第五章 列车自动控制(ATC)系统的基本原理

第五章ATC系统基本原理上节课的主要内容回顾：主要内容•ATC系统概述？•ATP子系统基本原理？•ATO子系统基本原理？•ATS子系统基本原理？掌握的主要知识点1.掌握列车自动控制系统（ATC）的工作原理。2.理解ATC三个子系统与ATC系统之间的关系。3.了解ATC发展趋势，地铁对ATC模式的应用状况。重点：列车自动控制系统（ATC）三个子系统的工作原理。难点：ATP的工作原理及其实现。问题的提出：1、轨道电路传递的信息？2、城市轨道列车是如何运行的？ATC-列车自动控制列车运行自动控制系统（简称列控系统）是计算机、通信、控制等信息技术与信号技术的一个高水平集成与融合的产物。列车运行控制系统定义：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。第一节ATC-列车自动控制一、ATC系统的组成和功能二、ATC系统的水平等级三、ATC系统选用原则四、不同闭塞制式的ATC系统五、不同结构的ATC系统六、ATC的控制模式一、ATC系统的组成和功能1、列车自动控制(ATCAutomaticTrainControl)系统包括三个子系统：列车自动防护(ATPAutomaticTrainProtection)、列车自动运行(ATOAutomaticTrainOpera-tion）、列车自动监控（ATSAutomaticTrainSupervision）2、ATC系统包括五个原理功能：ATS功能、联锁功能、列车检测功能、ATC功能和PTI（列车识别）功能。•(1)ATS功能：控制进路，进行行车调度指挥，并向行车调度员和外部系统提供信息。•(2)联锁功能：响应来自ATS功能的命令，将进路、轨道电路、道岔和信号的状态信息提供给ATS和ATC功能。•(3)列车检测功能：一般由轨道电路完成。•(4)ATC功能：在联锁功能的约束下，根据ATS的要求实现列车运行的控制。•(5)PTI功能：向ATS报告列车的识别信息、目的号码和乘务组号和列车位置数据，以优化列车运行。二、ATC系统的水平等级行车指挥的方式？1、用以调度员人工控制为主的CTC（调度集中）系统2、ATS和ATP系统3、行车间隔的发挥往往受制于折返能力，而折返能力与线路条件、车辆状态、信号系统水平等因素有关。三、ATC系统选用原则•（1）ATC系统应采用安全、可靠、成熟、先进的技术装备，具有较高的性能价格比；•（2）城市轨道交通运营线路宜采用准移动闭塞式ATC系统或移动闭塞式ATC系统，也可以采用固定闭塞式ATC系统。•（3）ATC系统构成水平的选择按前述原则执行。四、不同闭塞制式的ATC系统•按闭塞制式，城市轨道交通ATC可分为：固定闭塞式ATC系统、准移动闭塞式ATC系统和移动闭塞式ATC系统。移动闭塞式ATC系统基于通信的列车控制（CommunicationsBasedTrainControl，简称CBTC）则是实现这种闭塞制式的最主要技术手段。（1）原理：取消了物理层次上的闭塞分区，将线路分成若干个通过数据库预先定义的线路单元。控制中心maxvvs允许v允许v列车信息列车信息BA允许v(2)特点•①线路没有固定划分的闭塞分区，列车间隔是动态的，并随前一列车的移动而移动；•②列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离，加上安全余量计算和控制的，确保不追尾；•③制动的起点和终点是动态的，轨旁设备的数量与列车运行间隔关系不大；•④可实现较小的列车运行间隔；•⑤采用地一车双向传输，信息量大，易于实现无人驾驶。（3）优点•尽可能缩小列车运行间隔，提高行车密度进而提高运输能力。•列车与地面间连续的双向通信，提供连续测量本车与前车距离的方法，实时提供列车的位置及速度等信息，动态地控制列车运行速度•核心部分均通过软件实现，因此使系统硬件数量大大减少。•移动闭塞还常常和无人驾驶联系在一起。获得更高的效率。•采取了开放的国际标准，可实现子系统间逻辑接口的标准化（4）移动闭塞ATC系统分类•移动闭塞ATC系统就车一地双向信息传输速率而言，可分为：基于电缆环线传输方式和基于无线通信和数据传输媒介的传输方式。•按无线扩频通信方式可分为：直接序列扩频和跳频扩频方式。•按数据传输媒介传输方式可分为：点式应答器、自由空间波、裂缝波导管和漏泄电缆等传输方式。五、不同结构的ATC系统1、点式ATC系统通过点式应答器传递信息，用车载计算机进行信息处理实现列车的超速防护优缺点：优点是安装灵活，可靠，价格低等等，缺点是信息不能实时的更新。（1）点式ATC的基本结构车载设备信号机或联锁设备中央处理单元天线应答器LEU速度传感器地面设备•点式列车运行自动控制系统基本结构如图8-16，系统组成包括：地面应答器、轨旁电子单元（LEU）和车载设备。•地面应答器：与地面信号机设备相连，存放向列车传输的数据，地-车传输采用FSK方式•轨旁电子单元（LEU）：LEU是地面应答器与信号机的接口，将不同的信号转换为约定的数码。•车载设备：车载应答器，测速传感器，车载安全型计算机（2）原理•系统依靠地面应答器给列车传输目标点的距离、目标速度、线路坡度等信息，车载中央控制单元根据地面应答器传至车上的信息（目标点的距离、目标速度、线路坡度等）以及列车的制动率，计算出两个信号机之间的速度控制曲线，并根据速度曲线对列车实施控制。•车载计算曲线的数学公式点式列车运行自动控制系统速度监控曲线2、连续式ATC系统移动闭塞ATC系统就车一地信息所用媒介而言，可分为：无线和有线两大类。其中有线又可分为基于电缆环线传输方式与音频轨道电路的方式两大类。如果实现车一地双向通讯有基于电缆环线传输方式和基于无线通信和数据传输媒介的传输方式。（１）采用轨道电路的连续式ATC系统以轨道电路为基础实现地-车信息传输的系统，我们称为基于轨道电路的列车控制系统（TBTC），轨道电路在其中有两个作用。缺点是：a.由于受到轨道电路传输特性的限制，所能够传输的信息数量很难大量增加；b.传输距离受到限制；c.只能进行地-车信息传输，无法实现双向传输。优点是：a.在进行信息传输的同时，可以检测列车位置；b.能够检查钢轨断轨。分为两种：速度码和距离码。①速度码采用不同的频率来代表不同的允许速度。由控制中心通过信息传输媒介将列车最大允许速度直接传至车上。信息的传递过程较简单，速度是阶梯式的。(模拟式音频轨道电路)上海地铁1号线采用的是这种模式：2001701303090200170130900100VL出口检查入口检查②距离码车载计算机根据地面传到车上的信息以及车辆自身的固有数据，实时计算出允许速度曲线，并按照曲线进行速度监控。（数字编码音频轨道电路、准移动闭塞）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(2)轨道环线连续式ATC系统（移动闭塞）1965年开始，德国西门子公司开发了世界上首次实现连续速度控制模式的列车运行控制自动系统（LZB系统），该系统利用轨道电缆作为车—地间双向信息传输的通道，利用轨道电路来检查列车占用。1965年在慕尼黑—奥斯堡间首次运用，1992年开通了西班牙马德里至塞维利亚471km高速线。我国武汉轻轨1号线、广州地铁3号线采用的这类系统。①系统的结构系统主要由两大部分组成:车载设备和地面设备。系统组成框图如图所示。中继器实现信息交换与处理a.轨间电缆交叉点形成零电平抗牵引电流干扰与实现列车定位，每隔25米设置一交叉。14位电码表示列车的地址信息方向码中继器代码细地址代码粗地址代码电缆环路代码b.中继器实现车地通信（控制中心与轨道电缆）的中间环节，主要进行信号的频率变换、功率放大。双向频率不一样。c.车载设备•从地面接收相关控制信息，同时可以通过电缆向地面传递列车的运行速度等信息，实现了地面-列车双方向信息传递。同时在机车上显示列车实际速度、目标速度、目标距离、应有速度等。•两个作用：一个是计算出最大限制速度，另一个是根据计算出的速度与实际速度进行比较，实现列车速度监控。控制中心maxvvs允许v允许v列车信息列车信息BA允许v地面控制中心按地理位置存储了各种地面信息(线路坡度、曲线半径、缓行区段的位置与长度等)，此外，沿线的信号显示、道岔位置及列车的有关信息(车长、制动率、所在位置、实时速度等)不断地经过轨间电缆传输到地面控制中心。地面控制中心根据线路状况、列车运行的位置和前后列车之间的运行间距计算出列车允许的最高运行速度、目标速度及制动曲线，并通过轨间电缆将此上述控制信息传递给机车，车载计算机依据地面控制中心的控制信息来控制列车的运行。(3)漏泄波用户信号漏泻波导原理示意图漏泻波导管车载接收发送器轨旁接收发送器(轨旁ATP,-图象数据用户信号(4)无线ATC系统无线通信技术的发展为列控系统地-车信息传输开辟了新的途径，无线通信技术克服了轨道电路由于受到轨道电路传输特性的影响，所能够传输的信息数量受到限制、传输距离不能很长、无法实现双向传输的缺点，因此，成为未来列控系统地-车信息传输的主要发展方向，以无线通信技术为基础实现地-车信息传输的系统，我们称为基于通信的列车控制系统（CBTC），真正实现了移动闭塞。•典型的无线移动闭塞系统由区域控制器、车载控制器、列车自动监控、数据通信系统及司机显示组成。六、ATC的控制模式1、控制中心自动控制模式2、控制中心自动控制时的人工介入控制（CM）3、车站自动控制模式(LC模式)，ATS出现故障时4、车站人工控制模式七、驾驶模式1、列车自动运行驾驶模式（AM模式）：ATO控制2、列车自动防护驾驶模式（CM模式）：ATO不控制3、限制人工驾驶模式（RM模式、如车辆段）：ATP仅仅监视最大速度4、非限制人工驾驶模式（URM模式）：无ATP模式5、自动折返模式（AR模式）第二节ATP子系统基本原理一、ATP的基本概念二、ATP设备的组成三、ATP系统的主要功能四、ATP的基本工作原理一、ATP的基本概念ATP即列车运行超速防护或列车运行速度监督。ATP系统的功能是对列车运行进行超速防护，对与安全有关的设备实行监控，实现列车位置检测，保证列车间的安全间隔，保证列车在安全速度下运行二、ATP设备的组成采用轨道电路传送ATP信息时设备组成？轨旁单元、设于线路上各轨道电路分界点的调谐单元和车载ATP设备组成两套ATP模块（信号处理器和速度处理器）、两个速度传感器和两个接收天线、车辆接口、驾驶室内的操作和控制单元三、ATP系统的主要功能1、ATP轨旁功能ATP轨旁功能负责列车安全间隔和生成报文2.ATP传输功能3.ATP车载功能（1）ATP命令解码（2）ATP传输功能（3）ATP监督功能：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。①速度监督功能＋紧急制动功能速度监督功能是超速防护的基础，是最重要的功能。如果实际列车速度超过允许速度加上一个速度偏差值时，列车实施紧急制动。②方向监督功能监督列车是否“反方向”运行③车门监督功能列车在移动，监督车门是否在关闭状态④报文监督功能报文监督功能是监测从ATP传输功能接收到的报文四、ATP系统的基本工作原理1、计算限制速度2、实际速度3、制动模式1、计算限制速度ATP轨旁单元从联锁和轨道空闲检测系统获得驾驶指令，形成计划数据后传输至ATP车载设备。驾驶指令主要包括目标坐标（目标速度和目标距离）、最大允许线路速度和线路坡度。ATP车载设备通过此数据计算现有位置的列车允许速度。驾驶列车所需的数据经由司机室显示器指示给司机。实际的列车速度和驶过的距离由测速装置连续进行测量。2、实际速度的测定要实现列车间隔与速度的安全控制，首先要及时获取列车运行的速度与列车目前的位置，因此列车的测速与定位是列控系统的关键技术之一①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