1、城市轨道交通信号系统一、概述二、列车自动控制系统(ATC 系统分类三、列车自动控制系统的基本功能四、列车自动控制系统的监控运行模式五、基于无线通信的列车自动控制系统(CBTC 六、影响列车运行能力的因素一、概述城市轨道交通信号系统是整个轨道交通自动化控制系统中的重要组成部分,其作用:1. 保障列车运营安全;2. 提高运输能力;3. 实现快速、有序、高密度行车调度指挥。由于城市轨道交通运营安全、准点率要求高,行车密度大,信号系统一般均采用列车自动控制系统 (ATC ,包括:1. 列车自监控系统(ATS 2. 列车自动防护系统(ATP 3. 列车自动运行系统(ATO 二、列车自动控制系统(ATC
2、分类1. 按列车控制方式可分为:台阶式和曲线式,台阶式曲线式;2. 按闭塞方式可分为:固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞,固定闭塞准移动闭塞移动闭塞。3. 按信息传输方式可分为:点式和连续式,点式连续式。按上述列车速度控制方式、闭塞方式、信息传输方式的不同搭配组合,可组成:1. 点式 ATC 系统(点状的曲线式固定闭塞 ATC 系统2. 固定闭塞 ATC 系统(连续的台阶式固定闭塞 ATC 系统3. 准移动闭塞 ATC 系统(连续的曲线式固定闭塞 ATC 系统4. 移动闭塞 ATC 系统(连续的曲线式移动闭塞 ATC 系统1. 点式 ATC 系统通过安装在两钢轨之间点式应答器向运行中的列车车载设备
3、传送信息,轨道电路(或计轴仅用于检 查列车的占用情况。列车运行获得的信息始终是不连续的,列车必须运行至应答器上方才能获得信息,实现变速,其行车 效率较低。目前作为移动闭塞(CBTC 系统的降级(后备模式使用。 图 1点式 ATC 系统2. 固定闭塞 ATC 系统系指基于轨道电路的自动闭塞方式,闭塞分区由牵引计算来确定,一旦划定固定不变,列车以闭塞分 区为最小行车间隔。闭塞分区由模拟音频轨道电路设备组成,通过钢轨传送地面对列车的单向信息。音频轨道电路作用:1 检测列车位置;2 向运行中的列车连续地传送车载设备所需的控制信息。由于传输信息量少,向列车传送是代表某个限制速度的信息代码,车载设备依据接
4、收到的信息代表的 控制列车运行速度,列车制动控制采用台阶(阶梯方式。 图 2 固定闭塞 ATC 系统从上图可以看出,固定闭塞 ATC 系统必须要有一段完整的闭塞分区,用作列车运行的安全保护距离, 列车运行间隔相对较大,一般列车运行设计最小追踪间隔只能达到 100秒。3. 准移动闭塞 ATC 系统准移动闭塞 ATC 系统是以数字编码轨道电路为基础,也需要通过牵引计算来划分闭塞分区,与固定闭 塞相同列车仍以闭塞分区为最小行车间隔,数字轨道电路作用:1检测列车位置;2向运行列车连续地传送车载设备所需的控制信息。数字编码无绝缘轨道电路具有较大的信息传输量,通过钢轨向车载设备提供目标速度、目标距离、线
5、路状态(曲线半径、坡道等数据等数字编码信息,列车车载设备结合车辆性能数据计算出适合于本列车 运行的速度-距离控制曲线,控制列车在速度-距离曲线下安全运行。从上图可以看出,准移动闭塞 ATC 系统后续列车制动停车点为前行列车所处轨道电路区段边界,相比 固定闭塞列车运行间隔要小,一般列车运行设计最小追踪间隔达到 90秒。4. 移动闭塞 ATC 系统移动闭塞 ATC 系统通常采用无线通信、地面交叉感应环线、 波导管、 漏泄电缆等媒体实现双向车 -地通 信,通过地面应答器矫正列车位置积累误差。移动闭塞 ATC 系统不再划分固定的闭塞分区,根据精确的列车定位以及线路、列车参数等信息,计算 每一列车的运行
6、权限,并动态更新发送给列车,列车车载设备根据接收到的运行权限和自身的运行状态, 计算出列车运行的速度曲线,控制列车在该速度曲线下安全运行。 从上图可以看出,移动闭塞 ATC 系统列车追踪运行的最小安全行车间隔,仅为后续列车指令停车点至 前行列车尾部确认位置之间的安全保护距离,其追踪列车间的安全间隔距离最小,一般列车运行设计最小 追踪间隔可达到 80秒。5. 各种闭塞制式列车运行能力固定闭塞 ATC 系统必须要有一段完整的闭塞分区,用作列车追踪运行的安全保护距离。准移动闭塞 ATC 系统列车追踪运行的最小安全间隔为一个距停车点的安全保护距离。移动闭塞 ATC 系统列车追踪运行的最小安全行车间隔,
7、仅为后续列车指令停车点至前行列车尾部确认 位置之间的安全保护距离。 三、列车自动控制系统的基本功能(一 ATS系统1. 信息采集通过 ATS 车站设备,采集轨旁及车载 ATP/ATO提供的列车占用状态、进路状态、列车识别号、列车运 行状态以及信号设备故障等控制和监督列车运行的基础信息。2. 列车运行自动描述能对正线控制区段内列车识别号(服务号、目的号进行自动追踪,从列车占用转换轨时开始,至终 到站或返回车辆基地离开转换轨结束。列车识别号可由中央自动生成或调度员人工设定,也可由驾驶员在 列车上人工输入。标识号能随着列车的走行,从一个车次窗向另一个车次窗移位显示。3. 自动设置列车进路平时中央计算
8、机根据指定运行图及列车位置,自动生成、输出进路控制命令,传送至车站联锁设备设 置列车进路。需要时:1 中央人工控制由控制中心调度员在调度大厅工作站进行进路和信号机控制;2 车站人工控制由车站值班员在车站控制室操作工作站上进行进路和信号机控制;3 车站自动控制当中央 ATS 设备(含通道故障时,可由车站 ATS 设备根据计划运行图、时刻表或列车识别号自动进 行进路和信号机控制;4. 运行图编制和管理由调度员输入基本数据(各区间运行时间、车站停站时间、运行间隔、起始和终到站等,由计算机 辅助编制完成列车时刻表和运行图。基本运行图编制完成后,按不同种类(包括平日、节假日、特殊情况等存入数据库内,以备
9、调度员随时调用。 在调度员工作站上, 能将当前的实施运行图、实迹运行图用不同颜色在一个画面上显示和打印。 5. 培训和演示能在专用培训 /演示工作站上提供离线培训和演示功能,用于培训及参观显示。6. 自动调整列车运行能够根据列车实际运行的偏离情况,自动生成调整计划供调度员参考。当偏离时间在一定范围内时, 系统能对单列车或多列车进行自动调整;而当偏离时间超过规定的自动调整范围后,以起始或终到站为基 点,对所有列车自动按等间隔运行的原则生成调整计划,经调度员确认后对全线列车进行调整。自动调整或人工调整列车运行需与 ATO 系统结合进行,主要手段有:1调整列车区间走行时间;2调整列车停站时分,控制列
10、车出发时刻;3在车站“扣车”与“放行”;4取消或增加列车。7. 列车运行监视和报警通过中央调度大厅显示屏及调度台工作站, 能对车站及区间轨道区段、 道岔、信号机和在线运行列车、 车辆基地线路等进行监视。当列车运行或信号设备发生异常时,控制中心计算机能自动将有关信息在调度 员工作站上给出报警及故障源提示。8. 故障情况下的降级处理1中心设备故障(1由车站 ATS 设备按自动进路方式控制列车;(2联锁设备按自动追踪进路方式控制列车;(3由车站人工进行进路控制。2车站设备故障(1联锁设备按自动追踪进路方式控制列车;(2由车站人工进行进路控制。9. 终端备通过设在车辆段(停车场的终端设备,向车辆管理及
11、行车人员提供必要信息,便于车辆管理人员编 制车辆运用计划和派班作业,信号楼行车人员为进出段(停车场列车设置进路。10. 事件报告能自动进行运行统计,包括列车运行报告、计划报告、偏移时刻表报告等,并根据需要进行显示和打 印。11. 在操作工作站上,能对不同的操作人员赋予相应的职责、权限,以确保对设备的正确控制。12. 车站 ATS 设备能实现对站台列车发车表示器的控制。(二 ATP 系统ATP 系统是保证列车运行的安全系统,提供列车追踪间隔保护和超速防护,必须符合故障安全原 则。1. 列车运行间隔能连续地对列车位置进行检测,并根据列车位置、线路条件、限制速度、列车进路等信息确定列车运 行的移动授
12、权和最大安全运行速度,保证前行与后续追踪列车之间的安全间隔。2. 超速防护通过无绝缘轨道电路或无线设备等, 能连续地对列车位置进行检测, 并向列车连续地发送必要的速度、距离、线路条件等信息,确定列车运行的最大安全运行速度,实时监督列车的运行速度,在列车超速时提 供常用制动或紧急制动控制。3. 车门控制只有列车停在站台区域规定的停车范围内,才允许向列车发送开门命令;车门均已关闭后,才允许启 动列车。允许开左或右门需符合站台的位置和列车的运行方向。4. 列车移动当列车停车误差超出 ATP 停车窗时 (500mm , 允许列车前进或后退, 一般后退速度不得大于 5km/h, 最大后退距离不得大于 5
13、m 。5. 紧急关闭按钮当按下车站控制室或站台上的紧急关闭按钮,将切断接近区段、离去区段和站台区域速度命令,并须 经人工确认后才能恢复;如有地面信号机,还应切断信号开放电路。6. 车载 ATP 设备驾驶模式1 ATP 监督下的人工驾驶模式2 ATP 限速下的人工驾驶模式7. 车载 ATP 设备具有的主要功能1列车超速防护及报警;2设备故障时实施紧急制动;3列车非正常移动的检测并实施紧急制动;4监督车门的开启和关闭;5向车载 ATO 传送列车实际速度和目标速度等信息;6设备的自诊断、故障报警、记录;列车运行的实际速度、最大允许速度、目标速度、目标距离等信 息存储记录;7具有人工或自动轮径磨耗补偿
14、;8. 联锁备1联锁设备是保证道岔、信号机、区段正确联锁关系的关键设备,必须满足故障安全原则。2 在对正常进路防护的同时, 能根据安全要求自动建立列车进路的保护区段并予以防护,以及能防止 侧面列车冲撞。3 能在操作工作站上对道岔实行单独操作和单独锁闭,对列车开放引导进路,还能对道岔、信号机、 区段等信号控制元素实施封锁,禁止通过该元素排列进路。4能利用操作工作站对轨道和道岔区段设置临时限速。5向 ATP 提供信号机状态、列车进路的设置情况、保护区段的建立、区段临时限速以及区间运行方向 等信息。6 与车站 ATS 设备结合, 能根据车站值班员和中央调度员的指令, 实现车站和中央的两级控制权的转
15、换。在特殊情况下,车站可进行强行站控。根据运营需要,可实现自动或人工控制模式办理进路。7 中央或车站可设置整个联锁区的所有或部分信号机处于自动控制模式状态, 并具有自动选择折返进 路的功能(对多条折返线。(三 ATO系统1. 自动驾驶在 ATP 的保护下,根据 ATS 的指令实现列车的自动驾驶,能够自动完成对列车的启动、牵引、匀速、 惰行和制动的控制。2. 自动调整可根据 ATS 的调整指令无级或有级改变区间走行时间。3. 自动折返与 ATP/ATS结合,实现折返站列车有人或无人驾驶自动折返。4. 停车误差ATO 自动驾驶时的车站程序停车误差不大于300mm 。5. 车门监控能根据停车站台的位
16、置及停车精度对车门进行监控,自动或人工开启车门。车门的关闭通常经人工操 作。四、列车自动控制系统的监控运行模式(一 控制中心调度指挥模式正常情况下列车的运行处于中央自动监控状态。列车在 ATP 的安全保护下自动驾驶和自动调整,调度 员仅监督列车运行及设备的状况,当运行秩序被打乱或特殊情况时,可人工介入。1. ATS自动监控模式在每天开始运营前,调用相应的基本运行图或时刻表,经确认后,作为当天的计划运行图或时刻表自 动控制列车运行。自动监控模式情况下,中央计算机完成以下主要工作:1根据计划运行图或时刻表及列车位置自动生成进路控制命令,传送到车站联锁设备设置列车进路。2自动完成正线区段内列车标识号
17、(服务号、目的地号等的跟踪。3 系统具有列车计划与实迹运行的比较功能和计算机辅助自动调度功能, 即在发生列车运行偏差时, 自动产生调整后的修改运行图,直接或经调度员确认后,作为下一时段的计划运行图自动控制调整列车运 行。列车运行自动调整包括:(1通过运行等级控制,对单个或多个列车的区间走行时分进行调整。(2对车站的列车出发及停站时分进行控制。2. 调度员人工介入模式调度员可在中央人工发出有关命令,对全线的列车运行进行人工干预。1调度员人工调整列车运行列车的实际运行与实施的计划运行图之间发生严重偏差,控制中心调度员可在行调工作站上给出有关 命令,对列车运行进行人工调整。调度员人工介入的列车运行调
18、整包括:(1通过运行等级控制,对单个或多个列车的区间走行时分进行调整。(2对列车在车站的出发及停站时分进行控制。(3对计划运行图进行在线修改,包括“时间平移”,增加或取消列车、改变列车的始发点及始发时 间、调整列车的出入段(场时间等。2人工进路控制行车调度人员根据需要,可在 ATS 行车调度工作站上对车站计算机联锁设备发送进路控制命令,设置 列车进路。3人工设定列车的标识号在车辆段 (停车场 转换轨、 车站股道及折返线上, 列车向中央 ATS 发送识别号, 当识别号与中央 ATS 计算机中的识别号不一致时, 产生报警信息, 行调人员通过行调工作站可对该列车的识别号进行重新设定、修正、删除等作业
19、。(二列车出入段 /场的调度模式车辆段(停车场车辆调度员室根据收到的当日计划运行图,可编制车辆运用和行车计划,进行派班 作业。车辆段(停车场信号值班员根据车辆运行计划及列车计划运行图设置相应的进路,指挥列车出入 段(停车场及库内停车作业。列车在车辆段(停车场外侧转换轨处“登记”进入 ATC 监控区。对于出段(场列车,司机在停车 库内上车后首先输入车组号和司机号,驶入“转换轨”停下时,通过车地通信自动将车组号和司机号传 送到中央,中央赋予相应的服务号,此列车便可进入 ATC 监控区。列车也可在折返线、存车线按上述方式 登记进入 ATC 监控区。(三车站现地控制模式除联锁设备集中站以外,其他车站不
20、直接参与运营控制。车站联锁设备与 ATS 系统结合,实现车站和中央两级控制权的转换。在中央 ATS 系统故障或经车站值 班员申请,中央行调人员同意后,车站 ATS 、联锁系统可改由车站现地控制。在需要的情况下车站值班员可强行取得控制权操纵联锁设备,此时列车在区间的运行时分和停站时分 可依据预先储存的运营时刻表进行。1. 车站自动控制模式1 ATS 正常情况下的自动控制模式在该控制模式下, 值班员可在车站的操作工作站上将部分或所有信号机置于自动状态, 车站联锁和 ATS 设备可根据运行图自动排列进路,而其他联锁操作则由值班员人工操作。2 ATS 故障情况下的自动控制模式在中央 ATS 故障情况下
21、,利用车站一级的 ATS 设备储存的当日计划运行图及接收到的列车目的地号, 自动排列进路。2. 车站人工控制模式1联锁设备的人工控制车站值班员在车站的操作工作站上选用人工进路模式,通过鼠标、键盘等设备排列进路,并可对联锁 控制范围内的信号机、道岔和区段作特殊的设置或操纵。在人工控制的模式下,车站值班员可将常用的正向进路设定为自动追踪状态,当列车进入防护该进路 的信号机所定义的接近区段时,将会自动排出一条固定的列车进路。2现地控制盘(LCP 的操纵在车站值班员认为必要的情况下,可通过按压现地控制盘上的有关按钮,对停于车站股道上的列车实 施“扣车” /“放行”操作。3紧急关闭按钮的操纵车站控制室和
22、每侧站台均设有紧急关闭按钮,一旦车站股道上发生突发事件,按压此按钮后将对进出 站列车实施紧急制动。故障排除后,车站值班员可操作现地控制盘上恢复按钮恢复。4对信号元素的封锁及轨道区段临时限速的设置在车站操作工作站上,值班员可对信号机、道岔、区段等信号控制元素实施封锁,以阻止列车通过该 元素。车站值班员可在操作工作站上对要求的限速区段,设置单一的或多种不同的临时低速区。(四 列车运行模式列车运行模式有列车驾驶和列车折返两种模式。1. 列车驾驶模式列车驾驶模式有列车自动驾驶(ATO 、 ATP 监督下的人工驾驶、限制人工驾驶和非限制人工驾驶四种 模式;通常采用自动驾驶(ATO 模式,需要时可改为 A
23、TP 监督下的人工驾驶模式,这两种模式均为正常的 运营模式。1 列车自动驾驶(ATO 模式车载 ATO 根据接收到的 ATP/ATO数据信息,自动的控制列车加速、匀速、惰行、制动,控制列车在安 全停车点前和规定的站台停车区域停车;人工或自动控制车门的开启,车门的关闭通常由司机根据发车时 间及旅客上下车情况人工完成。2 ATP 监督下的人工驾驶模式列车在 ATP 保护下的司机人工驾驶,司机室的显示面板上给出列车的实际速度、限制速度、目标速度 以及目标距离等信息。 当列车速度接近 ATP 限制速度时, 系统给报警信号提请驾驶员注意。 当速度达到 “制 动触发曲线”, ATP 将对列车实施制动。3限
24、制人工驾驶模式司机根据地面信号显示驾驶列车通常以不超过 20km/h限制速度运行, 一旦列车运行速度超过 ATP 限制 速度则产生制动。4非限制人工驾驶模式非限制人工驾驶模式为切除 ATP 模式,不受 ATP 保护的模式,驾驶员必须使用特殊的钥匙开关才能进 入核模式。2. 列车折返模式列车折返模式有无人驾驶自动折返、 ATO 模式折返和 ATP 模式折返三种。1无人驾驶自动折返在 ATO 驾驶模式下,司机在站台端部按压自动折返按钮,列车可在无人驾驶的情况下从到达站台自动 驶进和驶出折返线,最后进入发车股道。在整个折返过程中无需司机在车上对列车进行监视和操作。 2 ATO模式折返当列车进入折返线
25、停车时,驾驶员需人工转换列车运行方向。其站后折返过程包括:(1旅客下车完毕后,司机关好车门,启动列车以 ATO 自动驾驶方式进入折返线并停车;(2司机关闭本驾驶端信号设备,启动反向驾驶端信号设备;(3反向端驾驶员启动列车,列车按 ATO 自动驾驶方式进入发车股道并停车。3 ATP 监督下的人工驾驶模式折返ATP 监督下的人工驾驶模式折返整个过程与 ATO 模式折返基本一样,所不同的是列车进入折返线和从 折返线出来至站台区停车需司机人工驾驶。五、基于无线通信的列车自动控制系统(CBTC 基于无线通信的连续式列车自动控制方式属于移动闭塞原理的列控系统,其采用了先进的通信和计算 机技术,可连续控制、
26、监测列车运行,代表了目前信号系统的最高技术水平和技术发展方向,近几年来已 在国内外城市轨道交通中大量应用。其主要技术特点:1. 实现车 -地间连续、双向、高速、大容量的数据通信及实时跟随的速度控制。2. 具有较高的列车定位分辨率, 通过准确定位, 实时更新列车的移动授权, 列车最小追踪运行间隔根 据在线追踪列车的运行位置动态确定,能提供更大的线路通过能力。3. 不另增加地面设备实现线路双向列车运行, 有利于线路故障或特殊需要时的反向列车运行控制。4. 轨旁设备大幅度减少, 建设周期可相应缩短, 日常维修工作量减少, 系统全生命周期内运营成本降低。5. 列车运行控制更加精细、平稳性更好,易实现节
27、能控制,提高了乘车的舒适性。6. 摆脱了传统的依靠钢轨传输信息的方式,可免受牵引回流的干扰。7. 无线传播采用重叠覆盖技术, 任意单点无线设备的故障不影响系统的正常工作。 无线局域网产品符 合 IEEE802.11标准,便于备品、备件采购以及降低系统成本。图 7 CBTC系统架构示意图(一 车 -地无线通信传输媒介目前城市轨道交通 CBTC 车 -无线通信的传输媒介主要有无线天线、裂缝波导和漏泄电缆三种,根据现 场条件(如城市景观、高架 /地面区段和隧道结构等可单独使用也可三者结合使用。1. 无线天线方式1空间波传播特性:空气自然传播,衰耗相对较大。2 选用频点及布置:一般选用 2.4GHz
28、频段;隧道内约 200米左右设置一套 AP (接入点 及无线天线, 高架及地面线约 400米设置一套无线 AP 及天线。3安装及维护:轨旁设备安装比较简单,维护工作量较小。4工程投资:价格相对便宜。 图 8 无线天线方式示意图2. 裂缝波导方式1空间波传播特性:波导传输衰耗小,衰耗均匀,无反射波、邻频干扰等。2选用频点及布置:一般选用 2.4GHz 频段,波导管沿线贯通敷设,安装于线路一侧或隧道顶部,最 大传输距离可达到 1600m ,沿线线无线场强覆盖均匀。3安装及维护:轨旁波导与车载天线之间的距离和位置有严格要求,安装精度要求相对较高;波导管 具有链路可靠、维护工作量小。4工程投资:波导价
29、格较贵。 图 9 裂缝波导方式示意图3. 漏泄电缆方式1空间波传播特性:漏缆方式传输衰耗较小,传输衰耗均匀。2选用频点及布置:可选用 200MHz 2.4GHz 的任意频段,漏泄电缆沿线贯通敷设,安装于隧道侧壁 或顶部,最大传输距离达到 600m ,场强覆盖效果均匀。3 安装及维修:沿线敷设漏缆,维修工作量较小。4 工程投资:漏缆价格较贵,工程投资较大。 图 10 漏泄电缆方式示意图(二 基于无线通信的列车自动控制系统的降级控制系统1. 设置降级控制系统的主要原因1建设工期安排偏紧, CBTC 系统无法一次开通投运,需分功能开通投入试运营;2运营阶段, CBTC 车 -地无线通信设备或轨旁 A
30、TP 设备故障,将导致 CBTC-ATP 功能的丧失,需维持 一定密度的列车安全运营。3保障未装备车载信号设备的工程车上线作业的进路安全保护。2. 降级控制系统列车位置检测方式检查轨道占用 /空闲设备主要有:无绝缘轨道电路和计轴轨道电路两种方式。1无绝缘轨道电路室内外设备较多,区段长度受限,设备工作稳定性受道床参数、轨道牵引回流及轨面清洁度影响,需 经常调整、维护工作量相对较大。2计轴轨道电路室内外设备相对简单,不受区段长度限制,维护工作量小。故移动闭塞系统均选择计轴设备作降级控制系统轨道占用 /空闲检查设备。3. 降级控制系统的运行模式降级控制系统运行模式按固定闭塞方式进行间隔控制,列车运行
31、以地面信号显示为行车凭证,可采用 信号机至信号机的进路行车控制方式。1点式 ATP/ATO 运行方式适用于地面设备故障、车载设备完好情况下的行车控制。通过在线路上特定地点设置的点式设备(应 答器 向车载 ATP/ATO 设备发送基于地面信号显示的运行权限信息, 结合列车自身存储的线路数据信息控 制列车按照 ATP/ATO 方式行车。2仅基于联锁级的运行方式适用于地面设备故障或车载设备故障情况下,或未装备 ATP车载设备列车运行的行车控制。司机在无 ATP 的安全防护下采用人工驾驶模式。 图 11 点式 ATP/ATO信息传输示意图(三 正线信号机显示方式CBTC 系统的列车控制等级分为:连续列车控制等级(CTC 级、点式列车控制等级(ITC 级及联锁 列车控制等级(ILC 级三种。其中 CTC 为系统常用列车控制等级, ITC 和 ILC 为降级列车控制等级。 CTC 等级下车载信号为主体信号,降级等级下以地面信号为主体信号。地面信
