國(guó)外列車控制系統(tǒng)調(diào)研

1、國(guó)外列車控制系統(tǒng)調(diào)研 1國(guó)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和概念，范圍從地面設(shè)備到車載設(shè)備，從功能需求到系統(tǒng)需求，從運(yùn)營(yíng)到接口，從通信協(xié)議到信息碼的格式， 包括了信號(hào)安全和列車控制的各個(gè)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(yùn)營(yíng)條件靈活配置系統(tǒng)。歐洲列車控制系列標(biāo)準(zhǔn)分為1-3 級(jí)。etcs 各級(jí)向下兼容，即3 級(jí)可以用于2 級(jí)，2 級(jí)可以用于 1 級(jí)。etcs 還可通過(guò)特

2、定傳輸模塊讀取現(xiàn)有設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有列車控制系統(tǒng)的兼容， 從而實(shí)現(xiàn)了同一列車在不同級(jí)別鐵路上不停留的跨國(guó)運(yùn)輸。1a 系統(tǒng)以傳統(tǒng)信號(hào)設(shè)備為主，增加“ 歐洲標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器 ” （簡(jiǎn)稱應(yīng)答器），是一種點(diǎn)式傳遞信息、 用車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理、 最后實(shí)現(xiàn)列車超速防護(hù)的列車運(yùn)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(jì)軸器。區(qū)間地面設(shè)置色燈信號(hào)機(jī)， 在信號(hào)機(jī)旁及在其他關(guān)鍵的場(chǎng)合設(shè)置應(yīng)答器。信號(hào)機(jī)旁的應(yīng)答器通過(guò)軌旁電子單元與信號(hào)機(jī)相連，其作用是把地面信號(hào)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(jī)車。車載設(shè)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(dòng)機(jī)相連的接口等

3、。軌道上安裝的應(yīng)答器還和地面控制中心相連。 列車通過(guò)應(yīng)答器時(shí)測(cè)出列車位置并將信息傳送到控制中心，控制中心為運(yùn)行列車計(jì)算新的運(yùn)行權(quán)限，并將其發(fā)回應(yīng)答器。 當(dāng)列車經(jīng)過(guò)應(yīng)答器時(shí)，列車天線接收檢測(cè)設(shè)備接收到新的運(yùn)行權(quán)限和數(shù)據(jù)，車載計(jì)算機(jī)計(jì)算運(yùn)動(dòng)曲線，確定下一個(gè)制動(dòng)點(diǎn)， 并將這些信息顯示給司機(jī)。 1b 系統(tǒng)與 ia 基本相同，只是 1b 系統(tǒng)增設(shè)了 “ 歐洲標(biāo)準(zhǔn)環(huán)線 ” （簡(jiǎn)稱環(huán)線）輔助應(yīng)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(diǎn)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(shè)備可提前收到允許運(yùn)行的距離，計(jì)算出新的制動(dòng)點(diǎn)，避免頻繁制動(dòng)，提高運(yùn)輸效率

4、。2 級(jí)系統(tǒng)不采用傳統(tǒng)的閉塞設(shè)備和地面色燈信號(hào)機(jī)，但區(qū)間線路仍裝有軌道電路或其它區(qū)間檢測(cè)設(shè)備， 按分區(qū)逐段檢查列車的占用情況。區(qū)間的列車運(yùn)行由無(wú)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(hào)設(shè)備工作， 并隨時(shí)把信息發(fā)送給運(yùn)行列車。應(yīng)答器作為電子公里標(biāo)志僅用于列車定位。車對(duì)地以及地對(duì)車的雙向數(shù)據(jù)不間斷地傳輸，通過(guò)鐵路專用移動(dòng)通信網(wǎng)gsm-r 實(shí)現(xiàn)。3 級(jí)系統(tǒng)與 etcs 2 級(jí)系統(tǒng)一樣，信息傳輸采用gsm-r ，但不劃分閉塞分區(qū)，不設(shè)信號(hào)機(jī)和軌道檢查設(shè)備。列車運(yùn)行控制功能集中于車上，按照列車的絕對(duì)制動(dòng)距離（加安全距離）控制列車運(yùn)

5、行，即移動(dòng)閉塞。地面應(yīng)答器僅用于修正列車定位，列車位置由列車經(jīng)無(wú)線報(bào)告給rbc 和調(diào)度中心，并由rbc 傳送至后續(xù)列車，實(shí)現(xiàn)間隔控制。 3 級(jí)系統(tǒng)的關(guān)鍵性功能是車載設(shè)備能通過(guò)列車局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)列車完整性檢查。 中央調(diào)度中心確定列車進(jìn)路和列車群運(yùn)行秩序。車載設(shè)備根據(jù)與前方列車之間的距離、速度要求等，自動(dòng)控制列車的運(yùn)行。1.2 日本新干線列車控制系統(tǒng)1. 地面設(shè)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(yùn)行速度，表示這個(gè)速度的信號(hào)由atc 地面裝置以模擬形式發(fā)送到軌道；列車接收到這個(gè)信號(hào)后， 這個(gè)信號(hào)表示速度與列車的速度比較，列車實(shí)施制動(dòng)， 自動(dòng)減

6、速到該信號(hào)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(hào)，車上裝置接收，將列車的速度與該速度信號(hào)對(duì)照， 當(dāng)超過(guò)速度信號(hào)時(shí)即進(jìn)行自動(dòng)制動(dòng)。由于各信號(hào)段分別進(jìn)行制動(dòng)、 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(dá)時(shí)間延長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)間隔增加。由于是多段制動(dòng)控制，要使列車停止，速度分為幾個(gè)階段。表示限速的atc信號(hào)所在區(qū)間與列車速度比較，比列車速度低時(shí)實(shí)施制動(dòng)。 這種階段的控制， 在軌道電路單元中進(jìn)行，對(duì)應(yīng)各軌道電路制動(dòng)控制的空走時(shí)間，包括了空走距離，延緩了運(yùn)輸時(shí)間；制動(dòng)中多次的制動(dòng)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(yīng)停止位置的信息，取代多段式 atc中的速度信號(hào)。 車上裝置基于這個(gè)停止位置和列車當(dāng)前位置，檢索車載數(shù)據(jù)庫(kù)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(dāng)?shù)闹苿?dòng)措施。 這里，具有地上主體系統(tǒng)向車載主體系統(tǒng)的變化，運(yùn)用了以往系統(tǒng)所沒(méi)有的車載列車位置檢測(cè)、速度曲線檢索和atc 信號(hào)數(shù)字傳輸?shù)募夹g(shù)。車上主體型， 容許速度在車上計(jì)算， 構(gòu)成容許速度判斷的固有數(shù)據(jù)由地面以atc 信號(hào)傳送。這樣，不同制動(dòng)性能的列車在走行區(qū)間，根據(jù)列車的性能能夠進(jìn)行有效的制動(dòng)。另外，車上主體型，車上形成制動(dòng)曲線，什么地點(diǎn)開始制動(dòng)控制，什么地點(diǎn)停止，在車上決定，能采取考慮乘坐舒適性的制動(dòng)

8、控制。1.3 北美鐵路的列車控制系統(tǒng)的發(fā)展1. 先進(jìn)列車控制系統(tǒng)上世紀(jì) 80 年代起，美國(guó)鐵路開始研究不用軌道電路和路旁信號(hào)機(jī)，采用無(wú)線技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)人造衛(wèi)星和雷達(dá)控制鐵路行車的先進(jìn)列車控制系統(tǒng)(atcs） 。由列車本身檢測(cè)列車所在位置，通過(guò)無(wú)線通信將列車位置信息送到地面，地面中心根據(jù)來(lái)自各列車的位置和站內(nèi)進(jìn)路狀態(tài)等信息，決定列車可以安全運(yùn)行的區(qū)間和速度， 并通過(guò)無(wú)線通信報(bào)告列車， 列車再根據(jù)來(lái)自地面的信息以及線路坡度、列車制動(dòng)能力等數(shù)據(jù)計(jì)算出安全運(yùn)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(wú)線股份有限公司開始了基于無(wú)線的列車控制技術(shù)（ cbtc ）的研究，

9、為先進(jìn)列車控制系統(tǒng)制定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制定通信專業(yè)協(xié)議。上世紀(jì) 90 年代，先進(jìn)列車控制系統(tǒng)命名為精確列車控制，1996 年起，美國(guó)鐵路部門合作開始了cbtc 的系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化的研究?；谕ㄐ诺牧熊囎詣?dòng)控制在美國(guó)有不同的系統(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(dòng)控制系統(tǒng) (atc)和先進(jìn)列車自動(dòng)控制 (aatc)系統(tǒng)等。列車控制發(fā)展的主體是通信與信號(hào)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(guó)密西根洲東北走廊的提速改造工程開展的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為時(shí)速250km ，全線長(zhǎng) 200 多公里。系統(tǒng)于1998 年開始試運(yùn)行， 2000 年投入商業(yè)運(yùn)行。 該線路

10、原有傳統(tǒng)閉塞最高時(shí)速126 km，采用 itcs 后時(shí)速已達(dá) 145km （受線路條件限制）。計(jì)劃于 2005 年底開行時(shí)速 195km 。系統(tǒng)安全認(rèn)證項(xiàng)目于2004 年至 2005 年進(jìn)行。itcs 信號(hào)系統(tǒng)采用了一體化的設(shè)計(jì)思想，集自動(dòng)閉塞、車站聯(lián)鎖控制和列車運(yùn)行超速防護(hù)控制于一身。itcs 可以和既有聯(lián)鎖系統(tǒng)接口來(lái)獲取道岔位置、信號(hào)的顯示以及軌道占用情況。 它采用雙向連續(xù)的車地?zé)o線通信，以車載信號(hào)作為列車運(yùn)行的主體信號(hào)控制列車運(yùn)行。itcs 系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行、當(dāng)情況發(fā)生變化向司機(jī)提供報(bào)警、 并且在需要時(shí)通過(guò)對(duì)列車實(shí)施制動(dòng)來(lái)保證行車安全的。itcs 的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) : 采用虛擬閉

11、塞技術(shù)，在對(duì)線路運(yùn)輸能力的要求發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)增加虛擬信號(hào)機(jī)來(lái)適應(yīng)運(yùn)輸?shù)男枨?；可以在設(shè)備保證安全的條件下，提高行車安全度和行車密度；軌旁設(shè)備少，設(shè)備可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)先進(jìn)、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(jìn)行列車定位， 沒(méi)有線路旁的設(shè)備， 控制中心接受列車發(fā)送來(lái)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(jí)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)原則，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、中央服務(wù)器對(duì)每節(jié)列車的位置、 運(yùn)行計(jì)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(wù)器，服務(wù)器及時(shí)響應(yīng)修訂列車運(yùn)行指令。為確定位置和速度限制，

12、 每個(gè)列車裝有軌道圖，在 l0km 的范圍內(nèi)以滾動(dòng)圖形的方式顯示線路、坡度、運(yùn)行命令和速度限制等。 當(dāng)列車接近速度限制時(shí)， 機(jī)組人員及時(shí)得到報(bào)警， 如不能采取相應(yīng)的措施， najptc會(huì)自動(dòng)制動(dòng)。有集成（固定閉塞）和獨(dú)立（移動(dòng)閉塞）兩種操作方式。前者和線路旁的信號(hào)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)信號(hào)監(jiān)視，對(duì)列車運(yùn)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(yùn)行命令，可以在沒(méi)有軌道電路或線路旁信號(hào)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(lái)，保證了系統(tǒng)的安全性能。1.4 小結(jié)中國(guó) ctcs 技術(shù)參照了歐洲etcs 系統(tǒng)并根據(jù)中國(guó)鐵路需求做了修改，ctcs-2 通過(guò) zpw2000

13、軌道電路檢測(cè)列車的位置， ctcs 地面設(shè)備據(jù)列車占用情況和運(yùn)營(yíng)計(jì)劃通過(guò)軌道電路+應(yīng)答器向列車連續(xù)發(fā)送行車命令，由列控車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的安全控制。 ctcs-2 級(jí)相比 etcs-1 增加了軌道電路傳送列控?cái)?shù)據(jù)，彌補(bǔ)了 etcs-1 信息不連續(xù)的缺點(diǎn)。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(hào)機(jī)、 應(yīng)答器等設(shè)備， 依賴于列車精確定位和無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制。 cbtc 系統(tǒng)在高速鐵路上沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用（中國(guó)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(xiàng)目najptc 通過(guò)將慣性傳感器與差分全球定位系統(tǒng)(dgps) 、 測(cè)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(jìn)了未使用慣性傳感器鐵路網(wǎng)絡(luò)的故障狀態(tài)的監(jiān)測(cè)能力。位置確認(rèn)、軌道鑒別與進(jìn)入點(diǎn)保護(hù)是najptc 的難點(diǎn)。 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(dǎo)航系統(tǒng) (ins) 設(shè)計(jì)。包括綜合自測(cè)安全功能。一旦超出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋范圍，慣性導(dǎo)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(guò) gps輸出提高軌道鑒別及推算定位能力2.2 北美先進(jìn)列車自動(dòng)控制(aatc) 項(xiàng)目無(wú)線電測(cè)距通過(guò)往返時(shí)延計(jì)算距離多電臺(tái)提高測(cè)量精度2.3 日本 sparcs 系統(tǒng)圖 4 一次測(cè)距時(shí)間片內(nèi)的測(cè)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(cè)功能。列車初始位置檢測(cè)通過(guò)應(yīng)答器和無(wú)線測(cè)距功能加以實(shí)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(duì)位置信息和無(wú)線測(cè)距得到的連續(xù)絕對(duì)位置信息來(lái)確保測(cè)距的安全性和可靠性。 用無(wú)線測(cè)距信息 tg 相對(duì)位置信息應(yīng)答器絕對(duì)位置信息道岔開通方向信息實(shí)現(xiàn)列車的位置跟蹤，通過(guò)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(guò)車載電臺(tái)與 2 個(gè)無(wú)線電臺(tái)之間電波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算列車與電臺(tái)之間的距離，如圖4所示，在ts0 時(shí)刻，電臺(tái)a向電臺(tái) x發(fā)送信號(hào)， 電臺(tái)x在tr0 時(shí)刻接收 a在ts0 時(shí)刻發(fā)送的信號(hào)，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(tái) a和電臺(tái) x之間的距離 l = ( lax+lxa)/2 。sparcs在