CTCS系统.docx
《CTCS系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CTCS系统.docx（87页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
CTCS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
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：
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方式，我国的CTCS2级系统采用的就是这种方式。
一）移频无绝缘轨道电路
以UM71及我国ZPW-2000移频无绝缘轨道电路为例，当列车在线路上运行时，移频无绝缘轨道电路可以向列车连续传递载频为1700hz、2000hz、2300hz、2600hz，调制频率为10.3Hz到29Hz，间隔1.1Hz，共18个信息。
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），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。
8-8基于轨道电路的列车控制系统图
二）基于无线通信技术的地-车信息传输
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）。
图8-9基于无线通信技术的地-车信息传输
1.GSM-R移动通信
GSM-R是GSMforrailway的英文缩写，其意为铁路专用全球移动通信系统。
GSM是一种数字移动通信体制,其基础为窄带综合业务数字网络。
基于GSMphase2+标准的GSM－R，是国际铁路联盟（UIC）和欧洲电信标准协会ETSI，为欧洲新一代铁路无线移动通信开发的技术标准。
UIC通过EIRENE（欧洲综合铁路无线增强网络）对各种数字移动通信系统进行了比较，最后决定GSM－R为新一代欧洲铁路无线移动通信基本制式。
欧洲委员会在在900MHzGSM的频率频段上分配4MHz给铁路实施GSM－R。
GSM-R通过保持列车和控制中心的持续联系即“永远在线”，来提供可靠的列车控制数据传输通道。
中国铁路根据铁路运输现代化的需求，也确定GSM-R作为发展铁路专用综合数字移动通信网络的技术体制，正在建设具有无线列调、区间公（工）务通信、公安通信、应急抢险通信和车次号传输、无线机车信号传输通道和列车运行控制系统传输通道等功能的无线通信系统。
铁路专用移动通信网GSM-R与常用的移动通信网GSM之间的主要区别在于所使用的频带（GSM-R有其自身专用频带）及基本结构。
GSM-R是按照铁路专用及必要的优质服务要求建立起来的，它由无线网络、交换网络、及与其他通信网络的接口组成
ØMS-移动通信站
ØBTS-基站
ØBSC-基站控制器
ØMSC-移动通信交换中心
图8-10GSM-R基本结构
除了采用GSM-R技术以外，还有许多无线通信技术可以应用于列控系统。
如：
在磁悬浮列车信号和通信系统中应用了微波传输技术，西门子公司开发的基于2.4GHz扩频专用无线系统的CBTC已在美国纽约地铁应用。
2.轨道电缆
在轨道铺设的感应电缆，通过车载感应线圈和感应电缆的电磁偶合完成信号和数据的传输，地面控制中心系统通过轨道电缆与车载列控设备联系，可以实现列车的闭环控制。
采用这种方式的包括：
图8-11的轨道感应环线和图8-12的漏泄同轴电缆方法。
图8-11轨道感应环线
图8-12的漏泄同轴电缆方法。
四、列车速度控制模式
一）阶梯控制方式技术原理
每个闭塞分区设计为一个目标速度。
在一个闭塞分区中无论列车在何处都只按照固定的速度判定列车是否超速。
阶梯控制方式可不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号，即可实现阶梯控制方式。
因此轨道信息量较少，设备相对比较简单，这种传统的控制方式是目前高速铁路最普遍采用的控制方式。
阶梯控制又分为出口速度检查和人口速度检查两种方式。
出口速度检查控制方式：
该方式要求列车在闭塞分区内将列车速度降低到目标速度，设备在闭塞分区出口进行检查。
如果列车实际速度未达到目标速度以下则设备自动进行制动。
阶梯控制出口速度检查方式示意图见图8-13。
出口速度检查方式由于要在列车到达停车信号处（目标速度为零）才检查列车速度是否为零，如果列车速度不是零，设备才进行制动。
由于制动后列车要走行一段距离才能停车，因此停车信号后方要有一段安全防护区。
入口速度检查控制方式：
列车在闭塞分区入口处接收到目标速度信号后立即以此速度进行检查，一旦列车超速，则进行制动使列车速度降低到目标速度以下。
阶梯控制入口速度检查方式示意图见图8-13。
列车速度控制
图8-13阶梯控制方式示意图
特点：
Ø前后车均以闭塞分区单位进行定位；
Ø在闭塞分区内，车载设备以一个允许速度防护列车；
Ø闭塞分区长度按最差列车制动性能设计。
分级速度制动方式存在以下主要问题：
1）由于线路上运行的各种列车制动性能各异，为了确保安全，系统只能按制动性能最差的列车性能来确定制动距离，这对于制动性能好的列车来说是个损失，影响进—步提高运行密度。
2）ATP制动控制只进行制动和缓解两种操作，不调整制动力大小，因此列车减速度变化大，旅行舒适度差。
分级曲线控制方式：
该方式要求每个闭塞分区入口速度（上一个闭塞分区的目标速度）和出口速度（本闭塞分区目标速度）用曲线连接起来，形成一段连续的控制曲线，曲线控制方式和阶梯控制方式一样，每一个闭塞分区只给定一个目标速度。
控制曲线把闭塞分区允许速度的变化连续起来。
地面设备传送给车载设备的信息是下一个闭塞分区的速度、距离和线路条件数据，没有提供至目标点的全部数据，所以系统生成的数据是分级连续制动模式曲线（即以分级小曲线的变换点连成的准一次制动模式曲线）。
法国TVM430系统采用了这种方式，TVM430是TVM300的换代产品，地面采用UM2000型轨道电路
图8-14分级曲线控制方式示意图
在曲线控制方式下，列车在一个闭塞分区中运行时,列控设备判定列车超速的目标速度不再是一个常数，而是随着列车行驶不断变化，即是距离的函数。
因此列控设备除了需要接收目标速度信息外，还要接收到闭塞分区长度及换算坡度的信息。
TVM430系统的轨道电路可以传递27bit信息，其中目标速度信息6bit，距离信息8bit，坡度信息4bit。
二）速度-距离模式曲线控制方式
速度-距离模式曲线控制是—次制动方式，它根据目标速度、目标距离、线路条件、列车性能生成的目标-距离模式曲线进行连续制动，缩短了运行间隔，提高了运输效率，增加了旅行舒适度。
为了实现这一方式，地面设备必须向列车发送前方列车的位置、限速条件等动态数据，以及线路条件等固定数据。
速度-距离模式曲线控制不再对每一个闭塞分区规定一个目标速度，而是向列车传送目标速度、列车距目标的距离（和TVM430不一样，它可以包括多个闭塞分区的长度）的信息。
列车实行一次制动控制方式。
列车追踪间隔可以根据列车制动性能、车速、线路条件调整，可以提高混跑线路的通过能力。
这种方式称为目标速度——目标距离方式（DISTANCETOGO），是一种更理想的运行控制模式。
图8-15目标距离控制模式基本原理
一、几种列控系统举例
1.点式列控系统
瑞典铁路采用的列车速度控制系统是ABB公司生产的点式列车自动防护系统。
这个系统完全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
式8-1
点式列车运行自动控制系统速度监控曲线
图8-16点式列车运行自动控制系统基本结构图
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EUROBALISE：
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，
点式列控系统从原理上可实现阶梯控制和曲线控制。
点式列控系统优点：
采用无源、高信息量地面应答器，结构简单，安装灵活，可靠性高，价格明显低于连续式列车运行自动控制系统。
点式系统的缺点：
信号追踪性不佳。
它只能在指定的信号点接收信息，如果列车经过某信号点之后，先行列车位置移动，地面信号发生了变化，车上控制系统不能立即知道，而必须等列车到达下一个信号点才能接收到。
因此，点式列控系统限制了列车追踪间隔的进一步减少。
2.轨道环线连续式列车运行自动控制系统
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，现在德国已装备了2000km铁路线，1992年开通了西班牙马德里至塞维利亚471km高速线。
（一）LZB系统的结构
LZB自动列车运行控制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8-17所示。
图8-17LZB系统结构图
1.地面设备
地面设备主要由LZB控制中心、轨间感应环线、轨道电路和轨旁单元等组成。
地面控制中心储存线路参数等固定信息以及区间允许最高速度、限速区段等数据。
控制中心从联锁系统、调度指挥系统接收信号开放条件、线路条件、区间临时限速等信息，通过轨间感应环线接收列车信息（制动类别、列车长度、制动能力等）及列车动态信息，接收上一个控制中心传递来的控制权。
控制中心发送信息包括：
向列车发送控制命令、向下一个控制中心转移控制权、向调度监督中心报告列车位置列车速度等辅助信息。
轨道电缆铺设在轨道上，实现地—车双向通信，地面向机车发送呼叫的电码长83.5位，载频36kHz，传输速率为1200波特；电缆每100m（或50m）交叉一次，交叉点形成零电平用于列车定位。
机车装置向地面发送载频为56kHz的电码，速率600波特，码长41位。
列车占用检查采用FTGS/FTGL两种音频轨道电路，其频率范围为：
FTGS917型9.5～16.5kHz，用于车站
FTGS46型4.75～6.25kHz，用于车站
FTGL48型4.75～8.25kHz，分四个频率用于区间
2.车载设备
车载设备主要由车载计算机单元、感应接收线圈等设备组成，按三取二原理配备。
车载计算机控制单元式控制系统的核心，控制单元主要通过车载感应线圈与地面轨道环线之间相互交换信息，从地面接收相关控制信息，同时可以通过感应线圈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。
LZB系统车内设有主体化机车信号，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。
（二）列车控制的基本原理
如图8-19所示，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，如果列车的运行速度低于最大允许速度，车载防护系统ATP不启动，如果列车的运行速度超过最大允许速度，车载防护系统ATP启动，对列车进行制
升级会员 