第八章列车运行控制系统 铁路信号基础..

列车运行控制系统背景随着人们对铁路运输要求的提高，列车运行速度越来越高，列车运行间隔越来越短，保证运输安全的问题也越来越突出。完全靠人工瞭望、人工驾驶列车已经不能保证行车安全了，即使装备了机车信号和自动停车装置，也只能在列车一般速度运行条件下保证安全，无法实现高速列车的安全保证，因为它们不能完成防止超速行车和冒进信号的现象。因此，需要列车运行控制系统，实现对列车间隔和速度的自动控制，进一步提高运输效率，保证行车安全。列车运行控制系统的定义列控系统的定义：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。列控系统的分类（1）按照地车信息传输方式分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，是列控技术发展的主流。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。如：瑞典EBICAB系统。点-连式列车运行控制系统，如：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。列控系统的分类（2）控制模式分阶梯控制方式阶梯控制方式又分为出口速度检查方式，入口速度检查方式。速度-距离模式曲线控制方式采用速度-距离模式的列控系统，如德国LZB系统，日本新干线数字ATC系统。（3）按照人机关系分设备优先控制方式。如：日本新干线ATC系统。司机优先控制方式，如：法国TVM300／430系统、德国LZB系统。列控系统的分类（4）按照闭塞方式分：固定闭塞列控系统。移动闭塞列控系统。（5）按照功能、人机分工和自动化程度分：列车超速防护（AutomaticTrainProtection简称ATP）系统。列车自动控制（AutomaticTrainControl简称ATC）系统。列车自动运行（AutomaticTrainOperation简称ATO）系统。列控系统的速度控制方式阶梯式速度控制特点：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入口速度检查控制方式出口速度检查控制方式列控系统的速度控制方式目标-距离模式曲线目标-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。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。目标距离曲线控制方式列控关键技术列车测速的方法主要包括以下几种：测速电机方式、脉冲转速传感器方式、雷达测速方式等列车定位的方法包括：GPS全球定位、轨道电路绝缘节定位、计轴器定位、查询应答器定位和轨道环线定位等。车地信息传输技术包括：点式传递信息方式、连式传递信息方式和点连式传递信息方式。国外列控系统的发展情况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。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。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。国外列控系统简介德国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。ETCS和CTCS简介ETCS系统构成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)。ETCS的分级ETCS一级：地面信号＋查询应答器＋轨道电路。采用固定追踪间隔形式；司机依靠地面信号行车，地面信号机前设备产生速度监控；依靠轨道电路或计轴设备检查列车占用和完整性；利用查询应答器覆盖各国现有信号系统，并用于列车定位和传送控制命令。该系统是典型的点式ATP。ETCS的分级ETCS二级：轨道电路＋查询应答器＋GSM-R与一级相比，司机完全依靠车载信号设备行车（可取消地面信号机）；通过GSM-R连续传送列车运行控制命令，车－地间可双向通信；在点式设备的配合下，车载设备对列车运行速度进行连续监控；依靠轨道电路或计轴设备检查列车占用和完整性；建有无线移动闭塞中心。该系统是基于移动通信的连续式ATP。ETCS的分级ETCS三级：查询应答器＋GSM-R与二级相比是靠车载设备来检查列车完整性，不需要轨道电路；点式设备、GSM-R是系统的主要设备。取消地面信号机和轨道电路后，室外线路上的信号设备减少到最低程度；列车追踪间隔依靠点式设备和无线移动闭塞中心实现，具有明显的移动自动闭塞特征。我国CTCS列控系统简介CTCS是中国列车运行控制系统（ChineseTrainControlSystem）英文缩写，它以分级的形式满足不同线路运输需求，在不干扰机车乘务员正常驾驶的前提下有效地保证列车运行的安全。CTCS的体系结构按铁路运输管理层、网络传输层、地面设备层和车载设备层配置。如右图所示。铁路运输管理层网络传输层地面设备层车载设备层CTCS体系结构我国CTCS列控系统简介铁路运输管理层铁路运输管理系统是行车指挥中心，以CTCS为行车安全保障基础，通过通信网络实现对列车运行的控制和管理。网络传输层CTCS网络分布在系统的各个层面，通过有线和无线通信方式实现数据传输。地面设备层地面设备层主要包括列控中心、轨道电路、点式设备、无线通信模块等。列控中心是地面设备的核心，根据行车命令、列车进路、列车运行状况和设备状态，通过安全逻辑运算，产生控车命令，实现对运行列车的控制。车载设备层车载设备层是对列车进行操纵和控制的主体，具有多种控制模式，并能够适应轨道电路、点式传输和无线传输方式。车载设备层主要包括车载安全计算机、连续信息接收模块、点式信息接收模块、无线通信模块、测速模块、人机界面和记录单元等。CTCS等级划分《CTCS技术规范总则》根据设备配置和功能需求确定了CTCS0~CTCS4共五个等级。CTCS-0级：由通用机车信号+列车运行监控记录装置组成，为既有线系统，适用于列车最高运行速度为160km/h以下的区段。CTCS-1级：由主体机车信号+安全型列车运行监控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。CTCS等级划分CTCS-2级：基于轨道电路+点式应答器传输控车信息，并采用车地一体化设计的列车运行控制系统，地面可不设通过信号机。面向提速干线和客运专线，适用于各种线路速度区段。CTCS-3级：基于无线传输信息，并采用轨道电路检查列车占用的列车运行控制系统，点式设备主要用于传送定位信息。CTCS3级列控系统可叠加在CTCS2级列控系统上。CTCS-4级：完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面取消轨道电路，由无线闭塞中心和列控车载设备共同完成列车定位和完整性检查，实现虚拟闭塞或移动闭塞。CTCS列控系统结构相邻列控中心车载设备机车乘务员轨道电路列控中心联锁设备点式设备无线通信模块人机界面输出模块列车输入模块点式信息接收模块测速模块入模块地面设备连续信息接收模块无线通信模块调度集中系统维护管理中心GSM-R设备维护记录单元运行管理记录单元车载安全计算机CTCS2级列控系统CTCS2列控系统分为车载设备和地面设备两部分，地面设备又分轨旁和室内设备两部分，其总体结构如下图所示。系统总体结构地面应答器CTC或TDCS站机车站列控中心车站联锁轨道电路LEU车务终端车站信号楼调度中心地面应答器CTC或TDCS站机车站列控中心车站联锁轨道电路LEU车务终端车站信号楼地面应答器CTC或TDCS站机车站列控中心车站联锁ZPW2000轨道电路LEU车务终端车站信号楼调度中心CTCCTCS2级列控地面设备地面设备由车站列控中心，地面电子单元(LEU)、点式应答器、ZPW-2000(UM)系列轨道电路、车站闭环电码化、车站计算机联锁等组成。轨道电路、车站电码化传输连续列控信息，点式应答器、车站列控中心传输点式列控信息。列控中心的硬件设备结构要求与车站计算机联锁相同，采用联锁列控一体化结构，根据列车占用情况及进路状态，通过对轨道电路及可变应答器信息的控制产生行车许可信息，及进路相关的线路静态速度曲线，并传送给列车。CTCS2级列控地面设备轨道电路采用ZPW-2000系列轨道电路，完成列车占用检测及列车完整性检查，连续向列车传送允许移动控制信息。站内轨道电路：车站正线及股道采用与区间同制式的轨道电路。点式应答器：采用电气特性与欧洲ETCS技术规范相同的大容量应答器。固定应答器设于各闭塞分区人口处，如：车站进站信号机、出站信号机及区间信号点，用于向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息等；可变点式应答器设于进站口，当列车通过该应答器进站停车时，应答器向列车提供地面应答器编号、至出站点的链接信息、接车进路线路参数，包括：目标距离、线路坡度、线路限速、信号机类型和轨道电路载频等信息以及接车进路区域临时限速值。CTCS2级列控车载设备车载设备由车载安全计算机、轨道信息接收单元(STM)、应答器信息接收单元(BTM)、制动接口单元、记录单元、人机界面(DMI)、速度传感器、BTM天线、STM天线等组成。车载设备根据地面设备提供的信号动态信息、线路静态参数、临时限速信息及有关动车组数据，生成控制速度和目标距离模式曲线，控制列车运行。同时，记录单元对列控系统有关数据及操作状态信息实时动态记录。CTCS2级主要控车模式CTCS2级列控车载设备的控制方式有两种：设备制动优先模式和司机制动优先方式。在这两种控制方式下列控车载设备具有6种工作模式。列控车载设备9种主要工作模式列控车载设备6种工作模式完全监控模式(FS)部分监控模式(PS)目视行车模式(OS)调车模式(SH)隔离模式(IS)待机