信号控制系统.ppt

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1、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、

2、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

3、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（Automatic Train Control）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

4、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

5、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

6、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

7、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；

8、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Automatic Train Control,列车自动防护（ATP）子系统 Automatic Train Protection列车

9、自动监控（ATS）子系统 Automatic Train Supervision列车自动运行（ATO）子系统 Automatic Train Operation,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

10、。,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、ATP,ATO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

11、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

12、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

13、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、

14、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-21 A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

15、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

16、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

17、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。必须具备很强的抗干扰能力。轨道电路中ATc信息电流一般在几十毫安至几百毫安，而列车牵引回流最大可达4000 A。受轨道电路特性限制，只能实现地面向列车的单项信息传输，信息量也只能到数十比特，限制了ATC系统的性能。与牵

18、引供电专业的设备安装相互影响。信号设备和牵引供电设备都需要安装在轨道上，2个专业设备的安装必须相互协调，否则会相互影响对方系统的性能。无法进行列车精确定位。只能按轨道电路区段对列车进行定位，一般区段长度为30300 m，对缩短列车运行间隔有一定的限制。,3.基于移动闭塞方式的ATC系统,基于通信的列车运行控制系统(CBTC)移动闭塞式的ATC系统不依靠轨道电路，而是采用交叉感应电缆、漏缆、裂缝渡导管或扩频电台等通信方式实现车地、地车问双向实时的数据传输来检测列车位置，使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息和列车运行其它信息，并据此计算出每一列车的运行限制速度，并动态更新，发送给列车，列车

19、根据接收到的运行限制速度和自身的运行状态计算出列车运行的速度距离曲线，车载设备保证列车在该曲线下运行。因此，在保证安全的前提下，能最大程度的提高通过能力。采用通信技术的移动闭塞系统已处于实用阶段，其中利用交叉感应电缆方式的移动闭塞系统已有较成熟的使用经验，采用无线扩频电台、裂缝波导臂等方式的移动闭塞也有工程实例。,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（Communication Ba

20、sed Train Control),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。,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号线也准备采用这种闭塞形式。,CBTC的特点是前、后列车都采用移动定位方式，通过安全数据传辖。将前行列车的位置信息安全地传递给后续列车，可实现一次模式曲线式安全防护，并且其防护点

21、能够随前车的移动而实时更新，有利于进一步缩小行车间隔，提高运输效率，称之为移动闭塞。CBTC系统列车速度控制如图所示。,无线通信的传输方式,无线通信的传输方式很多，目前国内主要采用的有4种方式。无线AP传输方式：采用沿着轨道方向的无线定向天线，传输距离可以达到200400 Ill o优点是安装简单。施工方便，成本低。缺点是无线场强分布不均匀。漏缆传输方式：沿着同轴电缆的外部导体周期性或非周期性配置开槽口，电信号在该电缆中传输的同时，能把电磁能量的一部分，按要求从特殊开槽口以电磁波的形式放射到周围的外部空间，既具有传输线的性质，又具有无线电发射天线的性质。优点是场强覆盖均匀、适应性强、电磁污染小

22、等。缺点是成本较高。,波导管传输方式：波导管是一种双向数据传输的无线信号传输媒介，具有传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强等特点。缺点是工艺复杂，受环境湿度影响较大。感应环线方式：通过轨道铺设交叉感应环线，实现无线通信。,移动闭塞系统于上世纪六十年代业已开发，并逐渐形成了交叉电缆形式的移动闭塞系统，随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展给予其技术的新生，目前已有很多国外公司成功开发了移动闭塞系统。尤其是随着欧洲铁路ETCS统一标准的制定，基于通信的移动闭塞系统将逐步成为信号领域的新一代系统,在我国已经开通使用的武汉轻轨和广州地铁3号线是采用加拿大阿尔卡特公司的Sel Trac MB

23、系统用感应环线实现车地信息双向传输；北京地铁10号线和奥运支线、广州地铁4号线采用德国西门子公司的Trainguard MT用点式AP实现无线信息传输；北京地铁2号线改造、机场线采用法国阿尔斯通公司的URBALISTM。用波导管和点式AP实现无线信息传输。广州地铁5号线、广佛线，上海地铁6、7、8、9号线，北京地铁4号线，沈阳地铁1、2号线成都地铁1号线等也都选择了基于点式AP无线通信的CBTC系统，它已经成为我国城市轨道交通信号系统选型的主流制式。,移动闭塞方式尽管一些系统硬件设备较少，但软件复杂基于无线通信技术的ATC系统不依靠轨道电路检测列车位置和向车载设备传递信息，而是利用无线通信技术

24、。通过车载设备、现场的通信设备与车站或列车控制中心实现信息交换完成速度控制。这种ATC系统能够实现高速度、大容量的车地双向通信。,由于没有预先设置的闭塞分区，不以固定闭塞分区为列车追踪的最小单元。因此，列车追踪运行的最小安全间隔为安全保护距离；列车的最小正常追踪运行间隔为安全保护距离加最高允许速度下使用常用制动直至停车的制动距离。该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车尾部的实际距离。因此，根据目标速度和目标距离随时调整的列车可行车距离是“连续式”的，不向准移动闭塞系统的“跳跃式”。因此，列车的追踪间隔和列车控制精度只取决于线路特性、停站时分、车辆参数，使得系统较准移动闭塞系统具有较大的运用灵

25、活性和较小的行车间隔。,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。,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）。,