7城市轨道交通系统概论 教学PPT 作者 李建国 第7章 城市轨道交通系统的构成信号与通信系统

第7章城市轨道交通系统的构成——信号与通信系统第7章城市轨道交通系统的构成——信号与通信系统【学习目标】【教学建议】7.1城市轨道交通信号系统的作用、特点和组成7.2信号基础设备7.3联锁设备7.4列车自动控制系统7.5通信传输系统7.6电话系统7.7无线调度系统7.8闭路电视7.9广播系统7.10时钟系统【实践操作】第7章城市轨道交通系统的构成【评价跟进】第7章城市轨道交通系统的构成ZW.tif【学习目标】1.能掌握城市轨道交通信号与通信系统的概念和作用。2.能说出信号与通信系统中的各个不同功能的系统的作用。3.能说明信号与通信系统中各系统的基本工作原理和相互之间的关系。1、轨道交通信号的作用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。4、轨道交通信号的起源和发展类型信号的起源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。4-1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。4-2色灯信号机上海地铁色灯信号机4-3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。机车信号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。5、闭塞的概念轨道交通运营中安全问题是最至关重要的。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。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。5-1闭塞区段的划分长久以来，均以车站作为闭塞区段1）车站值班员”眼见为实“作为判断标准；2）站间电报、电话多次确定作为允许列车通行的先决条件；3）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。5-2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。5-3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5-4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。5-5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5-6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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。无绝缘轨道电路的应用6、联锁的概念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。6-1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。6-3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。7、城市轨道交通的信号系统——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AutomaticTrainOperationATC系统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。7-1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。7-2ATC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。7-3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7-4向列车传送控制信号目前我国已建成的地铁、轻轨，基本上都采用轨道电路向列车传递控制信息的方式。除采用钢轨或设置环线来连续地传递信息外，也可以通过设置于运行线路上的点式传感器向车上传递点式信息（上海莘闵线）。上海地铁采用的ATC制式共有五种制式1号线：采用美国GRS的ATC系统（模拟）；2号线：采用美国USS(美国钢铁公司）的ATC系统；3、4号线：采用法国ALSTOM（阿尔斯通）公司的ATC系统；5号线：采用SIEMENS公司的点式ATC系统；8号线：采用ALCATEL公司的基于无线通信CBTC系统。不同的ATC系统向列车传送的控制信号上海地铁一号线建于80年代末，当时模拟技术占主导地位，选用了基于模拟音频无绝缘轨道电路的ATC系统，其信息量小且是不连续的。上海地铁二号线建设时，数字技术走向成熟应用阶段，选择了基于数字编码轨道电路的ATC系统，控制中心向列车连续发送“目标速度”。上海地铁三号线的ATC系统，向列车传送的信息内容是“进路地图”的“目标距离”，由车载计算机自己决定运行速度。由于其运量及其车辆性能等原因，上海地铁五号线采用点式ATC系统。广州地铁采用的ATC制式1、2号线采用SIEMENS公司的ATC系统（数字轨道电路）；3号线采用ALCATEL公司的ATC系统（移动闭塞）；4、5号线采用SIEMENS公司的CBTC系统（无线通信）。7-5车地信息传递列车在线信息、车次号信息以及道岔、信号状态信息等，传送至控制中心，通过显示屏及调度员工作站的CRT显示。列车上的车载设备接收并解译地面送来的调度指令和ATP速度命令或距离信息，实现列车的自动运行；并将列车的运行状态和设备状态信息，经车站服务器传送给控制中心。车次多次交换信息保证停车位置准确当列车进入站台区域，站台区段轨道电路的ATP接收器检测到列车到达车站；列车到达停车点，经列车ATO系统确认，保证列车的制动；当检测到列车的速度为零，列车向地面送出列车停站信号，列车收到开门信息，使相应的门控继电器动作；司机按压与门控继电器相对应的门控按钮后，才可打开列车车门。上海地铁停车位地铁一号线停车标记和定位标记（1）地铁一号线停车标记和定位标记地铁一号线停车标记和定位标记（3）地铁一号线停车标记和定位标记北京地铁没有停车标记8、移动闭塞的概念列车运行间隔自动调整亦称移动闭塞。移动闭塞不需要将区间划分成若干固定的闭塞分区，而是在两个列车之间自动调整运行间隔，使之保持一定的安全距离。移动闭塞使两列车之间的间隔最小，从而提高了区间内的行车密度，大大提高区段的通过能力。CBTC（CommunicationBasedTrainControl)CBTC使用的是无线移动闭塞技术，靠移动列车间的通信来实现控制，从而缩短了列车间的安全制动距离。CBTC技术所需要的沿线硬件设备少。CBTC这种特殊闭塞装置具有安全可靠、维修量小、成本低、节省人力、办理闭塞速度快、效率高，还可避免因线路中断而引起闭塞失效等一系列突出优点。从1983年开始，迅速在日本、美国、加拿大、英国、原联邦德国等发达国家的一些小运量的单线区段得到了推广应用。上海地铁8号线也