列车自动控制ATC系统基本原理Word下载.docx

列车自动控制ATC系统基本原理Word下载.docx

《列车自动控制ATC系统基本原理Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《列车自动控制ATC系统基本原理Word下载.docx（206页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

是通过多种渠道传输和接收各种数据，在特定的位置传给ATS，向ATS报告列车的识别信息、目的号码和乘务组号和列车位置数据，以优化列车运行。

二、ATC系统的水平等级

为确保行车安全和线路最大通过能力，根据国内外的运营经验，一般最大通过能力小于30对／h的线路宜采用ATS和ATP系统，实现行车指挥自动化及列车的超速防护。

在最大通过能力较低的线路，行车指挥可采用以调度员人工控制为主的CTC（调度集中）系统。

最大通过能力大于30对/h的线路，应采用完整的ATC系统，实现行车指挥和列车运行自动化。

ATO系统对节能、规范运行秩序、实现运行调整、提高运行效率等具有重要的作用，但不同的信号系统设或不设ATO会使运营费用差异较大，不过即使是通过能力为30对／h的线路，有条件时也可选用ATO系统。

根据运营需要，信号系统还应满足最大通过能力为40对／h的总体要求。

对于城市轨道交通，行车间隔的发挥往往受制于折返能力，而折返能力与线路条件、车辆状态、信号系统水平等因素有关。

因此，通过能力要求较高时，折返能力需与之相适应，必须对上述因素进行综合研究、设计。

三、ATC系统选用原则

ATC系统选用按下列原则选择：

（1）ATC系统应采用安全、可靠、成熟、先进的技术装备，具有较高的性能价格比；

（2）城市轨道交通运营线路宜采用准移动闭塞式ATC系统或移动闭塞式ATC系统，也可以采用固定闭塞式ATC系统。

因为城市轨道交通具有客流量大、行车密度高的特点，而准移动闭塞式和移动闭塞式ATC系统可以实现较大的通过能力，对于客运量变化具有较强的适应性，可以提高线路利用率，具有高效运行、节能等作用，并且控制模式与列车运行特性相近，能较好地适应不同列车的技术状态，其技术水平较高，具有较大的发展前景。

虽然固定闭塞式ATC系统技术水平相对较低，但由于可满足2min行车间隔的行车要求，且价格相对低廉，因此也宜选用。

根据实际情况，因地制宜选择三种不同制式的ATC系统是完全必要的。

。

（3）ATC系统构成水平的选择按前述原则执行。

四、不同闭塞制式的ATC系统

按闭塞制式，城市轨道交通ATC可分为：

固定闭塞式ATC系统、准移动闭塞式ATC系统和移动闭塞式ATC系统。

1．固定闭塞

固定闭塞将线路划分为固定的闭塞分区，不论是前、后列车的位置还是前、后列车间距，都是用轨道电路等来检测和表示的，线路条件和列车参数等均需在闭塞设计过程中加以考虑，并体现在地面固定区段的划分中。

由于列车定位是以固定区段为单位的（系统只知道列车在哪个区段中，而不知道在区段中的具体位置），所以固定闭塞的速度控制模式必然是分级的，即阶梯式的。

在这种制式中，需要向被控列车“安全”传送的只是代表少数几个速度级的速度码。

固定闭塞方式，无法满足提高系统能力、安全性和互用性的要求。

传统ATP的传输方式采用固定闭塞，通过轨道电路判别闭塞分区占用情况，并传输信息码，需要大量的轨旁设备，维护工作量较大。

此外，传统方式还存在以下缺点：

①轨道电路工作稳定性易受环境影响，如道床阻抗变化、牵引电流干扰等。

②轨道电路传输信息量小。

要想在传统方式下增加信息量，只能通过提高信息传输的频率。

但是如果传输频率过高，钢轨的集肤效应会导致信号的衰耗增大，从而导致传输距离缩短。

③利用轨道电路难以实现车对地的信息传输。

④固定闭塞的闭塞分区长度是按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计的，分区较长，且一个分区只能被一列车占用，不利于缩短列车运行间隔。

⑤固定闭塞系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。

为充分保证安全，必须在两列车间增加一个防护区段，这使得列车间的安全间隔较大，影响了线路的使用效率。

2．准移动闭塞

准移动闭塞对前、后列车的定位方式是不同的。

前行列车的定位仍沿用固定闭塞的方式，而后续列车的定位则采用连续的或称为移动的方式。

为了提高后续列车的定位精度，目前各系统均在地面每隔一段距离设置1个定位标志（可以是轨道电路的分界点或信标等），列车通过时提供绝对位置信息。

在相邻定位标志之间，列车的相对位置由安装在列车上的轮轴转数累计连续测得。

由于准移动闭塞同时采用移动和固定两种定位方式，所以它的速度控制模式既具有无级（连续）的特点，又具有分级（阶梯）的性质。

若前行列车不动而后续列车前进时，其最大允许速度是连续变化的；

而当前行列车前进，其尾部驶过固定区段的分界点时，后续列车的最大速度将按“阶梯”跳跃上升。

由于准移动闭塞兼有移动和固定的特性，与“固定”性质相对应的设备，必须在工程设计和施工阶段完成。

而被控列车的位置是由列车自行实时（移动）测定的，所以其最大允许速度的计算最终只能在车上实现。

为了使后续列车能够根据自身测定的位置，实时计算其最大允许速度，必须用数字编码轨道电路向其提供前方线路的各种参数以及前行列车处在哪个区段上的信息。

准移动闭塞在控制列车的安全间隔上比固定闭塞进了一步。

它通过采用报文式轨道电路辅之环线或应答器来判断分区占用并传输信息，信息量大；

可以告知后续列车继续前行的距离，后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动，列车制动的起点可延伸外伸至保证其安全制动的地点，从而可改善列车速度控制，缩小列车安全间隙，提高线路利用效率。

但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍必须在先行列车占用分区的外方，因此它并没有完全突破轨道电路的限制。

3．移动闭塞

（1）移动闭塞的基本概念

移动闭塞的特点是前、后两列车都采用移动式的定位方式，不存在固定的闭塞分区，列车之间的安全追踪间距随着列车的运行而不断移动且变化。

移动闭塞可借助感应环线或无线通信的方式实现。

早期的移动闭塞系统大部分采用基于感应环线的技术，即通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机（VOBC）与车辆控制中心（VCC）之间的连续通信。

而今，大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统实现各子系统间的通信，构成基于无线通信技术的移动闭塞。

（2）移动闭塞的特点

移动闭塞具有如下特点：

①线路没有固定划分的闭塞分区，列车间隔是动态的，并随前一列车的移动而移动；

②列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离，加上安全余量计算和控

制的，确保不追尾；

③制动的起点和终点是动态的，轨旁设备的数量与列车运行间隔关系不大；

④可实现较小的列车运行间隔；

⑤采用地一车双向传输，信息量大，易于实现无人驾驶。

（3）移动闭塞的技术优势

①移动闭塞是一种新型的闭塞制式，它克服了固定闭塞的缺点。

基于通信的列车控制（CommunicationsBasedTrainControl，简称CBTC）则是实现这种闭塞制式的最主要技术手段。

采用这种方法以后，实现了车地间双向、大容量的信息传输，达到连续通信的目的，在真正意义上实现了列车运行的闭环控制。

当列车和车站一开始通信，车站就能得知所有列车的位置，能够提供连续的列车安全间隔保证和超速防护，在列车控制中具有更好的精确性和更大的灵活性，并能更快地检测到故障点。

而且，移动闭塞可以根据列车的实际速度和相对速度来调整闭塞分区的长度，尽可能缩小列车运行间隔，提高行车密度进而提高运输能力。

此外，这种系统与传统系统相比将大大减少沿线设备，车载设备和轨旁设备的安装也相对较容易，维修方便，有利于降低运营成本。

②移动闭塞系统通过列车与地面间连续的双向通信，提供连续测量本车与前车距离的方法，实时提供列车的位置及速度等信息，动态地控制列车运行速度。

移动闭塞制式下后续列车的最大制动目标点可比准移动闭塞和固定闭塞更靠近先行列车，因此可以缩小列车运行间隔，有条件实现“小编组，高密度”，从而使系统可以在满足同等客运需求条件下减少旅客候车时间，缩小站台宽度和空间，降低基建投资。

③由于系统采用模块化设计，核心部分均通过软件实现，因此使系统硬件数量大大减少，可节省维护费用。

④移动闭塞系统的安全关联计算机一般采取3取2或2取2的冗余配置，系统通过故障一安全原则对软、硬件及系统进行量化和认证，可保证系统的可靠性、安全性和可用度。

⑤移动闭塞还常常和无人驾驶联系在一起。

两者的结合能够避免司机的误操作或延误，获得更高的效率。

⑥无线移动闭塞的数据通信系统对所有的子系统透明，对通信数据的安全加密和接人防护等措施可保证数据通信的安全。

由于采取了开放的国际标准，可实现子系统间逻辑接口的标准化，从而有可能实现路网的互联互通。

采取开放式的国际标准也使国内厂商可从部分部件的国产化着手，逐步实现整个系统的国产化。

（4）移动闭塞的工作原理

移动闭塞与固定闭塞的根本区别在于闭塞分区的形成方法不同，如图5—1所示，移动闭塞系统是一种区间不分割、根据连续检测先行列车位置和速度进行列车运行间隔控制的列车安全系统。

这里的连续检测并不意味着一定没有间隔点。

实际上该系统把先行列车的后部看作是假想的闭塞区间。

由于这个假想的闭塞区间随着列车的移动而移动，所以叫做移动闭塞。

在移动闭塞系统中，后续列车的速度曲线随着目标点的移动而实时计算，后续列车到先行列车的保护段后部之间的距离等于列车制动距离加上列车制动反应时间内驶过的距离。

后续

—弋孵㈣釜

列车

厂—1、、、

（】（】

弋丁可

图5—1移动闭塞原理示意图

移动闭塞技术在对列车的安全间隔控制上更进了一步。

通过车载设备和轨旁设备连续地双向通信，控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态地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闭塞分区（见图5—2）。

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问隔运行，从而提高运营效率。

无线移动闭塞系统的组成主要包括无线数据通信网、车载设备、区域控制器和控制

图5—2移动闭塞系统的安全行车间隔

中心等。

其中，无线数据通信是移动闭塞实现的基础。

通过可靠的无线数据通信网，列车不问断地将其标识、位置、车次、列车长度、实际速度、制动潜能和运行状况等信息以无线的方式发送给区域控制器。

区域控制器追踪列车并通过无线传输方式向列车发送移动授权，根据来自列车的信息计算、确定列车的安全行车间隔，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。

车载设备包括无线电台、车载计算机和其他设备（如传感器、查询器等）。

列车将采集到的数据（如车辆信息、现场状况和位置信息等）通过无线数据通信网发送给区域控制器，以协助完成运行决策；

l司时对接收到的命令进行确认并执行。

移动闭塞的线路取消了物理层次上的闭塞分区划分，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。

线路单元以数字地图的矢量来表示。

如图5—3所示，线路拓扑结构的示意图由一系列的节点和边线表示。

任何轨道的分叉、汇合、走行方向的变更以及线路的尽头等位置均由节点（Node）表示，任何连接两个节点的线路称为边线。

每一条边线有一个从起始节点至终止节点的默认运行方向。

一条边线上的任何一点均由它与起点的距离表示，称为偏移。

因此所有线路上的位置均可由矢量[边线，偏移]来定义，且标识是唯一的。

图5—3线路拓扑图示例

（5）移动闭塞ATC系统分类

移动闭塞ATC系统就车一地双向信息传输速率而言，可分为：

基于电缆环线传输方式和基于无线通信和数据传输媒介的传输方式。

按无线扩频通信方式可分为：

直接序列扩频和跳频扩频方式。

按数据传输媒介传输方式可分为：

点式应答器、自由空间波、裂缝波导管和漏泄电缆等传输方式。

五、不同结构的ATC系统

1．点式ATC系统

点式ATC系统因其主要功能是实现列车超速防护，所以又称为点式ATP系统。

它用点式传递信息，用车载计算机进行信息处理。

点式ATC系统在城市轨道交通中有所应用。

其主要优点是采用无源、高信息容量的地面应答器，结构简单，安装灵活，可靠性高，价格明显低于连续式ATC系统。

上海轨道交通5号线采用的即是德国西门子公司的点式ATC系统。

点式ATP难以胜任列车密度大的情况，如后续列车驶过地面应答器时，因前方区段有车，它算出的速度曲线是一条制动曲线。

后续列车驶过后，尽管前行列车已驶离，但后续列车已驶过地面应答器，得不到新的信息只能减速运行，直到抵达运行前方的地面应答器，才能加速。

（1）点式ATC系统的基本结构

图5—4表示点式ATP系统的基本结构，由车载设备和地面设备组成，主要是地面应答器、轨旁电子单元（LEU，又称为信号接口）以及车载设备。

图5—4点式ATP系统的基本结构

①地面应答器

地面应答器通常设置在信号机旁或者设置在一段需要降速的缓行区间的始、终端。

它接收车载设备发射的能量，供内部电路与回答发送用。

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所必须的数据。

置于信号机旁的地面应答器，用以向列车传递信号显示信息，因此需要通过接口电路与信号机相连。

地面应答器内所存储的部分数据受信号显示的控制。

此接口电路即轨旁电子单元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，且车载应答器与地面应答器对准时，车载应答器首先以一定的频率，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收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FSK方式）仍通过电磁感应传送至车上。

图5—5表示点式列车速度控制系统及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。

图5—5车载应答器与地面应答器之间的能量与数据传输

②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是一块电子印制板，可根据不同类型的输入电流输出不同的数码。

③车载设备

车载设备由车载应答器、测速传感器、中央处理单元、驾驶台上的显示、操作与记录装置等部分组成，如图5—6所示。

a．车载应答器：

完成车地的耦合联系，将能量送至地面应答器，接收地面应答器所储存的数据并传送至中央处理单元。

b．测速传感器：

通常装在轮轴上，根据每分钟车轮的转数与车轮直径在中央处理单元内换算成列车目前的速度。

图5—6点式ATC系统车载设备组成

c．中央处理单元：

核心是安全型计算机，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，将此最大允许速度值与列车的现有速度值进行比较，以决定是否给出启动常用制动乃至紧急制动的信息。

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。

d．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。

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，都可以由记录仪进行记录。

（2）点式ATC系统的基本原理

点式ATC系统的车载设备接收信号点或标志点的应答器信息，还接收列车速度和制动压力信息，输出控制命令和向司机显示。

地面应答器向列车传送每一信号点的允许速度、目标速度、目标距离、线路坡度、信号机号码等信息。

图5—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以及列车自身的制动率（负加速度），计算得出的两个信号机之间的速度监控曲线。

V0——所允许的最高列车速度。

V1——当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”。

，则一切趋于正常。

V2——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（通常为启动最大常用制动）的信息，列车自动降速至％以下。

若列车制动装置具有自动缓解功能，则在列车速度降至”。

以下时，制动装置即可自动缓解，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手续后重新人工启动。

距离（m）

图5—7点式列车超速防护系统的速度监控曲线

V3——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。

（3）地车之间的数据传递

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。

如德国西门子公司的ZUB200系统中所采用的电码结构，如图5—8所示。

000000001

80～100bit有用位

32bit安全校核

11111110

图5—8ZUB200系统所采用的电码结构

ZUB200的电码分为四大部分：

起始同步码、信息码、安全监视码、终止码。

起始同步码用来识别一组电码的开始，车上、地下实现同步。

首先约定在倩息码中不允许出现连续8个“0”位及连续8个“1”位；

然后以“000000001”作为起始同步码，以“llll1110”作为终止同步码。

信息码一般包括是以电码组合的方式来传递有关信息。

由于用户要求及实际情况千差万别，因此无一定的定格可言。

按目前的技术水平，信息码已可达上千比特。

点式ATC系统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影响。

2．连续式ATC系统

按地车信息传输所用的媒体分类，连续式ATC系统可分为有线与无线两大类，前者又可分为利用轨间电缆与利用数字编码音频轨道电路两类。

按自动闭塞的性质，连续式ATC系统可以分为移动闭塞、准移动闭塞和固定闭塞。

按地车之间所传输信息的内容，ATC系统可分为速度码系统与距离码系统。

（1）采用轨道电路的连续式ATC系统

该ATC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：

当轨道电路区段上无车时，轨道电路发送的是轨道电路检测信号或检测码；

当列车驶人轨道电路区段，立即转发速度信号或者有关数据电码。

①速度码系统（SpeedCodeSystem）

速度码系统通常使用频分制方法，采用的是移频轨道电路，即用不同的频率来代表不同的允许速度。

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。

上海地铁1号线采用的是从原美国GRS公司引进的ATC系统，是一种典型的频分制速度码系统。

图5—9表示这种速度码系统的示意图。

在无列车经过时，轨道电路用于检测列车占用。

与每一个阻抗线圈相对应的发送与接收电路都与固定的频率相对应。

4个载频分别为：

f1=2625Hz，f2=2925Hz,f3=3375Hz,f4=4275Hz，在轨道电路中所传送的信号是调幅信号，所采用的调制频率有．Fs1=2Hz,Fs2=3Hz。

图5—9速度码系统示意图

从图5—9可见，当列车进入某一轨道电路区段后，检测继电器失磁落下，向轨道电路改发来自控制中心的速度信息。

载频为2250Hz，调制频率．一～．尼分别为6．83Hz、8．31Hz、10．10Hz、12．43H2、15．30Hz和18．14Hz，6个调制频率各代表不同的允许速度。

显然，这种速度分级是比较粗略的。

另外设置了两个调制频率为4．5Hz及5．54Hz，用以分别给出左、右车门的门控信号。

速度码系统从地面传递给列车的允许速度（限速值）是阶梯分级的，在轨道电路区段分界处的限速值是跳跃式的（见图5一10），这对于平稳驾驶、节能运行及提高行车效率都是非常不利的。

因此，速度码系统已逐渐被能实时计算限速值的距离码系统所取代。

图5—10阶梯式限速曲线

注：

图中“80／80”是区段“入口／出口”限制速度，其他类同。

②距离码系统（DistanceCodeSystem）

距离码系统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。

距离码系统采用数字编码音频轨道电路，是目前使用最广泛的ATC，我国大多数城市轨道交通的ATC就是采用这种系统。

距离码系统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，车载计算机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）以及储存在车载单元内的列车自身的固有数据（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），实时计算出允许速度曲线，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、实时计算以及列车车速监控都是连续的，所以速度监控是实时、无级的，可以有效地实现平稳驾驶与节能运行。

但这种制式的信息传输比较复杂。

a．系统概况

图5一11用数字编码轨道电路实现列车速度监控的系统

R一接收；

T一发送；

BPc一比特一致校核；

A一轨道电路发码；

B—ATP信息发码；

s一转换继电器。

图5—11表示用数字编码轨道电路实现连续式列车速度监控的系统概况。

当列车进入该轨道区段时，转换继电器落下，一方面向联锁装置给出有车占用的表示，另一方面由转换继电器接点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列车控制的地面信息送上轨面，这些信息将由位于列车最前部的车载天线接收。

当列车驶离该轨道区段时，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，