城市軌道交通信號系統(tǒng)列車自動控制ATC系統(tǒng)綜述

1、城市軌道交通信號系統(tǒng)列車自動控制ATC系統(tǒng)綜述一、ATC系統(tǒng)的組成和功能列車自動控制(ATC Automatic Train Control)系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：列車自動防(ATP Automatic Train Protection)、列車自動運(yùn)行(ATO Automatic Train Opera-tion）、列車自動監(jiān)控（ATS Automatic Train Supervision）。ATC系統(tǒng)包括五個原理功能：ATS功能、聯(lián)鎖功能、列車檢測功能、ATC功能和PTI（列車識別）功能。(1)ATS功能：可自動或由人工控制進(jìn)路，進(jìn)行行車調(diào)度指揮，并向行車調(diào)度員和外部系統(tǒng)提供信息。ATS功能

2、主要由位于OCC(控制中心）內(nèi)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。(2)聯(lián)鎖功能：響應(yīng)來自ATS功能的命令，在隨時滿足安全準(zhǔn)則的前提下，管理進(jìn)路、道岔和信號的控制，將進(jìn)路、軌道電路、道岔和信號的狀態(tài)信息提供給ATS和ATC功能。聯(lián)鎖功能由分布在軌旁的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。(3)列車檢測功能：一般由軌道電路完成。(4) ATC功能：在聯(lián)鎖功能的約束下，根據(jù)ATS的要求實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的控制。ATC功能有三個子功能：ATP/ATO軌旁功能、ATP/ATO傳輸功能和ATP/ATO車載功能。ATP/ATO軌旁功能負(fù)責(zé)列車間隔和報文生成；ATP/ATO傳輸功能負(fù)責(zé)發(fā)送感應(yīng)信號，它包括報文和ATC車載設(shè)備所需的其他數(shù)據(jù)；ATP/ATO車載功能

3、負(fù)責(zé)列車的安全運(yùn)營、列車自動駕駛，且給信號系統(tǒng)和司機(jī)提供接口。(5)PTI功能：是通過多種渠道傳輸和接收各種數(shù)據(jù)，在特定的位置傳給ATS，向ATS報告列車的識別信息、目的號碼和乘務(wù)組號和列車位置數(shù)據(jù)，以優(yōu)化列車運(yùn)行。二、ATC系統(tǒng)的水平等級為確保行車安全和線路最大通過能力，根據(jù)國內(nèi)外的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，一般最大通過能力小于30對h的線路宜采用ATS和ATP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行車指揮自動化及列車的超速防護(hù)。在最大通過能力較低的線路，行車指揮可采用以調(diào)度員人工控制為主的CTC（調(diào)度集中）系統(tǒng)。最大通過能力大于30 Xf /h的線路，應(yīng)采用完整的ATC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行自動化。ATO系統(tǒng)對節(jié)能、規(guī)范運(yùn)行秩

4、序、實(shí)現(xiàn)運(yùn)行調(diào)整、提高運(yùn)行效率等具有重要的作用，但不同的信號系統(tǒng)設(shè)或不設(shè)ATO會使運(yùn)營費(fèi)用差異較大，不過即使是通過能力為30對/h的線路，有條件時也可選用ATO系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)營需要，信號系統(tǒng)還應(yīng)滿足最大通過能力為40對/h的總體要求。對于城市軌道交通，行車間隔的發(fā)揮往往受制于折返能力，而折返能力與線路條件、車輛狀態(tài)、信號系統(tǒng)水平等因素有關(guān)。因此，通過能力要求較高時，折返能力需與之相適應(yīng)，必須對上述因素進(jìn)行綜合研究、設(shè)計。三、ATC系統(tǒng)選用原則ATC系統(tǒng)選用按下列原則選擇：（1）ATC系統(tǒng)應(yīng)采用安全、可靠、成熟、先進(jìn)的技術(shù)裝備，具有較高的性能價格比；（2）城市軌道交通運(yùn)營線路宜采用準(zhǔn)移動閉塞式AT

5、C系統(tǒng)或移動閉塞式ATC系統(tǒng)，也可以采用固定閉塞式ATC系統(tǒng)。因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ň哂锌土髁看?、行車密度高的特點(diǎn)，而準(zhǔn)移動閉塞式和移動閉塞式ATC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較大的通過能力，對于客運(yùn)量變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以提高線路利用率，具有高效運(yùn)行、節(jié)能等作用，并且控制模式與列車運(yùn)行特性相近，能較好地適應(yīng)不同列車的技術(shù)狀態(tài)，其技術(shù)水平較高，具有較大的發(fā)展前景。雖然固定閉塞式ATC系統(tǒng)技術(shù)水平相對較低，但由于可滿足2 min行車間隔的行車要求，且價格相對低廉，因此也宜選用。根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜選擇三種不同制式的ATC系統(tǒng)是完全必要的。（3）ATC系統(tǒng)構(gòu)成水平的選擇按前述原則執(zhí)行。四、不同閉塞制式的ATC系統(tǒng)

6、按閉塞制式，城市軌道交通ATC可分為：固定閉塞式ATC系統(tǒng)、準(zhǔn)移動閉塞式ATC系統(tǒng)和移動閉塞式ATC系統(tǒng)。1固定閉塞固定閉塞將線路劃分為固定的閉塞分區(qū)，不論是前、后列車的位置還是前、后列車的間距，都是用軌道電路等來檢測和表示的，線路條件和列車參數(shù)等均需在閉塞設(shè)計過程中加以考慮，并體現(xiàn)在地面固定區(qū)段的劃分中。由于列車定位是以固定區(qū)段為單位的（系統(tǒng)只知道列車在哪個區(qū)段中，而不知道在區(qū)段中的具體位置），所以固定閉塞的速度控制模式必然是分級的，即階梯式的。在這種制式中，需要向被控列車“安全”傳送的只是代表少數(shù)幾個速度級的速度碼。固定閉塞方式，無法滿足提高系統(tǒng)能力、安全性和互用性的要求。傳統(tǒng)ATP的傳輸

7、方式采用固定閉塞，通過軌道電路判別閉塞分區(qū)占用情況，并傳輸信息碼，需要大量的軌旁設(shè)備，維護(hù)工作量較大。此外，傳統(tǒng)方式還存在以下缺點(diǎn)：軌道電路工作穩(wěn)定性易受環(huán)境影響，如道床阻抗變化、牽引電流干擾等。軌道電路傳輸信息量小。要想在傳統(tǒng)方式下增加信息量，只能通過提高信息傳輸?shù)念l率。但是如果傳輸頻率過高，鋼軌的集膚效應(yīng)會導(dǎo)致信號的衰耗增大，從而導(dǎo)致傳輸距離縮短。利用軌道電路難以實(shí)現(xiàn)車對地的信息傳輸。固定閉塞的閉塞分區(qū)長度是按最長列車、滿負(fù)載、最高速度、最不利制動率等不利條件設(shè)計的，分區(qū)較長，且一個分區(qū)只能被一列車占用，不利于縮短列車運(yùn)行間隔。固定閉塞系統(tǒng)無法知道列車在分區(qū)內(nèi)的具體位置，因此列車制動的起點(diǎn)

8、和終點(diǎn)總在某一分區(qū)的邊界。為充分保證安全，必須在兩列車間增加一個防護(hù)區(qū)段，這使得列車間的安全間隔較大，影響了線路的使用效率。2.準(zhǔn)移動閉塞準(zhǔn)移動閉塞對前、后列車的定位方式是不同的。前行列車的定位仍沿用固定閉塞的方式，而后續(xù)列車的定位則采用連續(xù)的或稱為移動的方式。為了提高后續(xù)列車的定位精度，目前各系統(tǒng)均在地面每隔一段距離設(shè)置1個定位標(biāo)志（可以是軌道電路的分界點(diǎn)或信標(biāo)等），列車通過時提供絕對位置信息。在相鄰定位標(biāo)志之間，列車的相對位置由安裝在列車上的輪軸轉(zhuǎn)數(shù)累計連續(xù)測得。由于準(zhǔn)移動閉塞同時采用移動和固定兩種定位方式，所以它的速度控制模式既具有無級（連續(xù)）的特點(diǎn)，又具有分級（階梯）的性質(zhì)。若前行列車

9、不動而后續(xù)列車前進(jìn)時，其最大允許速度是連續(xù)變化的；而當(dāng)前行列車前進(jìn)，其尾部駛過固定區(qū)段的分界點(diǎn)時，后續(xù)列車的最大速度將按“階梯”跳躍上升。由于準(zhǔn)移動閉塞兼有移動和固定的特性，與“固定”性質(zhì)相對應(yīng)的設(shè)備，必須在工程設(shè)計和施工階段完成。而被控列車的位置是由列車自行實(shí)時（移動）測定的，所以其最大允許速度的計算最終只能在車上實(shí)現(xiàn)。為了使后續(xù)列車能夠根據(jù)自身測定的位置，實(shí)時計算其最大允許速度，必須用數(shù)字編碼軌道電路向其提供前方線路的各種參數(shù)以及前行列車處在哪個區(qū)段上的信息。準(zhǔn)移動閉塞在控制列車的安全間隔上比固定閉塞進(jìn)了一步。它通過采用報文式軌道電路輔之環(huán)線或應(yīng)答器來判斷分區(qū)占用并傳輸信息，信息量大；可以

10、告知后續(xù)列車?yán)^續(xù)前行的距離，后續(xù)列車可根據(jù)這一距離合理地采取減速或制動，列車制動的起點(diǎn)可延伸至保證其安全制動的地點(diǎn)，從而可改善列車速度控制，縮小列車安全間隔，提高線路繳利用效率。但準(zhǔn)移動閉塞中后續(xù)列車的最大目標(biāo)制動點(diǎn)仍必須在先行列車占用分區(qū)的外方，因此它并沒有完全突破軌道電路的限制。3移動閉塞（1）移動閉塞的基本概念移動閉塞的特點(diǎn)是前、后兩列車都采用移動式的定位方式，不存在固定的閉塞分區(qū)，列車之間的安全追蹤間距隨著列車的運(yùn)行而不斷移動且變化。移動閉塞可借助感應(yīng)環(huán)線或無線通信的方式實(shí)現(xiàn)。早期的移動閉塞系統(tǒng)大部分采用基于感應(yīng)環(huán)線的技術(shù)，即通過在軌間布置感應(yīng)環(huán)線來定位列車和實(shí)現(xiàn)車載計算機(jī)（VOBC）

11、與車輛控制中心（VCC）之間的連續(xù)通信。而今，大多數(shù)先進(jìn)的移動閉塞系統(tǒng)已采用無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的通信，構(gòu)成基于無線通信技術(shù)的移動閉塞。（2）移動閉塞的特點(diǎn)移動閉塞具有如下特點(diǎn)：線路沒有固定劃分的閉塞分區(qū)，列車間隔是動態(tài)的，并隨前一列車的移動而移動；列車間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下所需的制動距離，加上安全余量計算和控制的，確保不追尾；制動的起點(diǎn)和終點(diǎn)是動態(tài)的，軌旁設(shè)備的數(shù)量與列車運(yùn)行間隔關(guān)系不大；可實(shí)現(xiàn)較小的列車運(yùn)行間隔；采用地一車雙向傳輸，信息量大，易于實(shí)現(xiàn)無人駕駛。（3）移動閉塞的技術(shù)優(yōu)勢移動閉塞是一種新型的閉塞制式，它克服了固定閉塞的缺點(diǎn)?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂疲–ommunicati

12、ons Based Train Control，簡稱CBTC）則是實(shí)現(xiàn)這種閉塞制式的最主要技術(shù)手段。采用這種方法以后，實(shí)現(xiàn)了車地間雙向、大容量的信息傳輸，達(dá)到連續(xù)通信的目的，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行的閉環(huán)控制。當(dāng)列車和車站一開始通信，車站就能得知所有列車的位置，能夠提供連續(xù)的列車安全間隔保證和超速防護(hù)，在列車控制中具有更好的精確性和更大的靈活性，并能更快地檢測到故障點(diǎn)。而且，移動閉塞可以根據(jù)列車的實(shí)際速度和相對速度來調(diào)整閉塞分區(qū)的長度，盡可能縮小列車運(yùn)行間隔，提高行車密度進(jìn)而提高運(yùn)輸能力。此外，這種系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比將大大減少沿線設(shè)備，車載設(shè)備和軌旁設(shè)備的安裝也相對較容易，維修方便，有利于降

13、低運(yùn)營成本。移動閉塞系統(tǒng)通過列車與地面間連續(xù)的雙向通信，提供連續(xù)測量本車與前車距離的方法，實(shí)時提供列車的位置及速度等信息，動態(tài)地控制列車運(yùn)行速度。移動閉塞制式下后續(xù)列車的最大制動目標(biāo)點(diǎn)可比準(zhǔn)移動閉塞和固定閉塞更靠近先行列車，因此可以縮小列車運(yùn)行間隔，有條件實(shí)現(xiàn)“小編組，高密度”，從而使系統(tǒng)可以在滿足同等客運(yùn)需求條件下減少旅客候車時間，縮小站臺寬度和空間，降低基建投資。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，核心部分均通過軟件實(shí)現(xiàn)，因此使系統(tǒng)硬件數(shù)量大大減少。移動閉塞系統(tǒng)的安全關(guān)聯(lián)計算機(jī)一般采取3取2或2取2的冗余配置，系統(tǒng)通過故障一安全原則對軟、硬件及系統(tǒng)進(jìn)行量化和認(rèn)證，可保證系統(tǒng)的可靠性、安全性和可用度。移

14、動閉塞還常常和無人駕駛聯(lián)系在一起。兩者的結(jié)合能夠避免司機(jī)的誤操作或延誤，獲得更高的效率。無線移動閉塞的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對所有的子系統(tǒng)透明，對通信數(shù)據(jù)的安全加密和接入防護(hù)等措施可保證數(shù)據(jù)通信的安全。由于采取了開放的國際標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間邏輯接口的標(biāo)準(zhǔn)化，從而有可能實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)的互聯(lián)互通。采取開放式的國際標(biāo)準(zhǔn)也使國內(nèi)廠商可從部分部件的國產(chǎn)化著手，逐步實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的國產(chǎn)化。(4）移動閉塞的工作原理移動閉塞與固定閉塞的根本區(qū)別在于閉塞分區(qū)的形成方法不同，移動閉塞系統(tǒng)是一種區(qū)間不分割、根據(jù)連續(xù)檢測先行列車位置和速度進(jìn)行列車運(yùn)行間隔控制的列車安全系統(tǒng)。這里的連續(xù)檢測并不意味著一定沒有間隔點(diǎn)。實(shí)際上該系統(tǒng)把先行列

15、車的后部看作是假想的閉塞區(qū)間。由于這個假想的閉塞區(qū)間隨著列車的移動而移動，所以叫做移動閉塞。在移動閉塞系統(tǒng)中，后續(xù)列車的速度曲線隨著目標(biāo)點(diǎn)的移動而實(shí)時計算，后續(xù)列車到先行列車的保護(hù)段后部之間的距離等于列車制動距離加上列車制動反應(yīng)時間內(nèi)駛過的距離。移動閉塞技術(shù)在對列車的安全間隔控制上更進(jìn)了一步。通過車載設(shè)備和軌旁設(shè)備連續(xù)地雙向通信，控制中心可以根據(jù)列車實(shí)時的速度和位置動態(tài)地計算列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離并在列車后方加上一定的防護(hù)距離，便組成了一個與列車同步移動的虛擬閉塞分區(qū)（見圖5 -2）。由于保證了列車前后的安全距離，兩個相鄰的移動閉塞分區(qū)就能以很小的間隔同時前進(jìn)，這使

16、列車能以較高的速度和較小的間隔運(yùn)行，從而提高運(yùn)營效率。無線移動閉塞系統(tǒng)的組成主要包括無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、車載設(shè)備、區(qū)域控制器和控制中心等。其中，無線數(shù)據(jù)通信是移動閉塞實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。通過可靠的無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，列車不間斷地將其標(biāo)識、位置、車次、列車長度、實(shí)際速度、制動潛能和運(yùn)行狀況等信息以無線的方式發(fā)送給區(qū)域控制器。區(qū)域控制器追蹤列車并通過無線傳輸方式向列車發(fā)送移動授權(quán)，根據(jù)來自列車的信息計算、確定列車的安全行車間隔，并將相關(guān)信息（如先行列車位置、移動授權(quán)等）傳遞給列車，控制列車運(yùn)行。車載設(shè)備包括無線電臺、車載計算機(jī)和其他設(shè)備（如傳感器、查詢器等）。列車將采集到的數(shù)據(jù)（如車輛信息、現(xiàn)場狀況和位置信息等）通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)發(fā)送給區(qū)域控制器，以協(xié)助完成運(yùn)行決策；同時對接收到的命令進(jìn)行確認(rèn)并執(zhí)行。移動閉塞的線路取消了物理層次上的閉塞分區(qū)劃分，而是將線路分成了若干個通過數(shù)據(jù)庫預(yù)先定義的線路單元，每個單元長度為幾米到十幾米之間，移動閉塞分區(qū)即由一定數(shù)量的單元組成，單元的數(shù)目可隨著列車的速度和位置而變化，分區(qū)的長度也是動態(tài)變化的。線路單元以數(shù)字地圖的矢量來表示。線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示意圖由一系列的節(jié)點(diǎn)和邊線表示。任何軌道的分叉、匯合、走行方向的變更以及