08高速铁路的信号与通信

8高速铁路的信号与通信1858高速铁路的信号与通信8.1概述高速铁路的服务宗旨是“安全、正点、快速、舒适”。发展高速铁路不可能也不应只突出快速，更需要建立全新的运输模式，要在安全、正点、舒适上做文章。高速铁路信号系统是保障列车运行安全、提高运输效率的关键技术装备，对全面实现高速铁路的服务宗旨举足轻重。当今信息产业正以超出人们预料的速度迅速发展，通信和控制领域正发生一系列深刻变化，这必会对铁路信号、通信产品和服务产生积极影响。这种影响主要表现在两方面：第一方面是产品的硬件和软件不断升级换代，产品安全性、可靠性、可用性和可维护性逐步提高，追求更高的性能价格比。第二是向综合自动化方向发展，向更便利的人机对话方向发展，向全面提高运输质量和路网运输能力的方向发展，以满足运营的要求。高速铁路信号系统是完成行车控制、运营管理的综合自动化系统，主要是由用于指挥行车的综合调度系统，用于控制列车行车间隔的列车运行控制系统（简称列控系统），用于控制进路的联锁系统以及代用信号设备和专用通信设备组成。这是一套完整的信号安全制式，如图8-l所示。高速铁路信号系统的设备主要布置在调度中心、车站、区间信号室、车辆段、维修基地、线路旁和列车上。8.2高速铁路的信号技术铁路信号技术是随着百年铁路的发展以及继电器、半导体、电子信息技术的变化而不断演进的。随着运行速度的提高，列控系统、超速防护系统以及综合调度系统等成为高速铁路必不可少的信号技术。高速铁路与普通铁路不同之处主要有：①高速铁路设置综合调度系统，对列车运营指挥实行集中控制方式；②取消传统的地面信号机，采用列控系统；③采用计算机网络传输和交换与行车、旅客服务相关的信息。高速铁路信号系统由综合调度系统、列控系统、计算机联锁系统等几个部分组成，各部分之间通过具有保护功能的广域网联接，并传输信息。传统的话音、信号凭证指挥方式不再适用于高速铁路。以下简要介绍一下综合调度系统、列控系统、计算机联8高速铁路的信号与通信186锁系统。图8-1高速铁路信号系统组成1．高速铁路综合调度系统世界各国高速铁路的行车调度系统基本可以分为两类：一类集多种业务组织和管理功能于一体，全线建设一个行车指挥为中心的综合调度系统，适用于列车在本线到发的高速客运专线。另一类则采用按区域设置行车调度中心的方式，适用于列车类别多，与既有线行车组织和管理的关系密切的线路。京沪高速铁路是一条与既有京沪线平行修建的高速客运专线。高速线建成以后，运输组织模式采用本线旅客列车和跨线旅客列车共线运行的客运专线模式，既有线将主要为货物运输使用。设置综合调度指挥中心是保证高速列车运营的基本需求，而中速列车跨越高速线与既有线运行，又要求调度系统必须解决跨线运行列车调度指挥的衔接问题。综合调度系统是高速铁路运营管理指挥中枢，其业务有以下几个方面：列控系统调度系统8高速铁路的信号与通信187（1）根据运输的需要，编制行车、车辆运用、乘务值班计划，制成运营计划；（2）当行车次序出现混乱时，制成临时运行图，调整运营计划；（3）监视沿线列车运行状况并对各车站进路实行集中控制；（4）统计各站旅客集散情况，调整行车计划，并向旅客提供有关信息服务。随着计算机、通信和远程控制技术的发展，综合调度中心的系统技术也己经由传统的集中控制模式发展到网络化、智能化的集中管理、分散控制型，主要有运输管理系统、运行调度系统、牵引供电调度系统、动车组调度管理系统、基础设施调度管理系统、客运调度系统、安全监督系统等。随着高速铁路技术在整个铁路网中的普及和推广，高速线与既有线之间开行跨线运行列车，已成为近年来日本和欧洲普遍的发展趋势。跨线运输中，因与既有线行车组织和管理的关系密切，列车运行秩序易受引入线、相邻既有线列车运行不正常情况的影响。2．高速铁路列控系统铁路沿线设置的闭塞分区长1.5～2km，当列车时速超过200km时，司机每二十几秒就要辨认一次信号显示，这超出了人正常的承受能力，识别信号的错误率会显著增加。因此，传统的地面信号机显示作为指挥列车运行的凭证己不能适用，必须以列控系统车载设备的输出作为指挥高速列车司机安全运行的凭证，保障高速列车安全运行。欧洲铁路行车速度超过160km/h时，均以列控系统作为行车指挥凭证。这是高速列车运行必须满足的基本要求。列控系统直接控制列车运行，主要由车载设备和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。列控系统在车站设有控制中心，如果车站距离过大，则每15～20km还要在区间设立控制中心。图8-2是列控系统地面设备框图。控制中心通过电缆与铁路线上的轨道电路、信号机等设备相连，主要完成列车位置检测，形成速度信号，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。图8-2列控系统地面设备框图8高速铁路的信号与通信188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，设备框图见图8-3。机车头部的天线接收到地面的速度命令信号，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来的信号，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，直接启动列车制动系统。列车就会自动减速或停车。图8-3列控系统车载设备框图列控系统主要功能是：（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。为保证列控系统不间断地工作和加强设备的维修与管理，在列控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、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。出现重大事故，这些资料可用于事故分析。目前，国外高速铁路采用的列控系统主要有日本新干线ATC系统，法国TGV铁路的TVM300及TVM430系统，德国及西班牙铁路采用的LZB系统，瑞典铁路的EBICAB900系统等。各国的列控系统都有自己的特点，有不同的技术条件和适应范围。8高速铁路的信号与通信189列控系统按照地面向机车传送信号的连续性来分类，可分为点式和连续式两大类。瑞典EBICAB900系统属于点式列控系统。德国LZB系统、法国TVM系统、日本数字ATC系统均为连续式列控系统。点式信号系统自从20世纪70年代采用应答器方式后，走上了数字化、集成化的道路，发展十分迅速。目前适应500km/h高速列车可传递千比特信息的应答器已商品化。点式列控系统造价低、维修工作少。点式列控系统尽管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效能。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。在高速铁路中连续式列控系统是主流。例如，采用连续式列车速度控制的法国TGV北方线列车追踪间隔为3min。列控系统按照人机关系来分类，主要分为两类。一种是以日本新干线ATC为代表的设备优先控制的方式；另一种是以法国TVM300/430系统为代表的司机优先控制的方式。德国的LZB系统也是司机优先控制方式。设备优先的列控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，不必司机参与。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。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。连续式列控系统按照超速判定方式可以分为阶梯控制方式和曲线控制方式。阶梯控制方式时，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。图8-4给出列车控制方式的示意图。阶梯控制又细分为出口检查和入口检查两种方式。其中细线阶梯为出口检查方式（法国TVM300方式）。这种方式要求司机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。这种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防护区。图8-4中的较粗阶梯线为入口检查方式。列车在闭塞分区入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。日本新干线ATC就是采用这种方式。这种方式在遇上停车信号时，列车在闭塞分区入口处立即制动，对许多列车来说会过早地停车，因此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8高速铁路的信号与通信190P点时车上才会形成停车信号。图8-4列车控制方式示意图阶梯控制方式完全不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号，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。第二种方式是曲线控制方式。法国TVM430系统，就是这种方式（见图8-4中曲线）。每个闭塞分区入口速度（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。在这种控制方式下，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。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地接起来。因此，这种制式不需要像入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。德国LZB系统和日本数字ATC系统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（与TVM430不一样，它可以包括多个闭塞分区的长度）等信息。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，是一种更理想的运行控制模式。3．高速铁路计算机联锁系统联锁系统是铁路信号的重要组成部分,主要是用于车站进路的控制和保证列车运行和作业的安全。随着列车速度的不断提高和科学技术的发展，特别是微电子技术及8高速铁路的信号与通信191计算机科学的迅猛发展，计算机联锁系统取代继电联锁是铁路信号发展的必然趋势。计算机联锁系统与继电联锁相比的优越性主要有以下几方面：（1）计算机联锁系统功能更加完善。（2）计算机联锁系统的信息量大，利用当前的各种网络手段，可与行车调度指挥系统、列控系统联网，交换各种信息，以使整个信号系统协调工作。（3）计算机联锁系统易于实现系统自诊断和自检测功能，并通过联网实现远距离诊断，有利于信号维修管理及维修体制改革。（4）体积小，功耗低，使信号室投资减少。随着大规模集成电路的发展，计算机联锁系统的设备造价将会越来越低，与继电联锁相比将更占优势。计算机联锁由于具有上述的特点，近年来在国内外得到了广泛的使用和发展。国内外均有成功的研究设计和使用维护的经验，因此计算机联锁系统应该作为高速铁路车站信号联锁的首选制式。计算机联锁系