整理西安地铁列车自动防护系统的分析与应用.docx
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西安地铁列车自动防护系统的分析与应用
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西安地铁列车自动防护系统的分析与应用
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摘要
列车自动防护(ATP)系统是城市轨道交通列车运行时必不可少的安全保障.本文主要是结合西安地铁2号线阐述基于无线移动闭塞列车自动防护(ATP)子系统的轨旁、车载主要设备的体系结构、主要性能、系统功能、工作原理及数据通信网络设计技术方案,为城市轨道交通信列车自动防护系统即ATP是列车自动控制系统的一部分,它的作用是确保列车快速运行的安全。
ATP主要由车载设备和轨旁电路组成.轨旁电路的功能是检测轨道的空闲和占用,并把数据发送给车载设备。
车载设备接收轨旁电路的数据,通过控制计算机的计算生成列车的速度曲线,在人际交互界面上显示最大允许速度,实际速度,目标距离,目标速度,车门指令等数据.当列车运行速度大于最大允许速度时,若在规定时间内未降到最大允许速度以下则实施紧急制动。
由于车载设备在列车防护方面具有突出作用,因此基于各种类型系统的避错技术和容错技术应运而生,使列车运行的可靠性与安全性大幅提升,号控制系统提供技术参考。
ATP是一种带速度控制的列车自动防护系统,是原来线路上信号设备的补充。
它是由车载设备和地面信号共同组成的闭环高安全系统,是地面连锁向车载设备的延伸,在此基础上实现以车载设备为主的行车方式。
它符合故障导向安全的原则,将地面和车载设备按一个系统统一设计,同步进行技术更新和强化改造,以保证整个系统的高安全、高可靠,并实行统一技术标准,采用系统化设计和模块产品强调通用兼容性。
ATP系统是确保列车运行安全的关键设备,它由轨旁设备和车载设备所组成,列车通过轨旁电路的检测和车载设备的运算产生目标速度,保证列车在不超过该目标速度情况下运行,从而也保证了后续列车与先行列车之间的安全间隔距离。
轨旁设备通过轨旁感应器提供轨道空闲/占用资讯及路线资讯(包括弯道、坡度、限速等)送至车上。
车上设备接收来自地面之资讯,并由控制电脑整合车上资讯(包括载重、煞车能力、列车长度及列车种别等)形成ATP允许运转速度,显示于ATP司机员操作面盘,提供司机员运转列车操控之准则。
有别于旧有的自动列车警报装置(AWS)与自动列车停止装置(ATS)B型和S型的单点警告及控制,通过警告及控制点后,司机或系统无法限制或监视行车速度,新设的ATP系统具有全程速度监控的功能,并能对限制速度作出及时的反应.
关键词:
无线移动闭塞;列车自动防护系统;区域控制器(ZC);车载控制器(CC);西安地铁;ATP;轨旁电路
引言
目前我国城市轨道交通的固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞3种制式的列车自动控制系统(ATC)中,列车自动防护(ATP)子系统的组成、功能和工作原理均有差异[1]。
西安地铁2号线采用的ATP子系统利用当今最先进的无线移动闭塞制式实现车—地之间双向、连续、可靠、安全的数据交换,完成列车移动授权,实现超速防护,保证列车以最小的间隔安全运行。
由地面设备和车载设备组成。
列车通过地面ATP设备接收运行于该区段的目标速度,保证列车在不超过此目标速度情况下运行,从而也保证了后续列车与先行列车之间的安全间隔
距离。
对连锁车站,ATP系统确保只有一条进路有效.该系统还监督列车车门和车站站台屏蔽门的开启和关闭,保证操作安全。
ATP的工作原理是将信息不断从地面传至车上,从而得到列车当前容许的安全速度,以此来对列车实现速度监督及管理。
随着时代的进步,列车速度也在日益提高,靠地面信号的行车已不能保证行车的安全,必须靠车载信号对列车实施运行控制,所以列车自动防护系统成为保证行车安全的重要技术装备。
可以说,列车自动防护系统是一种带速度控制的系统,它用于补充原来线路上的信息。
列车自动防护系统在保证列车高速、安全运行中起着举足轻重的作用。
除此之外,它还是一种可以实现以车载设备为主的行车方式。
ATP系统是确保列车安全运行的关键设备,它的主要作用是防止列车在任何区间运行中超过机车车辆的构造速度、线路允许速度和对应于不同岔道的限制速度。
1.西安地铁二号线列车自动防护系统的组成
ATP系统用于发送和接收各种行车命令,确保列车的安全运行,完成列车运行进路控制,速度控制,和实现列车间隔控制;车载ATO子系统接受轨旁ATP设备传递的指令信息信息实现列车运行速度的调整控制进行列车运行超速防护和列车在车站的程序对位停车控制.三个子系统既相互独立,又相互联系,以保列车安全,快速,短间隔地有序运行。
(以二号线为例)
1.1西安地铁二号线轨旁设备的组成
ATC系统的轨旁设备主要构成有数据通信系统,区域控制器,计轴设备,信号机,转辙机,轨道电路,应答器,屏蔽门,紧急停车按钮,接近盘。
通过这些轨旁设备的相互组成相互联系从而实现了在列车运行中的信息交换以及安全防护等功能。
1.1。
1数据信系统
数据通信系统简称DCS.它的主要作用是实现列车控制子系统(轨旁设备和车载设备)之间的数据信息安全,可靠的双向发送和接收.此系统是由轨旁有线骨干网络和车地无线通信网络构成.如图所示。
轨旁骨干网络为ATC子系统轨旁设备提供接入数据传输通道,并实现彼此双向通信;车地无线通信系统可以为轨旁设备与车载设备之间提供数据传输通道。
1.AP/WRU:
接入点/轨旁无线位于轨道沿线,用于传输和接收列车与其他子系统之间的信息。
一般只要保证列车上的SA(基站适配器)在轨道上的任意点,至少能够与2个轨旁无线单元通信即可.
2.OBRU/SA:
车载无线单元/基站适配器是一个安装在列车上的无线设备.两个基站适配器分别位于列车的两端.
3.轨旁天线:
为了提供更好的覆盖,和天线一起提供的还有快装的U型支架以及可调倾角的可选安装杆。
轨旁天线安装在轨道桅杆上或者车站的建筑物上.
4。
轨旁光纤骨干网:
光缆环路由两个安装在轨道上的单模光缆组成,每侧轨道各有一条光缆。
1.1.2区域控制器
区域控制器简称ZC,通过接受其控制范围内列车通过无限通道发出的所有位置信息,根据控制中心发出的进路请求,控制道岔,信号机,并完成联锁功能;按所管辖区域内轨道上的障碍物位置,通过无线通道向所辖区域的所有列车提供各自移动授权(LMA);还负责对相邻区域控制器的移动授权请求做出响应,完成列车从一个区域到另一个区域的交接。
1。
1.3记轴设备
计轴器是一种位于轨道旁的设备,对通过它所在位置的列车轮轴进行计数。
计轴器的型号是AZLM计轴系统,它包括下列部件:
1.轨旁检测点(Zp30H),包括轨道接点和电子单元E—Es及其设备箱
2.计轴评估器(ACE),包括一个带有串口和并口的安全性计算机模块
3.检测点和计轴评估器之间的数据传输和电源连线
计轴设备仅能检测该区段是否被车占用,不能够给出列车具体位置.
1。
1.4轨道电路
轨道电路利用线路的钢轨和机械绝缘节(或电器绝缘)构成电路,用于监督列车占用和传递行车信息,随着计轴设备的应用,也可以不使用轨道电路
1.2.1西安地铁二号线车载设备的组成
列车两端的车载ATP设备均采用三取二结构,且能够完成车载头尾两端的自动转换功能,换向切换时间不影响系统正常运行,保证系统安全。
每列车的一段包括:
CC机架、查询应答器(T1)天线、速度传感器、加速度计、车载通信网络和TOD等。
1.2.1CC机架
每个CC机架安装在带锁的柜子中该单元安装在开放的支架里,与框架相配。
CC机架包括一个ATP\ATO机箱两个外围设备机箱,一个与安全继电器和连接器接口的面板。
1.2.2应答读取器
应答读取器安装在转向架上。
提供讯息给车载控制器,车载控制器会关联信息。
1.2.3速度传感器
随着车齿轮的转动,当传感器经过齿轮的时候会输出数字脉冲。
这些脉冲由硬件计数器来计数从而可以在给定周期内测试速度.速度传感器经过多次现场使用并且被证明是非常可靠的.
1.2.4车载通信网络
车载通信系统由移动通信系统和天线组成。
MR是车载无线设备用来在轨旁设备间传输数据。
它们通过两个独立的以太网连接到轨旁设备实现速度监控,安全监督的功能。
2.列车自动防护系统的工作原理
ATP系统结构图
ATP是一个关键的列车自动防护系统,它的主要作用是对列车进行自动防护,负责列车的安全运行,控制列车运行的间隔。
在列车的运行中,尤其是在十分注重设备的列车运行控制当中,ATP的安全决定了整个列车的安全,因此在列车运行控制中起着不可忽视的作用。
因此,我们对列车自动防护系统的原理和功能进行了系统的分析,得出它具备以下几种功能,一是安全性停车点防护,它主要是保证列车能在安全区段停下来。
二是超速防护和制动保证。
在列车超速行驶的情况下,确保列车一旦超过规定速度,立即施行制动。
ATP系统有固定的限速,比如由线路参数决定的区间最大允许速度、由列车的物理特性决定的列车最大允许速度以及临时限速,ATP系统会根据列车当前状态及线路条件,实时计算出紧急制动情况下列车运行不超出目标点时应满足的速度限值。
将这些速度限值连成一条曲线便是速度距离模式曲线。
如果列车的时速超越最大允许速度,ATP车载速度会立刻发出报警提示;当超速达到一定值时,会输出最大常用制动命令,保证在预计时间内能达到制动或减速的命令,否则的话立刻实施紧急制动,保证无论在什么情况下配有车载设备的列车都不会超出限制范围。
列车防护系统的速度命令由车载ATP设备和ATP速度命令接收器两部分构成,车载ATP设备主要是通过阻抗变压器来将接收到的速度命令输入轨道,再由速度命令来对它的信号进行翻译和显示,它的目的是保证列车按ATP速度命令安全运行,一旦检出超速,立刻采取相应的制动.ATP速度命令接收器的工作原理则是将命令传递给列车感应线圈,然后车载接收单位将信号过滤变换为限速信息。
将测试过的继电器接传接到带通滤波器,系统处理器会自动将接收到的信号放大、解调,为了达到测定实际速度的目的,系统处理器CPU及控制器会重新接收到由比较的结果形成的检测信号,一旦检测出超速,车载ATC会立刻实施相应的制动。
2。
1.1轨旁设备的工作原理
每个轨旁区域控制器都要接受临时限速指令和该控制区内列车发出的位置信息,根据所有以知障碍物的位置和预计的交通荷载确定其区域内所有列车的移动授权,并持续更新和传输移动权限指令。
最后通过移动闭塞确保列车以最小的运行间隔安全运行.
(1)ZC和 Microlok II的工作原理。
ZC是基于微处理器的安全控制器,ZC通过DCS与区域内的Microlok II、CC、ATS接口.每个ZC接收临时限速指令和该控制区内列车发出的位置信息,根据所有已知障碍物的位置和预计的交通荷载确定其区域内所有列车的移动授权,并持续更新和传输移动权限指令,通过移动闭塞确保列车以最小的运行间隔安全运行.同时ZC也回应相邻ZC的移动授权申请。
Microlok II是基于微处理器的逻辑控制器,每个Microlok II都有一个唯一的IP地址,通过轨旁网络与ZC保持通信.Microlok II安全执行传统的联锁功能,与轨旁的转辙机、信号机、屏蔽门等设备接口,并控制和表示这些设备。
(2)列车自动监控(ATS).采用冗余结构传输命令,在ATP子系统的支持下完成对全线列车运行的自动管理和监控.
(3)数据库存储单元(DSU)和临时限速数据库管理。
DSU保存所有维护记录和列车运行线路的轨道数据。
轨道数据库通过离线数据库创建,包括:
土建限速信息、身份识别号码、轨道应答器位置、转辙机位置、折返位置、其他障碍物的位置等相关线路信息。
每个CC和ZC都使用轨道数据库,定期与数据库服务器联系,获取当前正在使用的数据库版本号。
如果CC或ZC需要更新数据则向数据库服务器发出请求,数据库服务器将通过发送一系列所需的轨道数据信息来回应。
2.1.2车载设备工作原理
车载控制器是在微处理器上的基础上建立的,里面会存储与列车运行有关的轨道线路数据,它是通过与每个子系统的端口连接,来实现列车定位、允许速度执行、控制模式的管理移动授权这些命令。
TP车载设备主要实现以下功能:
超速防护,列控车载设备监控列车在允许速度下运行,监控的速度包括动车组构造速度、最大允许速度、进路允许速度、临时限速等;测速测距功能;应答器信息接收与处理;级间切换,列控车载设备能够实现C3级和C2级之间的切换,实现跨线运行;防溜功能,列控车载设备在列车停车的状态下,会对列车的不恰当移动进行防护;控车及提示信息显示功能;数据记录功能。
2.1。
3数据通信的工作原理
轨旁骨干网络是由骨干交换机构成,两个单独的单模光缆会交互连接,骨干网采的弹性分组数据环技术将接入交换机连接起来,具有智能化、经济性、高效率和可靠性的优点。
2.2分布式无线移动闭塞的工作原理
无线移动闭塞的线路被划分成若干个区域,每一个区域内的ZC、CC、Microlok II之间通过数据通信子系(DCS)进行连续的双向数据通信,控制本区域内的列车运行.列车通过相邻ZC之间的有线通信实现从一个控制区进入下一个区域的移交.当列车到达区域边界时,后方ZC将列车到达信息传递给前方ZC,同时命令列车调整其通话频率,前方ZC在接收并确认列车身份后发出公告,移交便告完成。
两个相邻控制区域有一定重叠,保证列车移交时无线通信不中断。
列车自动防护系统的核心功能是确保列车能够安全运行,因此,ATP系统的可靠性和安全性极为重要。
在轮轨交通中,为保证列车运行安全,须保证列车间以一定的安全间隔运行。
早期,人们通常将线路划分为若干闭塞分区,以不同的信号表示该区或前方分区是否被列车占用等状态,列车则根据信显示运行。
不论采取何种信号显示制式,列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车安全间隔。
地铁的信号原理也基于此。
但由于地铁的特殊条件,对安全的要求更加严格,因此必须配备列车自动保护(ATP)系统。
ATP通过列车间的安全间隔、超速防护及车门控制来保证列车运行的安全畅通.在固定划分的闭塞分区中,每一个分区均有最大速度限制.若列车进入了某限速为零或被占用的分区,或者列车当前速度高于该分区限速,ATP系统便会实施紧急制动.ATP地面设备以一定间隔或连续地向列车传递速度控制信息。
该信息至少包含两部分:
分区最高限速和目标速度(下一分区的限速)。
列车根据接收到的信息和车载信息等进行计算并合理动作。
速度控制代码可通过轨道电路、轨间应答器、感应环线或无线通信等传输,不同的传递方式和介质也决定了不同列车控制系统的特点。
为了保证安全,地铁ATP在两列车之间还增加了一个防护区段,即双红灯区段防护(见图1)。
后续列车必须停在第二个红灯的外方,保证两列车之间至少间隔一个闭塞分区。
系统的可靠性是指在规定的时间内,规定的条件下完成规定功能的能力。
可靠性是衡量系统不出错能力的指标,系统越稳定,越不容易出现故障或错误,则系统的可靠性越高。
系统的安全性是在规定的时间内,在规定的条件下,在系统发生故障时也保证系统输出安全的能力。
所以系统的安全性的高低直接关系到人身财产的安全。
可靠性和安全性是两个既有联系又有区别的概念.其区别在于两者所达到的目标不同。
可靠性是从维护系统的功能为目的,而安全性是以防止人身伤亡和财产损失为目的。
提高可靠性是从降低系统发生故障的概率着手,而提高安全性则是从系统的功能、技术完备性及故障安全等方面着手的.显然安全性的实现是以可靠性为基础的,在提高可靠性的前提下完成的.把系统出现故障,并且导致错误性输出的概率叫做危险侧故障概率.系统的可靠性越高,危险侧故障概率越低,系统出现故障的可能性就越低,出现故障时导致的危险性输出就越小,系统的安全性就越高。
但是不能把可靠性与安全性等同起来,更不能用可靠性技术代替安全性技术。
3.1ATP系统的主要功能
ATP子系统主要负责“超速防护”,起保障安全的作用。
列车自动防护(ATP)子系统,即列车运行超速防护或列车运行速度监督,是保证行车安全、防止列车进入前方列车占用区段和防止超速运行的设备,实现列车运行安全间隔防护和超速防护。
通过ATP子系统检测列车位置并向列车传送ATP信息(目标速度信息或目标距离信息),列车收到ATP信息,自动实现速度控制,确保列车在目标距离内不超过目标速度的前提下安全运行.
3.1.1列车定位
定位的任务就是确定列车在路网中的地理位置。
通常,ATP系统都是利用查询应答器及测速电机和雷达完成列车定位的。
安装在线路上某些位置的应答器用于列车物理位置的检测,每个应答器发送一个包括识别编号(ID)的应答器报文,由列车接收。
在ATP车载计算机单元的线路数据库里存有应答器的位置,这样列车就知道它在线路上的确切位置。
由测速电机和雷达执行列车位移测量。
列车定位的误差来自应答器检测精度、应答器安装精度和位移测量精度。
3.1.2速度和距离测量
列车实际运行速度是施行速度控制的依据,速度测量的准确性直接影响到速度控制效果.列车位置直接关系到列车运行的安全,通过确定列车的实际位置,才能保证列车之间的运间隔,以及能够在抵达障碍物或限制区之前停下或减速.列车间隔控制是一种既能保证行安全,又能提高运行效率的信号概念。
移动闭塞与划分闭塞分区、设立
防护信号机的固定闭塞不同,移动闭塞的闭塞长度和位置不固定,是随前行车的位置、后续列车的实际速度及线路参数(如坡度)不断改变。
ATP子系统能将移动授权限定在前方列车尾部后面的安全距离外方停车点,保证列车之间的最小安全间隔。
无线数据通信是移动闭塞实现的基础。
列车通过可靠的无线数据通信网,不间断地将其标识、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传输方式发送给轨旁区域控制器(ZC),ZC根据来自列车的信息计算、确定列车的安全行车间隔,并将相关信息通过无线传输方式传递给列车,控制列车运行.
3.1。
3ATP监督功能
ATP监督负责保证列车运行的安全.各监督功能管理列车安全的一个方面,并在它自己的权限内产生紧急制动;所有的监督功能,在信号系统范围内提供了最大可能的列车防护。
各种监督功能之间的操作是独立的,且同时进行。
ATP监督包括速度监督、方向监督、车门监督、紧急制动监督、后退监督、报文监督、设备监督等.
3.1。
4超速防护
城市轨道交通中的速度限制分为两种:
一种是固定速度限制,如区间最大允许速度、列车最大允许速度;另一种是临时性的速度限制,例如线路在维修时临时设置的速度限制。
固定限速是在设计阶段设置的,ATP车载设备中都储存着整条线路上的固定限速区息.
ATP子系统根据固定限速,如区间最大允许速度(取决于线路参数)、列车最大允许速度(取决于列车的物理特性)和临时限速,如线路在维修时设置的临时速度,计算常用制动和紧急制动模式曲线,常用制动略低于紧急制度曲线3~5 km/h。
当列车的实速超越最大允许速度时,ATP车载设备立即发出报警提示;当超速达到一定值时,输出最大常用制动命令,保证在预计时间内可达到制动或减速的目的,否则立刻实施紧急制动,确保在任何情况下配有车载设备的列车都不会超出移动授权限制。
3。
1。
5停车点防护
停车点有时就是危险点,危险点在任何情况下都是不能越过的,因为这会导致危险情况。
例如站内有车时,车站的起点即是必须停车点,在停车点的前方通常还设置一段防护段,ATP系统通过计算得出的紧急制动曲线即以该防护区段入口点为基础,保证列车不超越入口点。
有时也可在入口点处设置一个列车滑行速度值(如5km/h),一旦需要,列车可在此基础上加速,或者停在危险点前方.
3。
1。
6列车间隔控制
列车间隔控制是一种既能保证行车安全(防止两列车发生追尾事故)又能提高运行效率(使两列车的间隔最短)的信号概念。
在过去以划分闭塞分区、设立防护信号机为基础的自动闭塞(固定闭塞)概念下,列车的间隔是靠自动闭塞系统来保证的,列车间隔以闭塞分区为单位;当采用准移动闭塞或移动闭塞时,闭塞分区长度与位置均是不固定的,是随前方目标点(前行列车)的位置、后续列车的实际速度以及线路参数(如坡度)而不断改变的.
3。
1。
7站台屏蔽门控制
ATP轨旁设备连续监测屏蔽门的状态,只有在屏蔽门“关闭且锁闭"的情况下才允许列车进入站台区域。
如果屏蔽门的状态不再为“关闭且锁闭”,则ATP轨旁设备将站台区域作为封锁来处理,在封锁区域的边界处设置防护点。
因此,接近列车将从ATP轨旁设备得到仅至该防护点的移动许可。
如果此时列车已经进入了站台区域,屏蔽门的状态从“关闭且锁闭”发生了变化,ATP车载设备将触发紧急制动。
3.1.8停稳监督。
监控列车停稳是在站内打开车门和站台屏蔽门的安全前提.为了证实列车停稳,要考虑来自雷达和测速电机的信息,ATP车载计算机单元将使用这些速度信息。
3.2ATP的紧急制动
紧急制动系统能保证列车在安全制动模式所确定的停车距离内停车.紧急制动一经激活,在列车完全停车前不会缓解。
即使ATP所测定的列车运行状况错误,紧急制动仍将继续,任何复位信号和干预行为均无效。
ATP通常在检测出车载ATP有涉及安全故障、列车非正常移动、运行中车门开启、列车发生脱钩等故障时对列车实施紧急制动。
3。
3站台屏蔽门控制
ATP轨旁设备连续监测屏蔽门的状态,只有在屏蔽门“关闭且锁闭"的情况下才允许列车进入站台区域.如果屏蔽门的状态不再为“关闭且锁闭”,则ATP轨旁设备将站台区域作为封锁来处理,在封锁区域的边界处设置防护点。
因此,接近列车将从ATP轨旁设备得到仅至该防护点的移动许可。
如果此时列车已经进入了站台区域,屏蔽门的状态从“关闭且锁闭"发生了变化,ATP车载设备将触发紧急制动。
车载ATP子系统严格监督车门控制的安全条件,防止列车站外开门和站内开错门以及列车未停稳开门或车门打开时列车启动等情况的发生.当ATP检查所有安全条件均已满足时,才发出开门允许信号,车门依据运行模式的不同自动或人工打开。
ATP子系统监视列车的停车位置误差。
当列车在车站的停车窗内停稳且停车点的精度在允许范围以内(±0.5 m)时,车载控制器(CC)根据线路数据库和车辆运行方向决定开哪侧门.当停车误差超过允许值时,ATP将实施保护,不许开门,并给出表示,此时允许列车以小于5 km/h的速度移动,以满足停车的精度要求。
当列车长度超过站台长度时,要保证在站台有效长度内的车门才能打开,其他车门锁在关闭位置。
列车停站结束后,司机可人工关闭车门。
若关门模式选择开关位于“自动”位置时,车门则会自动关闭.车门关闭后,车载ATP才具备安全发车条件。
3。
4其他功能
3.4。
1防倒退控制
车载ATP子系统监测正线上列车的实际运行方向,并将测定方向与设定/指令运行方向进行比较,如果列车的倒退超过了预设距离(0。
5 m),ATP子系统就会实施紧急制动。
3。
4.2防溜控制
列车处于列车自动运行(ATO)模式且已在站台停车窗停车时,ATP子系统通过速度传感器和加速计,检测列车是否停稳。
如果检测到列车在没有命令的情况下移动了一定距离,ATP子系统将实施紧急制动。
3.4.3紧急停车控制
在特殊紧急情况下,按压设在站台上或控制室的紧急停车按钮(平时加铅封),可对线路上的列车实施紧急制动,使其停止运行。
3。
4。
4受限进路的防护
ATP子系统可与影响进路安全
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