列车运行控制系统

列车运行控制系统第一节概述一、发展历程随着铁路运输的任务越来越重，列车运行速度越来越高，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，需要研究列车运行控制系统，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。要实现上述目标，不是简单的设备改进可以完成的，需要解决许多关键技术问题，例如：车－地之间大容量、实时、可靠信息传输，列车定位，列车精确、安全控制等。需要车载设备、轨旁设备、车站控制、调度指挥、通信传输等系统良好的配合才能实现，如果把前面讨论的系统称为传统铁路信号系统，那么，以现代列车运行控制技术为核心的信号系统可以称为现代铁路信号系统。现代信息技术的迅速发展，对铁路信号技术产生了重要影响，为形成现代铁路信号系统提供了条件。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。功能：1.线路的空闲状态检测；2.列车完整性检测3.列车运行授权；4.指示列车安全运行速度；5.监控列车安全运行一、列控系统分类西方发达国家在列控系统研究方面已有较长发展历史，比较成功的列控系统主要有：日本新干线ATC系统，法国TGV铁路和韩国高速铁路的TVM300及TVM430系统，德国及西班牙铁路采用的LZB系统，及瑞典铁路的EBICA900系统等。上述列车控制系统都具有自己的特点、不同的技术条件和适应范围，因此，列控系统可以分成许多类型。（1）按照地车信息传输方式分类：①连续式列控系统，如：德国LZB系统、法国TVM系统、日本数字ATC系统。连续式列控系统的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。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。②点式列控系统，如：瑞典EBICAB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点一连式列车运行控制系统，如：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。（2）控制模式分，分为两种类型：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）按照人机关系来分类，分为两种类型：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）按照闭塞方式：固定闭塞、移动闭塞（5）按照功能、人机分工和自动化程度分：列车自动停车（AutomaticTrainStop简称ATS）系统；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。①ATS。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。国外多种ATS系统补充了简单的速度监督功能，这种系统设备简单，历史悠久，在我国及世界各国铁路至今广泛采用。②ATP。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。这是一种以人（司机）控为主的列车运行安全系统，在欧洲高速铁路上普遍采用。③ATC（又称列车自动减速系统）。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。这种方式很适合于动车组，日本新干线高速铁路采取这种方式。④ATO（又称列车自动驾驶系统）。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。这样的系统已在地下铁道种较广泛采用，在地面铁路干线上，由于运输情况复杂，目前很少采用。二、列控系统的关键技术Ⅰ、列车测速与列车定位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，测速和定位的精度从根本上制约着列车运行自动控制系统的控制精度，测速测距的精度太低，不仅会增加行车的不安全因素，而且会造成系统预留的安全防护距离过大，从而影响运输效率。一）、列车测速方法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1）测速电机方式测速电机包括—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。2）脉冲转速传感器方式如图6-2，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。轮轴脉冲转速传感器测速基本公式为：式（8-1）其中：π=3.1416；D为车轮直径n为车轮转速图8-1脉冲转速原理图脉冲转速传感器隔离限幅整形频率测量和计算速度、距离参数6.3/nDV图8-2脉冲转速传感器安装图测速电机方式以模拟技术为基础，存在不可避免的缺陷，影响了测试精度，正处于被逐步淘汰的过程中，轮轴脉冲转速传感器方式将成为作为主流产品。由于列车在运行过程中存在空转、滑行现象，所以，以轮轴旋转推算速度不可避免的会产生误差，随着卫星测速、雷达测速等无线技术的发展和应用，人们又提出应用无线技术直接检测车体速度的方法。无线测速方法逐步受到重视。成为未来列车测速的首选方式。2.无线测速方式无线测速定位方式抛开轮轴旋转产生的速度信息，利用外加信号直接测量车体的速度和位置，因此又称为外部信号法。目前提出的有雷达测速方式和卫星定位方式等。由于这类方法不由轮旋转获得信息，因此能有效地避免车轮空转、滑行等产生的误差，但精度受到无线电波的传播特性等素的影响。这一类方法包括雷达测速方式、GPS测速定位方式等。1）雷达测速方式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。在机车上安装雷达，它始终向轨面发射电磁波，由于机车和轨面之间有相对运动，因此在发射波和反射波之间产生频差，通过测量频差可以计算出机车的运行速度，并累计求出走行距离。图8-3多普勒雷达安装示意图2）GPS测速定位方式GPS（全球定位系统）是美军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。图8-4GPS定位示意图二）、列车定位方法列车定位是列控技术的重要部分，有许多方法可以实现列车定位，比如：知道了初始点，利用列车测速信息可以获得列车位置信息，采用GPS技术不仅可以获得列车速度也可以获得列车位置信息，通过地面设备向列车传输信息时，地面设备的位置也可以使列车获得位置信息。因此，如图8-5所示，列车定位可以综合采用几种方法获得，并互相校正融合以计算出相对精确的列车位置信息。图8-5是列车定位的融合示意图。图8-5列车定位的融合示意图前面所述的轮轴传感方法可以获得列车位置信息，但是由于列车的车轮空转、滑行等因素，不可避免的会产生累积误差，因此，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为地面绝对信标，可以作为地面绝对信标的定位方法包括：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1.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。8-6绝缘节作为绝对信标示意图2.计轴器定位方法与轨道绝缘节设置相同，计轴传感器安放也是固定的，通过计轴器检测的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。图8-7计轴定位方法示意图3.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。4.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。上述几种设备的原理已在轨道电路一章介绍，本节不再详细介绍。Ⅱ、地—车信息传输技术对高速行驶列车的控制，车载列控设备需要获得从地面控制中心发送的行车控制命令、前方列车的位置、速度、前方线路条件等信息，这些信息都是从地面发送到列车上，因此，地-车信息传输通道是列车运行自动控制系统的重要组成部分，没有良好的地-车信息传输通道，自动控制列车是不可能的。地车信息传输的分类地面信息传递到车上目前有三种方式，一种是连续式传递信息方式，能连续不断地将地面信息即列车间隔、线路容许的速度等情况及时地向车上反应，使司f1f3f5f2f4f6f1f3f5f6f4f2甲站乙站分区1分区2分区3分区4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）机随时掌握列车速度，有利于保证行车安全和提高行车效率。另一种为点式传递信息方式。点式信息传递方式有感应器、环线或应答器方式，它是在列车行进的线路上设置若干感应点，当列车经过感应点时，将地面信息传到车上。上述两种地面信息传递方法中，连续式传递信息方式由于列车能够不间断的获取地面信息，因而使列车能够得到更实时的控制，点式信息传递方式当地面信息发生变化时，列车只能感应点时才能得到信息，因此实时性稍差。但是当连续传递信息方式所能传输的信息量受到限制（如：移频轨道电路只能传输18种信息），不能满足控制列车需要时，就需要采用第三种方式，即连续叠加点式信息传输