國外列車控制系統(tǒng)調(diào)研

1、國外列車控制系統(tǒng)調(diào)研 1國外列控技術(shù)綜述1.1 歐洲列車控制系統(tǒng)etcs 是歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng) （英文縮寫 ertms, 全稱 european railway traffic management system)的核心。 etcs 涉及一系列關(guān)于可操作的技術(shù)文件、標準、規(guī)范和概念，范圍從地面設備到車載設備，從功能需求到系統(tǒng)需求，從運營到接口，從通信協(xié)議到信息碼的格式， 包括了信號安全和列車控制的各個方面。該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，能根據(jù)功能需要和運營條件靈活配置系統(tǒng)。歐洲列車控制系列標準分為1-3 級。etcs 各級向下兼容，即3 級可以用于2 級，2 級可以用于 1 級。etcs 還可通過特

2、定傳輸模塊讀取現(xiàn)有設備信息，實現(xiàn)與現(xiàn)有列車控制系統(tǒng)的兼容， 從而實現(xiàn)了同一列車在不同級別鐵路上不停留的跨國運輸。1a 系統(tǒng)以傳統(tǒng)信號設備為主，增加“ 歐洲標準應答器 ” （簡稱應答器），是一種點式傳遞信息、 用車載計算機進行信息處理、 最后實現(xiàn)列車超速防護的列車運行控制系統(tǒng)。區(qū)間仍按傳統(tǒng)原則劃分固定閉塞分區(qū)， 配備軌道電路或電子計軸器。區(qū)間地面設置色燈信號機， 在信號機旁及在其他關(guān)鍵的場合設置應答器。信號機旁的應答器通過軌旁電子單元與信號機相連，其作用是把地面信號的顯示以及區(qū)間的地理數(shù)據(jù)（如坡度、限速情況等）傳給機車。車載設備有接收天線、數(shù)據(jù)處理單元、顯示與記錄單元以及與列車制動機相連的接口等

3、。軌道上安裝的應答器還和地面控制中心相連。 列車通過應答器時測出列車位置并將信息傳送到控制中心，控制中心為運行列車計算新的運行權(quán)限，并將其發(fā)回應答器。 當列車經(jīng)過應答器時，列車天線接收檢測設備接收到新的運行權(quán)限和數(shù)據(jù)，車載計算機計算運動曲線，確定下一個制動點， 并將這些信息顯示給司機。 1b 系統(tǒng)與 ia 基本相同，只是 1b 系統(tǒng)增設了 “ 歐洲標準環(huán)線 ” （簡稱環(huán)線）輔助應答器。環(huán)線采用單根漏泄同軸電纜，固定在鋼軌內(nèi)外側(cè)。這樣把點式數(shù)據(jù)傳輸方式變?yōu)榘脒B續(xù)傳輸方式，etcs 就可以不完全受地面閉塞分區(qū)分割的局限，車載設備可提前收到允許運行的距離，計算出新的制動點，避免頻繁制動，提高運輸效率

4、。2 級系統(tǒng)不采用傳統(tǒng)的閉塞設備和地面色燈信號機，但區(qū)間線路仍裝有軌道電路或其它區(qū)間檢測設備， 按分區(qū)逐段檢查列車的占用情況。區(qū)間的列車運行由無線閉塞中心（英文名縮寫為rbc)控制。 rbc 不斷監(jiān)控各段線路的列車占用，接收中央調(diào)度中心傳送的指令， 控制信號設備工作， 并隨時把信息發(fā)送給運行列車。應答器作為電子公里標志僅用于列車定位。車對地以及地對車的雙向數(shù)據(jù)不間斷地傳輸，通過鐵路專用移動通信網(wǎng)gsm-r 實現(xiàn)。3 級系統(tǒng)與 etcs 2 級系統(tǒng)一樣，信息傳輸采用gsm-r ，但不劃分閉塞分區(qū)，不設信號機和軌道檢查設備。列車運行控制功能集中于車上，按照列車的絕對制動距離（加安全距離）控制列車運

5、行，即移動閉塞。地面應答器僅用于修正列車定位，列車位置由列車經(jīng)無線報告給rbc 和調(diào)度中心，并由rbc 傳送至后續(xù)列車，實現(xiàn)間隔控制。 3 級系統(tǒng)的關(guān)鍵性功能是車載設備能通過列車局域網(wǎng)實現(xiàn)列車完整性檢查。 中央調(diào)度中心確定列車進路和列車群運行秩序。車載設備根據(jù)與前方列車之間的距離、速度要求等，自動控制列車的運行。1.2 日本新干線列車控制系統(tǒng)1. 地面設備主體多段式atc 以往 atc 系統(tǒng)是地面為主體的系統(tǒng)。 與先行列車的距離或線路條件決定了列車運行速度，表示這個速度的信號由atc 地面裝置以模擬形式發(fā)送到軌道；列車接收到這個信號后， 這個信號表示速度與列車的速度比較，列車實施制動， 自動減

6、速到該信號所表示的速度。 它是從地上裝置經(jīng)軌道電路發(fā)送速度信號，車上裝置接收，將列車的速度與該速度信號對照， 當超過速度信號時即進行自動制動。由于各信號段分別進行制動、 緩解，而且軌道回路的距離由最低減速性能車輛決定，因此控制效率低，到達時間延長，運轉(zhuǎn)間隔增加。由于是多段制動控制，要使列車停止，速度分為幾個階段。表示限速的atc信號所在區(qū)間與列車速度比較，比列車速度低時實施制動。 這種階段的控制， 在軌道電路單元中進行，對應各軌道電路制動控制的空走時間，包括了空走距離，延緩了運輸時間；制動中多次的制動和緩解沖擊，乘坐舒適性不好。2. 車載主體數(shù)字一段式atc 在這里，地面裝置以數(shù)字形式發(fā)送列車

7、應停止位置的信息，取代多段式 atc中的速度信號。 車上裝置基于這個停止位置和列車當前位置，檢索車載數(shù)據(jù)庫得到停止位置的速度曲線， 由速度曲線和列車位置求出容許速度， 與列車速度比較，采取適當?shù)闹苿哟胧?這里，具有地上主體系統(tǒng)向車載主體系統(tǒng)的變化，運用了以往系統(tǒng)所沒有的車載列車位置檢測、速度曲線檢索和atc 信號數(shù)字傳輸?shù)募夹g(shù)。車上主體型， 容許速度在車上計算， 構(gòu)成容許速度判斷的固有數(shù)據(jù)由地面以atc 信號傳送。這樣，不同制動性能的列車在走行區(qū)間，根據(jù)列車的性能能夠進行有效的制動。另外，車上主體型，車上形成制動曲線，什么地點開始制動控制，什么地點停止，在車上決定，能采取考慮乘坐舒適性的制動

8、控制。1.3 北美鐵路的列車控制系統(tǒng)的發(fā)展1. 先進列車控制系統(tǒng)上世紀 80 年代起，美國鐵路開始研究不用軌道電路和路旁信號機，采用無線技術(shù)和計算機技術(shù)，通過人造衛(wèi)星和雷達控制鐵路行車的先進列車控制系統(tǒng)(atcs） 。由列車本身檢測列車所在位置，通過無線通信將列車位置信息送到地面，地面中心根據(jù)來自各列車的位置和站內(nèi)進路狀態(tài)等信息，決定列車可以安全運行的區(qū)間和速度， 并通過無線通信報告列車， 列車再根據(jù)來自地面的信息以及線路坡度、列車制動能力等數(shù)據(jù)計算出安全運行的速度。2. 基于通信的列車控制系統(tǒng)1987 年，北美鐵路成立的航空無線股份有限公司開始了基于無線的列車控制技術(shù)（ cbtc ）的研究，

9、為先進列車控制系統(tǒng)制定工業(yè)標準，制定通信專業(yè)協(xié)議。上世紀 90 年代，先進列車控制系統(tǒng)命名為精確列車控制，1996 年起，美國鐵路部門合作開始了cbtc 的系統(tǒng)和標準化的研究?；谕ㄐ诺牧熊囎詣涌刂圃诿绹胁煌南到y(tǒng)：精確列車控制系統(tǒng) （pto） 、精確列車定位系統(tǒng) (pts)、列車自動控制系統(tǒng) (atc)和先進列車自動控制 (aatc)系統(tǒng)等。列車控制發(fā)展的主體是通信與信號的結(jié)合。itcs 系統(tǒng)的開發(fā)自1994 年開始，是結(jié)合位于美國密西根洲東北走廊的提速改造工程開展的設計，設計目標為時速250km ，全線長 200 多公里。系統(tǒng)于1998 年開始試運行， 2000 年投入商業(yè)運行。 該線路

10、原有傳統(tǒng)閉塞最高時速126 km，采用 itcs 后時速已達 145km （受線路條件限制）。計劃于 2005 年底開行時速 195km 。系統(tǒng)安全認證項目于2004 年至 2005 年進行。itcs 信號系統(tǒng)采用了一體化的設計思想，集自動閉塞、車站聯(lián)鎖控制和列車運行超速防護控制于一身。itcs 可以和既有聯(lián)鎖系統(tǒng)接口來獲取道岔位置、信號的顯示以及軌道占用情況。 它采用雙向連續(xù)的車地無線通信，以車載信號作為列車運行的主體信號控制列車運行。itcs 系統(tǒng)通過實時監(jiān)測列車運行、當情況發(fā)生變化向司機提供報警、 并且在需要時通過對列車實施制動來保證行車安全的。itcs 的主要特點和優(yōu)勢 : 采用虛擬閉

11、塞技術(shù)，在對線路運輸能力的要求發(fā)生變化時，可以通過增加虛擬信號機來適應運輸?shù)男枨?；可以在設備保證安全的條件下，提高行車安全度和行車密度；軌旁設備少，設備可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)先進、成熟，維修量小。北美聯(lián)合精確列車控制（najptc) 是這種新一代系統(tǒng)的代表。系統(tǒng)采用全球定位系統(tǒng)進行列車定位， 沒有線路旁的設備， 控制中心接受列車發(fā)送來的位置信息，經(jīng)處理立即發(fā)出列車速度限制和列車前行的授權(quán)指令。najptc采用多級的閉環(huán)結(jié)構(gòu)原則，通過無線網(wǎng)絡、中央服務器對每節(jié)列車的位置、 運行計劃等發(fā)出指令。 每節(jié)列車各自確定自己的位置，按周期發(fā)給服務器，服務器及時響應修訂列車運行指令。為確定位置和速度限制，

12、 每個列車裝有軌道圖，在 l0km 的范圍內(nèi)以滾動圖形的方式顯示線路、坡度、運行命令和速度限制等。 當列車接近速度限制時， 機組人員及時得到報警， 如不能采取相應的措施， najptc會自動制動。有集成（固定閉塞）和獨立（移動閉塞）兩種操作方式。前者和線路旁的信號結(jié)合起來，通過信號監(jiān)視，對列車運行發(fā)出命令。后者主要根據(jù)列車位置和地面障礙發(fā)出列車運行命令，可以在沒有軌道電路或線路旁信號的情況下使用。采用多種傳感技術(shù)的車上定位系統(tǒng)和gps 定位系統(tǒng)結(jié)合起來，保證了系統(tǒng)的安全性能。1.4 小結(jié)中國 ctcs 技術(shù)參照了歐洲etcs 系統(tǒng)并根據(jù)中國鐵路需求做了修改，ctcs-2 通過 zpw2000

13、軌道電路檢測列車的位置， ctcs 地面設備據(jù)列車占用情況和運營計劃通過軌道電路+應答器向列車連續(xù)發(fā)送行車命令，由列控車載設備實現(xiàn)列車運行的安全控制。 ctcs-2 級相比 etcs-1 增加了軌道電路傳送列控數(shù)據(jù)，彌補了 etcs-1 信息不連續(xù)的缺點。北美列控系統(tǒng)的技術(shù)體系和歐洲、日本有很大的不同， 北美 cbtc 系統(tǒng)不需要軌道電路、 軌旁信號機、 應答器等設備， 依賴于列車精確定位和無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)對列車的控制。 cbtc 系統(tǒng)在高速鐵路上沒有得到廣泛應用（中國青藏鐵路采用了 ge 的 itcs 系統(tǒng)） ，但北美 cbtc 系統(tǒng)中列車精確定位技術(shù)值得借鑒。2列控定位技術(shù)2.1 北美聯(lián)合

14、精確列車控制(najptc ) 項目najptc 通過將慣性傳感器與差分全球定位系統(tǒng)(dgps) 、 測速儀讀數(shù)與地圖匹配的結(jié)合使用。 najptc 車載定位系統(tǒng)提高了非衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的推算定位能力(如隧道或峽谷 )。極大地提高了軌道處理能力、改進了未使用慣性傳感器鐵路網(wǎng)絡的故障狀態(tài)的監(jiān)測能力。位置確認、軌道鑒別與進入點保護是najptc 的難點。 najptc 系統(tǒng)使用了下圖所示的各種技術(shù)。充分發(fā)揮各自的功能。n a j p t c 定位系統(tǒng)采用多傳感器、慣性導航系統(tǒng) (ins) 設計。包括綜合自測安全功能。一旦超出慣性導航系統(tǒng)的信號覆蓋范圍，慣性導航系統(tǒng)構(gòu)件利用推算定位使系統(tǒng)繼續(xù)工作。多傳感

15、器定位系統(tǒng)通過 gps輸出提高軌道鑒別及推算定位能力2.2 北美先進列車自動控制(aatc) 項目無線電測距通過往返時延計算距離多電臺提高測量精度2.3 日本 sparcs 系統(tǒng)圖 4 一次測距時間片內(nèi)的測量值圖 5 確定列車位置的原理sparcs 具有高安全性、高可靠性的位置檢測功能。列車初始位置檢測通過應答器和無線測距功能加以實現(xiàn)，并向系統(tǒng)登錄列車位置。由車輪傳感器 （tg ）獲得的相對位置信息和無線測距得到的連續(xù)絕對位置信息來確保測距的安全性和可靠性。 用無線測距信息 tg 相對位置信息應答器絕對位置信息道岔開通方向信息實現(xiàn)列車的位置跟蹤，通過記錄和管理系統(tǒng)中登錄列車的在線信息確保行車安全。 通過車載電臺與 2 個無線電臺之間電波傳播的時間來計算列車與電臺之間的距離，如圖4所示，在ts0 時刻，電臺a向電臺 x發(fā)送信號， 電臺x在tr0 時刻接收 a在ts0 時刻發(fā)送的信號，電波傳播的速度為 v， 則a 到x 的距離 lax=v (tr0-ts0)。同理 x 到a 的距離 lxa=v (tr1-ts1)，則電臺 a和電臺 x之間的距離 l = ( lax+lxa)/2 。sparcs在