8 信号控制系统

第8章信号控制系统8.1概述•信号是列车运行的凭证。•信号设施用于指挥和控制列车运行。•尽管投资额在整个工程中所占的比例低（通常在3％以下），但对于提高列车通过能力、提高运能、保证行车安全有着至关重要的作用。•轨道交通信号起源于英国。最早的列车指挥是由一位带绅士礼帽、穿黑大衣和白裤子的铁路员工骑马在前引导运行的，他边跑边以各种手势发出信号指挥列车的前进和停止。1.轨道交通信号的作用•确保列车运行的安全，防止追尾和冲突。•提高运行效率。•实现列车运行的自动化。2.城市轨道交通信号的特点•与轨道交通其他设施、系统一样，信号系统也沿用铁路的概念、设施和手段。•城市轨道交通线路短、站间距小、运营密度大、运营线路条件差（隧道、弯道多），不能完全套用铁路信号的概念、设施和手段。•信号系统要根据城市轨道交通的这些特点加以改进、更新和发展。3.城市轨道交通信号系统组成•轨道交通信号系统是“信号（显示）”、闭塞、联锁“的总称。•轨道交通信号系统是由各类信号显示、轨道电路、道岔转辙装置等主题设备及其他有关附属设施构成的一个完整的体系。一、臂板信号•为确保安全，人们开始研究使用固定的信号设备：用一块长方形的板子，横向线路是停车信号，顺向线路是行车信号。可是，顺向线路的板子实际上很难观察，故又在顶端加块圆板。当必须在晚间开车时，就以红色灯光表示停车信号，白色灯光表示行车信号。•1841年，英国人戈里高利提出用长方形臂板作为信号显示，装设在伦敦车站，这是铁路上首次使用臂板式信号机。8.2轨道交通信号二、色灯信号机上海地铁色灯信号机三、机车信号•将地面信号传递给机车，在司机操作台上显示，这就是机车信号。•在线路条件不好、气候条件不好的情况下，机车信号的作用是不可估量的。•在轨道交通线路中，由于站间距小、运营线路条件差，仅仅靠机车信号显示、由司机来控制机车是很难做到大密度运营的。•较为先进的轨道交通系统已摒弃了“用信号显示指挥列车”的旧有概念，引进了ATC（AutomaticTrainControl）系统，司机台上显示的是反映列车运营的状态。8.3闭塞•列车在轨道交通线路上运行是一维空间的问题，确定列车在线路的确切位置是保证安全的关键，特别是早期没有鉴别手段的情况下。一、闭塞的概念•最简单的确定位置的方法是划分一定长度的“区段”，在某一时间段内，在此区间内只容许一列车占有（运行、停放），这就是“闭塞”的概念。•为保证行车安全，将列车正在运行、停放的线路区段予以”封闭“，不允许其他列车进入此区段，以防止对向列车、后续列车的正面冲突或追尾事故的发生。二、闭塞区段的划分•长久以来，均以车站作为闭塞区段–车站值班员”眼见为实“作为判断标准；–站间电报、电话多次确定作为允许列车通行的先决条件；–各种形式的信号指挥列车运行。•随着轨道交通电路的发展、完善，逐渐改为以轨道电路作为闭塞区段。•城市轨道交通的闭塞现在已开始取消固定”闭塞区段“的概念，从固定闭塞向移动闭塞方向发展。三、人工闭塞•采用路签或路牌作为列车占用区段的凭证，由接车站值班员检查区间是否空闲。•单路签闭塞是早期使用的一种人工闭塞方式，后来发展为电话、电报人工闭塞。四、轨道电路•钢轨是导体，左右两根钢轨可以组成闭合电路，用来检查列车占用钢轨线路的状态，这就是轨道电路。•轨道电路的出现，代表铁路自动信号的诞生。美国人鲁宾逊1870年发明了轨道电路，但真正实际应用于轨道交通中是20世纪30年代。没有列车进入的轨道电路列车进入后的轨道电路五、半自动闭塞•人工开启信号，列车经过时自动关闭信号的闭塞方式。•在进站和出站处各安装一个轨道电路，就可实现半自动闭塞。六、自动闭塞•如果全线分段铺设轨道电路，每段轨道电路都设置信号，在列车占用该轨道电路线路时，信号自动显示红灯；前一段线路信号自动显示黄灯；再前一段线路信号自动显示绿灯。•闭塞区段突破了“站”的限制，若车站区间8Km，一段轨道电路1.3Km，理论上站间可以同时有三列车。自动闭塞示意图轨道电路的连接接头有绝缘接头轨道电路的缺点•有绝缘移频轨道电路的优点是传输距离长、信息量大。•但随着无缝线路的出现，有绝缘轨道电路在运营中的最薄弱环节是其轨端绝缘节，故障率比较高，逐步暴露出其在自动闭塞系统中的不适应性。•因此，需要将有绝缘轨道电路进行无绝缘改造。无绝缘轨道电路•列车进入则产生短路（车轴短路），振荡信号消失，发出另一种信号。•在相连的轨道电路中，使用不同的信号加以区分，可以不相互干扰。•可以区分不同的轨道交通线路区段，进而将控制信息通过轨道电路送到机车上。无绝缘轨道电路示意（1）无绝缘轨道电路示意（2）无绝缘轨道电路示意（3）无绝缘轨道电路示意（4）•轨道电路中再并联一个同样的电路则可以在这个电路中产生振荡信号，这就是接收端。无绝缘轨道电路的应用8.4联锁•联锁的概念是在线路中引进了道岔，线路平面由“一维”变为“两维”后产生的。•为了确定车辆在线路平面中的位置，必须首先确定列车走的线路，既确定“进路”；•若要列车进入确定的线路，则必须扳动相关的道岔；•扳动道岔后，不能让其他人员再扳动这组道岔，即必须“锁定”道岔。•若要司机知道走的线路，则必须给出相应明确的信号。一、联锁定义•联锁——是指为保证行车安全，而将轨道交通线路中的所有信号机、轨道电路及道岔等相对独立的信号设备构成一种相互制约、互为控制的连带环扣关系，即“联锁”关系。二、微机联锁•利用微型电子计算机对车站值班员操作命令及现场设备表示信息进行逻辑计算，以实现对信号机、轨道电路及道岔转辙机等设备进行集中控制的车站联锁设备。8.5.列车自动控制（ATC）系统AutomaticTrainControl•列车自动防护（ATP）子系统AutomaticTrainProtection•列车自动监控（ATS）子系统AutomaticTrainSupervision•列车自动运行（ATO）子系统AutomaticTrainOperation一、ATC系统的概念•ATC系统：列车按地面传送的速度（或距离）信息，自动控制列车运行的信号设备。◆后续列车根据与先行列车之间的距离和进路条件，在车内连续地显示出容许的速度信息，或按设定的运行条件达到容许速度的距离信息。◆根据上述信息，列车自动地控制运行速度，进行超速防护，确保列车高效、安全的运行。•ATC系统自上世纪70年代投入运用至今．经历了三十年的发展，技术日趋成熟，为使列车控制技术经济指标更加合理，世界各国纷纷开发了先进的ATC系统。二、城市轨道交通ATC系统的特点•传统信号系统是通过设置在地面的色灯信号机来传递不同的行车命令，这种制式基本上是依赖司机进行速度控制和调整，依靠司机保证行车安全。•ATC系统将机车信号作为主体信号，传递给列车的信号是具体的速度或距离信息，列车按调度人员设置的时刻表，实现自动运行、自动折返、自动调整停站时分，以及运用程序定位实现列车在车站的停车控制。三、ATC系统的组成•ATC系统的设备组成现场轨旁设备、车载信号设备、控制中心及车站信号设备•ATC系统的功能组成:ATO、ATS、ATPATO—列车自动运行子系统•ATO子系统主要用于实现“地对车控制”，即用地面信息实现对列车驱动、制动的控制。•使用ATO子系统后，可以使列车经常处于最佳运行状态，避免了不必要的、过于剧烈的加速或减速，因此明显提高了乘坐的舒适度，提高了列车准点率及减少轮轨磨损。•ATO子系统与列车的再生制动相配合，可以节省电能的消耗。ATS—列车自动监控子系统•ATS子系统主要实现对列车运行的监督和控制，辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理。•它给行车调度人员显示全线列车的运行状态，监督和记录运行图的执行情况，在列车因故偏离运行图时及时做出反应（提出调整建议或者自动修整运行图）。•通过ATO的接口，向旅客提供运行信息通报（列车到达、出发时间、运行方向、中途停靠站名……）。ATP—列车自动防护子系统•ATP子系统是ATC系统的核心和关键。•ATP子系统具有实现列车的间隔控制、超速防护、进路的安全监控、车门和站台屏蔽门的控制等功能。中央控制室车站控制室车载ATC列车自动防护（ATP）接收天线列车自动防护（ATP）接收天线四、ATC系统的类型ATC系统按闭塞方式分三种类型：•固定闭塞方式的ATC系统•准移动闭塞式的ATC系统•移动闭塞式的ATC系统1.固定闭塞方式的ATC系统•基于模拟轨道电路的ATC系统•固定闭塞式的ATC系统，采用传统的多信息音频轨道电路，按固定方式，根据线路情况．列车特性和固定的速度等级确定闭塞分区长度，列车以闭塞分区为最小行车间隔，且需设防护区段。•其传输的信息量少，对应每个闭塞分区只能传送一个信息代码，即该区段所规定的最大速度码或入口／出口速度码。•列车速度监控一般采用的是闭塞分区出口检查方式，当列车的出口速度大于本区段出口速度时，车载设备便对列车实施惩罚性制动，为保证列车运行的安全，这种滞后的速度检查方式必须要有一个完整的闭塞分区作为列车的安全保护距离。•系统的ATP采用阶梯式控制方式，对列车运行控制精度不高，降低列车运行舒适度，增加司机的劳动强度。限制了通过能力的进一步提高。•固定闭塞分区的划分依赖于指定列车的性能，对线路上有不同性能的列车时，为保证安全，需接最严格条件设计，既影响运行效率也不适应今后列车类型变更。•属二十世纪八十年代技术水平，西屋公司、GRS公司分别用于北京地铁、上海地铁一号线的ATC系统均属此种类型。•轨道电路是将区间线路划分为若干固定的区段，进行列车占用检查和向车载ATC设备传送信息的载体。•列车定位是以固定的轨道电路区段为单位，采用模拟轨道电路方式由地面向车载设备传送10-20种信息，列车采用阶梯式速度控制，称之为固定闭塞。•模拟轨道电路在我国应用的代表产品有：从英国西屋引进的FS-2500无绝缘轨道电路(北京地铁1号线、13号线)；从美国GRS公司引进的无绝缘数字调幅轨道电路(上海地铁1号线)；大连轻轨采用国产WG-21A轨道电路。•从系统整体角度来看，基于模拟轨道电路的ATC系统中各子系统处于分立状态，技术水平明显落后，维修工作量大，制约了列车运行速度和密度的进一步提高，将逐步退出历史舞台。2.准移动闭塞方式的ATC系统•基于数字轨道电路的ATC系统•一般采用数字式音频无绝缘轨道电路(也有采用音频无绝缘轨道电路+感应电缆环线或计轴+感应电缆环线方式)作为列车占用检测和ATP信息传输媒介，具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。•通过音频轨道电路的发送设备向车载设备提供目标速度、目标距离、线路状态(曲线半径、坡道等数据)等信息，ATP车载设备结合固定的车辆性能数据计算出适合本列车运行的速度／距离曲线，保证列车在速度／距离曲线下有序运行，提高了线路的利用率。•系统的ATP采用速度／距离曲线的控制方式，提高了列车运行的平稳性，列车追踪运行最小安全间隔较固定闭塞短，对提高区间通过能力有利。•这种ATC系统，列车仍以闭塞分区为最小行车安全间隔，但根据目标速度和目标距离随时调整列车的可行车距离。•该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车或目标地点所处轨道电路区段边界的距离，不是距前车的实际距离，因此，该种ATC系统相对于移动闭塞系统而言也称为准移动闭塞式的ATC系统。•数字轨道电路采用数字编码方式，地面向车载设备传送数十位数字编码信息，列车可实现一次模式曲线式安全防护，缩短了列车运行间隔，提高了舒适度。•数字轨道电路列车速度控制曲线如下图所示。•采用数字轨道电路的ATC系统，列车可实现一次模式曲线式安全防护，因此称之为准移动闭塞。•数字轨道电路在我国应用的代表产品有美国USSl公司的AF-904无绝缘数字轨道电路(上海地铁2号线、津滨轻轨等)；德国西门子公司的FTGS无绝缘数字轨道电路(广州地铁1、2号线，南京地铁1号线等)。•数字轨道电路的ATC系统采用微电子技术、计算机技术和数字通信技术，延续了轨道电路故障．安全的特点，目前在我国和世界范围内开通运用较多，系统的可靠性和稳定性得到了充分的验证。但数字轨道电路存在以下缺点。①必须具备很强