城市軌道交通智能控制系統(tǒng)第三次作業(yè).ppt

城市軌道交通 第三次作業(yè) CHENGSHIGUIDAOJIAOTONG 制作 電車二班2010 xxxx文xx Page2 目錄 測(cè)速原理及技術(shù) 01 速度控制 02 列車定位 04 CBTC 05 06 閉塞技術(shù) 03 Page3 一 測(cè)速原理及技術(shù) 城市規(guī)帶交通中的列車速度信息在ATC系統(tǒng)中具有重要的地位 對(duì)列車的控制需要檢測(cè)列車的速度 并由即時(shí)速度測(cè)算出列車位置 將這些信息匯集到控制中心 控制中心根據(jù)線路上列車流量的情況 生成對(duì)車流中各列車和地面設(shè)備的控制命令 店面設(shè)備接收到控制命令后完成相應(yīng)操作 列車更根據(jù)控制命令 結(jié)合列車的速度信息 位置信息 線路地理以及列車狀況等信息 對(duì)列車上的各種設(shè)備進(jìn)行具體的控制 由此可見 幾乎所有的ATC功能的實(shí)現(xiàn)都需要列的速度信息的支撐 Page4 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速 在車輪外側(cè)安裝測(cè)速發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的交流電壓的頻率與列車速度 主輪的速度 成正比 經(jīng)過頻率 電壓的變換 把列車的實(shí)際運(yùn)行速度變化為電壓 脈沖測(cè)速傳感器測(cè)速 在軸承蓋上安裝脈沖傳感器 車輪每轉(zhuǎn)一周 傳感器輸出一定數(shù)量的脈沖或方波信號(hào) 對(duì)輸出信號(hào)計(jì)數(shù)測(cè)出脈沖或方波的頻率 便可換算得出列車的運(yùn)行速度 多普勒雷達(dá)測(cè)速 在車頭位置安裝多普勒雷達(dá) 雷達(dá)向地面發(fā)射一定頻率的信號(hào) 并檢測(cè)反射回來的信號(hào) 由信號(hào)之間的頻率差便可以計(jì)算出列車運(yùn)行方向和運(yùn)行速度 常用的列車測(cè)速方法有 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速 脈沖速度傳感器測(cè)速 多普勒雷達(dá)測(cè)速 Page5 1 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速 輸出電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成比例的微型電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計(jì) 其輸出電動(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系 即E kn 其中k是常數(shù) 改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變 當(dāng)被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時(shí) 只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì) 即能獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速 故又稱速度傳感器 測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種速度或位置控制系統(tǒng) 測(cè)速發(fā)電機(jī)是速度信號(hào)電機(jī)的代表 其工作原理實(shí)質(zhì)上是一種將轉(zhuǎn)速變換為電信號(hào)的機(jī)電磁元件 其輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比 從工作原理上講 它屬于 發(fā)電機(jī) 的范疇 Page6 現(xiàn)代的列車控制功能需要監(jiān)督列車的速度和確定列車與參考點(diǎn)的距離 同時(shí)應(yīng)提供有用的與列車加速度 速度 車軸旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)的數(shù)據(jù) 因此 電子測(cè)速電機(jī)得到了使用 它安裝在車軸上 快速的檢測(cè)轉(zhuǎn)速 數(shù) 分 的變化和旋轉(zhuǎn)的方向 測(cè)速電機(jī)給ATP功能提供輸入信息 該信息對(duì)于計(jì)算列車的速度 距離 方向信息和保證列車安全都是必需的 每個(gè)駕駛室 車載計(jì)算機(jī)單元配置一個(gè)測(cè)速電機(jī) 也就是說每列車需要裝備兩個(gè)測(cè)速電機(jī) Page7 測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在車輪外側(cè) 發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的交流電壓的頻率與列車速度 主輪的速度 成正比 經(jīng)過頻率 電壓的變換 把列車的實(shí)際運(yùn)行速度變化為電壓 測(cè)速發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的頻率與機(jī)車速度之間的關(guān)系是 所以由測(cè)速發(fā)電機(jī)頻率可得機(jī)車速度 式中f 測(cè)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的頻率 Hz V 列車速度 km h D 車輪直徑 mZ 發(fā)電機(jī)的齒數(shù) Page8 為了確保發(fā)電機(jī)線圈斷線的故障 安全 在頻率變換電路中使機(jī)車速度為零時(shí)也產(chǎn)生一定的頻率 這樣就可以區(qū)分機(jī)車速度為零還是故障 當(dāng)頻率為零時(shí) 或某頻率以下 設(shè)備就可以報(bào)警或自動(dòng)停車 頻率 電壓變換電路的原理如下圖所示 在速度增長時(shí) 即交流信號(hào)增大 這時(shí)多諧振蕩器為發(fā)射極耦合觸發(fā)器 其輸出與測(cè)速發(fā)電機(jī)同步 當(dāng)列車速度低于一定值 近似為零 時(shí) 電路由射極耦合觸發(fā)器變?yōu)樽约ざ嘀C振蕩器 車輪直徑越大輸出速度電壓頻率越低 反之越高 因此需設(shè)置一個(gè)車輪直徑補(bǔ)償電路 已消除不同直徑的車輪所產(chǎn)生的差異 Page9 2 脈沖速度傳感器測(cè)速 在軸承蓋上安裝脈沖傳感器 車輪每轉(zhuǎn)一周 傳感器輸出一定數(shù)量的脈沖或方波信號(hào) 對(duì)輸出信號(hào)計(jì)數(shù)測(cè)出脈沖或方波的頻率 便可換算得出列車的運(yùn)行速度 采用霍爾效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的一種測(cè)速方法 其基本原理是對(duì)車輪旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù) Page10 脈沖速度傳感器的基本原理是對(duì)車輪旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù) 因此需在軸承蓋上安裝信號(hào)發(fā)生器 車輪每轉(zhuǎn)一周 發(fā)生器輸出一定數(shù)量的脈沖或方波信號(hào) 對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)計(jì)數(shù) 測(cè)出脈沖或方波的頻率即可得出列車運(yùn)行速度 V 列車實(shí)際運(yùn)行速度 km hD 機(jī)車輪徑N 脈沖速度傳感器車輪每轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)f 測(cè)出的傳感器輸出的脈沖頻率 Page11 霍爾脈沖速度傳感器由鋁盤和霍爾傳感器探頭組成 鋁盤外緣有規(guī)則粘接了若干磁鋼片 鋁盤安裝在機(jī)車動(dòng)輪軸頭的頂端 傳感器探頭安裝在軸箱蓋上 據(jù)采用的霍爾元件不同 一個(gè)探頭可以輸出一路或兩路速度信號(hào) 霍爾脈沖傳感器是采用霍爾效應(yīng)原理測(cè)量轉(zhuǎn)速的 當(dāng)磁鋼片在霍爾元件下方時(shí) 霍爾元件可以探測(cè)到霍爾電勢(shì) 不在下方時(shí)就無霍爾電勢(shì) 當(dāng)鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 霍爾元件就會(huì)產(chǎn)生與鋁盤轉(zhuǎn)速成正比的霍爾電勢(shì)脈沖 通過對(duì)比脈沖分析計(jì)算就可測(cè)得鋁盤轉(zhuǎn)速 霍爾傳感器示意圖 Page12 3 多普勒雷達(dá)測(cè)速 多普勒雷達(dá)測(cè)速裝置 該方法利用多普勒效應(yīng)測(cè)量列車的運(yùn)行速度 在車頭位置安裝多普勒雷達(dá) 雷達(dá)向地面發(fā)送一定頻率的信號(hào) 并檢測(cè)反射回來的信號(hào) 由于列車的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng) 所以檢測(cè)的信號(hào)頻率與發(fā)射的信號(hào)頻率是不完全相同的 如果列車在前進(jìn)狀態(tài) 反射的信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率 反之 則低于發(fā)射信號(hào)頻率 而且 列車的運(yùn)行速度越快 兩個(gè)信號(hào)之間的頻率差越大 通過測(cè)量兩個(gè)信號(hào)之間的頻率差就可以獲取列車的運(yùn)行方向和即時(shí)運(yùn)行速度 多普勒效應(yīng) 物體輻射的波長因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化 在運(yùn)動(dòng)的波源前面 波被壓縮 波長變得較短 頻率變得較高 藍(lán)移blueshift 當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí) 會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng) 波長變得較長 頻率變得較低 紅移redshift 波源的速度越高 所產(chǎn)生的效應(yīng)越大 根據(jù)波紅 藍(lán) 移的程度 可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速 Page13 雷達(dá)傳感器和測(cè)速電機(jī)一起用于速度和距離的測(cè)量 通過使用雷達(dá)傳感器 可以提高速度測(cè)量的精度 如將F 24 125GHz微波輻射到軌道 然后經(jīng)過反射后被雷達(dá)傳感器檢測(cè)到 根據(jù)多普勒效應(yīng) 將會(huì)發(fā)生隨列車速度變化的頻率漂移 由此檢測(cè)實(shí)際列車速度和行駛距離 并且不受車輪空轉(zhuǎn) 打滑的影響 多普勒雷達(dá)測(cè)速方法對(duì)于列車測(cè)速的精度和頻率要求都比較高 采用此種方法的設(shè)備相對(duì)于采用脈沖速度傳感器方法的較為復(fù)雜 如果地面不平導(dǎo)致電波的散射較厲害時(shí) 測(cè)量難度會(huì)加大 但它的優(yōu)點(diǎn)在于克服了車輪磨損 空轉(zhuǎn) 滑行等造成的誤差 可以連續(xù)測(cè)速 Page14 二 速度控制 速度控制模式 在城市軌道交通領(lǐng)域中 列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是依靠控制列車運(yùn)行的速度來實(shí)現(xiàn)的 其特點(diǎn)是列車從地面獲取信息和命令 控制列車運(yùn)行 確保在安全的前提下實(shí)現(xiàn)最小列車運(yùn)行間隔 從列車速度控制方式的角度 列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為階梯式控制和速度 距離模式曲線控制兩種 階梯式控制分超前式和滯后式兩種 速度 距離模式曲線控制分分段曲線控制和目標(biāo) 距離控制 Page15 1 階梯式控制模式 階梯式控制模式是按照制動(dòng)性能最差列車安全制動(dòng)距離要求 以一定的速度等級(jí)將軌道劃分成若干固定區(qū)段 一旦這種劃分完成 每一列車無論其制動(dòng)性能如何 其最小追蹤距離至于其運(yùn)行速度 區(qū)段劃分有關(guān) 對(duì)于制動(dòng)性能好的列車其運(yùn)力將得不到充分的發(fā)揮 所以 這種速度控制模式一般用在運(yùn)量不大 運(yùn)行速度不高的固定閉塞線路 如 日本新干線ATC和法國TVM 300就分別用的這種模式中的超前式控制和滯后式控制 Page16 2 速度 距離模式曲線控制 在速度 距離模式曲線控制中 列控地面設(shè)備向車載設(shè)備傳送目標(biāo) 線路參數(shù) 限制信息等信息 列控車載設(shè)備依據(jù)列車制動(dòng)模型實(shí)際計(jì)算當(dāng)前最大允許速度 并與列車運(yùn)行比較 實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行速度 由于車載設(shè)備按本車實(shí)際性能實(shí)時(shí)計(jì)算控制模式曲線 可以根據(jù)列車實(shí)際性能自行控制其追蹤間隔 使各個(gè)列車的性能得到充分的發(fā)揮 其中的曲線式分級(jí)速度控制模式只適用于運(yùn)行一種性能列車的情況 而對(duì)中 高速混跑運(yùn)行的線路 如果列車制動(dòng)性能相差較大 采用這種模式要想達(dá)到較高的通過能力是比較困難的 法國TVM 430列車控制系統(tǒng)就是采用這種控制模式 目標(biāo) 距離控制模式適用于各種不同性能列車和不同運(yùn)行速度的混合線路 Page17 超前速度控制模式 超前速度控制模式示意圖 Page18 滯后速度控制模式 滯后速度控制模式示意圖 Page19 目標(biāo) 距離模式曲線控制方式 目標(biāo) 距離模式曲線控制方式 Page20 三 閉塞技術(shù) 列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)是依靠控制列車運(yùn)行速度的方式來保證列車按照空間間隔制運(yùn)行的 運(yùn)行列車間必須保持的空間間隔首先是滿足制動(dòng)距離的需要 同時(shí)還要考慮適當(dāng)?shù)陌踩嗔亢痛_認(rèn)信號(hào)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離 列車間的追蹤運(yùn)行間隔越小 運(yùn)輸能力就越大 由此可見 閉塞技術(shù)是解決縮小列車運(yùn)行間隔提高線路的運(yùn)輸效率并保證列車安全運(yùn)行的問題 目前用于城市軌道交通系統(tǒng)的閉塞方式有三種 固定閉塞 準(zhǔn)移動(dòng)閉塞和移動(dòng)閉塞 Page21 固定閉塞 由于以固定的閉塞分區(qū)為單位作為追蹤列車間的安全間隔 現(xiàn)已不適合城市軌道交通發(fā)展的要求 準(zhǔn)移動(dòng)閉塞 閉塞分區(qū)是用軌道電路或計(jì)軸裝置來劃分的 它具有列車定位和占用軌道的檢查功能 在城市軌道交通中使用較普遍 移動(dòng)閉塞 代表目前閉塞技術(shù)的發(fā)展方向 正在發(fā)展完善之中 在我國城市軌道交通系統(tǒng)中已有應(yīng)用 如武漢輕軌一期 廣州地鐵3號(hào)線 北京地鐵10號(hào)線等 Page22 移動(dòng)閉塞 準(zhǔn)移動(dòng)閉塞與固定閉塞比較 Page23 Page24 移動(dòng)閉塞技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 基于通信的移動(dòng)閉塞列車控制技術(shù)是發(fā)展方向 代表了國際最先進(jìn)水平 可實(shí)現(xiàn)雙向 連續(xù)通信 且信息量大 進(jìn)一步縮短行車間隔 提高載客量 可以節(jié)省基建投資 短車 高密度 短站臺(tái) 最大限度減少不必要的制動(dòng) 平衡全線加速 或減速 停站時(shí)間等 實(shí)現(xiàn)節(jié)能 支持無人駕駛 可靠性高 通過對(duì)三種閉塞制式的比較 可以看出相比其他兩種閉塞形式移動(dòng)閉塞具有諸多優(yōu)點(diǎn) 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大 軌道交通所承擔(dān)的運(yùn)輸任務(wù)也將不斷加大 這要求在軌道交通運(yùn)行控制中不斷縮小行車間隔 提高運(yùn)行速度 以達(dá)到提升運(yùn)輸能力的目的 由此必然需要更安全有效的線路閉塞技術(shù) 移動(dòng)閉塞具有諸多優(yōu)點(diǎn) 可以在保證行車安全的基礎(chǔ)上使線路運(yùn)輸能力得到很大的提升 所以 在閉塞技術(shù)中移動(dòng)閉塞是目前主要的發(fā)展方向 Page25 移動(dòng)閉塞主要技術(shù)特征 線路沒有被固定劃分的閉塞分區(qū) 列車間的間隔是動(dòng)態(tài)的 并隨前一列車的移動(dòng)而移動(dòng) 該間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下的所需制動(dòng)距離 加上安全余量計(jì)算和控制的 確保不追尾 采用速度 目標(biāo)距離控制模式 一次控制模式 制動(dòng)的起始和終點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的 后行列車從最高速開始制動(dòng)的計(jì)算點(diǎn)是根據(jù)目標(biāo)距離 目標(biāo)速度及列車本身的性能計(jì)算決定的 目標(biāo)點(diǎn)是前行列車的尾部 與前行列車的走行和速度有關(guān) 是隨時(shí)變化的 軌旁設(shè)備的數(shù)量與列車運(yùn)行間隔關(guān)系不大 Page26 移動(dòng)閉塞基本原理 移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中列車和軌旁設(shè)備必須保持連續(xù)的雙向通信 列車不間斷地向軌旁控制器傳輸其標(biāo)識(shí) 位置 方向和速度 軌旁控制器根據(jù)來自列車的信息計(jì)算 確定列車安全行車間隔 并將相關(guān)信息 如先行列車位置 移動(dòng)授權(quán)等 傳遞給列車 控制列車運(yùn)行 基于移動(dòng)閉塞的ATC系統(tǒng)通過車 地之間雙向 連續(xù) 高效的信息通道 使車載信號(hào)設(shè)備的信息能夠和地面軌旁設(shè)備信息進(jìn)行交換 從而有效地確定列車位置 并計(jì)算出前后列車間的相對(duì)距離 列車間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下所需的制動(dòng)距離 加上設(shè)定的安全距離計(jì)算和控制的 最終確定前后列車的安全追蹤間隔 列車定位 列車位置報(bào)告 軌道空閑檢測(cè)及車 地雙向通信是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞技術(shù)的基礎(chǔ) 列車追蹤是一個(gè)軌旁的安全功能 該功能根據(jù)列車的位置報(bào)告 計(jì)算線路可變空閑狀態(tài) 為移動(dòng)授權(quán)提供依據(jù) Page27 移動(dòng)閉塞的基本原理 列車定位 列車位置報(bào)告 軌道空閑檢測(cè)及車 地雙向通信是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞技術(shù)的基礎(chǔ) 列車追蹤是一個(gè)軌旁的安全功能 該功能根據(jù)列車的位置報(bào)告 計(jì)算線路可變空閑狀態(tài) 為移動(dòng)授權(quán)提供依據(jù) 移動(dòng)閉塞速度控制曲線示意圖 移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的速度曲線是連續(xù)的 不是階梯形的 因?yàn)橄到y(tǒng)信息傳遞不依靠軌道電路 線路不用被固定劃分成閉塞分區(qū) 列車間的間隔是動(dòng)態(tài)的 并隨著前一列車的移動(dòng)而移動(dòng) 制動(dòng)的起始點(diǎn)和終點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的 列車間隔確保不追尾 Page28 移動(dòng)閉塞列車定位 列車定位是移動(dòng)閉塞的基礎(chǔ) 要實(shí)現(xiàn)閉塞區(qū)間的動(dòng)態(tài)移動(dòng) 首先必須實(shí)時(shí) 準(zhǔn)確地掌握列車的位置信息 確定列車間的相對(duì)距離 系統(tǒng)不斷地將該距離與所要求的運(yùn)行間隔距離相比較 確定列車的安全運(yùn)行速度 可以說 沒有準(zhǔn)確的列車定位 就沒有移動(dòng)閉塞 1 軌道電路或輪軸傳感器2 應(yīng)答器 里程標(biāo) 3 衛(wèi)星定位 GPS 4 無線定位5 環(huán)線 交叉 定位6 輔之以車載測(cè)速計(jì)程 Page29 四 列車定位 列車位置信息在列車自動(dòng)控制技術(shù)中具有重要的地位 幾乎每個(gè)子功能的實(shí)現(xiàn)都需要列車的位置信息作為參數(shù)之一 所以說列車定位是列車控制系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié) 使得調(diào)度指揮和行車控制一體化新的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能 更加有效地提高行車效率和安全度 目前 在世界各國軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用的列車定位方式主要有軌道電路定位 計(jì)軸器定位 測(cè)速定位 查詢 應(yīng)答器定位 交叉感應(yīng)回線定位 衛(wèi)星定位 包括GPS定位和GNSS定位 擴(kuò)頻無線電定位 慣性定位 信標(biāo) 極距定位等種類 Page30 列車位置信息在列車自動(dòng)控制技術(shù)中具有重要的地位 幾乎每個(gè)子功能的實(shí)現(xiàn)都需要列車的位置信息作為參數(shù)之一 列車定位是列控系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié) 為保證安全列車間隔提供依據(jù) 為列車自動(dòng)防護(hù) ATP 子系統(tǒng)提供準(zhǔn)確位置信息 作為列車計(jì)算速度曲線 列車在車站停車后打開車門以及站內(nèi)屏蔽門的依據(jù) 為列車自動(dòng)運(yùn)行 ATO 子系統(tǒng)提供列車精確位置信息 作為實(shí)施速度自動(dòng)控制的主要參數(shù) 為列車自動(dòng)監(jiān)控 ATS 子系統(tǒng)提供列車位置信息 作為顯示列車運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)信息 Page31 1 軌道電路定位 在線路設(shè)計(jì)時(shí) 根據(jù)用戶對(duì)列車運(yùn)行密度的要求 將整個(gè)線路用S棒分割成若干個(gè)軌道區(qū)段 并對(duì)所有軌道區(qū)段進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào) 對(duì)線路地形及線路設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化描述后形成線路地圖 儲(chǔ)存在軌旁和 或車載計(jì)算機(jī)中 對(duì)軌道電路占用狀態(tài)的連續(xù)跟蹤 就實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車在線路中所處位置的連續(xù)跟蹤 Page32 軌道電路定位的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 1 軌道電路原理簡單 安全性較高 既可以實(shí)現(xiàn)列車定位 又可以檢測(cè)軌道的完好情況 滿足故障 安全原則 2 軌道電路采用列車的運(yùn)行軌道 鋼軌作為列車定位的信息傳輸通道 這個(gè)通道同時(shí)又可以作為列車ATC信息傳輸?shù)耐ǖ?節(jié)省了大量設(shè)備 具有較高的性價(jià)比 3 技術(shù)成熟 軌道電路是目前使用最多 使用時(shí)間最長的列車定位方法 經(jīng)過幾十年的發(fā)展 積累了豐富的施工 維護(hù)經(jīng)驗(yàn) 4 地理環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 在隧道 地下都可以使用該方法 5 適用速度范圍寬 無論高速還是低速均可使用該方法 缺點(diǎn) 1 定位誤差大 由它所實(shí)現(xiàn)的定位是以軌道電路長度 作為最小定位單元 車在區(qū)段的始端還是終端是無法判斷的 在需要對(duì)列車實(shí)施精確控制的場(chǎng)合 必須輔之以其他的列車定位方式 如測(cè)速定位 設(shè)置信標(biāo)等 2 傳輸距離有限 軌道電路的電氣特性是與傳輸?shù)男畔㈩l率相關(guān)的 頻率越高 傳輸衰耗越大 信息傳輸距離越短 3 設(shè)備維護(hù)量大 繼電器使用壽命有限 平均為1萬次左右 因此維護(hù)費(fèi)用較大 為了保證軌道電路的良好電氣特性 需要經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試與調(diào)整 Page33 2 計(jì)軸定位 計(jì)軸技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為核心 輔以外部設(shè)備 利用統(tǒng)計(jì)車輛軸數(shù)來檢測(cè)相應(yīng)軌道區(qū)段占用或空閑狀態(tài)的技術(shù) Page34 計(jì)軸系統(tǒng)工作原理 電子計(jì)軸器列車定位系統(tǒng)主要包括室內(nèi)和室外兩部分 室內(nèi)部分包括信號(hào)處理電路和計(jì)數(shù)器處理電路 室外部分主要包括地面?zhèn)鞲衅?電纜盒 傳輸電纜等 計(jì)軸點(diǎn)是計(jì)軸系統(tǒng)的車輪識(shí)別點(diǎn) 它位于軌道區(qū)段分界點(diǎn)處 裝在這個(gè)位置上的傳感元件 軌旁設(shè)備 電纜接線盒組成一個(gè)功能單元 稱為計(jì)數(shù)點(diǎn) 因車輪作用而在計(jì)數(shù)點(diǎn)中形成的脈沖或信號(hào)經(jīng)由區(qū)間電纜傳送至位于控制中心計(jì)數(shù)單元 通過對(duì)區(qū)段兩端傳感器計(jì)數(shù)值的比較就可以得到占用情況并判斷出列車的位置 就其功能而言 電子計(jì)軸器是與軌道電路相同 電子計(jì)軸器本身不具備向列車傳輸信息的通道 機(jī)車上要獲取位置信息必須要另外增加信道 Page35 計(jì)軸定位特點(diǎn) 計(jì)軸定位技術(shù)的關(guān)鍵在于車輪識(shí)別點(diǎn) 計(jì)軸點(diǎn) 的可靠工作 要求車輪識(shí)別點(diǎn)能夠適應(yīng)列車高速運(yùn)行的機(jī)械應(yīng)力 牽引電流 磁軌制動(dòng)造成的電磁干擾等 計(jì)軸定位繼承了軌道電路定位的很多特點(diǎn) 和前述的軌道電路法一樣 這種方法的定位安全性較高 精度較差 通常也需與測(cè)速裝置結(jié)合起來使用 由于不依賴于軌道電路 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng) 維護(hù)量相對(duì)較小 但不能作為車 地通信的通道 也無法檢測(cè)斷軌故障 Page36 3 查詢 應(yīng)答器列車定位 基于應(yīng)答 查詢器的定位方法也是廣泛采用的列車定位方式 它可以點(diǎn)式地給出列車定位信息 Page37 查詢應(yīng)答器工作原理 在地面應(yīng)答器內(nèi)存儲(chǔ)地理位置信息 機(jī)車上的查詢器經(jīng)過耦合以后 就可以得到列車的精確位置 顯然 為了準(zhǔn)確定位就必須大量設(shè)置地面應(yīng)答器 采用應(yīng)答器定位技術(shù)的信息傳遞是間斷的 即當(dāng)列車從一個(gè)信息點(diǎn)獲得地面信息后 要到下一個(gè)信息點(diǎn)才能更新信息 若期間地面情況發(fā)生變化 就無法立即將變化的信息實(shí)時(shí)傳遞給列車 因此 應(yīng)答器定位技術(shù)往往作為其他定位技術(shù)的補(bǔ)充手段 如與測(cè)速設(shè)備配合 用地面應(yīng)答器來校準(zhǔn)因測(cè)速設(shè)備產(chǎn)生的累積誤差 Page38 查詢應(yīng)答器定位的特點(diǎn) 可以提供準(zhǔn)確的初始位置信息 精度是可以調(diào)節(jié)的 根據(jù)不同的精度需要安裝應(yīng)答器 但是精度的提高是以犧牲成本為代價(jià)的 維護(hù)量大 沿線分布大量的應(yīng)答器 需要大量的人工 且不便于設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)和線路的養(yǎng)護(hù) 查詢應(yīng)答器既可以實(shí)現(xiàn)列車定位 也可以作為點(diǎn)式信息傳輸?shù)耐ǖ?提供車 地通信 Page39 4 測(cè)速定位 測(cè)速定位就是通過不斷測(cè)量列車的即時(shí)運(yùn)行速度 對(duì)列車的即時(shí)速度進(jìn)行積分 或求和 的方法得到列車的運(yùn)行距離 由于測(cè)速定位獲取列車位置的方法是對(duì)列車運(yùn)行速度進(jìn)行積分或求和 故其誤差是累積的 而且測(cè)得的速度值誤差對(duì)最終距離值的誤差影響也非常直接 利用該種定位方法的關(guān)鍵在于兩點(diǎn) 速度測(cè)量的準(zhǔn)確性和求位移算法的合理性 測(cè)速定位法總體來說屬于相對(duì)定位 它無法獲取列車的初始位置 要獲得列車的絕對(duì)位置僅僅依靠這種方法本身幾乎是不可能的 Page40 5 交叉感應(yīng)回線定位 通常采用的方法是在兩根鋼軌之間敷設(shè)交叉感應(yīng)回線 一條線固定在軌道中央的道床上 另一條線固定在鋼軌的頸部下方 它們每隔一定距離作交叉 中央回線就像一個(gè)天線 當(dāng)列車駛過一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí) 通過車載設(shè)備檢測(cè)環(huán)線內(nèi)信號(hào)的相位變化 并對(duì)相位變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù) 利用信號(hào)極性的變化引發(fā)地址碼加1 由機(jī)車控制中心根據(jù)地址碼計(jì)算出列車的地理位置 并對(duì)從列車轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化的里程記錄進(jìn)行誤差修正 Page41 6 GPS定位 利用GPS實(shí)現(xiàn)列車定位已是一種比較成熟的技術(shù) 只要在列車兩端安裝GPS接收機(jī)和差分誤差信息接收器 接收多顆導(dǎo)航定位衛(wèi)星發(fā)送來的定位信息 就可以計(jì)算出自己確切的位置 從而通過導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)列車的精確定位 衛(wèi)星發(fā)射出無線電信號(hào) 該信號(hào)包括載波信號(hào) 測(cè)距碼 待定位的物體 如列車 上的接收器可以同時(shí)接收四顆以上衛(wèi)星的信號(hào) 根據(jù)測(cè)定這些信號(hào)傳播的單程時(shí)間延遲或相位延遲 進(jìn)而確定從觀測(cè)點(diǎn)至GPS衛(wèi)星間的距離 就可計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)位置 Page42 7 無線擴(kuò)頻列車定位 擴(kuò)展頻譜通信 SpreadSpectrumCommunication 簡稱擴(kuò)頻通信 其特點(diǎn)是傳輸信息所用的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬 擴(kuò)頻通信技術(shù)在發(fā)送端以擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制 在接收端以相關(guān)解調(diào)技術(shù)收信 這一過程使其具有諸多優(yōu)良特性 抗干擾性能好 隱蔽性強(qiáng) 干擾小 易于實(shí)現(xiàn)碼分多址和抗多徑干擾 擴(kuò)頻通信是以各用戶使用不同的擴(kuò)頻編碼來共用同一頻率 采用擴(kuò)頻通信多址方式的頻譜利用率高于采用頻分多址方式的頻譜利用率 而且擴(kuò)頻碼分多址還易于解決增加新用戶的問題 在地面沿線路設(shè)置無線基站 無線基站不斷發(fā)射帶有其位置信息的擴(kuò)頻信號(hào) 列車接收到由無線基站發(fā)送的擴(kuò)頻信息后 求解列車與信息之間的時(shí)鐘差 并根據(jù)該時(shí)鐘差求出與無線基站之間的距離 同時(shí)接收3個(gè)以上無線基站的信息就可以求出列車的即時(shí)位置 可以看出 擴(kuò)頻無線電定位與GPS定位原理幾乎完全一樣 只是將衛(wèi)星 挪 到了地面 由無線基站實(shí)現(xiàn)了GPS衛(wèi)星的功能 Page43 8 IPS列車定位 IPS是慣性列車定位系統(tǒng) InertialPositioningSystem 的英文簡寫 它根據(jù)牛頓力學(xué)定律 通過測(cè)量列車的加速度 將加速度進(jìn)行一次積分后得到列車的運(yùn)行速度 再進(jìn)行一次積分即可得到列車的位置 包括經(jīng)度 緯度和高度 從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車的定位 IPS定位的顯著優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 它不受天氣 電磁場(chǎng)等影響 屬于一種高安全性的定位方式 它隨時(shí)可以采集列車的位置信息 連續(xù)采集 連續(xù)積分 在小范圍內(nèi)其測(cè)量精度也較高 而且用該種方法獲取的信息種類較多 如列車的方向 位置 速度等 這種方法是一種相對(duì)定位方式 必須獲得列車的初始位置信息后方可得到列車的即時(shí)位置 與其他相對(duì)定位方式一樣 它也存在誤差積累的缺陷 所以 這種定位方式一般都是與其他定位方式 如查詢一應(yīng)答器定位 GPS定位等結(jié)合起來使用 可以作為提高定位精度的手段或用來解決某些定位方法固有的缺陷 Page44 9 航位推算系統(tǒng)定位 航位推算系統(tǒng)定位 DeadReckoning 簡稱DR 該定位方法基于相對(duì)位置修正 由于列車的運(yùn)動(dòng)可以看作是在二維平面上的運(yùn)動(dòng) 因此如果已知車輛的起始點(diǎn)和初始航行角 通過實(shí)時(shí)測(cè)量和遞增積累列車的行駛距離和航向角的變化 就可以實(shí)時(shí)推算列車的位置 Page45 航位推算系統(tǒng)原理 航位推算系統(tǒng)由測(cè)量航向角的傳感器和測(cè)量距離的傳感器構(gòu)成 典型的航位推算系統(tǒng)包括位移和航向傳感器 常用的位移傳感器有加速度計(jì) 里程計(jì)等 航向傳感器為陀螺 這些傳感器都稱為慣性傳感器 陀螺測(cè)得的是角速度 需積分得出角度 加速度計(jì)的情況也類似 需2次積分才得到位移 從成本 應(yīng)用環(huán)境和現(xiàn)實(shí)條件等方面考慮 一般采用角速度陀螺和里程儀組成了航位推算系統(tǒng) 航位推算系統(tǒng)傳感設(shè)備能夠測(cè)量出正在行駛的車輛的運(yùn)行距離 速度和方位 在短時(shí)間內(nèi)這些傳感器的精度較高 但如果時(shí)間長就需采取措施 以避免累積誤差 Page46 10 地圖匹配定位 地圖匹配是一種基于軟件技術(shù)的定位修正方法 其基本思想是將列車定位軌跡與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來 并由此確定列車相對(duì)于地圖的位置 地圖匹配技術(shù)的應(yīng)用基于以下兩條假設(shè) 用于匹配的數(shù)字化地圖包含高精度的道路位置坐標(biāo) 以及被定位列車正在道路上行駛 要得到精確的地圖匹配結(jié)果 下列三個(gè)基本要素必須加以考慮 距離要素 即當(dāng)前估計(jì)位置到所匹配路段的距離應(yīng)為最短 方向要素 即相鄰兩匹配位置的連線具有與對(duì)應(yīng)估計(jì)位置連線最接近的方向 連通性要素 即如果前一時(shí)刻的匹配結(jié)果在某一路段 則當(dāng)前時(shí)刻的匹配結(jié)果應(yīng)在同一路段 Page47 地圖匹配定位原理 當(dāng)上述條件滿足時(shí) 就可以把定位數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行軌跡同數(shù)字地圖中的道路位置信息相比較 通過適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別和匹配過程 確定出列車最可能的行駛路段以及列車在該路段中的最大可能位置 一般認(rèn)為用于匹配的數(shù)字地圖誤差不應(yīng)超過15m 由于陸地車輛在除進(jìn)入停車場(chǎng)等地之外的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都處于路網(wǎng)中 因此應(yīng)用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的 采用地圖匹配技術(shù)不僅可以滿足導(dǎo)航功能的需要 還可以利用較高精度的道路信息來修正定位系統(tǒng)的誤差 從而使得系統(tǒng)性能得到改善 其精度取決于地圖的精度和地形的變化情況 Page48 五 CBTC CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng) 借助于先進(jìn)的車 地?zé)o線通信技術(shù) 使得列車運(yùn)行擺脫對(duì)傳統(tǒng)軌道電路的依賴 甚至可以突破新型數(shù)字軌道電路行車運(yùn)行間隔的瓶頸 實(shí)現(xiàn)真正意義的移動(dòng)閉塞 行車間隔大大縮減 增加系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)性 從而提高運(yùn)行與安全性 CBTC以列車與地面的傳輸信息方式來劃分 分無線 環(huán)線 漏纜及波導(dǎo)管等幾種 CBTC系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)控制系統(tǒng) 利用高精度的列車定位 不依賴軌道電路 實(shí)現(xiàn)雙向連續(xù) 大容量的車 地通信 能夠執(zhí)行ATP ATO ATS 常見的CBTC系統(tǒng)一般由車載設(shè)備 軌旁設(shè)備 通信網(wǎng)絡(luò) 控制中心組成 CBTC目前完全被國際上少數(shù)幾個(gè)公司壟斷 帶環(huán)線的CBTC技術(shù)最成熟的是阿爾卡特 無線CBTC技術(shù)最成熟的是龐巴迪 已有較好的開通業(yè)績 西門子 阿爾卡特號(hào)稱已有無線CBTC技術(shù) 但實(shí)際情況是 阿爾卡特剛開了一條獨(dú)軌 拉斯維加斯機(jī)場(chǎng)線無線CBTC系統(tǒng) 但問題較多 已停運(yùn) 尚在完善之中 業(yè)主方有更換系統(tǒng)的意圖 阿爾卡特中標(biāo)的上海地鐵8號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)因故比原計(jì)劃推遲開通一年 西門子是兼并了法國馬特拉公司而擁有了CBTC技術(shù) 環(huán)線的CBTC已有業(yè)績 無線的CBTC至今尚未開通過一個(gè) 在紐約地鐵CBTC系統(tǒng)的改造中 進(jìn)展不快 Page49 CBTC的特點(diǎn) CBTC相比傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)系統(tǒng)有著諸多特性 比如 1 以無線通信系統(tǒng)代替 減少電纜鋪設(shè) 軌旁設(shè)備 降低維護(hù)成本 2 可以實(shí)現(xiàn)車輛與