提供列车位置,并据此动态划分闭塞分区,能够在保证行车安全的基础上,大幅度地提高线路的使用率和铁路的运输能力。
1 移动闭塞
移动闭塞[2]采用无线电定位的方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能。列车追踪目标点是前行列车的尾部。由于前行列车的速度和位置是随时变化的所以闭塞分区是不固定的。移动闭塞分区是由集中控 制中心根据前车的位置而动态设置的。在列车和轨旁都安装无线网络节点,列车A在占用区间时加入由地面网络节点组成的无线网络,地面无线网络根据接收到列车A发送的电磁波的强度由定位算法确定列车A的运行速度、位置等信息。当列车B进入当前区间时, 同样加入无线网络,并由无线网络确定列车B的运行信息,确定B车和A车间的移动闭塞间隔,然后将移动闭塞间隔和列车A的运行信息等控制信息传递给列车B,列车B根据接收到的信息控制本车运行。移动闭塞系统采用目标距离模式曲线(也称一次制动模式曲线)如图1所示。
2 物联网技术
物联网的核心技术为基于ZigBee协议的无线网络,给铁路各区间站点安装一个唯一的代码的物联网设备,构造一个覆盖整个铁路沿线的实物互联网,在运行铁路沿线的动车也安装该设备。
2.1 ZigBee[3]技术特点
ZigBee是一种具有高可靠性、低复杂度、能够自组网且抗干扰性强的无线网络技术。它以IEEE 802.15.4作为技术标准,实现无线组网通信。ZigBee网络以接力的方式高效地传递数据。
ZigBee现有的可工作频段为2.4 GHz(全球)、868 MHz(欧洲)和915 MHz(美国)。在3个频段上的传输速率分别为250Kbps、20 Kbps、40Kbps。网络节点间的距离可以从标准的75米,扩展到5千米。ZigBee技术的优点主要有以下几点[4]:
(1)可靠性高。采用了CSMA/CA(载波监听多路访问 / 碰撞避免)机制,同时预留专用的时隙用于需要固定带宽的通信业务,避免了发送时数据的竞争和冲突; 各节点模块之间具有自组网功能,信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式传输,从而保证了信息传输的可靠性。
(2)时延短。ZigBee节点模块的休眠激活时延为15ms,移动节点接入信道时延为15ms。
(3)安全,保密性高。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,支持AES-128加密算法。
(4)网络容量大。可支持多达65000个节点。
(5)网络的自组织、自愈能力强。无需人工干预,网络节点能感知其他节点的存在,并确定连接关系,组成结构化的网络。
2.2 ZigBee 协议栈及网络拓扑结构
ZigBee协议栈从下至上由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层和高层应用规范层组成。其中,网络层以上的协议由ZigBee联盟负责制定,IEEE则制定物理层和链路层标准。
ZigBee以一个个独立的工作节点为依托,通过无线连接的方式组成星状、树状或网状网络。系统的大部分节点为子节点,在组网通信上,它只是其功能的一个子集,称之为半功能设备(RFD);而另外还有一些节点,负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制,或起到通信路由的作用,称之为全功能设备 (FFD)。ZigBee网状网络拓扑结构图如图2所示。
每个独立的网络都有唯一的标识符和网络号 (PAN标识符)。利用PAN标识符,采用16位的短地址码进行网络设备间的通信,并且可激活网络设备之间的通信。每个网络中都有一个唯一的协调器,具有对本网络的管理能力。网络中的全功能节点可作为路由器、协调器以及终端节点来使用,而半功能节点只能由终端节点使用。在网状网络中,全功能节点都具有路由功能,半功能节点只与就近的全功能节点进行通信。
3 移动闭塞网络的整体构架
3.1 系统的基本组成及工作原理
基于ZigBee的移动闭塞系统主要是指由ZigBee无线模块构成的无线网络,其中包括车载节点和地面节点两部分。系统基本结构如图3所示。
地面ZigBee模块铺设在轨旁并且各节点间组成无线网络。整个网络与轨道电路、道岔、应答器等构成地面列控系统。列控系统、列车自动监控系统和联锁设备等通过以太网连接到调度集中系统。
车载ZigBee节点作为ZigBee网络中的一个子节点加入地面ZigBee无线网络并保持连续的双向通信。列车不间断向地面网络传输其标识、方向和速度信息, 地面网络根据接收到的列车发送的信息和信号强度计算、确定列车的移动闭塞分区,并将相关信息传递给该列车和其后面的列车,确保列车安全运行。
3.2 列车定位原理及算法
本系统采用接收信号强度指示技术(Received Sig- nal Strength Indication,RSSI)。RSSI是在接收端测量接收到的信号的强度,根据自由空间的电磁波传播模型, 计算出发射端到接收端的距离,实现列车定位。
自由空间的电磁波传播模型:L=32.44+20lgf+20lgd[7](1)
式中:L为传播损耗,单位为dB;d为接收端与发送端的距离,单位为km;f为工作频率,单位为MHz。
式中:Pt为发射功率,单位为mW;Pr为接收功率, 单位为mW。
当电磁波的工作频率f和发射功率Pt固定不变时,根据接收端接收到信号的功率Pr计算出列车的距离d。当列车节点加入地面无线网络后,网络自动选取接收信号最强的地面节点,来定位列车,根据公式(1) 计算列车距离信号最强的地面无线网络节点,从而实现列车定位。
3.3 移动闭塞系统的规划及仿真
本系统采用TI公司的ZigBee大功率、远距离传输模块—CC2430。该模块主要技术参数如下[7]:
●输出功率:50mW(17dBm)
●室外传输距离:1.6km
●数据传输速率:250 Kbps
●工作频率:2.4 GHz
●接收灵敏度:-102 dBm
●扩展频谱类型:DSSS(直接序列扩频)
●网络拓扑结构:Mesh网
●加密:128位AES
参照应用于哈大高铁上的CTCS-3级列控系统的技术指标,为满足运营速度在300km/h及以上、3分钟列车追踪运行的要求,本移动闭塞系统分区一般按不大于2000m进行设计。为此应保证在一个闭塞分区内有2—3个无线节点。
列车的设计最高时速为350km,最大多普勒频移Δf由公式(4)求出,Δf=0.778KHz。
式中:v为列车运行速度—350km/h;c为光速—3×108m/s;f为无线节点工作频率—2.4GHz。
列车的最大多普勒频移Δf=0.778KHz,它比无线节点的工作频率(2.4GHz)小7个数量级;列车的高速运行要求系统要有很高的数据传输速率,ZigBee的最高传输速率为250Kbps。综上两点可以得出如下结论: 采用2.4GHz的工作频率可以有效地减小因列车高速运行而产生的多普勒效应的影响,同时也为系统提供了高速数据传输通道。
地面与车载无线节点均采用120°定向天线,实现信号对轨道的全覆盖。
为保证在一个闭塞分区内有2—3个无线节点,地面无线模块节点间距离应在500—1500m之间。小于500m设备铺设成本过高,且设备利用率低;距离过大, 模块无法工作。模块最大传输距离可以达到1600m,在实际铺设时还应留有一定的富余量。地面无线节点间距Matlab仿真图如图4所示。
从仿真图可以看出,曲线的切线在点C(1,-83.0542) 处。CC2430的接收灵敏度为 -102dBm,-83.0542dBm完全满足要求。所以可得出如下结论:地面模块间的合理距离为1km。
4 结束语
随着高铁时代的到来,基于ZigBee技术的移动闭塞技术将成为主流。采用移动闭塞后集中调度系统可以根据列车的实时速度和位置计算列车的最大制动距离,动态地分配安全区间。由于保证了列车前后的安全距离,两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进,这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行, 从而提高运营效率。同时ZigBee技术以其独有的特性,在众多无线网络技术中脱颖而出。基于ZigBee的无线网络移动闭塞技术将有着非常广阔的前景。
摘要：随着哈大高铁等一批高速客运专线的商业运营,我国真正地进入了高铁时代。在高铁时代,列车最高时速保持在350公里左右。这样,行车安全就显得尤为重要了。在保证行车安全的基础上,采用“无形的”移动闭塞方式既可以缩短列车间隔又可以提高列车运行效率。为此提出了一套基于ZigBee技术的无线物联网络系统,在列车与轨旁设备之间构成移动闭塞分区,确保列车安全、高速、高效运行。
移动闭塞系统 篇5
随着我国铁路提速战略的全面实施, 200km/h及以上的列车运行速度成为其重要标志。列车提速面临一系列关键技术, 而列车安全运行始终是列车运行控制的核心。安全和效率是铁路运输生产永恒的主题。列车控制系统就是实现这一主题的最关键一环, 也是高速铁路发展中最重要的系统之一。
移动闭塞系统是在确保行车安全前提下, 以使追踪列车间的间隔达到最小为目标, 建立以车站控制装置和机车控制装置为中心的列车闭塞控制系统。移动闭塞系统运用了现代化的通讯手段和计算机自动控制技术进行列车运行状态的控制, 从根本上改变了固定闭塞系统对列车运行的控制方法, 有效地压缩了追踪列车间隔时间, 提高了区间通过能力, 是一种先进的列车运行控制系统。
2 移动闭塞工作原理
移动闭塞是基于区间闭塞原理发展起来的一种新型闭塞技术, 代表了未来闭塞制式的发展方向。它与固定闭塞相比, 具有诸多技术优点, 最显著的特点是取消了以信号机分隔的固定闭塞区间。
列车间的最小运行间隔距离由列车在线路上的实际运行位置和运行状态确定, 所以闭塞区间随着列车的行驶, 不断地向前移动和调整, 故称为移动闭塞。
移动闭塞的工作原理主要是通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信, 控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离, 便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区 (图1) 。由于保证了列车前后的安全距离, 两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进, 这使得列车能以较高的速度和较小的间隔运行, 从而提高运营效率[1]。
移动闭塞的线路取消了物理层次上的分区划分, 而是将线路分成了若干个通过数据库预先定义的线路单元, 每个单元长度为几米到十几米之间, 移动闭塞分区即由一定数量的单元组成, 单元的数目可随着列车的速度和位置而变化, 分区的长度也是动态变化的。移动闭塞系统中列车和轨旁设备必须保持连续的双向通信, 列车不间断向轨旁控制器传输其标识、位置、方向和速度, 轨旁控制器根据来自列车的信息计算、确定列车安全行车间隔, 并将相关信息 (如先行列车位置、移动授权等) 传递给列车, 控制列车运行[2]。
3 移动闭塞条件下列车运行间隔模型
3.1 列车区间最小间隔模型
在移动闭塞的条件下, 没有固定划分的闭塞分区, 它通过先进的通信手段来提高列车的定位精度, 实现车-地间的双向数据传输, 进行列车间隔控制, 同时列车不需要在被占用的轨道电路分区入口处的前方停车, 因此运行间隔明显缩短。如图2所示。
LATP———车载ATP计算时间tATP内列车所走行的距离, 包括以下几个部分:
L1———列车测速 (有时含测距) 计算和形成所需时间内所走的距离;
L2———列车测速信息传送给ATP计算时间所走行距离;
L3———ATP计算速度一距离模式曲线时所走行的距离;
L4———ATP系统将计算结果传送给车载设备接口的周期内所走行的距离;
LQ——司机或车载设备对ATP信息确认, 计算并执行操作所花时间tQ内, 列车所走行的距离;
Lb———列车制动距离;
LE———测速、测距误差;
所以, 区间最小追踪间隔距离:Lmin=LATP+LQ+LB+LE
区间最小追踪间隔时间:其中, V表示后行列车的平均速度。
通常, 在列车实施制动时, 列车中各车辆的闸瓦并非立即、同时压上车轮, 闸瓦压上车轮以后, 也并不是瞬间达到最大值, 制动缸压强有个上升的过程。在这一过程中, 列车靠惯性惰行的距离称为空走距离, 通常表示为d*LB, d称为惰行系数 (图3) 。
所以, 加空走距离后区间追踪间隔距离为:
加惰行段后区间追踪间隔时间为:
3.2 车站出发间隔模型 (图4)
前行列车从车站出发, 并通过与出站道岔相距LS的安全距离后, 可以为后行列车安排进路, 以下是各参数表示的意义:
LF———道岔到车站中心线的长度;
LS———道岔后的安全距离, 只有前车通过安全距离后, RBC才通知自动道岔转辙机完成转辙, 准备后车发车;
LTO———自动道岔转辙机己完成转辙, 车站准备好发车作业, 并通知RBC, RBC确认 (相当于固定闭塞有信号机时实现联锁的功能) , 这段时间内前行列车走行的距离;
LC———RBC通知后行列车可以出站所花时间tc内, 前行列车走行的距离;
LQ——后行列车的车载设备对RBC信息确认时间tQ, 前行列车走行的距离;
LE———测速、测距误差;
综上, 车站追踪出发的间隔距离为:
车站追踪出发的间隔时间为:
其中, V表示前行列车出站的平均速度。
3.3 车站到达间隔模型 (图5)
车站RBC得知列车以速度V1驶到A点, 就开始通知车站设备准备接车, 主要经历以下过程:
LTO———车站准备好进站接车作业, 自动道岔转辙机完成转辙, 并通知RBC, tTO这段时间内列车走行的距离;
Lc———RBC通知列车可以进站所花时间内tc, 列车走行的距离;
LQ——司机或车载设备对RBC信息确认, 这段时间tQ, 列车走行的距离;
LE———测速、测距误差;
LB———列车制动时间内所走行的距离;
LF———道岔到车站中心线的长度;
综上, 车站追踪到达的间隔距离为:
车站追踪到达的间隔时间为:
4仿真实例
4.1 高速列车模型及参数选取
随着CRH动车组的开行, 中国也进入了高速列车的时代。在仿真中, 将采用CRH3动车组为列车模型, 各参数如下:
(1) 列车长度:8辆编组动车组, 全长200米
(2) 最高运营速度:300 km/h
(3) 前后列车安全保护段距离:200米
(4) 牵引总功率:8000 kw
(5) 启动加速度:0.38 km/s2
(6) 列车重量:536吨
(7) 常用制动距离计算公式:是初速度, Tk是机车手柄转换时间取2.5s, V2是末速度, a为制动减速度。
(8) 列车运行阻力公式为:3.97+0.03343v+0.000605v*v (k N)
(9) 空气阻力系数:Cx=0.242+0.00379L其中, L为列车长度。
根据《京沪高速铁路设计暂行规定》中的规定, RBC与列车的通信时间为0.1s, 车站办理列车到达15s, 出发作业时间为18s, 司机确认车载设备信号显示时间10s, 车站自动排列发车进路时间或自动排列接车进路时间8s, 车载设备接收信号应变时间2.2s, 车载设备启动制动系统延迟时间0.5s, 各种测量误差取50米[5]。
4.2 移动闭塞的列车运行轨迹分析
4.2.1 高速列车追踪间隔变化的仿真。
使用上面介绍的列车参数, 在坡度为1‰的区间行驶, 系数d分别取0、1/5、1/2、2/3。由图6可以看到d=0时, 曲线先降后增, 在速度80~130km/h趋于缓和, 大约在80km/h处取得移动闭塞区间最小间隔的最小值为64秒, 列车在200km/h时, 移动闭塞区间最小间隔为90秒;而在300km/h时, 移动闭塞区间最小间隔为128秒。在80km/h之后, 区间最小间隔时间随列车的速度增大而增大。当系数d取1/5、1/2、2/3时, 300km/h对应的惰行时间分别为:23秒、39秒、73秒。因此, 为了保证前后列车较小的列车间隔, 同时使后行列车在制动前有一段自然的惰行转制动过程, 系数d建议在1/5~1/2之间。4.2.1.1高速列车区间间隔随缓冲时间系数变化的数值仿真。列车一般是按照预定的运行图, 严格按图运行。但是, 列车在运行时容易受到多种因素的干扰, 从而发生速度波动, 甚至偏离运行计划。列车区间运行时分的偏离 (主要是指运行时分增大) 是列车区间运行延误的主要特征。由于在同一时刻, 区间中可能有多辆列车运行, 当前行列车发生运行延误时, 后续列车将受到影响, 这样列车的延误就往往不是一列而是多列, 这种延误主要发生在列车区间运行过程中, 具有较大的随机性。因此, 为了减小区间运行延误对列车运行晚点和区间通过能力的影响, 列车运行图一般都要留出一定的缓冲时间。所以, 实际使用的列车区间追踪间隔时间模型是在TD的基础上再增加一个缓冲时间k*TD。由图7可知, 缓冲时间系数分别取0.5、1、1.5、2时, 在速度为300km/h对应的区间间隔为207秒、276秒、347秒、419秒。其中最小间隔时间为122秒, 系数d取1/5对应的惰行时间是23秒;所以对应的缓冲时间是62秒, 131秒, 202秒, 274秒。所以, 为了减少区间运行延误对列车运行晚点和区间通过能力的影响, 列车运行图一般都要留出一定的缓冲时间。当前行列车发生运行延误时, 如果延误时间小于缓冲时间, 即延误被完全吸收, 不影响后行列车运行;如果延误不能被缓冲时间完全吸收, 则后行列车也将受到影响发生延误;这时如果前行列车不能恢复运行, 而后行列车的缓冲时间用完, 则延误将传递到后续列车。4.2.1.2通过不同半径曲线的间隔仿真。理想的铁路线其区间平面应尽可能取直, 一般在平坦地带的铁路线以直线为主, 只有在绕避障碍或趋向预定目标时, 才采用曲线。但在地形复杂的山区, 线路平面往往迂回曲折, 出现大量曲线, 有时候, 曲线长度甚至超过直线。曲线半径是表示圆弧曲度的指标。在线路平面设计中, 曲线半径的大小是影响工程费和运营条件的基本因素, 按照地形条件和设计行车速度的要求, 规定最小半径。曲线对于铁路运营的不利影响主要在于产生曲线阻力、影响或限制行车速度和加速轨道磨损, 尤其是小半径曲线, 这些影响更突出。列车通过曲线时速度与曲线半径的关系如下:VÁÂÃR其中, R为曲线半径, 的取值, 各国不同, 一般在4~5之间, 在这里取4.5。曲线半径R从5000~1000米变化取值。 (下转113页) (上接111页) 由图8可知, 曲线半径在5000m~1000m变化时, 高速列车区间间隔时间随半径曲线的减小呈现单调递增的趋势。其原因主要是由于曲线半径对列车速度的限制, 列车在进入曲线前首先需要降至曲线半径限制的速度之下, 曲线半径越小, 列车进入曲线前的制动距离越长, 制动时间也就越长, 则列车的追踪间隔也就越长。
4.2.2 高速列车车站发车间隔的仿真。
设参数如下:车站中心线到道岔的距离为400米;出站坡度为0‰;出站安全距离从0~1000米变化取值。由图9可以看到, 当出站安全距离在0~1000米这一段变化时, 高速列车车站发车间隔时间随出站安全距离的增大呈现单调递增的趋势, 在车站安全距离500米时, 车站出发间隔时间为113秒;车站安全距离为1000米时, 发车间隔为130秒。说明发车间隔和出站安全距离呈线性递增关系, 出站安全距离越长, 则发车间隔时间越大。
4.2.3 高速列车到达间隔的仿真。
假设高速列车进站限制速度为100~300km/h变化, 车站中心线到道岔的距离长度为400米, 进站坡度0‰, 进站安全距离为200米。由图10可知, 进站速度为100km/h时, 车站到达间隔为120秒, 随进站速度的增大而增大;当进站速度达到最大值300km/h时, 曲线达到最大值176秒。其原因主要是进站速度越大, 列车到达转辙道岔前的制动距离越长, 制动时间也就越长, 则到达的间隔时间也就越长。
5 结论
在铁路信号新技术的发展趋势下, 列车控制系统作为信号系统的关键子系统, 其技术水平也得到了迅速发展, 高速铁路的发展, 对列车运行控制系统也提出了更高的要求。列车控制系统作为确保行车安全, 提高运输效率的重要设备, 它的先进性水平, 是铁路装备现代化水平的重要标志。本文以移动闭塞条件下高速列车的动态追踪间隔控制方法为研究对象, 建立了高速列车在区间或车站运行时追踪间隔模型, 并对其进行了仿真分析, 希望本文能对广大读者提供参考和帮助。
摘要：本文围绕移动闭塞条件下高速列车的动态追踪间隔控制方法进行了如下研究:根据高速列车制动距离长, 制动方式复杂, 空气阻力的影响等特点, 研究了移动闭塞条件下高速列车的追踪间隔的模型, 包括区间追踪间隔模型, 不同曲线半径的追踪间隔, 车站追踪到达间隔模型和车站追踪出发间隔模型。设计了移动闭塞条件下高速列车追踪运行的仿真软件, 为模型算法的验证提供试验支持。通过仿真软件, 对高速列车的追踪运行进行了仿真, 对移动闭塞条件下高速列车的运行进行了分析。
关键词：移动闭塞,高速铁路,区间追踪间隔,车站追踪间隔
参考文献
[1]IEEE standard for Communications-Based Train Control (CBTC) performance and functional requirements.Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee of the IEEE Vehicular Technology Society, 1999
[2]赵明.移动自动闭塞基本理论问题的研究[D].北京:北方交通大学, 1996.
[3]张星臣, 杨浩等.京沪高速铁路列车运行仿真试验系统研究.铁道学报, 1998:20 (4) .
[4]董昱, 刘晓娟, 党建武.安全列车间隔控制系统[M].兰州:兰州大学出版社, 2002.
[5]铁道第三、第四设计院等.京沪高速铁路设计暂行规定[M].北京:中国铁道出版社, 2005.
北良港铁路半自动闭塞系统的改造 篇6
一、半自动闭塞系统简介
64D半自动闭塞设备是以继电电路的逻辑关系来完成两站间闭塞作用的设备, 保证在单线区间只能有一列车在运行。由人工来办理闭塞及开放出站信号机, 而由出发列车自动关闭出站信号机并实现区间闭塞。
1、半自动闭塞结构。
继电半自动闭塞, 在相邻两站要设一对半自动闭塞机 (BB) , 并经过两站间电缆连接起来。闭塞机是由ZDJ、FDJ、ZXJ、FXJ等19台继电器以及整流变压器等组成的电路。
2、半自动闭塞电路构成。
半自动闭塞电路是由线路继电电路等8个部分组成的。线路继电电路与外线直接相连, 其电路图如图1所示。
3、电路动作基本原理。
在甲站和乙站之间是通过两根电缆传递“+”极性脉冲信号和“—”极性脉冲信号来传输信息, 由闭塞机根据轨道电路、信号机、继电器的状态来完成闭塞功能。
二、运用过程中存在问题
在多年的实际运用过程中出现了如下问题: (1) 继电器数量较多, 故障点较多。 (2) 电路关系复杂, 故障处理难度大。 (3) 由于通信距离长、线路质量逐年下降等原因, 造成传输到对方车站的电信号衰耗较大, 特别是雨季信号衰耗尤为明显。 (4) 区间通信采用铜芯电缆, 很容易被盗。
三、我港对该系统的改造
基于以上问题, 我们分两次对原有的半自动闭塞电路进行了改造。
1、用PLC代替原来的继电器电路。
众所周知, 现阶段PLC技术运用已相当成熟, 其可靠性高、运算速度快, 在控制领域中广泛应用。因此, 我们将复杂的继电器电路改为以PLC为主, 以继电器为辅的电路。考虑到接口明显、故障处理直观, 保留了4个继电器 (ZDJ、FDJ、ZXJ、FXJ) 及线路继电电路。逻辑运算由PLC完成, 其通过驱动ZDJ、FDJ继电器向对方站发送正、负脉冲信号, 通过采集ZXJ、FXJ状态接收对方站传来的信息。
2、以光纤代替电缆。
我们保留了原电缆作为备用, 同时利用现有的光纤, 增加了64D传输设备。 (1) 系统构成。64D传输设备包括信号传输转换装置和信号接口装置两个部分。其中信号传输转换装置由电源盘、信号转换盘、传输盘和记录盘、背板组成;信号接口装置由输入继电器和输出继电器组成。系统原理图如图2所示 (单站) 。 (2) 系统说明。 (1) 当甲站发出请求发车信号时, 正电继电器吸起, PLC闭塞机发出“+”极性脉冲信号, 64D传输设备经过正线继电器前后接点确认后, 编码转换为975Hz和1868Hz双音频复合信号, 然后放大处理成为适合脉码调制复用设备传送的电平值, 送至脉码调制复用设备的收信口, 再经光端机处理为数字信号, 由光通道传送至对方车站。 (2) 当乙站接收到请求发车信号时, 乙站64D传输设备从脉码调制复用设备的收信口接收到975Hz和1868Hz双音频复合信号, 经滤波处理, 延时确认后, 点亮64D传输设备收码灯并解码, 然后驱动信号接口装置内正电继电器, 向PLC闭塞机外线发出“+”极性脉冲信号, 从而驱动乙站半自动闭塞机完成动作。
四、改造后设备运用情况
经改造后, 系统检查更为直观, 运行更加稳定, 运用近两年时间未发生过故障;我们有理由相信, 即使发生了故障, 依靠系统简单的结构及明确的指示灯提示, 故障处理将变得非常容易。
参考文献
[1]BCB-3 64D半自动闭塞信息传输转换设备使用说明.北京二七通信工厂