第六章 列车运行控制

第1页第六章列车运行控制第2页一、定义列控系统：由列控中心、闭塞设备、地面信号设备、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。列控系统是车站、区间、列车运行控制和行车调度指挥的自动化集成技术系统，是对铁路信号、列车牵引、车辆制动和轨道线路等交叉学科相关内容进行整合的机电一体化系统。它冲破了功能单一、控制分散、信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。第3页二、分类1.按地－车信息传输方式（1）连续式列控系统：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。如：德国LZB系统、法国TVM系统、日本数字ATC系统。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。第4页二、分类1.按地－车信息传输方式（2）点式列控系统：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。（3）点连式列控系统：我国CTCS2级，轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息。点式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息。第5页二、分类2.按控制模式（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）速度—距离模式曲线控制方式：速度-距离模式，如：德国LZB系统，日本新干线数字ATC系统。3.按人机关系（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4.照闭塞方式：固定闭塞、移动闭塞。第6页二、分类5.按照功能、人机分工和自动化程度（1）列车自动停车（AutomaticTrainStop简称ATS）系统：ATS是一种只在停车信号（红灯）前实施列车速度控制的装置，是在非速差式信号体系下的产物，属于列车速度控制的初级阶段。（2）列车超速防护（AutomaticTrainProtection简称ATP）系统：ATP是随着速差式信号体系的建立而产生的，列车正常运行由司机控制，只在司机疏忽或失去控制能力且列车出现超速时设备才起作用，并以最大常用制动或紧急制动方式，强迫列车减速或停车。当列车速度已降至或到达限速要求，由司机判定和操作制动缓解。系统要求符合故障—安全原则。第7页二、分类5.按照功能、人机分工和自动化程度（3）列车自动控制（AutomaticTrainControl简称ATC）系统：当列车运行超过限制速度时，系统自动实施常用制动，使列车降至低于限制速度的一定值后，制动自动缓解，列车继续运行。这是一种设备优先的列车运行安全控制系统，司机一部分操作由设备代替，但列车运行的正常调速仍由司机操作，系统同样要求故障—安全原则。（4）列车自动运行（AutomaticTrainOperation简称ATO）系统：按系统预先输入的程序，保证列车运行图的要求，由设备代替司机进行列车运行的加速、减速或定点停车的速度调整。一般情况下，司机除对列车启动操作外，只对设备的动作进行监督，它属于一种非安全系统，一般叠加在ATC或ATP上，列车运行的安全防护由后者承担。第8页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位1）列车测速目前存在多种列车测速方式，根据速度信息获取的来源，我们可以把测速方式分成两大类，一类是利用轮轴旋转信息获取列车速度的测速方法，另一类是利用无线方式直接检测列车的速度的测速方法。（1）轮轴旋转测速方法测速电机方式：包括一个齿轮和两组带有永久磁铁的线圈。齿轮固定在机车轮轴上，随车轮转动。线圈固定在轴箱上。轮轴转动，带动齿轮切割磁力线，在线圈上产生感生电动势，其频率与列车速度（齿轮的转速）成正比。这样列车的速度信息就包含在感应电动势的频率特征里。经过频率—电压变化后，把列车实际运行的速度变换为电压值，通过测量电压的幅度得到速度值。第9页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位（1）轮轴旋转测速方法脉冲转速传感器方式：脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，这样脉冲的频率就与轮轴的转速成正比。输出脉冲经过隔离和整形后，直接输入到微处理器进行频率测量并换算成速度和走行距离。第10页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位（2）无线测速方式雷达测速：雷达测速是利用多普勒效应原理实现的。向移动体上发射一定频率的电磁波，反射波与入射波之间会产生频差，这个频差与移动体的速度成正比，这就是多普勒效应。第11页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位（2）无线测速方式GPS测速定位方式：美军70年代在子午仪（Transit）系统上发展起来的全球性卫星导航系统，它是目前技术上最成熟且已真正实用的一种卫星导航和定位系统，能在全球范围内，在任意时刻、任意气候条件下为用户提供连续不断的高精度的三维位置、速度和时间信息。第12页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位2）列车定位融合算法GPS接收机罗盘轮轴传感器陀螺方向纬度、经度速度、时间等方向距离列车定位相对传感器绝对传感器第13页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位2）列车定位一般列控系统采用地面固定安放的设备来对累积误差进行校正，这些地面固定安放的设备称地面绝对信标，可以作为地面绝对信标的定位方法包括：轨道电路绝缘节定位方法：轨道电路绝缘节是闭塞分区的分界点，绝缘节的位置在线路上是固定的，绝缘节两边传输的信息不同，所以，列车可以通过接收信息的变化了解过绝缘节的时机，把绝缘节的物理位置作为绝对信标可以获得列车位置信息。f1f3f5f2f4f6f1f3f5f6f4f2甲站乙站分区1分区2分区3分区4第14页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位2）列车定位计轴器定位方法：轨道绝缘节设置相同，计轴传感器安放也是固定的，通过计轴器检测列车占用或者出清对应计轴区段也可以获得列车位置信息。轮轴检测设备ZP43(双轮轴检测器和TCB，包括电缆)TCB运算计算机从轮轴检测设备的信息产生计轴数据,比较计轴结果并输出一个出清或占用表示。TCBTCB=轨旁连接箱TVDS=轨道空闲检测区TVDS轮轴检测设备ZP43（双轮轴检测器和TCB，包括电缆）第15页三、列控系统关键技术1.列车测速与列车定位2）列车定位查询应答器方法：查询应答器不仅物理安装位置固定，它还可以直接向通过的列车发送本应答器所处的公里坐标。轨道环线定位方法：轨道感应环线的两根电缆每隔一个轨道长度（100m）要相互交叉一次，交叉回线将交变电信号送到沿钢轨线路铺设的交叉回线上，在回线上产生交变电磁场，车载设备在经过每个交叉时能够检测到信号相位的变化,当列车驶过一个交叉点时，利用信号相位的变化引发地址码加1，由车载计算机根据地址码计算出列车的地理位置，这样就可以用绝对地址信息对机车里程计产生的定位记录进行误差修正，减少由于车轮滑行及空转造成的位置误差。第16页三、列控系统关键技术2.地车信息传递1）移频无绝缘轨道电路第17页MSMSMSBTSBTSBSCBSCBSCMSC铁路ISDN网BSCBTSBTS2）GSM-R:铁路专用全球移动通信系统。三、列控系统关键技术2.地车信息传递第18页3）轨道电缆:在轨道铺设的感应电缆，通过车载感应线圈和感应电缆的电磁偶合完成信号和数据的传输，地面控制中心系统通过轨道电缆与车载列控设备联系。三、列控系统关键技术2.地车信息传递轨道感应环线第19页四、列车速度控制模式1.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。分为两种：出口速度检查控制方式：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。入口速度检查控制方式：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。第20页四、列车速度控制模式1.阶梯控制方式技术原理第21页四、列车速度控制模式1.阶梯控制方式技术原理特点：（1）前后车均以闭塞分区单位进行定位；（2）在闭塞分区内，车载设备以一个允许速度防护列车；（3）闭塞分区长度按最差列车制动性能设计。主要问题：（1）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。；（2）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。第22页四、列车速度控制模式1.阶梯控制方式技术原理跳转到第一页分段速度—距离控制模式基本原理分段速度控制模式Ｓ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）＊ｎSS3S1+S2S4制动性能差的车制动性能好的车设备监督曲线第23页四、列车速度控制模式2.速度-距离模式曲线控制方式目标-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。SS3S1+S2S4制动性能差的车设备监督曲线制动性能好的车目标速度Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋S４第24页五、国外列控系统简介西方发达国家的列车运行控制系统应用比普遍，各种速度的铁路都有应用，但在高速铁路上的应用更显示出其高水平和具有代表性。目前，高速铁路在欧洲和亚洲快速发展，已通车或正在建设中的铁路多达几十条，其列控系统各不相同，主要有法国U/T、日本ATC和数字ATC、德国LZB80、欧洲ETCS等系统设备。日本于1964年开通了世界上第一条高速铁路-东海道新干线。日本新干线现有的ATC系统普遍采用超前阶梯式速度监控，它的制动方式是设备优先的模式，即列控车载设备根据轨道电路传送来的速度信息，对列车进行减速或缓解控制，使列车出口速度达到本区段的要求，它没有滞后控制所需的保护区段，在线路能力上较滞后控制有所提高。第25页五、国外列控系统简介法国高速铁路TGV区段的列控系统，车载信号设备采用TVM300或TVM430，地对车的信息传输以无绝缘轨道电路UM71为基础，该列控系统简称U／T系统。德国LZB系统是基于轨道电缆传输的列控系统，是世界上首次实现连续速度控制模式的列控系统，技术上是成熟的。1965年在慕尼黑—奥斯堡间首次运用，德国已装备了2000km铁路线，1992年开通了西班牙马德里—塞维利亚471km高速线。欧洲是世界轨道交通最发达的地区，欧洲现有的列车运行控制系统种类繁多。为克服欧洲各国信号制式复杂、互不兼容，保证高速列车在欧洲铁路网内互通互行，在欧洲共同体的支持下，欧洲各信号厂商联合制订ERTMS/ETCS技术规范。ERTMS/ETCS是一个先进的列车自动防护（ATP-AutomaticTrainProtection）系统和机车信号（CabSignaling）技术规范，安装符合ERTMS/ETCS技术规范的列车运行控制系统，不仅能提高列车的安全性，并且能够在欧洲境内穿越过境时实现互通营运。第26页六、ETCS地面子系统主要包括:(1)欧洲应答器(Eurobalise)；(2)轨旁电子单元(LEU)；(3)无线通信网络(GSM-R)；(4)无线闭塞中心(RBC)；(5)欧洲环线(Euroloop)；(6)无线注入单元(Radioinfillunit)。车载子系统主要包括:(1)ERTMS/ETCS车载设备；(2)铁路无线移动通信系统(GSM-R)；(3)专用传输模块(STM,即SpecificTrans-missionModules)。1.系统构成第27页六、ETCS2.ETCS分级(1)0级：ETCS车载设备+传统列控系统。主要是为了保证装配ETCS车载设备的列车,能在没有ETCS地面设备的线路、或尚不具备ETCS运营条件的线路上运行。既有