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列控系统原理
列控系统原理补充目录 第 1 章 基本概念和名词术语 第 2 章 概述 2.1 轨道交通列车运行控制系统的发展过程. 2.2 列车运行自动控制系统的发展方向. 2.3 列车运行控制系统的组成及分类 2.4 不同列车运行控制系统的比较 第 3 章 列车运行控制系统基本工作原理 3.1 点式列车自动控制系统. 3.2 连续式列车自动控制系统 3.3 点连式列车自动控制系统(该部分予留) 第 4 章 地车信息传输技术 4.1 地车信息传输系统的分类 4.2 移频叠加点式信息系统. 4.3FTGS 数字编码轨道电路 4.4 欧洲型查询/应答器 4.5GSM-R 移动通信 4.6 微波传输 4.7 泄漏同轴电缆..4.8 毫米波.. 第五章 测速和定位技术 5.1 测速方式的分类和基本原理. 5.2 常用实时速度的检测技术... 5.3 列车测距定位基本方法、技术. 第 6 章 可靠性和安全性设计 6.1 安全性与可靠性. 6.2 系统的安全性保障6.3 系统的可靠性保障-第 7 章 安全相关系统的安全设计与评估体系 7.1 概述. 7.2 轨道交通安全相关系统的评估标准分析. 7.3 轨道交通信号系统设计和评估体系的建立.. 第 8 章 国内外典型列车运行自动控制系统. 8.1 国内列车超速防护系统和速度监控装置.. 8.2 国外典型列车运行自动控制系统. 第 9 章 CTCS 系统第 1 章 基本概念和名词术语 固定闭塞〈Fixed Block〉:线路被划分为固定位置、某 一长度的闭塞分区,一个分区只能被一列车占用,闭塞 分区的长度按最长列车、满负载、最高速、最不利制 动率等最不利条件设计,列车间隔为若干闭塞分区,而 与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨率 为一个闭塞分区(一般为几百米),制动的起点和终点总 是某一分区的边界,对列车的控制一般采用速度码台 阶式制动曲线方式,该系统要求运行间隔越短,闭塞分 区(设备)数也越多。 移动闭塞(Moving Block):线路没有被固定划分的闭塞 分区,列车间的间隔是动态的、并随前一列车的移动而 移动,列车位置的分辨率一般为 l0 米范围内,该间隔是 按后续列车在当前速度下的所需制动距离、加上安全 裕量计算和控制的,确保不追尾,制动的起始和终点是 动态的,对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线 的方式,轨旁设备的数量与列车运行间隔关系不大。 准移动闭塞(Distance-To-Go):线路被划分为固定位置、 某一长度的闭塞分区,一个分区只能被一列车占用,闭 塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速、最不利 制动率等最不利条件设计,列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨 率也为一个闭塞分区(一般为几十米一几百米),制动的 起点可以延伸,但终点总是某一分区的边界,对列车控 制一般采用一次抛物线制动曲线的方式,要求运行间 隔越短,闭塞分区(设备)数也越多。 虚拟/逻辑闭塞(Virtual/Logical Block))线路被划分为固 定位置、某一长度的闭塞分区,在一个原固定闭塞分区 可以被分为几个虚拟分区,闭塞分区的长度按最长列 车、满负载、最高速、最不利制动率等。最不利条件 设计,列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的 实际位置无关,列车位置的分辨率也为一个虚拟分区 (一般为几十米),制动的起点可以延伸,但终点总是某 一虚拟分区的边界,对列车的控制一般采用一次抛物 线制动曲线的方式,要求运行间隔越短,分区数也越多, 但设备基本不增加。 ATC 系统：该系统自动控制列车行使，确保列车安全 和指挥列车驾驶。ATC 必须包括列车自动防护 ATP, 可以包括列车自动监督 ATS 和列车自动驾驶(ATO)。 列车自动防护〈ATP〉系统:作为列车自动控制系统 ATC 的子系统通过列车检测、 列车间隔控制和联锁(联 锁设备可以是独立的,有的系统也可以包含在 ATP 系 统中)等实现对列车相撞、超速和其他危险的故障-安全防护列车自动控制系统。 列车自动监督〈ATS〉系统:作为列车自动控制系统 ATC 的子系统监督列车、自动调整列车运行以保证时 刻表,提供调整服务的数据以尽可能减小列车未正点 运行造成的不便。 列车自动驾驶〈ATO〉系统:作为列车自动控制系统 ATC 的子系统,执行速度调整的所有或部分速度调整、 程序停车、车门控制、性能等级.调整或其他功能。. 紧急制动：考虑各种相关因素必需的最大停车距离的 故障－安全制动。 一旦实施紧急制动， 中途不可缓解。 最大常用制动：可达到最大制动率的常用制动，在达 到规定的速度时可以缓解。 线路速度限制：由线路纵剖面、轨道以及线路结构决 定的线路每一个区间最大允许速度。.. 基于通信的列车控制（CBTC） ：不依赖于轨道电路对 列车进行高精度定位；大容量、双向车地数据传输； 能够执行至关重要(安全)功能的车载和轨旁处理器。 站停时间：移动体(车辆或列车〉在车站停留的时间, 即从停车到发车的时间间隔。 故障－安全:安全苛求系统的一个设计准则,硬件故障 的或软件错误时防止系统呈现或维持一种不安全状态, 或者使系统导向安全状态。间隔：在同一线路同一方向上,两列追踪的列车或车辆 首尾之间的间隔。 联锁:在轨道交叉、分割等处道岔、闭塞和信号装置的 布置。设备间的连接必须保证他们的动作必须按照预 先设定的次序实现相互有效的制约,从而防止列车追 尾或相撞。 移动授权:在给定的运行方向下,允许列车进入和通过 特定的轨道区间的授权。 移动授权由 CBTC 系统分配、 监督和执行以保证安全列车间隔、 通过联锁提供防护。 冗余：用多于一种手段完成指定功能的系统结构。 可靠性:在设计参数范围,特定运营条件及在特定的时 间内,系统无故障完成指定功能的概率。 安全制动模型:考虑到最不利因素和故障情况,列车实 施减速制动直至完全停车模式下的列车性能的描述。 一个装备 CBTC 的列车停车制动距离将等于或小于安 全制动模型保证的距离。 系统安全：工程、管理准则、标准和技术的应用在系 统生命周期各个阶段内运行效力、时间和成本的制约 下来优化安全的各方面。 系统安全计划:结合系统安全管理和系统安全工程的 任务和行为,在系统生命周期内以一种及时、高性价比 的方式满足系统安全要求来增强运行的效力。至关重要的功能〈vital function〉 ：安全苛求系统中需 要以故障一安全模式执行的功能。 安全完善度(Safety Integrity〉:在安全系统中体现确保 安全的能力。其定量指标可以采用在给定时刻系统维 持安全功能完善的概率来表示。 安全完善度等级〈Safety Integrity Level 〉 ：对系统所 要求的安全性完善水平的一种定量指标。是将安全完 善度根据安全功能失效的频率和产生的危险严重程度 划分成的等级。对不同等级的系统提出不同的技术要 求,以便适当地选用可靠性及安全性技术措施来达到 相应的技术条件。 允许速度：列车运行过程允许达到的最高安全速度。 目标速度：列车运行前方目标点允许的最高速度。 目标距离,列车前端至运行前方目标点的距离。 目标距离模式曲线,以目标速度、 目标距离、 线路条件、 列车特性为基础生成的保证列车安全运行的一次制动 模式曲线。 固定限速,由线路结构及道岔位置决定的最高运行速 度。 临时限速,由行车人员临时给出的列车限速。 走过防护区段,为保证行车安全在禁止信号内方设置 的防护区段。冒进防护,列车越过禁止信号立即触发紧急制动。 车尾限速保持,为了防止列车尾部在限速区段超速,在 相关区段采取的限速措施。 习题: 1.固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞、虚拟闭塞的基 本概念及其相互区别。 2.故障安全、安全完善度等级的概念及其相互区别。 3.列车自动防护 ATP 的基本概念。第2章概述轨道交通运输负有安全、迅速、正确和经济地运送 旅客和货物的社会责任。轨道交通要安全、快速地运 输,人的因素是首先应重视的。在同一个轨道上高速而 且短行车间隔运行的列车,司机的一点点精神疏忽,都 可能造成重大行车事故。而人的注意力范围是有限的, 因此必须采用机械的、电气的、智能化的信号设备, 以确保列车行车安全,保护生命财产。这些信号设备包 括向司机指示列车运行条件保障行车安全的的列车运 行控制系统设备〈简称列控设备〉和联锁设备。 所谓列车运行控制系统是由列控中心、闭塞设 备、地面信号、地车信息传输设备、车载速度控制设 备构成的用于控制列车运行速度保证行车安全和提高 运输能力的控制系统。列车运行控制系统一般应具有 如下功能: 〈1〉应能反映所防护线路的空闲状态 当线路在空闲状态时,才能给出允许列车进入的信 息。 1872 年发明了检测铁路线路上是否有车辆存在 自 的技术一一一轨道电路,信号控制与轨道电路相结合, 才使信号显示能真实反映线路空闲状态,也就是说按 信号显示行车能够防止列车冲突事故。目前,轨道电路 和计轴仍是检测列车占用的有效手段。但随着地车通信传输技术的发展,列车自身进行位置的检测将脱离 传统的轨道电路和计轴设备,轨道电路和计轴设备只 是作为基于通信的列车运行控制系统的后备模式或过 度方案。 〈2〉应能反映危及行车安全的因素是否发生 危及行车安全的因素是多方面的,限于科学水平和 经济条件,目前还不能用技术手段把所有危及行车安 全的因素一一检测并和信号控制相结合。但应积极地 逐步以技术手段来识别、消除或减弱这些因素,尽可能 在发现危险因素时,列车运行控制系统应立即给出使 列车停止运行或降速的信息〈使信号处于关闭状态〉, 保证列车不会驶入危险线路区段。 〈3〉应能指示和控制列车安全运行速度 实际上列车的运行速度受到若干因素的限制。例 如,受线路状态〈结构、曲线和坡度〉 、道岔曲线、列 车前方障碍物以及机车车辆的构造速度所限制。如果 实际运行速度超过了限制速度,则会引起列车颠覆或 撞车的危险。特别是列车的制动距离是速度的增函数, 若列车运行超过了预定的速度，就不能在指定地点停 下来，就会发生冒进信号甚至撞车事故,信号显示以能 指示列车以什么速度进入信号所防护的线路是安全 的。但是,现有的地面信号受到显示方式以及其它技术条件限制,仅显示调整列车运行的命令,还不能指示列 车应有的安全速度。因此,列车运行控制系统应当能够 根据地面发送的各种限制速度指令来实时控制列车的 速度。 2.1 轨道交通列车运行控制系统的发展过程 轨道交通的信号系统产生过几次革命性的变革。首 先是 l841 年从无信号到手动闭塞信号的过渡,接着是 向基于轨道进行信息传输的固定闭塞信号系统的演进, 目前已发展到基于通信的 CBTC 系统控制的移动闭 塞。概括起来讲,轨道交通列车运行控制系统的发展是 随着列车与地面信息传输系统的发展而发展的,下面 将就出现的典型列车运行控制系统的控制方式做一介 绍。 1 地面人工信号 铁路运营的开始,就产生了如何控制列车间隔以保 证行车安全的问题,从而产生了行车闭塞法。在铁路上 &闭塞&是指有列车运行的线路区段封闭起来,不准许其 他列车驶入,以防止列车相撞。 世界上首条铁路在英国开始运营时,只有白天行车, 且铁路上只有一列列车来回运行,所以不比考虑到列 车相撞的问题。随着社会的发展,客货运量不断增长, 铁路运行线路不断增长,车站增多,运行列车增多。 为防止列车相撞,在线路上安装各种信号设备。通过地面信 号显示系统,以物体大致形状、灯光的数目和颜色等视 觉信号或音响信号等听觉信号给司机以各种运行条件 的指示,提醒司机采取相应的措施,以免发生列车正面 冲突和追尾事故。 美国在 1832 年开始在车站上设置信 号机,作为站与站之间传送信息。信号机上挂有果物笼 状的东西,外面包白布或黑布,吊在 10m 高的柱子上,这 个信号叫球信号。当列车从车站发车时,发车站将百球 挂在柱顶,指示列车以己出发。 接车站将白球挂在中间, 指示列车进站停车,将百球挂在柱顶,指示列车通过,将 百球挂在柱下,指示列车停在站外。若发车站将黑球挂 在柱顶,则表示列车晚点。由于当时站间还没有通讯手 段,相邻车站用航海望远镜观察,根据球信号的颜色和 位置向司机传送信号。从那个时代起,信号机已经开始 起闭塞机作用了,只不过两站间闭塞关系靠人工保证, 而不是靠设备保证。 这个阶段,主要是依靠信号工的眼睛观测〈传感器), 通过人控制的信号给司机传递行车命令(传输),然后, 由司机控制列车运行。 而列车间隔调整依靠人工闭塞。 2.人工闭塞系统 在未出现轨道电路之前,人们在每个车站采用人工 的办法实现了闭塞的概念,即在每个车站安装一个指示信号,见图 l-1。保证列车在调度员和司机共同负责 安全的情况下行车,提高了只凭司机或调度员情况下 的行车安全。3 基于轨道电路的闭塞系统 在出现轨道电路后,采用轨道继电器的吸起和落下 来检测轨道区段的空闲,根据列车在该轨道区段的占 用与出清来点亮轨旁设置的信号.机,见图 1－2。列车 将根据轨旁的信号机显示来行车,信号机的显示定义 是带有速度含义的,列车上的司机必须根据信号机的 显示来控制列车,在这期间,出现了三显示和四显示的 固定闭塞系统,见图 1－3 和图 l－4。轨道电路的发明, 为轨道交通的列车自动控制提供了最基础的地车信息 传输媒介。
4.机车信号 以地面信号显示为主的铁路信号系统只是向司机 提供视觉信号,由司机解释信号显示意义从而驾驶列 车。信号显示仅仅指明安全运行条件,而列车的安危在 很大程度上在司机手中。由于地面信号显示系统有时 受到自然环境(如雾、风沙、大雨等)的影响以及地形 的限制,司机往往不能在规定的距离上及时了望前方 的信号机的信号显示,因而有产生冒进信号的危险。为 将列车运行前方所接近信号机的显示情况及时通告司 机,发明了机车信号设备,将地面的视觉信号变成通过 技术手段引入司机室,大大改善了司机了望条件。这样 司机就能够在任何条件下从容地驾驶列车和前方信号 为禁止信号时及时采取制动措施,提高了列车运行的 效率和安全程度。 5.自动停车系统| 在以上基于轨道电路的三显示和四显示系统中,司 机将对行车安全负责,一旦司机出现操作失误或其他 生理原因造成的列车驾驶失控,列车将会冒进信号,造 成重大事故。针对这样的情况,先后出现了不同形式的 自动停车防护系统。 首先,根据信号机或道岔的状态信息,在信号机或道 岔前安装一个触发装置,当信号显示和道岔位置不正确时,该触发装置将起作用,保证列车冒进信号或道岔 区段能触发列车的制动系统,从而保证列车在信号机 或道岔前安全停车,见图 1－5 和图 1－6 目前该类系统 〈Tripcock 系统〉还在一些非繁忙线路应用。其次,出现的自动停车设备(一般也称自动报警系 统,Automatic Warning System,简称 AWS 系统〉是在信 号机设置一个感应线圈,该感应线圈发送的感应信息 与前方的信号机的显示是对应的,当列车通过该感应 线圈或踏板时,列车会根据接收的信息进行处理,如果 是红灯关闭信息,车载将触发列车的紧急制动,保证列 车在红灯前停车,见图 1-7 和图 l-8。最后,在中国的 60 年代,根据轨道电路的信息,研 制了车载自动停车设备(ZTL 系统〉,该系统是根据 车载接收的轨道电路信息,如果是红灯信息,则出现 连续报警信息,司机必须在 7 秒内参与确认,否则列 车将实施紧急制动,这种控制设备其实在某种意义 讲是一种车载控制设备,与国外先期的 AWS 系统有 一定的不同,该设备为保证中国的铁路行车安全起 到了重要作用。 6.速度码控制〈Speed Code)的列控系统 AWS 和自动停车设备只是对列车在防冒进红灯 信号上有所防护,但在其他速度限制情况下却没有 安全防护,并且还存在人为干预的情况。 因此， AWS 或自动停车设备在安全上存在一定的隐患。针对这样的情况,加上电子技术和信息传输的发 展,轨道电路能够传输多个低频信息,从而将这些低 频信息赋予不同的速度含义,车载控制设备根据接 收到的不同低频信息实施不同的速度控制方式,从 而保证在列车不管是在三显示还是四显示情况下, 都可以实现完全安全防护,大大提高了行车的安全 性。速度码控制的 ATP 系统控制原理见图 l-9,速度 码控制一般只能应用在固定闭塞系统,即在一个固 定闭塞分区只有一个限制速度,列车在这个轨道分 区只需要将列车的实际速度与其接收的限制速度 信息进行比较即可,不需要知道列车在该轨道分区 的确切位置信息。在该类系统中,线路被划分为固定位置、某一长 度的闭塞分区,一个分区只能被一列车占用,并且一个分区只有一个限制速度信息。闭塞分区的长度将 运行的最长列车、满负载、最高速、最不利制动率 等最不利条件设计。 列车间隔为若干闭塞分区,而与 列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨 率 为一个闭塞分区(一般为几百米),制动的起点和终 点总是某一分区的边界,对列车的控制一般采用速 度码台阶式制动曲线方式,该系统要求运行间隔越 短,闭塞分区(设备)数也越多。 7.基于速度－距离曲线控制(Distance To Go)的列 控系统 随着电子控制、传输技术的发展,通过轨道电路 或点式应答器或其他地车传输方式可以向列车传 输更多的信息,并且基于速度码控制的 ATP 系统存 在限制运行间隔的局限性,于是就出现了基于速度距离模式曲线控制的 ATP 系统,该系统在闭塞划分 上可以归到固定闭塞系统,但由于最近 10 年的国际 系统的引进以及国内专家的认同,目前一般将该类 系统称为准移动闭塞系统。 在该类系统中,由于列车可以准确定位自身的位 置信息,从而后续列车可以尽可能地接近前行列车, 与速度码控制系统相比,可以大大提高列车的追踪 间隔,见图 l-10。在该类系统中,线路被划分为固定位置、某一长 度的闭塞分区,一个分区只能被一列车占用。 闭塞分 区的长度按最长列车、满负载、最高速、最不利制 动率等最不利条件设计。 列车间隔为若干闭塞分区, 而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分 辨率也为一个闭塞分区(一般为几十米一几百米), 制动的起点可以延伸,但终点总是某一分区的边界, 该系统要求运行间隔越短,闭塞分区(设备)数也越 多。 8.基于虚拟/逻辑控制的列控系统 为了缩短列车的运行间隔,同时在地面设备或系 统上又不增加更多的设备,而只需要在原来固定闭 塞的基础上添加了一些通信模块和定位信标,添加的数据通信系统能够在车载和轨旁间提供双向通 信。就可以达到在不增加轨道电路区段的情况下, 缩短发车间隔,并保持列车安全的间隔距离。 该系统 可以与现有的联锁系统相结合,为联锁与 ATP 之间 的隔离和转换提供了高效、低成本途径。 这样,列车就可以向轨旁设备报告自己的位置,轨 旁设备会自动生成基于移动障碍(如列车)和固定障 碍(如道岔保护信号机)实际位置的运行指令。轨道 被划分成存储在安全数据库里的虚拟闭塞区段,使 得运营商们能够极大地增进性能,并采用较短的发 车间隔以增进服务频率。虚拟闭塞的设计使得两辆 或更多的列车能够占用相同的物理轨道电路,但是 不允许列车占用相同的闭塞分区,见图 1-11。在该类系统中,线路被划分为固定位置、某一长 度的闭塞分区,在一个原固定闭塞分区可以被分为 几个虚拟分区,闭塞分区的长度按最长.列车、满负 载、最高速、最不利制动率等最不利条件设计,列车 间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位 置无关,列车位置的分辨率，也为一个虚拟分区(一 般为几十米),制动的起点可以延伸,但终点总是某一 虚拟分区的边界,对列车的控制一般采用一次抛物 线制动曲线的方式,要求运行间隔越短,分区数也越 多,但设备基本不增加。 9.基于 CBTC 控制的移动闭塞系统 以上传统的轨道交通列控系统性能并不完善。 在 传统的信号系统中,安全列车间隔取决于闭塞区间 的占用情况。每个闭塞区间都安装有一个信号机、 停车触发杆和轨道电路。 根据轨道电路的状态,设定 信号显示。停车触发杆和人工操作程序强制列车遵 循红灯显示。然而,当停车触发杆发生故障时,将不 能强制列车遵守这些规则,有可能在出现人为过失 的情况下,导致事故发生。 一些常规的信号系统并不 持续地强制最大限制速度,只是间断地进行控制。 在 两个信号机之间,如果驾驶员按照轨旁信号显示来 实施最大授权速度,等到列车到达下一个信号机时,信号的显示状态(绿色或黄色)将允许列车继续按此 速度运行。但是,如果超出了最大速度,信号机将显 示红色信号,此时,如果停车触发杆发挥作用,列车将 进行紧急制动。 为改进运行图性能,列车驾驶员可以 根据所熟知的每日的行驶程序,&冲着红灯&驾驶列 车。他们知道何时减速或提速。他们知道在通过信 号机的几秒钟之前,信号机的红色信号显示将转为 允许信号显示。 他们对自己的驾驶信心十足,尽管他 们很少看信号机的显示状态转变或根本不看信号 显示。安全隐患之一就是在停车触发杆失效的状态 下,司机可能还认为处于正常操作状态,而冒险地& 闯红灯&。 采用速度码轨道电路的系统,将目标速度传递给 列车,并显示给驾驶员,驾驶员按照显示的速度驾 驶。速度编码的数量有限,通常为 0、20、40、60 和 80 公里/小时等信息。速度码与该闭塞分区相关,并 无法事先预知,只有在列车进入闭塞分区时才能读 取速度码。同时,也要考虑到驾驶员的反应状况,也 就是驾驶员从读取目标速度到进行制动或加速所 用的时间。因此不得不对系统的优化最大速度进行 调整,以容纳这些因素,从而降低了运行图性能。传 统信号系统的另外一个局限性是其运输能力,即每小时每方向所能运送的乘客数量。 列车运行间隔(两 列列车间的时间间隔〉 是一个重要因素,这一点对城 市轨道交通系统尤为重要。运行列车的时间间隔缩 短将提高运输能力,但这意味着闭塞分区的缩短。 这 将导致闭塞分区数量的增加,并由此导致信号机、 停 车触发杆和轨道电路数量的增加。这意味着需要安 装大量的硬件设备,经济性较差。 规则运行的系统里, 列车间隔良好,并能够按时到达和出发。 为做到这一 点,列车必须严格遵守速度曲线,在车站的停靠(停 留〉时间不得超出允许的时间范围。例如,列车在线 路上的停车将打乱系统的平衡:当手动驾驶时司机 将需要很长时间从干扰中恢复正常,因此要求工作 人员遵守严格、复杂的程序。 在传统系统里,精确的停站是通过建造加长站台, 及降低列车进站速度来实现的。加长站台可以使列 车停站过头的情况减小,但这意味着提高基建成本: 而降低速度又会影响到发车间隔。对于安装有站台 屏蔽门的系统,精确的停站是十分重要的,因为站台 屏蔽门必须与列车车门对准。 问题在于,传统的信号 系统怎样进行升级才能提高安全性、通过能力和性 能?这样就需要一个能满足对速度控制、遵循信号、 精确列车控制和缩短发车间隔等自动化等级要求,以提高列车运行能力的信号系统。 而到今天,信号技术的最新变革就是向基于通信 的 列 车 控 制 系 统 (CBTC 〉 (Communication Based Train Control system〉的演进,该系统控制方式可以 获得更短的间隔。为了使传统的轨道交通系统达到 这一目标,就必须缩短轨道闭塞分区,并增加它们的 数量。 这需要进一步增加设备(即信号机、 轨道电路〉 和增大维修保养,因此,从经济方面缺乏可行性。针 对传统的基于轨道电路系统的主要局限性,CBTC 能使列车能够在更为接近的间隔内运行,并保证对 列车的安全间隔,并增强列车控制的灵活性。CBTC 系统不依靠轨道电路或计轴设备就能够判定列车 的位置,并使轨旁和列车实现双向通信,从而增进了 对列车的控制和监督。 在实现地车双向通信的情况下,CBTC 系统为实 现移动闭塞或逻辑闭塞提供可能,逻辑闭塞与固定 闭塞轨道系统相关,CBTC 系统则将轨道划分成逻 辑闭塞分区,并在计算机的安全数据库里对之进行 定义。这一方法的主要好处就是系统设计能够划分 可能多的闭塞分区,而无须太大的成本。 闭塞分区改 变主要为数据库的改动,这点很容易做到。 与轨道电 路系统不同,这一改动不涉及物理局限或设备成本。CBTC 系统摆脱了用地面轨道电路设备判别列车 占用闭塞分区与否的束缚,突破了固定闭塞的局限 性,为实现移动闭塞提供可能,在 CBTC 系统中充分 利用先进的通信传输手段,实时地或定时地进行列 车与地面之间的双向通信联络,使得后续列车可以 及时了解前方列车运行实际间隔距离,通过计算后 续列车即可给出最佳制动曲线,既提高了区间通行 能力,又减少了频繁减速制动操作,改善了旅客乘车 舒适度,由于车地间可通信信息量的加大,地面可以 实时地向车载信号设备传递车辆运行前方线路限 速情况,指导列车按线路限制条件运行,提高了列车 运行安全性。 CBTC 系统中,列车位置的检测由列 在 车本身提供,列车将报告其在线路面上的位置。 为确 保安全,列车必须对其位置和运行方向进行精确判 定。这是一个基本要求。为判定位置,列车的车载计 算机会同转速计/速度传感器/加速度计(用于测量距 离、速度和加速度)及定位信标检测设备共同合作。 位于轨道上的定位信标被用来判定列车的绝对位 置。CBTC 系统的地面控制设备将根据前车的位置 信息和线路障碍物的状态信息，为后行列车计算移 动授权,指导后行列车的安全运行,CBTC 系统基本 组成和信息流程见图 1-12。CBTC 系统的安全制动距离取决于列车速度,这 是单辆列车的一个特异性以及它们在轨道上的位 置有关。列车可以在由实际速度、确定停靠点、. 制动曲线和轨道坡度共同定义的范围内安全运行。 图 1-13 给出了如何使用 CBTC 技术来实现列车分 离。在该类系统中,线路没有被固定划分的闭塞分区, 列车间的间隔是动态的、并随前一列车的移动而移 动,列车位置的分辨率一般为 10 米范围内,该间隔是 按后续列车在当前速度下的所需制动距离、加上安 全裕量计算和控制的,确保不追尾,制动的起始和终 点是动态的,对列车的控制一般采用一次抛物线制 动曲线的方式,轨旁设备的数量与列车运行间隔关 系不大。目前得到应用的 CBTC 系统有以下几种: (1) 基于环线传输的 CBTC 系统，见图 1-14；（2） 基于波导管传输的 CBTC 系统， 见图 1-15；（3）基于无线自由波传输的 CBTC 系统，见图 1-16。10.ATO 系统 通过 ATO 系统的列车运行自动控制,对列车加速和 减速模式进行自动修正,以达到性能和能量消耗的最 优化。更多可预测的功能使运营商更加紧凑地安排时 刻表并最优化能量消耗。在许多操作系统中,能量消耗 都是一项重要的支出。在大多数交通机构的日程中, 节省运营成本口提高乘客满意度都占据重要地位。 ATO 功能与联锁及中央控制操作特征相结合,实现 了完全的无人驾史的列车控制。列车监控方式可以选 择无人值班方式或值班员/驾驶员自车的方式。 ATO 的 控制方式见下图 1-17。11.完全无人驾驶系统 FAO 随着中国城市化的建设,以及北京、上海、广州 等大城市举办奥运会、 世博会和亚运会等重大活动,使得中国的城市轨道交通迎来了前所未有的发展 机遇。许多大城市如上海、北京和广州均有计划采 用 先 进 的 、 高 可 靠 的 、 高 安 全 的 基 于 CBTC (Communication Based Train Control ,基于通信的列 车 控 制 系 统 ) 控 制 的 全 自 动 驾 驶 系 统 (FAO 系 统,Fully Automatic Operation,完全自动驾驶系统,以 下简称 FAO 系统〉来达到以上要求。 FAO 系统是引导城市轨道交通发展趋势的先进 客运交通系统,在世界很多城市得到了应用。FAO 系统与传统系统相比,具有安全可靠性高、 增大线路 通过能力、提高旅行速度、减少车辆需求量、减少 定员、提高服务、降低系统生命周期成本、易于工 程实施和城市路网互联互通等优势。 1〉FAO 系统的发展和应用情况 在上世纪 60 年代,有司机驾驶的自动运行系统 ATO 系统在欧洲出现,当时中国在北京地铁一号线 也进行了 ATO(Automatic Train operation,自动列车 运行系统)的相关试验与应用,但由于器件供应的原 因,未能继续应用下去。 80 年代,有人驾驶的 ATO 在 系统得到进一步的完善,初步形成了无人驾驶系统 DTO (Driver-less Train Operation system),随后在 DTO 的基础上发展了 FAO 系统,FAO 系统主要应用在小运量或中运量的自动旅客运输系统(Automated People Movers,以下简称 APM 系统)中,如欧洲、北 美、亚洲的 APM 系统均采用全自动驾驶系统。 在上世纪 90 年代,随着通信、控制和网络技术的 发展,可以在地车之间实现大容量、 双向的信息传输, 从而为高密度、大运量的地铁系统实现真正意义上 FAO 系统提供了可能,2000 年法国巴黎 14 号线首次 实现了重型大运量的地铁全自动驾驶系统,该系统 采用地面铺设环线实现地车信息的双向传输,设计 间隔达到 90 秒,但该系统的车辆段仍采用人工驾驶 和管理的方式。2003 年 6 月,新加坡的东北线正线 和车辆段均采用了全自动驾驶系统,即 FAO 系统。 该系统采用地面铺设波导管实现地车信息的双向 传输,同时该传输媒介还用作 FAO 系统所需要的地 车 CCTV 视频、话音和应急电话的传输介质。2005 年 6 月,基于空间自由波传输的 FAO 系统在美国拉 斯维加斯的单轨上得到应用。 从以上自动驾驶系统的发展和应用来看,真正 FAO 系统的主要基础是地车的双向信息传输系统 和运营组织的综合与应急处理。目前在世界上能够 提供整体 FAO 系统技术的主要公司有:加拿大庞巴 迪(Bombardier)公司、加拿大阿尔卡特(Alcatel)公司、法国阿尔斯通(ALSTOM)公司、意大利安萨尔 多(Ansaldo)公司、德国西门子〈Siemens 〉公司、 日本三菱重工株式会社〈AGT〉公司和日本日立 〈Hitachi)公司等。 2〉FAO 系统组成 FAO 系统实现列车的自动启动及自动运行、 车站 定点停车、全自动驾驶自动折返、自动出入车辆段 等。同时对列车上乘客状况、车厢状态、列车设备 状态进行监视和检测,对列车各系统进行自动诊断, 将列车设备状况信息及故障报警信息传送到控制 中心,对各种故障和意外情况需要分门别类,做出处 置预案。目前基于 CBTC 控制的 FAO 系统的典型 组成见图 l 。 (l)信号控制部分 对于 FAO 系统,实现列车的安全控制和间隔控制 与传统的 ATC(Automatic Train Control,列车自动控 制系统〉系统基本组成、功能和安全性要求是一样 的,特殊的部分是对这些相关系统的可靠性、 可用性 以及应急预案处理要求将大大提高。信号系统主要 包括: ? 控 制 中 心 设 备 : 中 央 ATS (Automatic Train Supervision,自动列车监督系统〉,列车自动控制系统)、电力 SCADA 系统和综合调度系统； ? 轨 旁 设 备 : 轨 旁 ATWATO (Automatic Train Protection andAutomatic Train Operation,列车自动防 护/列车自动驾驶系统〉 、车站 ATS 系统、联锁 CI 系统、定位系统和综合维护系统； ?车载设备:车载地车无线接收/发送单元、李载 ATWATO 设备、牵引和制动、列车定位系统； ?地车信息传输系统:一般采用基于通信的多服 务 的 冗 余 数 据 传 输 系 统 〈 Data Tansmission System,DCS 系统〉 实现地车的双向信息传输。 目前 主要的 CBTC 系统实现地车信息传输的方式有交叉 环线、泻漏波导/漏缆、无线传输等； ?列车定位系统:车载速度传感器和雷达传感器 与地面设置相应信标或交叉环线实现列车的准确 定位。 〈2〉针对 FAO 系统设置的通信控制部分 在 FAO 系统中,在传统轨道交通通信系统配置的 基础上,将主要增加列车上电视监控、 广播系统和应 急电话系统,使得控制中心能随时监控列车和旅客 的情况,保证在紧急情况下,控制中心能与旅客进行 直接通信,并直接对列车下达控制命令,保证列车上 乘客的安全。增加的通信系统包括：? 实现控制中心与旅客双向通信的广播与对讲系 统；? 专用的信息传输系统,实现列车车辆状态信息与控制中心的信息传输。 传输的信息主要包括:公共服 务信息、CCTV 视频监视信息等。 〈3〉车辆部分 实施 FAO 系统将对车辆提出特殊的要求,这些要 求主要体现以下方面： ?车辆牵引和制动系统的高可靠性要求； ? FAO 系统与车辆的接口应当采取多元余设计方 案保证对列车的可靠控制； ?需要增加应急情况下,调度或旅客能参与列车 安全停车的装置； ?需要提高车辆的检测和自诊断水平,保证能及 时发现车辆故障或隐患。 〈4〉运营组织部分 对于 FAO 系统,在运营组织上将主要增加紧急情 况下预案处理功能和措施。需要对整个轨道交通的 系统进行综合整合,保证信号、通信、供电、防灾报 警、 站台安全、 车辆等系统的有机结合和协调工作。3〉FAO 系统特点 基于 CBTC 控制的 FAO 系统采用先进的通信、 计算机、网络和控制技术,对列车实现实时、连续控 制。 它摆脱了钢轨作为信号传输媒介的束缚,采用现 代通信手段,直接面对列车,可实现车地间双向数据 通信,传输速率快,信息量大,后续追踪列车和控制中 心可以及时获知前行列车确切位置,使得运行管理 更加灵活,控制更为有效,更加适应列车自动驾驶的需求,可以实现移动闭塞。采用移动闭塞后,轨旁设 备相对减少,大大减轻了日后运营维护的压力,降低 了维护成本,同时可为乘车旅客提供多种信息服务, 可吸引更多旅客乘坐轨道交通工具。 基于 CBTC 控 制的 FAO 系统的主要特点有: (l)FAO 系统是经实践证明的技术 基于通信的 CBTC 系统,自 1985 年投入正式商用 以来,己被广泛应哥于世界范围内的 20 多个城市,总 计 30 多条线路,其中 FAO 系统在哥本哈根、 新加坡、 香港、拉斯维加斯、北美多条线上得到应用。 (2〉FAO 系统确保系统安全 基于 CBTC 控制的 FAO 系统采用的无线设备将 不再受到天气及环填时影响,系统工作性能稳定。 系 统的关键设备将全部采用双套冗余来确保系统安 全,同时在车辆内需增设烟雾探测报警设备、 车头障 碍物探测良警设备、车内 CCTV 监视设备、车内紧 急报警设备、车内通话通信设备、车内紧急停车装 置等来保证旅客的安全。 FAO 系统大大减少人为因素造成的安全事故,据 统计,轨道交通的缘故由人为因素造成的占 70%以 上:FAO 系统采用全封闭的运输方式,包括采用站台 屏蔽门,从而有效地隔离道路、行人和乘客的侵入。(3)FAO 系统的抗干扰性 基于 CBTC 的 FAO 系统将采用抗干扰性更好的 无线通信技术有效防止各种干扰的侵入。 (4〉FAO 系统的高效性一提高系统运行效率 FAO 系统可以突破传统系统行车运行间隔的瓶 颈,可以最低达到 70 秒的运行间隔,从而提高运能。 特别是在建设开通初期、 车辆缺少的情况见下,实现 小编组和高密度运营,这样的运输方式,可以吸引更 多的客流。 (5〉FAO 系统的经济性一节约整体投资成本 降低土建工程建设成本:FAO 系统技术可以缩短 行车间隔,提高运|雪效率,通过采用短编组高密度的 运营方案来提高线路通过能力,从而可以减少站台 距离、折返线长度、车辆段停车线长度和试车线, 大幅降 R 土建成本。 降低系统运行的能源消耗:FAO 系统可以自动控 制列车的加速和减速,在时刻表的范围内采用最节 省能源的操作运营模式,将有助于缓解北京市能源 紧张的状况。 降低系统长期的维护成本和运营成本:FAO 系统 由于大大减少了硬件尤其是轨旁设备,同时大大减 少司机定员(而传统系统实现的小编组高密度带来的问题就是大量的司机周转),因而其长期维护成本 大为降低,进而进一步降低长期的运营成本。〈6〉FAO 系统更短的项目实施周期在轨旁安装和测试更少的设备(CBTC 的设备可 以比轨道电路少 1/3 以上〉基于 CBTC 控制的 FAO 。 系统主要组成部分是软件,无须大量的安装后测试 和调试工作。一些重大的测试都可以在设备出厂前 在仿真模拟器上实现,从而减少了现场调试和开通 的时间。 〈7〉FAO 系统的优质服务 FAO 系统可以实现不管是高峰期还是非高峰期 均能提供很短的运营间隔、旅行时间和等待时间, 从而为旅客提供高质量的旅行服务,增强了旅客对 轨道交通的信任度。 同时,车上乘务员可以在车厢内 为乘客提供更加周到的服务和紧急处理工作。 由于 CBTC 系统采用车地双向、大容量、快速通 信传输系统,还可为乘客提供增值服务,如网络、视 频、音频、广告、通信等服务。 (8)FAO 系统的运输灵活 在出现线路单线故障的情况下,FAO 系统可以采 取灵活的运输组织和应急处理方法来应对,如可以 实现单线的双方向运行。4〉FAO 需要注意的问题 当一条线路采用 FAO 系统后,需要考虑的主要问 题有: 〈1〉列车的安全、平滑控制 采用 FAO 系统后,要求整体系统的安全性更高, 关键设备均需要采用冗余处理,控制策略应当满足 故障导向安全原则:FAO 系统的列车启动、加速、 减速和停车均需要满足人体舒适度的要求,这就需 要 FAO 系统与车辆牵引和制动的配合一致,实现对 列车的平滑、平稳控制。 (2〉在紧急情况旅客的安全保证 FAO 系统的应用,需要对整体系统的故障进行预 案管理,保证在任何故障情况下,应有一系列的安全 处理方法来应对。 (3〉系统的综合运营管理机制 FAO 系统的应用,将带来运输组织、设备维护和 突发事件处理机制的变化,系统将更多依靠自检测、 自诊断和自动检测等手段来实现设备维护和应急 处理。 (4)项目的初期投资 若采用 CBTC 全自动自动驾驶技术,信号系统本 身增加费用不多,主要是车辆段集中控制增加费用及列车各种监测设备增加费用,大约需在 CBTC 系 统报价基础上增加 10%-15%左右,但整体工程的费 用会降低。 2.2 列车运行自动控制系统的发展方向 为增进安全、提高可靠性和整体性能,世界各地 的轨道交通机构正致力于提高其轨道网络功能,使 之超出常规传统信号方式能力,以提高安全性、 可靠 性，整体性能。目前国际上在轨道交通信号系统的 发展方向和趋势上已经得到了统一的认识；技术采 用基于通信的列车控制系统(CBTC〉 。前些年,许多 轨道运营商对 CBTC 系统的技术和投资抱有怀疑的 态度,依旧使用传统的闭塞信号技术,可最近几年的 发展,CBTC 在世界范围内得到大面积的建设与应 用,CBTC 系统的投资问题将不在是一个主要问题, 更多考虑的问题是在如何采用一个标准化、开放的 CBTC 系统。 总之,CBTC 系统是现代电子、计算机、通信及自 动化等技术在轨道交通中的综合应用,将整动轨道 交通运行控制技术发生革命性的变革,使轨道交通 运行控制系统的向如下方向发展: ? 系统化。 现代轨道交通的列控系统不再是调度、 联锁、闭塞、信号机等设备的一个简单组合,而是向集调理重豆、 运行控制及自,动驾驶为一体的功能完 善、层次分明的综合自动化系统方向发展。 ?网络化 地面局域网，广域网及车地间的无线 通信图将轨道交通的控制中心、车站及列车连成一 个有机整体使指挥中心能够全面了解辖区各种情 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。网络化是轨道交通的各类信息能够迅 速的上通下达，准确获得轨道交通系统的运营的各 类实时信息，在保证轨道交通系统安全、高效运营 的同时，大大提高维护、旅客服务水平智能化。 ?智能化。智能化使调度指挥挥系统根据轨道交 通系统的实际情况,借助先进的计算机控制技术来 及时自动调度列车运纭,实现列车的无人驾驶,使整 个轨道交通系统达到最优化,提高运行效率,大大减 低劳动强度。 ?通信信号一体化。通信技术城市轨道交通信号 系统中大量运用,使通信信号趋于一体,基干通信的 列车控制系统〈CBTC〉成为今后轨道交通信号系 统的发展方向。 ?标准化和开放化。CBTC 系统的大量使用,为轨 道交通的路网运营提供了可能，为了降低建设成本和路线、车辆的互联互通，CBTC 系统的标准化和 开放化得到进一步的研究。 2.3 列车运行控制系统分类 列车运行控制系统是将先进的控制技术、 通信技 术、计算机技术与铁路信号技术溶为一体的行车指 挥、控制、管理自动化系统。它是现代保障行车安 全、 提高运输效率的核心,也是标志一个国家轨道交 通技术装备现代化水准的重要组成部分。 值得注意的是,各国铁路由于历史、传统术语、 指示和原文意义不;同等原因,对列车运行自动控制 系统的名称划分也不尽相同,列车超速;防护系统 〈ATP〉 与列车运行自动控制系统(ATC)并没有严格 的划分,在城市轨道交通的信号系统中包括三个子 系统 ATP、ATO 和 ATS 系统。 在铁路行业中,一般只是注重 ATP 系统的发展和 应用,关于 ATS 和 ATO 在铁路运输中应用难度较大, 由于运输组织比较复杂等。如日本铁路新干线的 ATC (Automatic Train Control 〉 列车自动控制系统、 法国 TGV 高速铁路 TVM(Tramission VoieMachine〉 地面-机车信息传输系统、瑞典和英国铁路的 ATP (Automatic Train Protection〉:德国铁路的列车自动 控制系统使用了于列车自动停车装置几乎相同的名称,原文为列车感应系统,只是增加了表示&连续 式&意义的前缀(LMien-〉 LirlienzugbeeiMILlssung, ,即 简称 LZB:原苏联铁路 A 系统,虽然具有分级速度监 督和对司机警惕性检查的功能,但仍采用通用型连 续式机车信号这个名称。这些系统虽然名称不同, 但有一个共同点,即自动监控:列车运行速度,通过车 内信号直接指示列车应遵守运行速度〈即允许速 度〉 。在人机关系方面,系统能可靠的防止由于司机 失去警惕或错误操作可能酿成的冒进信号或列车 追尾等恶性事故。 为便于讨论,将轨道交通的列车超 速防护 ATP 系统称为列车运行控制系统。. (一〉系统的功能及特点 列车运行控制系统作为保证列车行车安全和提 高运输效率的信号设备,其应具备的功能和特点有: ?将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与 铁路信号技术融为一体的行车指挥、安全控制机电 一体化的自动化系统: ?车载信号属于主体信号,直接给司机指示列车 应遵循的安全速度: ?自动监控列车运行速度,可靠地防止由于司机 失去警惕或错误操作可能酿成超速运行、列车颠 覆、 冒进信号或列车追尾等事故,它是一种行车安全控制设备: (二〉系统的组成 列车运行控制系统一般以下由车载设备、 地面设 备和地车信息传输设备部分组戒,见图 l-17。 (l〉地面设备 ?轨旁设备 ?列控中心 ?地面通信网络设备 (2〉车载设备包括 ?列车运行监控模块: ?测速/定位模块: ?显示器模块: ?牵引制动接口: ?运行记录器模块: 〈3〉地车信息传输信息通道 ?地面信息传输设备 ?车载信息传输设备 ?地面信息传输网络(三〉列控系统的分类 &1&根据系统的功能、主旦;如车司机和列车运行 控制设备〉 的分工和自动化程度,列车自动控制系统 可分为二类: ?列车超速防护系统(ATP〉 ?铁路列车运行自动控制系统(ATC)。 列车超速防护系统(ATP):可对列车运行进行实时 监督,当列车运行超过允许值时,控制列车实时常用 全制动或紧急制动,使列车停在显示禁止信号的信号机或停车标前方。ATP 系统以仪表或数字指示方 式〈车内信号方式〉向司机给出列车允许速度、目 标距离和目标速度等信息,司机只要按允许速度操 纵机车,就能可靠保证列车安全运行,不冒进信号。 通俗地说,一般 ATP 系统不包含列车的自动加速和 自动减速。铁路列车运行自动控制系统(ATC〉:可 根据行车指挥命令、线路参数、列车参数等实时监 督列车运行速度,通过控制列车多级常用制动(或不 同制动机),自动降低列车运行,保证行车安全。列车 运行自动控制系统是比列车超速防护系统高一级 的列车自动控制系统,它可替代司机的部分操作。 通 俗地说,铁路的 ATC 系统可以包含列车的自动减速, 该系统在日本应用较为广泛,因为这种控制模式可 以降低司机的劳动强度,并且能够提高运输效率,不 会因为司机的水平不一样而造成效率的降低,目前 我国 200k111/h 的动车组引进的 ATP 设备可以理解 为日本方式的 ATC 系统,即在传统的 ATP 系统上加 上一个设备优先的操作模式。 〈2)按人-机关系分,列车运行控制系统可分为 ?设备优先的自动减速系统 ?司机操作优先的速席自动监督系统 前者以日本新干线 ATC 为代表,后者德国 LZB 或法国高速铁路 TVM300 或 TVM430 系统为代表。 设备优先的系统当要求列车减速时,在闭塞分区 入口处,设备就自动实施制动,低于目标速度后自动 缓解。当列车速度超过紧急制动制动,使列车停车。 由于列车的减速制动完全由列车运行控制系统自 动完成,不必司机人工介入,其最大优点是能够年轻 司机的劳动强度,使司机能集中精力确保列车正点 运行,从而提高列车运行服务质量。但是,为满足旅 客乘车舒适性的要求,采用这种方式对列车自身的 制动系统的自动化程度以及制动性能要求非常高。 它的最大常用制动必须采用可短时间重复制动、缓 解的高质量多级制动(电阻、再生、电空等〉方式, 特别是电空制动,它要求缓解充风时间要短,一旦列 控设备发出减速命令,列车制动系统能根据列车实 际运行状态自动控制按保证旅客舒适的要求实施 制动。其次,它对列控系统设备可靠性要求也较高, 一般列控设备应采用三取二多数表决的工作方式。 以设备制动优先的列控系统另一优点是可以适 当缩短列车运行间隔时间,保证列车按时刻表运行。 根据经验,一般以人控为主的列控系统,司机为防止 速度超过允许速度,往往将列车的运行速度控制的 离设备监督曲线较远的地方,尤其是列车前方为禁止信号时,司机往往提前降速缓行,因此使列车的运 行速度间隔增加。 而设备制动优先的列控系统,由于 它完全由设备控制并且可以连续制动、 缓解,它的运 行速度控制曲线一般距离设备监督曲线较近,因此 它可以适当缩短列车卖行间隔时间。 以人控优先的系统列车运行速度一般由司机控 制,只有列车超过允许速度,设备才自动介入实施制 动。司机制动优先的系统的优点是便于发挥司机的 责任感,使司机处于积极的工作状态,能及时处理异 常情况,充分发挥人的技术能力,减少设备对司机操 纵的干扰。 在列车制动系统技术水平不高的条件下, 司机控制列车减速比设备自动控制列车更为舒适。 另外,对于以空气制动为主的列车,由于其不能短时 间重复实施制动和缓解,因此对于这种列车必须采 用人控优先的控制方式。 (3〉按照控制模式,列车运行控制系统可分为:, ?速度码阶梯控制方式: ?离模式曲线控制方式。 阶梯控制方式,在一个闭塞分区内只控制一个速 度等级。在一个闭塞分区中只按照一种速度判断列 车是否超速。阶梯控制方式又可分为: ?出口检查方式?入口检查方式 图 l-18 中塞统阶梯就是出口检查方式示意图。 出 口检查方式要求司机在闭塞分区内将列车运行降 低到目标速度,j 支备在闭塞分区出口检毫列车运 行。如果司机按照允许速度操纵列车，速度监督设 备不干预司机正常操作,当司机违章操作或列车运 行超过允许速度肘,到控设备自动实施制动。 列车实 际速度为达到目标速度以下则设备自动进行制动。 列车的允许速度为该区段的入口速度,但机车信号 显示器给出目标速度。本区段的出口速度就是下个 闭塞分区的允许速度。 这种控制模式属于迟后控制, 由于制动后列车要走行一段距离才能减速(或停 车)。因此,禁止信号后方要有一段防护区。法国 TVM300 就采用这种控制方式。图 1-18 中虚线阶梯就是入口检查方式示意图。 列车在闭塞分区入口坐监至 1 旦控速瞠主庭腿些毫 厘适宜晤,一旦列车超过目标速度,则列控设备自动 实施制动使列车运行降低到目标速度以下。入口检 查方式中本区段的入口速度就是本区段的允许速 度。日本新干线 ATC 就用这种方式。 阶梯控制且不需要距离信息,凡要在最高速度与 停车信号间增加若干速度信号,列车从最高速度停 车分段降速,直至停车。因此需要信息量较少,设备 相对简单。这种控制方式是目前高速铁路最普遍采 用的控制方式。 速度一距离模式曲线是损据目标速度、线路参 数、列车参数、制动性能等确定的反映允许速度与 目标距离间关系的曲线。速度一距离模式曲线 51 映了列车建查点允许的速度值。对控系统根据速度 距离模式曲线实时给列车当前的允进速度,当列车 超过当前允许速度时,设备自动实施常用制动或紧 急制动,保证列车能在停车地点前停车。因此，采用 这种控制方式的列控系统不需要设营重叠防护区。 (4)根据制动模式不同,列控系统可分为 ?分段速度控制 ?连续速度控制分段速度控制模式是将轨道区段按照制动性 能最差列车安全制动距离要求,以一定的速度等 级将其划分成若干固定区段。 一旦这种划分完成, 每一列车无论其制动性能如何,其与前行列车的 最小追踪距离只与其运行速度、区段划分有关, 这对于制动性能好的列车其线路通过能力将受 到影响,该种方式为早期铁路 ATP 应用较多。图 l-19 为分段速吏控制模式示意图。 分段速度控制模式列车最大安全制动距离为: S =〈S 1+S 2+S 3+S 4〉×n 其中: S 一一列车最大安全制动距离 S I 一一车载设备接收地面列控信号反映时间 (1-1)距离.... S 2 一列车制动响应时间距离 S3 一列车制动距离. S 4 一过走防护距离 n 一列车从最高速度停车制动所需分区数 显然,如果每一种列车的性能不同,其制动距离 S3 是不同的,性能好的车制动距离短,性能差的列 车制动距离就会很长。 而如果以列车最大安全制 动距离为依据确定闭塞分区长度时以性能最差 的列车为标准,这样确定的闭塞分区长度势必对 性能好的列车来说就长了,从而限制性能好的列 车线路通过能力。因此,这种模式适于只运行一 种性能列车的情况。 而对于高中速混跑运行的线 路,如果列车的制动性能相差较|大,采用这种模式 要想达到较高的通过能力是比较困难。 连续速度控制的制动模式它采用根据目标距 离、目标速度的方式确定速度 J 距离模式曲线, 该方式不设定每个闭塞分区速度等级,采用一-次 制动。以前方列车占用闭塞分区入口为目标点, 向列李传送目标距离等信息。该.方式能减少闭 塞分区长度对列车运行间隔时分的影响。 连续速 度一距离模式曲线方式主运于高中速混跑的线路。图 1-20 是连续速度问线控制模式示意图。连续速度控制模式列车最大安全制动距离为: S =S I+S 2+S 3+S 4 （1 一 2) 其中: S 一列车最大安全制动距离 S 1 一车载设备接收地面列控信号反映时间距 离 S 2 一列车制动响应时间距离 S 3 一列车制动距离 S 4 一过走防护距离 n 一列车从最高速度停车制动所需分区数: 式(l-2)中,S L S 2、S 4 与式(1-1)基本相同,在计 算连续速度模式最大安全制动中由于为一次制动,因此在制动过程中它们只考虑一次。而在分 段模式中由于在整个制动过程中要多次制动、 缓 解,这三个参数要考虑 n 次。另外,连续速度控制 模式列车最大安全制动距离 S 3 采用的是每一列 车的实际最大安全制动距离,列车制动性能好的 列车 S 3 的数值小,性能差则 S 3 的数值就大。因 此,在连续速度控制模式中,列车的运行间隔距离, 各尽其能,有助于提高运行效率。同时其所具有 的一次性制动的性能也与列车实际制动方式相 吻合。 连续速度距离模式是各国铁路尤其是高速 铁路列车运行控制系统的发展方向。 (5)根据地-车信息传输通道不同,列控系统可 分为：?点式列车运行自动控制:?连续式列车运行自动控制: ?点连式列车运行自动控制: 点式列车自动控制系统是采用高信息容量的 地面应答器件面轨道环线或其他感应设备进行 车载设备的信息传输,该方式结构简单,安装灵活, 可靠性高,目前在欧洲轨道交通而用较为广泛。 但是点式列车运行控制系统的主要缺点是信 息传递的不连续性,有时会对列车的精确定位或高效运行造成影响，鉴于这个问题,西方工业国 家的铁路信号公司相继研制开发了采用连续交 叉轨道交叉环、音频轨道电路、GSM-R、泄漏交 叉环线、 无线或波导管等方式作为信息传输通道 的连续式列车运行自动控制系统,这种系统实现 了连续信息传递。 针对我国的国惰,在铁路上我国的列车运行控 制系统采用点式列车运行控制系统， 点式应答器 作为线路数据的输入,连续轨道电路信息作为列 车前方轨道空闲数量的传输媒介。 这种方式有效 利用了轨道线路和点式设备。 根据目前铁路和城市轨道交通的技术发展,一 般分为点式和连续式控制两种方式,但鉴于我国 的列车运行控制系统的发展情况,作者认为将列 车运行控制系统按照地车信息传输方式分为点 式、连续式和点连式三种方式比较合理。因此在 本书中以点式、 连续式和点连式列车运行控制系 统为例详细分析列车运行自动控制系统的组成、 特点和控制方式。 2.4 不同列车运行控制系统的比较
习题: 1.简述轨道交通列车运行控制系统的发展过程,主要说明 每个阶段典型的技术特点。 2.基于速度码控制的固定闭塞基本原理。 3.基于速度―距离曲线控制的准移动闭塞基本原理。 4.基于速度―距离曲线控制的虚拟闭塞基本原理。 5.基于速度―距离曲线控制的 CBTC 移动闭塞基本原理。 6.ATO 系统基本原理。 7.FAO 系统基本原理、组成、特点。第 3 章列车运行控制系统基本工作原 在第 2 章提到,列车运行控制系统的主要功能就是 对列车实现间隔控制和速度控制。一般系统由地面列 控中心、地面信息传输通道（查询、应答器、轨道交 叉环线、编码轨道电路和无线等）和列控车载设备组 成。地面控制中心是列车运行制动控制系统的核心。 列控中心根据列车的运行位置，前后列车之间的运行 间隔距离产生列控车载系统所需的地面信息，包括列 车的目标速度，列车到目标点的距离，线路的坡度， 线路的允许速度等。地面信息传输通道根据列控中心 的信息进行编码，并通过地面传输通道发送给机车上 的车载设备。 列控车载设备接受轨道或无线传输的信息，根据预 先输入的列车参数（总重量、制动力、换长）实时计 算列车当前运行允许速度，生成速度控制曲线，在司 机显示器现显示，列控车载设备实时检测列车当前运 行速度并在司机室显示器显示，司机根据显示器上的 目标速度、目标距离、允许速度和实际速度控制列车 运行。当列车的实际速度超过允许速度，列控车载设 备自动控制制动装置，列车制动减速，保证列车在停 车点前停车，或在限速点前速度点前速度降低到限速 值以下。3.1 点式列车自动控制系统 点式列车自动控制系统在欧洲的干线铁路及城市 轨道交通中应用十分广泛。 其主要优点是采用了无源、 高信息容量的地面应答器，结构简单，安装灵活，高 可靠性， 价格明显低于连续式列车运行自动控制系统。 3.11 点式列车自动控制系统的基本结构 点式列车自动控制系统因其主要功能是实现列车 超速防护,所以又称为点式超速防护(点式 ATP)系统,它 是一种在式传递信息,甩车盘达算机进行信息处理,最 后达到列车超速防护目的的系统。 :图 3-l 表示点式 ATP 系统的基本结构,图 34 表示点 式 ATP 系统的基本原理,它主要的部分组成:地面应答 器、LEU(又称为信号接口)。各部分的基本功能简述 如下:&一&地面应答器 地面应答器通常设置在信号机的旁侧或者设营 在一段需要降速的缓行区间的始、终端。1996 年, 在欧洲铁路联盟的干预下,欧洲推出适用于全欧洲 铁路的统一地面应答器(EUROBALISE)。 点式 ATP 系统目前采用的地面应答器：有源和 无 源 应 答 器 ,其内部寄存器按协议以数码形式存放实现列车 速度监控及其他行车功能必须的数据。置于信号机 旁侧的地面应答器,用以向列车传递信号显示信息， 因此需要通过接口与信号机相连。地面应答器内所 存储的部分数据受信号显示的控制，此接口即是前 面所说的规旁电子单元 LEU。 置于线路上的地面应 答器通常不需与任何设备相连，所存放的数据往往 是固定的。 当列车驶过地面应答器， 且车载应答器天线与地 面应答器对准时，车载应答器首先应以一定的频 率，通过电磁感应方式将能量传递给地面应答器； 地面应答器的内部电路在接受到来自车上的能量 后即开始工作，将所存储的数据以某种调制方式（通常用频移键控 FSK 方式） 仍通过电磁感应传至 车上。图 3-3 表示德国西门子公司生产的点式列车 速度控制系统 ZUB2000 的车载应答器与地面应答 器之间的耦合关系。其中 100KHz 为能量通道， 850KHz 为信息数据通道，50KHz 是为增大可靠性 而设置的监视通道。&二&轨旁电子单元 LEU轨旁电子单元是地面应答器与信号机之间的电 子接口设备,其任务是将不同的信号显示转换为约 定的数码形式。LEU 是一块电子印刷板,可根据不 同类型的输入电路输出不同的数码。图 3-5 给出一 种 LEU 变换的示例。 &三&车载设备 图 3-6 完整地给出了点式列车速度控制系统车载 设备的全貌。图 3-6 上所示的各种部件的功能大体叙述如下: ?车载应答器:完成车上－地面的耦合关系，将 能量送至地面应答器,接收地面应答器所储存的数 据并街去至中央处理 ?测速传感器:通常装在轮轴上,根据李轮的转数 与车轮直径在中央处理单元内换算成列车当前的 速度 ?中央处理单元的核心是安全型计算机,它负责 对所接收到的数据进行加工处理,形成列车当前允 许的最大速度，将此最大速度值与列车的实际速度值进行比较，以决定是否给出启动常用制动乃至紧 急制动的信息。 当然,从车载应答器传向地面应答器 的高频电磁能量也是由它产生的: ?驾驶台上的显示、操作与记录装置:经过一个 接口,即可将中央处理单元内的列车现有速度及列 车最大允许速度显示出来,这种显示可以是指针式 的或液晶显示屏方式,按照需要,还可显示出其他有 助于司机驾驶的信息,如:距目标点的距离,目标点的 允许速度等等。 对于出现非正常的情况(如出现超速 报警、 启用常用或紧急制动)都可以由记录器进行记 录。 3.1.2 点式列车自动控制系统的基本工作原理 点式列车速度控制系统的主要功能是实现列车 超速防护,即所谓 ATP (Automatic Train Protection) 功能。 图 3-7 表示车载中央控制单元根据地面应答器传 至车上的信息(距离目标点的距离、 目标点的允许速 度、 线路的坡度)以及列车车自身些数据(负加速度), 计算得出的两个信号机之间的速度监控曲线。为了 清楚地表示点式超速防护的机理,在图 3-7 所示曲线 的中段,用细化的方式表示出 4 种情况:V0 一所允许的最高列车速度。 V2 一列车车速达到此值时,车载中央控制单元给出音响报警,如果此时司机警惕降速,使车速低于 V ,0则一切趋于正常。V3 一当列车车速达到此值时,车载中央控制单元给出启动常用 制动(通常是启动最大常用制动)的信息,列车自 动降速至 V 以下。若列车制动装置具有自动缓解功0能,则在列车速度降至 V 以下时,制动装置即可自动0缓解,列车行驶趋于正常。 若列车制动装置不具备自 动缓解功能,则常用制动使列车行驶一段路程后停 下,列车由驾驶员经过一定的操作后重新人工起动。V5 一当列车车速达到此值时,车载中央控制单元给出启动紧急制动的信息,确保列车在危险点的前 方停住。 为了提高行车效率,有的行车部门要求在红灯信 号机前方留出一段区段(图 3-7 中的 V 段),以防止列f车行驶在信号机之间时红灯信号已变为允许信号, 而列车必须完全停下和经过一套手续后重新启动。 在留出低速滑行段后,列车可以以低速(例如 20km/h) 驶过第二个地面应答器,如果列车被告知信号仍是 红灯,通过紧急制动还来得及停在危险点前方:如果 列车被告知信号己改为允许信号,则司机可 V 在基f础上加速,从而提高了行车效率。图 3－8 表示用于缓行段超速防护的速度监控曲 线,其工作机理与前所述的相似,不再重复。 车载中央控制单元计算允许速度曲线所遵循的 数学公式讨论如下: 设列车距目标点的距离为 S,列车的减速度为 b, 目标点的允许速度为 V ,列车的允许速度为 V ,c z?Vc ? Vz ? bt ? ? 1 ? S ? Vz t ? 2 bt ?在(3-l)式中消去时间变量后 V 在 V =0 时cz? 2bS ? Vc 2Vz ? 2bS ? Vc 2Vz ? 2bs当线路具有坡度时(如图 3-9 所示),由于重力加速 度 g 的作用,上述(3-2)式需作一些修改。b' ? b ? g ? ? sinsin ? ? H / L ? k ?将(3-5)式代入(3-4)式,取LB'g≈10t vmax L V ? LS－L B f5'm / s2考虑到习惯上将下坡的 k 值定义为负值,上坡的 k 值定义为正值,则b' ? b ? 0.01?k(3-6)...考虑到 3-6，我们可以简略地应用（3-2） （3-3） 式： 在线路平坦（k＝0）时，使用列车的减速度 b： 在下坡线路(k&0)时,使用减速度修改值 b',即在原 值 b 上加上 0.01*k； 在上坡度(k&0)时,使用减速度修改值 b',即在原值 b 上加上 0.01*k。 如前所述,地面一车上应答器之间的数据传递是 一种按协议的串行数码传输方式,电码以频移键控 方式传送,为了防止干扰,载频通常在 800KHz~lMHz 之间,数码速率一般为 50kbit/s。 在原则上,国际各大公司的产品所采用的电码基 本结构是大同小异的,从一个实例就可了解一般情 况。下面我们以德国西门子公司的 ZUB100 型电码 结构为例来加以说明。 ZUB100 的电码分为 4 大部分: (l)起始同步码: (2)信息码； (3)安全监视码: (4)终止码3.2 连续式列车自动制动系统 在当前世界上,不论是闻名世界的法国高速铁 路、德国高速铁路、西班牙高速铁路、日本新干线 等干线铁路,还是近几年开通的城市轨道交通,无一 例外地采用了连续式列车运行自动控制系统。换句 话说,连续式列车运行自动控制系统是适应高速干 线与高行车密度的地铁、轻轨交通而发展起来的一 项铁路信号技术,毫无疑问,其技术基础正是目前飞 速发展的信息传输与处理技术。 按地面－车上信息传输所用的媒体分类,连续式 列车运行自动控制系统可分为有线与无线两类,前 者又可分为利用轨间交叉环线与利用数字编码音 频轨道电路两类。 按制动闭塞的性质分类,连续式列 车 运 行 自 动 控 制 系 统 可 分 为 移 动 闭 塞 (Moving Block) 与虚拟闭塞(Virtual Block)两类。 按地一车之 间所传输的信息内容分类,列车运行自动控制系统 可分为速度码系统(Speed Code System)与距离码系 统(Distance go to system)。前者由控制中心通过信 息传输媒体将列车最大允许速度直接传至车上,这 类制式在信息传递与车上信息处理方面比较简单, 速度分级是阶梯式的,法国 TVM-300、日本新干线、 北京地铁一线、上海地铁 1 号线，大连快轨、重庆单轨等信号系统均是采用此种制式。从地面传至车 上的是前方目标点的距离等一系列基本数据,由车 载计算机进行实时计算得出列车的最大允许速度。 显然可见,这种制式的信息传输比较复杂,而速度控 制则是实时、无级的。欧洲的高速铁路干线以及广 州地铁 1、2、3、4、5 等线路,武汉轻轨,天津地铁, 上海地铁 2、3、4、5、8 号线等;北京 1、3、4、5、 l0 等线路,南京 1 号线等都采用此种制式。 也就是说, 从现在应用和研发的系统大多数均是采用该类系 统。 3.2 采用轨间交叉环线的列车运行控制系统 (一)工作原理 这类列车运行控制系统主要也由 3 部分组成： 地面控制中心、轨间传输交叉环线、机车载设备， 如图 3-10 所示。在地面控制中心内,按地理坐标储 存各种地面信息如 (如线路坡度、曲线半径、道岔 位置、缓行区段的位置与长度等等)。此外,经过联 锁装置,将沿线的信息显示、道岔位置、列车的相关 信息(车长、制动率、所在位置、实时速度等)不断 地经由轨间交叉环线传至地面控制也。地面控制中 心内的计算机按式（3-3)~(3-6)的原理,计算出在它 在管辖的区域上每一列车当前的最大允许速度,再经由轨间交叉环线传至相应列车,实现速度控制。 在 图 3-10 上,在某一时刻,列车 B 获得实时最大允许速 度为 V ；随着列车 A 的运动,目标点的距离 S 一直允许在改变,从(3-3)式可见,列车 B 的实时最大允许速度 随列车 A、B 间的距离而变化。与点式列车控制系 统比较,显然连续式的行车效率更高。 连续式控制系 统的车上－地面信息传递是用轨间交叉环线来实 现的。列车从控制中心获得最大允许速度值之后, 一方面在双针速度表上显示出来,一方面依据此值 对列车速度进行监控。若列车实际速度高于此最大 允许速度,则先报警后下闸(常用制动)。如果制动设 备条件许可,则可在列车实际速度低于最大允许速 度时缓解制动机。从而避免了列车停车及重新启 动。(二)系统结构 在这类连续式超速防护系统中,轨间交叉环线是 车上－地面的唯一信息通道。为了抗牵引电流的干 扰以及实现列车定位，轨间交叉环线每隔一定距离 （例如 每隔 25m）作一次交叉，如图 3-11 所示。 一个车站最多可控制 128 个交叉环线环路，所以一 个继电器的最大控制距离： Lcmax＝128×25＝3200m利用轨间交叉环线的交叉配置即可实现列车定 位。在图 3-11 所示奇况下,我们可用 14 位电码来表 示列车的地址信息(图 3-12),说明如下：其中最高 bit 位为列车运行方向码， 11-13bit 第 为相应中继器的代码， 4-10bit 为粗地址码， 第 表明 列车处于哪一个交叉环线环路。每当列车驶过一个 交叉环线交叉点，利用信号极性的变化引起粗地址 地址码的末位码加 1，第 1-3bit 表示细地址码，列 车每驶过 3.13m（25m×1/8） ，细地址码的末位码加 1。 上述地址电码的约定结构是实际使用的一个实 例。 通过这种事前约定的电码结构,将列车定位地址 码解码后即可知道列车所在的确切位置。 [例]控制中心收到列车的地址码为: 00 译码后可知:自 1)列车为上行方向: 2)中继器代码为 001(1 中继器):#3)粗地址码:,即列车位于第 42 环路: 4)细地址码:l00-4,即列车位于第 42 环路的中央 (距始端 12.5m 处)。 最后的定位结论为:该列车位于 1 中继器的控制 区内,离 1 中继器始端的距离为:##42× 25+12.5=1062.5m 采用轨间交叉环线的超速防护系统的车载设备与点式列车超速防扩系统相类似,包括接收天线、 车 载计算机、发送及接收电路、操作及指示盘、与制 动机的接口、路程脉冲发生器等,不再重复。 3.2.2 采用数字编码轨道电路的连续式列车运行 控制系统 前面讨论了点式列车运行自动控制系统及用轨 间交叉环线的连续式列车运行自动控制系统。前者 的主要缺点是信息传递的不连续性,有时会对列车 运行造成不利(并非不安全!)影响;而后者的缺点也 是显而易见的,这种系统的信息传递连续性是以昂 贵的轨间交叉环线为代价也,而且轨间交叉环线的 存在给线路养护工作带来了麻烦(或者说,养路工作 容易损坏轨间交叉环线)。鉴于上述问题,一些西方 工业国家的铁路信号公司研制开发了利用音频轨 道电路作为信息传输通道的连续式列车运行自动 控制系统,这种系统既摒弃了不受欢迎的轨间交叉 环线,同时又实现了连续信息传递。 众所周知,钢轨本身并不是一种理想的信息通道, 铁质材料对音频信号的衰耗很大,限制了轨道电路 的有效长度:此外,钢轨之间的漏泄、轮轨之间的接 触电阻等因素均会影响轨道电路的工作性能。 然而, 权衡性能、价格、安全可靠与可用性等诸方面的因素,用音频轨道电路构成的连续式列车自动运行控 制系统在城市轨道交通中仍已得广泛的应用。 前面已经说过,列车自动控制系统有速度码系统 和距离码系统两种。不论是速度码系统还是距离码 系统,其轨道电路都被用作双重通道。 当轨道电路区 无车时,轨道电路发送的是轨道电路检测信号或者 检测码。当列车一驶入到轨道区段，立即转发速度 信号或者有关数据电码。 从“数字信号处理“学科角度来区分,速度码系 统通常使用频分制方法，即用不同频率代表不同的 速度，而在距离码系统中，由于信息电码的多样性 和复杂性，所以必须使用时分制数字电码方式，按 协议来组成各种信息。 如前所述,距离码系统的特点是:根据地面传至车 上的各种信息(包括区间的最大限速、目标点的距 离、 目标点的允许速度、 区间线路的坡度等)以及固 有数据(如:列车长度、常用制动及紧急制动的制动 率、测速及测距信息等等),由车载计算机（2-3)式实 时计算得出允许速度曲线,并按此曲线对列车的实 际运行速度进行监控。 由于数据传输以及实时计算, 列车车速监控都是连续的,所以用这类系统实现的 速度监控是无级的,可以有效地实现平稳驾驶与节能运行。 1.系统概貌: 图 3-13 表示用数字编码轨道电路实现连续式列 车控制系统概貌。图的上半部分表示音频轨道电 路。前面已经说过,当列车进入该轨道区时，由于轨 道电路接收端电平下降而导致转换继电器落下，一 方面由转换继电器接通列车速度控制系统的发码 装置，通过轨道电路的发送电路将有关于列车控制 的地面信号送上规面，这些信息将由位于列车最前 部的车载天线接收。显然，列车的运行方向必须是 从轨道电路的接收端向轨道电路的发送端。当列车 驶离该轨道区段时，由于轨道电路接收端电平升高 而使转换继电器吸起，导致轨道电路发送轨道检测 码，使轨道继电器吸起。 必须指出,这类系统以来列车进入轨道区段实现 轨道电路表示码(通常比较简单,仅若干个比特)与 信息码之间的转换,有车占用表示的延时给出情况 下(当轮轨分路条件不理想时,列车第一轮对进入轨 道电路区段将并不马上给出&有车占用表示气而在 第二轮对,甚至更后的轮对相继驶入轨道电路区段 后,才能给出&有车占用表示'汀,如不采取特殊的保 护措施,将会对安全造成极大威胁。我们用图 3-14来说明这种情况。图中，自轨道电路至停车点 P 的距离LB ，这就是说,信息码向列车传递的目标距离为 LB 。在延时 t 后实现轨道电路表示码与信息码之间的转V换，这时列车已驶过的距离 L ，从而使信息码所传V输的目标距离 L 与实际目标距离 L 之间出现了差值'BBLV ；LV ? LB－LB'如果延时时间 t 过长,致使延时距离 L .超过解除V V点后方的保护段长度 L (保护段长度由用户决定,S但通常为了缩短行车间隔,都不希望保护段太长）, 即：LV ? LS这种情况下就可能使列车闯入危险区导致重大 事故。 鉴于上述,有的系统规定了轨道电路表示码与信 息码之间的最大转换时间 t 路区段,在 tvmax vmax若当列车驶入轨道电之内车载设备尚未接收到信息码,则直接启用紧急制动,保证列车不闯入危险区。 2.从地面向车上所传输的信息 当列车进入轨道区段时,轨道电路以频移键控方 式向车载设备传送信息。该信息是按协议约定的报 文电码形式传送。按目前的技术水平,可在每 ls 内 传送一组报文电码,对于以 80km/h 速度运行的列车 而言,每秒驶过的距离为 22m， 即使在最短的轨道区 段,车载设备也可收到一组完整的报文电码。 由于数据报文电码是串行传输的,其头、尾码及 同步方式与 ZUB200 的相同,处于头、 尾码之间的是 信息码且信息码的内容与报文结构应按照协议(与 用户商定)构成。通常,信息码包括以下内容: ?车站停车点:用以构成列车停站后开启车门的 一个条件。 ?列车运行方向。.... ?开启哪一侧车门(即车站站台的位置:左侧或右 侧)。 ?下一段轨道电路的入口允许速度。 ?区附速则决于线路状态 ?下一段轨道电路区段的坡度。 ?至限速区问起始点的距离(指列车所在轨道电 路区段的始点至限速区间起始点的距离)。?限速区间的允许速度。 ?目标距离:指列车所在轨道电路区段的始点至 目标点的距离。 ?目标速度:目标点的允许速度,如目标点为停车 点,则目标速度为零。 ?ATP 系统的开始与结束。 ?列车所在轨道电路经编号确认。 ?列车所在轨道电路的长度。 ?下一段轨道电路的编号。 ?下一段轨道电路的载频频率(用于车载设备预 调谐)。 3.车载设备的自动调谐(频率跟踪) 为了防止相邻轨道电路之间的串扰,应有多种频 率供挑选使用,使相邻轨道电路之间的传输频率尽 可能有较大差别。 另外,由于钢轨又兼做牵引电流的 回流导线,所以在选择电路传输频率时,应该考虑到 尽量避免牵引电流的谐波分量,以使牵引电路对 ATP 的干扰减到不起作用的程度。随着列车交流传 动技术的发展,交流变频调速技术己普遍使用,在牵 引电路中的高次谐波分量十分丰富。 因此,从这个角 度出发,轨道电路的传输频率应尽可能选的高， 但是, 考虑到钢轨衰耗随频率升高而迅速增加,轨道电路的有效长度随频率升高而迅速减少,从这个角度出 发,轨道电路的传输频率又不能选得太高。 目前欧美 各国大多采用 9.5kHz-16.5kHz 的传输频率,我国上 海地铁 2 号线、广州地铁 1 号线也都是采用这个频 率,具体说,有下列 8 种频率可供选用9.5khz,10.5khz,11.5kHz,13.5kHz,14.5kHz,15.5kHz, 16.5kHz。由于各轨道电路区是采用不同的频率,于是就产生了一个问牛机车接收装置如盼动适应且在 塾理电路的传输频率。 图-15 表示一段线路上轨道电路频率的配置及其 有关的信息码。当列车位于 0010 轨道电路时,车载 设备可接收到本段轨道电路的载频 f 下一段轨道电1路的载频 f 、本段轨道电路编号、下一段轨道电路3的编号(0100)等有关信息。在车载设备中,装有两套 接收调谐电路,当列车位于 0019 段轨道电路时,接收 调谐电路 A 调谐于 f 接收调谐电路 B 调谐于 f (频1 5率预置):当列车位于 0100 段轨道电路时,接收调谐 电路 B 调谐于 f ,接收调谐电路 A 调谐于九(频率预3置),如此反复进行。图 3-16 表示自动频率跟踪的原 理框图。 接收调谐电路由两级滤波器组成:第一级为 模拟带通滤波器,其通频带为 9?5KHz~16?5KHz, 用以抑制牵引电流的干扰:第二级为数字窄带通滤波器,其通频带受一逻辑尊元控制,而逻辑单元则根 据来自地面的信息码调整数字滤波器的有关骂数 (对于非递归型数字滤波器而言,是通过逻辑单元调 整其冲激响应值从而使接收调谐电路的通频带随 地面信息码而变化,进而实现自动频率跟踪。3.3 点连式列车自动控制系统(该部分予留) 习题:1.简述点式列车运行控制系统基本结构和原理。 2.简述连续式列车运行控制系统基本结构和原理。 3.简述点连式列车运行控制系统基本结构和原理。第 4 章地一车信息传输技术地－车信息传输通道是列车运行自动控制系统 的重要组成部分。列控的车载设备完全靠从地面控 制中心接收的行车控制命令进行行车,实时监督列 车的实际速度和地面允许的速度指令,当列车速度 超过地面行车限速,车载设备将实施制动,保证列车 的运行安全。这就要求地－车传输信息的可靠和安 全。 4.1 地－车信息传输系统的分类 地面信息传递到车上目前有两种方式,一种是连 续式传递信息方式,另一种为点式传递信息方式。 前 者能连续不断地将地面信息即列间隔、线路容许的 速度等情况及时地向车上反应,使司机随时掌握列 速度,有利于保证行车安全和提高行车效率。 点式信 息传递方式多用感应器、 环线或应答器方式,它只能 在闭塞区段内设若干点,通过感应点将地面信息传 到车上,在地面信息发生变化时,列车只能经过感应 点时才能得到信息,及时性稍差。 4.1.1 连续式传递信息 常用的连续信息传递方式:编码式无绝缘轨道电 路、 轨道交叉环线、 无线通讯等方式。 下面以 UM-71 型无绝缘轨道电路为例叙述连续式信息的发送和传输。 连续式信息发送的原理见图 3 寸,它是利用 UM71 型轨道电路作为传输信息的通道。 闭塞分区空闲时, 发送器送电给轨道继电器使之吸起,列车占用时发 送器迎向机车传递信息,同时轨道继电器落下,为改 变后面轨道电路的信息提供信息条件。系统的信号采用移频键控，载频有 、 2300、 2600Hz 四种,频偏为 11Hz,调制频率从 l0.3Hz 到 29Hz， ,每间隔 1.1Hz 取一个信息,共有 18 个作为 主信息,东南新干线只用 11 个信息,大西洋线用 14 个信息。 采用 l700Hz 以上的音频便于实现无机械绝缘节的轨道电路,用电气分隔接头取代钢轨绝缘节可不 锯长钢轨,也有利于减少机车车辆轮缘的磨损和牵 引电流的回归。此外 1700Hz 以上的信号受牵引电 流谐波干扰量也小。但频率较高给信号在钢轨中传 输带来了困难,因此需在轨间并联补偿电容延长轨 道电路长度。 轨道电路频率布置考虑了防止同一线相邻轨道 电路和上、 下行线间的横向干扰,轨道中载频的布置 见图 4-2。在线路轨道电路电子设备集中设置,便于 各闭塞分区电路逻辑联系以及日常管理维修,特别 是容易实现双线双方向的改变方向电路。轨道电路 现场设有电气分隔接头的调谐单元,平衡牵引电流 的空芯线圈以及匹配单元等。观场设备和集中室间 用交叉环线连接,为防止交叉环线线间串音影响,轨 道电路的同频率发送与接收不能合用同一根交叉 环线。 使用的交叉环线芯线直径为 1.2mm,传输距离 为 7km。4.1.2 点式信息发送 点式传递信息方式多用感应器或应答器方式,如 查询应答器、点式环线等，下面以法国高速线上使 用的环线为例叙述点式传递信息方式的发送和传 输。 点式信息发送原理见图 3-3。为地面有源点方式, 向环线内发送信息给机车接收,环线敷设在轨间,法 国高速线环线长度约为 l0m。发送器放在集中室, 通过交叉环线及匹配变压器连接到环线。发送器经 常向环线内送检测信号,以检查环线的完整性。 点式 信息为单频率信号,自 1318Hz 开始,每间隔 140.8Hz 有一个单频信息,至 3712Hz 共 18 个,其中 4 个频率 、Hz 与连续式机车信号载 频靠近未被采用,有效使信息共 14 个。点式信息用于接通或转换连续式机车信号接收 上。下行线的载频率,在列车离开高速线路时,以点 式信息断开连续式机车信号。线路需要限速的地方 可用点式信息给出限速值的条件。地面绝对信号机 处设点式信息,当显示红灯信号时,以点式信息向列 车发送绝对停车命令。 点式信息还可作其它用途,例如在接触网分相点 两边适当地点&1km 左右&设环线给出信息给计算 机车接收， 开始进行距离测试,到分相点的前方切断 机车动力,过分相点再接通供电。 4.2 移频叠加点式信息系统 多信息移频自动闭塞系统叠加多信息数字调制 式轨道电路,是在己有的移频轨道电路的发送端叠 加发送一个多信息的数字调制信号,如图 4-4 所示。 叠加多信息信号后必须同时满足如下要求: （1） 发送设备可集中设置在车站,与移频轨道电 路共用信道,不能影响移频自动闭塞的正常工作。 (2)点式信息与移频信息共用移频功率放大器。 (3)每个信号点均设置地面发送设备,信息量应 满足列车超速防护系统&点&式信息的要求。 (4)发送设备具有故障检测和报警功能,并应满足 &故障一安全&原则。4.2.1 点式信息发送电路结构 点式信息为二进制数字信息,要与移频信号叠加 发送,因此必须经过调制。 点式信息发送电路原理框 图如图 4-5 电路、信源编码电路、信道编码电路、 差分移相调制电路、 输出接口电路、 报警指示电路、 电源电路等部分组成。&一&输入接口 点式信息发送的信息内容是有关列车运行前 方线路上的一些重要信息,各轨道电路点所发送 的信息是不同的,为了便于使用和维护,要求各点 所发的信息内容虽不相同,但各点发送电路结要 求完全一致,具有互换性。因此点式信息内容采 用了由外部电路编码的方式。 点式信息是二进制 数,共 80 位。 信息位为 0 时,其对应电位为低电平 0V,信息位为 1 时,其对应电位为高电平 24V。采 用的编码规则能保证外围编码电路出现断线时, 发送的点式信息为安全信息,满足&故障一安全& 原则。 (二〉信息编码 信息编码电路由 CPU 系统构成,它完成如下功能: （1）完成两路输入信息的一致性比较 CPU 从两路并行接口电路分别读入两路信息,然后 对两路信息进行比较,只有两路信息完全一致时,所采 集的信息才有效,才有可能发送出去:如果两路输入的 信息不一致,则读入的信息码无效,点式信息发送设备 停止发送,并点亮故障报警指示灯。 （2）信息码的合理性检查 CPIJ 读入两路相同的信息后,按规定的信息传输格式重组信息码。在重组过程中,对读入信息的合理性进 行检查,如果读人的信息超出规定范围,点式信息发送 设备停止发送,并点亮故障报警指示灯。 （3）对重新组合的信息码添加校验码。校验码用 于校验信息在发送设备内部的传送过程中的正确性。 CPU 系统完成上述功能后,生成 80 位信息,其中包括 点式信息和校验码,为信道编码做好准备。 (三)信道编码 点式信息发送系统是单向、连续发送的传输系统, 为了快速传输点式信息和便于点式信息的接收,并保 证接收设备对收到的点式信息有检错能力,点式信息 的发送设备到点式信息的接收设备之间的信息传送采 用具有传输速率高、并有很强检错能力的同步传输方 式,把需要传送的信息码按 HDLC 协议构成一帧信息, 然后以帧为单位传送。一帧信息格式如表 4-1 所示。（1） 预同步码： 用于接收设备的快速同步。 （2）帧同步信息码的时志。（3）帧同步码信息码的结束标志。（4）信息码被传送的点式信息。（5） CRC 校验码:用于接收设备对收到的信息码进行 校验,判断信息码在信道传输过程中的正确性。 〈四〉差分移相调制.. 轨道电路不能直接传输二进制的数字信息,所以信 道编码电路输出的二进制点式信息必须经过调制。轨 道电路既传输移频信息,又传输点式信息,现在应用的 移频信息的频带在 l000Hz 以下,所以点式信息调制后 的频带必须在 1000Hz 以上。信号的频率越高,在轨道 电路中传输的衰耗就越大,因而需要发送的功率就大。 点式信息和移频信息共用移频发送设备的功率放大器, 叠加发送要求点式信息所占的功率很小,不能影响移 频信息的正常发送功率,所以点式信息的载频不能太 高,调制|后的点式信息的频带较窄,而且有较强的抗干 扰能力。综合比较调幅、|调频、调相三种数字调制方 式,点式信息的调制最适合采用差分移相调制,因为移 相调制的信号具有最强的抗干扰能力,在相同的传输 波速率下,移相调制信号具有最窄的频带。为了避免接 收设备出现相位模糊采用差分调制。实现差分移相调 制的方法是:首先对数字基带信号进行差分编码,即把 绝对码变成相对码,然后再进行绝对调相,其调制过程如图 4-6 所示、图 4-7 是其波形。差分移相调制电路 把二进制的信息调制成模拟信号。 调制方式采用数字编码、差分二相相移键控调制 〈DPSK〉,点式信息调制为模拟信号后,其频带范围在 120OHz 以上,与移频信号的频带不重叠,从而能与移频 信 号 共 用 一 个 信 道 。4.2.2 点式信息发送内容 点式信息发送系统发送列车超速防护所需的 点式信息,它可以为进站信号点、出站信号点和区间信 号点:进站信号点发送的信息有: ?本信号机类型: ?车站代码 ?接车股道代码 ?接车进路长度 ?进站咽喉区长度 ?接车进路换算坡度 ?运行前方次一架信号机类型 ?出站外方第一闭塞分区限速； ?出站外方第一闭塞分区长度； 出站信号点发送的信息有: ?本信号机类型: ?运行方向代码:? ?超速防护停用代码 ?出战咽喉区长度； ?出战外方第一闭塞分区限速等级； ?运行前方次一架信号机类型；?运行前方次一闭塞分区换算坡度，可含一个变坡点；?运行前方次一闭塞分区限速等级； ?运行前方次一闭塞分区长度； 区间信号点发送的信息有: ?本信号机类型； ?运行前方闭塞分区长度: ?运行前方闭塞分区换算坡度,可含一个变坡点: ?运行前方次一架信号机类型: ?运行前方次一闭塞分区限速等级: .运行前方次一闭塞伞区运庭。 4.3FTGS 数字编码轨道电路 FTGS 为西门子〈SIEMEMS)数字频率轨道电路 (Digital frequency) track circuits〉的德文缩写,是德国 SIEMENS 公司对远程馈送和编码无绝缘音频轨道电 路的简称。自 l981 年首次在德国 Thielenplatz 铁路应 用,现己广泛应用于欧洲、美洲、非洲及亚洲干线铁路 与城市轨道交通。截止 1999 年,西门子己安装了约 15000 套 FTG S 轨道电路。 广州地铁一号线于 1994 年 12 月引进,经过设计、安装与调试,于 1998 年 6 月 28 日正式投入载客运营。 它是广州地铁一号线 ATC 系统 的信息传输基础设备,也是国内首家采用此种轨道空 闲检测系统。广州地铁一号线全长 18.48km,共划分轨 道区段 271 个,使用最长控制传输距离约 3km,每个区段划分的长度为 30~230 m。 另外,连续列车运行自动控制系统(LZB700)能利用 FTGS 轨道电路向车载设备传输信息。 4.3.1 工作原理 在 FTGS 轨道占用检测系统中,轨道被电气分割成 许多区段。见图 44,轨道区段被 S 形电气棒(简称 S-bonds)分割,该电气 S-bonds 完全是电气分割,没有物 理上的分割。另外,他们对两钢轨上的牵引电流起到补 偿的作用。 FTGS 轨道电路包含室内、室外 2 部分设备,室内设 备对应每个轨道区段配置 1 个组匣单元,包括轨道电路 的发送与接收。室外设备对应每个轨道区段分界点设 置 S 棒,起分割区段作用,同时设有轨旁单元(相邻区段 共用一轨旁盒〉,直接向轨道发送后接收电信号。室内 与室外最长传输距离可达 6.5km。 FTGS 无绝缘轨道电堕多一种移频键控(FSK)数字 编码系统广州地铁一号线采用 9.5~16.5kHz 频率范围 内的 8 种频率信号(频率间隔为 lkHz〉,通过不同的位 模式(15 种)、以频偏 64Hz 产生 FSK 信号。当某区段无车时,由室内发送设备传来的 FSK 信号, 通过轨旁单元在相应轨道区段始端接入轨道,并由}