列车运行控制系统.docx

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列车运行控制系统

列车运行控制系统

铁路通信信号系统是铁路运输的基础设施，是实现铁路统一指挥调度，保证列车运行安全、提高运输效率和质量的关键技术设备，也是铁路信息化技术的重要技术领域。

现代信息类技术的迅速发展。

对铁路信号、通信产品和服务产生了重要影响。

铁路通信和信号技术，以及现代铁路信息化系统之间的关系和作用变得密不可分。

车站、区间和列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。

在列车运行控制技术方面，计算机、通信、控制技术与信号技术集成为一个自动化水平很高的列车运行自动控制系统（简称列控系统）。

列控系统不仅在行车安全方面提供了根本保障，而且在行车自动化控制、运营效率的提高及管理自动化等方面，提供了完善的功能，并向着运输综合自动化的方向发展。

列控系统技术是现代化铁路的重要标志之一。

随着列车速度的提高，列车的运行安全除了以进路保证外，还必须以专用的安全设备，监督、强迫列车（司机）执行。

这些安全设备从初级的列车自动停车装置、自动告警装置、列车速度自动监督系统（或列车速度自动检查装置）发展到列车速度自动控制系统。

列车自动控制系统（ATC）—般指系统设备（包括地面设备和车载设备），同时也是一种闭塞方式，主要包括：

1．以调度集中系统CTC为核心，综合集成为调度指挥控制中心。

2．以车站计算机联锁系统为核心，综合集成为车站控制中心。

3．以列车速度防护与控制为核心，综合集成为列车（车载）运行控制系统。

4、以移动通信（例如GSM-R）平台，构建通信信号一体化的总成系统（例如CTCS）。

列车自动控制系统（ATC）的主要功能有四项：

·检查列车在线路上的位置（列车检测）。

·形成速度信号（调整列车间隔）。

·向列车发送速度信号或目标距离信号（信号传输）。

·按速度或目标距离信号控制列车制动（制动控制）。

上述一至三项功能由地面没备完成，第四项功能由车载设备完成。

本章主要内容为200km/h动车组司机驾驶所需要的列控ATP技术和GSM-R系统中的无线列调功能。

第一节列控ATP系统技术原理

一．列控ATP系统的组成与功能

列控ATP是列车超速防护和机车信号系统的一体化系统，列控ATP系统主要由车载设备及地面设备两大部分组成，地面设备与车载设备一起才能完成列车运行控制的功能。

图7.1.1是列车运行控制系统地面设备原理框图。

图7.1.1列车运行控制系统地面设备原理框图

地面控制中心通过电缆与铁路线上的轨道电路、信号机、应答器等设备相连。

主要完成列车位置检测、形成速度信号及目的距离等信号，并将此信号传递给列车，车载设备将按照速度信号控制列车制动。

列控ATP系统车载设备原理框图见图7.1.2。

图7.1.2列控系统车载设备原理框图

车载设备主要由天线、信号接收单元、制动控制单元、司机显示器、速度传感器等组成。

机车头部的天线接收到地面的速度命令及目的距离等信号，经过信号接收单元放大、滤波、解调后，将此命令的数据送到司机显示器和制动控制单元。

制动控制单元收到速度传感器传送的信号，测量出列车的实际速度，将实际速度与信号命令比较，如果判断列车需要制动，则产生制动信号，直接控制列车制动系统。

列车就会自动减速或停车。

列控ATP系统主要功能是：

1．防止列车冒进关闭的信号机；

2．防止列车错误出发；

3．防止列车退行；

4．防止列车超速通过道岔；

5．防止列车超过线路允许的最大速度；

6．监督列车通过临时限速区段；

7．在出入库无信号区段限制列车速度。

为保证列车运行控制系统不间断地工作和加强设备的维修与管理，在列车运行控制系统的地面和车上都安装有监视设备。

地面监视系统可以检测信号机、轨道电路、地面控制中心的接收和发送设备等。

检测结果可以在维修工区显示及储存，也可以通过通信网送往维修基地和调度中心。

设备异常前数小时内信号设备动作情况可以保存下来，供故障分析用。

车上监视设备可以将列车运行过程中速度信号、制动装置动作以及列车实际速度和司机

操作等状态保存下来。

一般可保存12～72h有关运行安全的资料。

二．列控ATP系统技术原理

国外铁路采用的列控系统主要有：

日本新干线ATC系统，法国TGV铁路和韩国高速铁路的TVM300及TVM430系统，德国及西班牙铁路采用的LZB系统，及瑞典铁路的EBICA900系统等。

各国的列车自动控制系统都具有自己的特点，有不同的技术条件和适应范围。

1．列控ATP系统技术的分类

（1）按照地面向机车传送信号的连续性来分类，分为两种类型：

①连续式列控系统，如：

德国LZB系统、法国TVM系统、日本数字ATC系统。

连续式列控系统的车载设备可连续接收到地面列控设备的车-地通信信息，是列控技术应用及发展的主流。

采用连续式列车速度控制的日本新干线列车追踪间隔为5min，法国TGV北部线区间能力甚至达到3min。

连续式列控系统可细分为阶梯速度控制方式和曲线速度控制方式。

②点式列控系统，如：

瑞典EBICAB系统。

点式列控系统接收地面信息不连续，但对列车运行与司机操纵的监督并不间断，因此也有很好的安全防护效能。

（2）按照列车速度防护方式，分为两种类型：

①阶梯控制方式

出口速度检查方式，如：

法国TVM300系统

入口速度检查方式，如：

日本新干线传统ATC系统

②曲线控制方式

分级曲线模式，如：

法国TVM430系统、

速度-距离模式，如：

德国LZB系统，日本新干线数字ATC系统

（3）按照人机关系来分类，分为两种类型：

①设备优先控制的方式。

如：

日本新干线ATC系统。

②司机优先控制方式，如：

法国TVM300／430系统、德国LZB系统

2．阶梯控制方式技术原理

每个闭塞分区设计为一个目标速度。

在一个闭塞分区中无论列车在何处都只按照固定的速度判定列车是否超速。

阶梯控制方式可不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号，即可实现阶梯控制方式。

因此轨道信息量较少，设备相对比较简单，这种传统的控制方式是目前高速铁路最普遍采用的控制方式。

阶梯控制又分为出口速度检查和人口速度检查两种方式。

（1）出口速度检查控制方式

法国TGV300系统采用了这种方式，该方式要求列车在闭塞分区内将列车速度降低到目标速度，设备在闭塞分区出口进行检查。

如果列车实际速度未达到目标速度以下则设备自动进行制动。

阶梯控制出口速度检查方式示意图见图7-1-3。

图7-1-3阶梯控制出口速度检查方式示意图

TVM300系统是其早期产品，系统构成简单，由于受当时技术条件限制，地对车信息传输容量仅有18个，因此它的速度监控是阶梯式的（见图4—1），它只检查列车进入轨道区段的人口速度，不检查出口速度，因此为保证安全，它需要有一个保护区段，这对线路的通过能力有一定的影响，同时这种阶梯监控分段制动的方式也不符合一般列车的连续制动模式。

TVM300系统的速度监督模式曲线如图7-1-4所示。

图7-1-4法国TVM300系统阶梯控制出口速度检查方式示意图

TVM300车载设备系统结构如图7-1-5所示。

图7-1-5TVM300车载设备系统框图

TVM300车载设备主要包括连续式信号传感器及接收机、点式信息传感器及接收机、速度传感器及处理单元及速度显示器、音响报警器、制动阀转换开关、辅助表示灯等。

连续式机车信号接收机接收地面连续信息，通过处理给出目标速度和监督速度，同时把来自测速单元的列车实际速度和监督速度进行比较，如果列车实际速度超过监督速度，则控制列车实施制动。

连续式机车信号是车载设备的核心，采用了主备方式的双重结构。

连续式机车信号的接收其主备两套设备完全相同，从感应器、接收机到显示器都是分开的，两套同时工作接收地面信息。

两套设备正常工作时，主备两机的速度控制继电器以并联方式控制制动继电器使之得电，主显示器和主机接通工作，各显示器备机电路断开备用，报警电路只接入主机，当主机或备机发生故障时，不会导致制动继电器失电而自动停车。

但这种概率很小，当主机发生故障时，通过自动转换电路，把备显示器接人备机，报警电路也由主机转到备机；如果备机故障，主机原来的工作状态，主备机均有故障报警；仅主显示器故障时，自动转换电路还在工作，由司机用转换开关手动接通辅助显示器。

测速设备由测速电机和测速单元组成，只采用一个测速电机，但是测速单元为两路，只选择一路输出至机车信号接收器。

设有两路检查工作情况的电路，如果测速电路故障，两路速度相差很大，则发出灯光报警，司机通过开关选择速度较高一路作为安全输出。

法国TGV地面信号传输设备为UM71（或UM2000）型轨道电路。

地面不设信号机，只在闭塞分区分界点处设停车标。

司机驾驶列车完全根据机车信号的速度显示，视机车信号为主体信号。

TVM300每一个闭塞分区内只按照一个允许速度进行控制。

列车的允许速度为本区段的人口速度，即上一区段的目标速度。

机车信号显示器给出的是目标速度，要求列车在区段的出口处必须保持或降低到此速度。

如果司机按照机车显示给出的目标速度运行，速度监督设备不于预司机操作。

当列车速度超过规定的允许速度时，速度监督设备则自动实施制动。

TVM300型设备包括连续式机车信号、点式信息接收设备以及列车速度监督设备。

速度监督设备分为两部分，一部分是测速单元，另一部分为列车制动控制电路。

TVM300型车上设备与UM71轨道电路、地面点式环线系统构成完整的列车运行间隔调整系统，对高速列车运行进行安全防护。

地面发送设备具有18个低频信号（TBF）。

法国TGV实际只使用了14个TBF信号。

此外地面还配有环线点式发送设备，具有14个单频信号，向机车传递“列车进入上行线”、“列车进入下行线”、“绝对停车”、“驶出TVM300控制区段”等信息。

为发挥乘务员责任感及驾驶技巧，法国铁路采用了人控为主，设备起监督作用的控制方式。

出口速度检查方式由于要在列车到达停车信号处（目标速度为零）才检查列车速度是否为零，如果列车速度不是零，设备才进行制动。

由于制动后列车要走行一段距离才能停车，因此停车信号后方要有一段安全防护区。

（2）入口速度检查控制方式

日本新干线传统ATC系统采用这种方式，新干线采用速度分级，人口制动，自动缓解的控制方式。

该方式要求列车在闭塞分区人口处接收到目标速度信号后立即以此速度进行检查，一旦列车超速，则进行制动使列车速度降低到目标速度以下。

新干线ATC列车检测采用了有绝缘音频轨道电路。

新干线ATC车载设备与我国普通机车信号不同，它不向司机预告前方地面信号的灯光显示而是给出列车所在区间列车的目标速度。

采用ATC设备后，司机按照机车上的ATC速度信号行车，普通自动闭塞采用的地面信机就不设了。

列车经过的正线、到发线、咽喉区都发送相应的速度信号。

司机按照机车上的速度信号进出车站。

阶梯控制入口速度检查方式示意图见图7-1-6。

图7-1-6日本新干线传统ATC系统阶梯控制入口速度检查方式原理示意图

列车的允许速度为本区段的人口速度，即上一区段的目标速度。

机车信号显示器给出的是目标速度，要求列车在区段的出口处必须保持或降低到此速度。

如果司机按照机车显示给出的目标速度运行，速度监督设备不于预司机操作。

当列车速度超过规定的允许速度时，速度监督设备则自动实施制动。

日本新干线传统ATC系统阶梯控制入口速度检查方式原理示意图见图7-1-7

（a）新干线区间速度控制方式（b）新干线进站停车速度控制方式

图7-1-7日本新干线传统ATC系统阶梯控制入口速度检查方式原理示意图

这种方式在遇上前方停车信号时，列车在闭塞分区人口处立即制动，对许多列车来说会过早地停车，

为防止列车冒进信号，ATC系统除靠轨道电路连续传送速度信号外还设有一些辅助信号，日本新干线采用了停车信号前再装P点的方式，轨道电路发送30信号，只在列车收到30信号且又经过P点时车上才会形成停车信号。

当轨道电路发送30信号时，经过P点后变为01停车信号。

在车站到发线停止标志和警冲标之间设有环线可以发送03停车信号，列车收到03信号后非常制动。

在新干线03区段内又加装了点式冒进检测装置，当列车冒进后关闭全站信号，轨道电路发送02E信号使列车制动以防止发生侧面冲突重大事故。

分级速度制动方式存在以下主要问题：

·制动距离的确定。

由于线路上运行的各种列车制动性能各异，为了确保安全，系统只能按制动性能最差的列车性能来确定制动距离，这对于制动性能好的列车来说是个损失，影响进—步提高运行密度。

·ATP制动控制只进行制动和缓解两种操作，不调整制动力大小，因此列车减速度变化大，旅行舒适度差。

·采用多段制动方式时，每个闭塞分区都要考虑列车从人口速度降低到出口速度减速制动距离，列车实际的减速过程要包括列车在信号设备动作时间及制动空走时间中走行的距离，此外还要在防护点之前留有一定安全距离。

如果列车从200km／h分三段降到速度0，则存在3个空走距离和3个安全距离。

如果只用一次制动的话，则只需要一个空走距离和一个安全距离。

分段制动方式增加了列车追踪间隔。

分段制动方式和一次制动方式示意图见图7-1-8

图7-1-8分段制动方式和一次制动方式式示意图

3．曲线控制方式

（1）分级曲线控制方式

法国TVM430系统采用了这种方式，该方式要求每个闭塞分区人口速度（上一个闭塞分区的目标速度）和出口速度（本闭塞分区目标速度）用曲线连接起来，形成一段连续的控制曲线，曲线控制方式和阶梯控制方式一样，每一个闭塞分区只给定一个目标速度。

控制曲线把闭塞分区允许速度的变化连续起来。

地面设备传送给车载设备的信息是下一个闭塞分区的速度、距离和线路条件数据，没有提供至目标点的全部数据，所以系统生成的数据是分级连续制动模式曲线（即以分级小曲线的变换点连成的准一次制动模式曲线）。

TVM430是TVM300的换代产品，地面采用UM2000型轨道电路

TVM430每一个闭塞分区给定一个目标速度，但用曲线代替原来的阶梯控制线。

列车速度超过限速曲线时，列控设备实施制动。

为防止冒进信号发生追尾,仍设有保护区段。

TVM430的允许速度不是固定为该区段的人口速度（上一区段的出口速度），而是随着列车的移动而变化，在出口处达到目标速度。

因此超速制动的时机要早一些，有利于缩短列车追踪间隔。

此外，TVM430还增加了下一个闭塞分区的速度预告，如果下一个闭塞分区要求减速则速度显示闪动，提醒司机注意。

如果速度显示稳定则表示下一个闭塞分区不减速。

法国TVM430速度曲线控制方式见图7-1-9中曲线。

图7-1-9法国TVM430曲线控制方式示意图

在曲线控制方式下，列车在一个闭塞分区中运行时,列控设备判定列车超速的目标速度不再是一个常数，而是随着列车行驶不断变化，即是距离的函数。

因此列控设备除了需要接收目标速度信息外，还要接收到闭塞分区长度及换算坡度的信息。

TVM430系统的轨道电路可以传递27bit信息，其中目标速度信息6bit，距离信息8bit，坡度信息4bit。

法国TGV区段允许双线双方向运行，反向运行按单线自动闭塞方式处理。

TGV区段每隔25—30km设有区间渡线，用于特殊情况下组织反方向运行。

图7-1-10是渡线道岔反位时允许列车以低于160km／h的速度进入邻线的速度控制方式。

渡线区前方设绝对停车标和绝对停车的点式环线。

列车通过渡线后，如果前方区间空闲则列车可以提高速度运行。

图7-1-10列车越渡线时的列车控制

法国TGV线与普通线连接处设有地面信号机和TGV标志牌，过分界的速度为160km／h。

图7-1-11是列车由普通线进入TGV的控车方式。

图7-1-11列车越渡线时的速度控制

图7-1-12是列车由TGV线进入普通线的控车方式

图7-1-12列车由TGV线到普通线时的速度控制

法国TVM列控系统与日本新干线ATC系统比较有下面几个特点：

①采用电气谐振式无绝缘轨道电路代替使用机械绝缘的轨道电路，既有利于无缝线路

的敷设又有利于牵引电流平衡回流。

②采用1．7～2．6kHz载频，FSK或FM调制方式。

用增大发送功率和提高接收端电平的方法改善抗干扰能力。

③TVM300有18种TBF，可以有18种速度信号，实际使用14种。

TVM430使用了报文方式，共有21血，其中速度编码为8位，共有256种速度信号。

日本新干线采用双频组合方式，理论上可组成36种速度信号，实际上使用了8种。

④法国采用“人控优先”的控制原则。

列车正常运行由司机驾驶，只有在司机失误并可能出现危险的情况下列控设备才强迫列车制动。

法国铁路认为这种人机关系有利于发挥司机的技术能力，加强其责任感。

日本新干线ATC系统采用“设备优先”的控制原则。

列车减速一般由设备完成，当列车速度减到30km／h以下需要在车站停车时才由司机操纵以保证列车停在正确位置。

⑤法国列控设备制动后，当列车速度低于目标速度后只给出允许缓解的表示，由司机进行缓解操作。

日本新干线ATC当列车速度低于目标速度后自动缓解，这种方式要求列车制动系统连续多次制动后制动力不衰竭。

⑥法国TGV线站间距长，每隔25～30km设置了区间渡线。

法国列控系统具有完善的区间渡线安全防护功能，在特殊情况下允许列车像单线自动闭塞那样组织反向行车。

⑦法国TGV列控系统利用轨道内敷设的环线发送点式信号。

TVM300系统采用模拟环线信号共有14个点式信息。

TVM430系统采用PSK（相移键控）数字环线信号。

日本新干线点式信号为变频方式，信息量较少。

⑧法国高速铁路采用“人控优先”的设计原则，系统采用双重冗余方式，比日本新干线的三重冗余所用设备少，造价也较低。

（2）速度-距离模式曲线控制方式

速度-距离模式曲线控制实现了—次制动方式，ATC系统的车载设备为智能型设备，它根据目标速度、目标距离、线路条件、列车性能生成的目标-距离模式曲线进行连续制动，缩短了运行间隔，提高了运输效率，增加了旅行舒适度。

为了实现这一方式，地面设备必须向列车发送前方列车的位置、限速条件等动态数据，以及线路条件等固定数据，数字ATC的地面设备以数据编码向列车传送信息，信息量明显增加，可靠性高。

德国LZB系统和日本数字ATC系统采用这种控制方式，速度-距离模式曲线控制不再对每一个闭塞分区规定一个目标速度，而是向列车传送目标速度、列车距目标的距离（和TVM430不一样，它可以包括多个闭塞分区的长度）的信息。

列车实行一次制动控制方式。

列车追踪间隔可以根据列车制动性能、车速、线路条件调整，可以提高混跑线路的通过能力。

这种方式称为目标速度——目标距离方式（DISTANCETOGO），是一种更理想的运行控制模式。

德国连续式列车自动控制系统LZB是由轨旁设备LZBL72和车载设备LZB80构成。

所有固定数据如线路地理参数、局部的固定限速等都贮存在LZB中心。

联锁系统向控制中心传送信息显示、道岔设置及其他数据的同时，系统范围内的列车也向控制中心传送它们的特殊数据，如列车长度、列车位置、实际速度等等。

区间列车占用情况检查是通过区间轨道电路或计轴设备等完成的。

根据上述数据，控制中心确定每列列车的最大标称速度）指挥列车运行，德国LZB系统列车速度—距离方式示意图见图7-1-13。

图7-1-13德国LZB列车速度-目标距离曲线控制方式示意图

在LZB系统中，地面和车上的信息是通过感应环线相互传送的。

每个LZB地面控制中心最长可以控制12．7km的环线，每个短回线发送接收单元的环线长度为左右各300m，环线，每100m交叉换位一次，以对电气进行补偿，同时也用于确定列车的实际位置。

地面设备由控制中心和环线系统构成。

控制中心与调度中心、微机联锁、相邻控制中心交换数据，并通过环线和列车交换数据，控制每一列车运行。

LZB地面设备配置如图7-1-14所示。

图7-1-14LZB系统地面设备框图

日本新干线ATC系统已投入使用30多年，系统基本控制方式几乎没有变化。

近年来为进一步提高高速列车速度和行车密度，采用最新计算机技术和数字技术对现行的ATC系统进行了改进，增加了车-地通信数据，到1993年3月，山阳新干线（新神户至博多）全线都更换成为这种新的数字ATC系统。

其制动曲线如图7-1-15所示。

图7-1-15日本新干线数字ATC曲线控制方式示意图

根据增加的数据和车上线路数据结合起来，列车就可以知道自己现在处于什么位置、据前方停车点（或限速点）还有多少距离，列车根据这些数据，结合本身的牵引及制动性能，计算出最高允许速度，控制列车在允许速度以下运行。

这种方式只是再增加数字信息发送设备，地面接收设备和原有车上设备可保持不变，新的车上设备可以接收数字信息，实现高速运行。

日本数字ATC系统采用这种方式有以下优点：

①由于根据数字信息可以知道距停车点的距离，所以，可以实现车上智能化，不同性能的列车可以根据自己的制动性能进行控制，实现不同速度、不同性能的列车混跑；

②列车能够实现一次模式曲线制动控制，常用制动分为最大常用制动和一般常用制动，

提高了乘坐舒适度，缩短运行间隔。

4．点式列控ATP系统技术原理

点式列控系统从原理上可实现阶梯控制和曲线控制，这里只介绍速度曲线控制类型。

点式列控系统造价低、维修工作少。

瑞典铁路采用的列车速度控制系统是ABB公司生产的点式列车自动防护系统。

根据运

营要求形成EBICAB700、800和900系列。

EBICAB900系统是适用于高速铁路的ATP系统。

它可以监督列车运行情况和司机的操作，向司机提供有关的信号信息，帮助司机以最安全、最有效的方式驾驶列车。

EBICAB900系统对目标速度监督采用模式曲线方式。

系统考虑距离、速度、制动能力和坡道参数，通过计算在距离速度坐标平面得到一组检查曲线，该组曲线汇集到给定的目标点上。

目标速度监督方式如图7-1-16所示。

图7-1-16瑞典EBICAB9000列车目标速度监督方式

从图7-1-13可以看出检查曲线组把速度距离平面分成若干个区域，记为A～F。

A区在通过应答器开始，在显示器上显示目标速度并鸣笛0．5s。

B区在ATP制动曲线之前8s开始，进入此区显示器闪光（120次／min）并鸣笛。

C区在ATP制动前3s开始，如果司机仍未制动则鸣笛2次。

D区在ATP制动曲线处开始，此时系统进行制动，“ATP制动”灯点亮。

E区在常用全制动曲线处开始，在此区将进行最大常用制动。

F区在紧急制动曲线处开始，在此区将进行紧急制动。

这种制式不需要像人口阶梯控制那样要在停车信号前设置P点，也可以不设置出口阶梯控制所必需的保护区段。

点式系统的主要弱点是信号追踪性不佳。

它只能在指定的信号点接收信息，如果列车经过某信号点之后，先行列车位置移动，地面信号发生了变化，车上控制系统不能立即知道，而必须等列车到达下一个信号点才能接收到。

因此，点式列控系统限制了列车追踪间隔的进一步减少。

5．优先控制方式

（1）设备优先控制方式

设备优先的列控ATP系统在列车速度高于目标速度后立即进行制动控制，当列车速度低于目标速度后自动缓解，不必司机参子。

其优点是能最大限度减轻司机负担，有利于缩短列车追踪间隔。

这种控制方式对设备本身的自动化程度及列车的制动缓解性能要求较高。

（2）人控优先方式

人控优先的方式只有在列车速度超过安全运行所允许的速度，设备才进行惩罚性的强迫

制动。

列车正常运行时设备不干预司机操作。

人控优先的系统有助于加强司机的责任感，发

挥其驾驶技巧。

三．秦沈客运专线列控AT