基于通信的列车控制系统设计 毕业论文.doc

毕 业 论 文基于通信的列车控制系统设计 专 业：城市轨道交通及信号控制主考学校： 准考证号： 指导教师姓名职称： 年 月 日信号专业本科论文基于通信的列车控制系统设计based on the communication of the train control system designxxx 摘 要 随着国内城市轨道交通事业的大力发展，城市轨道交通以其便利快捷，己日益成为市民出行的首选交通工具。为城市轨道交通设计和构建一个高性能、高可靠性的通信系统，已经成为市民出行安个和轨逆交通运简安个的迫切要求，成为目前城市轨道交通通信领域的重要研究方向。 ats列车自动监督系统位于信号系统的最上层，是整个地铁信号系统的指挥中枢，对提高系统的运营效率、自动化程度、管理水平以及减少行车指挥调度人员的工作强度等方面具有最直接的影响。在ats系统设计过程中，需要考虑城市轨道交通高密度客流的特点，因此其系统设计有别与传统的大铁路调度集中系统，设计采用基于多策略列车自动调整，大大提高了调整效率，降低了调度员的工作强度。 通过对城市轨道交通通信系统所采用的主流技术的研究，对比和探讨了城市轨道交通通信技术的常用方案。结合具体的城市轨道交通新建线路通信系统集成项目，在总体设讨一方案的基础卜，对相关子系统进行了通信系统的详细方案设计，针一对核心传输方案采取了mstp(多业务传送平台)的先进技术，同时采取了可靠性设计的方法，对通信系统的传输、公务电话、专用电话、视频监控、广播和时钟等子系统进行了设计和构建，同时还对广播户系统与照明系统的节能联动新技术进行了研究和实现。从高可靠性的角度实现了新建城市轨道交通通信系统的集成与建设，并通过了可靠性测试。结合专业的项日管理，在工期紧张的情况下按时完成了项目的交付。 完成的城市轨道交通通信系统，在应用新技术、确保高性能的同时，以其先进、可靠、实用等特点，在实际应用中获得了较高的评价。关键词:城市轨道交通;通信系统;可靠性论文类型：基础研究 目 录摘 要i1概述- 1 -1.1 课题研究背景- 1 -1.2 城市轨道交通通信系统发展现状- 1 -1.3 课题研究的目的和意义- 2 -2 城市轨道交通信号系统- 3 -2.1 信号系统概述- 3 -2.2信号系统组成- 3 -2.2 信号系统分类- 3 -3 城市轨道列车自动控制系统- 6 -3.1 控制系统总体概述- 6 -3.2 功能描述- 7 -3.3 系统主要性能指标- 8 -3.3.1精度要求- 8 -3.3.2时间特性要求- 9 -3.3.3灵活性要求- 9 -3.4自动闭塞的分类及说明- 9 -3.4.1闭塞的定义- 9 -3.4.2自动闭塞的分类及说明- 9 -4 atc系统构成和工作原理- 12 -4.1 atc系统的功能- 12 -4.2 atp系统的结构、分类和工作原理- 14 -4.2.1atp系统的结构- 14 -4.2.2atp系统工作的分类- 15 -4.2.3点式atp的工作原理- 15 -4.2.4采用轨间电缆的连续式atp的工作原理- 16 -4.2.5采用轨道电路的连续式atp的工作原理- 17 -4.3三种方式的atp优缺点比较- 18 -4.3.1点式atp的优缺点- 18 -4.3.2采用轨间电缆连续式atp的优缺点- 19 -4.3.3采用轨道电路连续式atp的优缺点- 19 -4.4 atp系统可靠性和安全性分析- 19 -4.4.1可靠性设计- 21 -4.4.2安全性设计- 22 -5结论与展望- 22 -5.1结论- 22 -5.2展望- 23 -致 谢- 24 -参 考 文 献- 25 -iii 1概述1.1 课题研究背景随着我国国民经济持续稳定向前发展，工业化进程加快，致使我国城市化速度不断加速，城市规模急剧扩张，人口飞速增加。居民出行频繁导致客运需求急剧增长。而我国大中城市交通设施建设却严重滞后，束缚和限制了城市经济的发展。在这种大环境下，发展“安全、便捷、准点、舒适”的城市轨道交通就成为了解决经济发展和民生问题瓶颈的重要手段。发展城市轨道交通不仅能有效改善城市的交通环境，而且还有助于城市建设和经济的发展。为了保证建成后的轨道交通能安全、高效的运营，就必须建立可靠的、易扩充的、独立的通信网，传输和处理轨道交通运营所需的各种信息。基于上述考虑，依据“安全可靠、升级灵活、面向运营”的总原则，城市轨道交通的专用通信系统必须基于可靠性、先进性、维修性、安全性等四方面进行系统设计和优化，同时在实施过程中依托专业项目管理，从工期、分包商/供应商和接口管理角度，加强风险控制，才能建设安全可靠、高效实用的轨道交通通信系统。1.2 城市轨道交通通信系统发展现状城市轨道交通通信系统是指挥列车运行，公务联络和传递各种信启、的重要手段，是直接为轨道交通运营管理服务的，是保证列车及乘客安全、快速、高效运行的一种不可缺少的信息化、自动化、智能化的综合通信系统。典型的轨道交通通信系统一般由传输、公务电话、专用尤线、专用电话、视频监控、广播、时钟等子系统组成，构成传送话音、数据和图像等各种信息的综合业务通信网。各子系统承载的业务在不同情况下有着不同的应用:通信系统与信号系统共同完成行车调度指挥，并为城市轨道交通的其他子系统提供信息传输通道和时钟信号;此外通信系统也是内部公务联络的主要通道以及内外联系的主要通道。通信系统对公共安全也有重要作用，在灾害、事故或恐怖活动的情况下是进行应急处理，抢险救灾和反恐的重要手段。例如通过视频和音频监控，可及时发现车站和车辆段的异常情况，可及时处理可能影响通信系统的隐患。在存在恐怖袭击威胁时，cctv和广播系统有助于公安、消防等人员快速反应。战争情况下，地铁作为临时防空设施，可利用地铁内部的通信，例如广播系统组织人员在其中的活动。1.3 课题研究的目的和意义对于在轨道交通中占据重要地位的通信系统来说，它的可靠、稳定和安全对轨道交通的下常运营以及乘客的人身安全有着不可替代的重要意义。因此轨道交通通信系统的设计和实现的优劣直接关系着系统的功能是否正常，性能可否达到预计要求。本文结合已完成的新线路城市轨道通信系统的建设，对通信系统的设计与实现进行了分析与研究。本文主要完成如下工作:(1)对目前国内外城市轨道交通通信技术的应用现状作了分析和研究;对城市轨道交通通信系统的核心先进技术进行了剖析。(2)基于实际的城市轨道交通通信系统项目，进行系统设计并对其可靠性进行了研究。(3)atp系统构成和工作原理。介绍atp系统的功能，atp共分为三类，分别阐述它们的结构和工作原理，并就三种类型的atp优劣做出了比较。(4)对所做的工作进行了总结，并对该领域的研究进行了进一步的展望。2 城市轨道交通信号系统2.1 信号系统概述城市轨道交通起源于干线铁路列车控制系统，但与干线铁路有许多不同，例如:城市轨道交通的车站站场简单、站间距离近、运行密度高、运行模式单一等，而铁路站场复杂，客货混运，作业方式复杂。因此，城市轨道交通对设备的要求及运营管理的方式与铁路系统存在很大的差别，其信号系统必然有所差异。传统的干线铁路列车控制系统，又称信号系统，以地面信号显示传递行车命令，机车司机按行车规则操作列车运行的方式。城市轨道交通列车自动控制atc系统是负责保障列车安全运行的核心设备，它能够保证列车行车安全，提高运行效率，缩短行车间隔，保障旅客舒适度;也能够促进运营管理现代化，提高综合运营能力以及运输服务质量。2.2信号系统组成与其他运输方式相比，城市轨道交通运输具有能力大、单耗低、污染小等显著特点近年来，城市轨道交通信号系统成功地应用了微电子学、自动控制和计算机等先进技术，把数据采集、信息传输、数据处理和过程控制联成一体，迈进了自动化、.数字化、智能化的现代化控制领域。极大的促进了铁路运营管理现代化的发展。atc系统通常由四个部分组成:列车自动监控系统(ats )、列车自动防护系统(atp)、计算机联锁(cbi)以及列车自动驾驶系统(ato )。其中，ats系统主要功能是依照时刻表对系统内所有的运营列车实施调度和指挥，并监控整个系统的运行状态;atp系统的主要功能是通过对列车速度进行监控并使其保持安全运行间隔，从而防止列车碰撞与出轨;联锁系统(cbi)用于在信号机、道岔与进路三者之间建立相互制约的关系，从而保证车站行车安全，提高行车效率，改善机务人员的劳动条件;ato系统则控制列车在线路上的自动运行和在车站精确停车，减少司机的劳动强度，提高旅客舒适度。此外，车载atp/ato和轨旁atp/ato通过车地双向通信dcs系统提供的完全透明的通信通道实现双向移动通讯。总之，ats, atp, cbi, ato和dcs之间相互协调工作，构成完整的轨道交通列车自动控制系统。基于无线通信的列车控制系统(cbtc)。2.2 信号系统分类 铁路线路以车站为分界点划分为若干区间，为了确保列车在区间内的运行安全，列车由车站向区间发车时，必须确保区间(分区)内没有列车，并需遵循一定的规律组织行车以免发生列车正面冲突或追尾等事故。这种按照一定规律组织列车在区间内运行的方法，叫做行车闭塞法，简称闭塞。 传统方式为固定闭塞，基于传统的多信息、无绝缘轨道电路(joint-less trackcircuit)，通过轨道电路判别闭塞分区占用情况，并传输信息码，采用阶梯式速度曲线列控方式的自动闭塞。列车区间追踪运行的安全间隔及正常运行间隔以固定的闭塞分区为单位来实现，两列车之间的最小行车安全间隔距离至少应为一个固定的闭塞分区，为保证列车正常追踪运行，两列车间隔距离在三个闭塞分区以上。固定闭塞下，线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区，闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计，一个分区只能被一列车占用，列车间隔为闭塞分区，而与列车在分区内的实际位置无关，制动的起点和终点总是某一分区的边界。由于传统的固定闭塞基于轨道电路进行位置检测及信息传输，需要大量的轨旁设备，维护工作量较大。此外，传统方式还存在以下缺点:轨道电路工作稳定性易受环境影响，如道渣阻抗变化、牵引回流干扰等。轨道电路传输信息量小。要想在传统方式下增加信息量，只能通过提高信息传输的频率。但是如果传输频率过高，钢轨的集肤效应会导致信号的衰耗增大，从而导致传输距离缩短。利用轨道电路难以实现车对地的信息传输。固定闭塞的闭塞分区长度是按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计的，分区较长，且一个分区只能被一列车占用，不利于缩短列车运行间隔。 移动闭塞是指不划分固定的轨道区段，而采用交叉感应电缆、泄漏波导、无线通信等方式实现车一地双向大信息量的数据传输，将列车的位置信息传输到相关列车和系统。移动闭塞与固定闭塞的根本区别在于闭塞分区的形成方法不同。如图2.2所示，移动闭塞系统是一种区间不分割、根据连续检测先行列车位置和速度进行列车运行间隔控制的列车安全系统。这里的连续检测并不意味着一定没有间隔点。实际上该系统把先行列车的后部看作是假想的闭塞区间。由于这个假想的闭塞区间随着列车的移动而移动，所以叫作移动闭塞。在移动闭塞系统中，后续列车的速度曲线随着目标点的移动而实时计算，后续列车到先行列车的保护段后部之间的距离等于列车制动距离加上列车制动反应时间内驶过的距离。图2.2移动闭塞分区示意图 基于通信的移动闭塞下，列车通过可靠的无线数据通信网，将列车位置、车次、列车长度、实际速度、制动潜能和运行状况等信息以无线的方式发送给区域控制器;区域控制器追踪列车并通过无线传输方式向列车发送移动授权。车载设备包括无线电台、车载计算机和其它设备(如传感器、查询器等)。列车将采集到的数据(如机车信息、车辆信息、现场状况和位置信息等)通过无线数据通信网发送给区域控制器，以协助完成运行决策;同时对接收到的命令进行确认并执行。 移动闭塞下，列车定位精度高，使列车在区间追踪运行的最小安全间隔仅为一个安全保护距离，列车最小正常追踪运行间隔为:在当前速度下使用常用制动直至停车的制动距离加安全保护距离，并由前后列车的动态关系确定。移动闭塞下，线路没有固定划分的闭塞分区，列车间隔是动态的，并随前一列车的移动而移动。列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离，加上安全余量进行计算的，确保不追尾。移动闭塞系统缩短了行车间隔，提高了运能，就可以在不降低运能的情况下运行小编组的列车，从而缩短站台和折返线的长度，大幅度降低了基建投资成本。因此，移动闭塞系统已成为城市轨道交通信号系统的发展方向。目前武汉、广州、上海、北京、南京已建和在建地铁均有采用基于通信的移动闭塞系统。3 城市轨道列车自动控制系统3.1 控制系统总体概述 在城市轨道交通系统中，信号系统的地位非常重要，它是地铁车辆安全、高效运行的主要保证。通常，信号系统包括atc(列车运行控制)系统和cbi(微机联锁)，其中atc系统又由atp(列车自动防护)系统、ato(列车自动驾驶)系统及ats(列车自动监督)系统三个部分组成。 联锁系统用于保证线路内的所有进路、道岔、信号机、轨道电路的占用状况之间保持安全的联锁关系;atp系统主要防止列车碰撞与出轨，它对列车进行速度限制并使其保持安全运行间隔;ato系统控制列车自动运行和在车站停车;而ats系统主要功能是依照时刻表对系统内所有的运营列车实施调度和指挥，并负责监控整个系统的运行状态。cbi、atp、ato、ats之间相互协调，一起实现一个完整的实时控制系统，完成城市轨道交通信号系统的功能。 ats系统位于atc系统的最上层，是整个地铁信号系统的指挥中枢，对提高系的营效率、自动化程度、管理水平以及减少行车指挥调度人员的工作强度等方面具有最直接的影响。 城市轨道交通的ats系统也是源于干线铁路的ctc系统。ctc系统即调度集中系统，是我国运用于铁路线路的车站信号设备集中控制系统，实现遥控模式下，操作员根据列车运行情况，集中办理调度区内车站列车进路控制。ctc系统主要配置包括总机设备、调度表示设备、控制终端设备、分机设备以及通道和系统维护设备等，ctc系统主要功能如下: (l)基本控制功能:控制调度区段内集中控制车站的进路、信号。控制内容包括排列、取消进路、进路的储存和试排、办理站控、局控等。 (2)基本监控功能:显示列车运行和信号设备状态信息。监视内容包括接发车信号开放、进路开通表示、股道以及区间占用等。 (3)其它辅助功能:车次跟踪、运营图管理、行车有关数据的处理和统计以及信号设备监督测试等。 ats系统是从铁路调度集中(ctc)系统发展而来的191，与铁路调度集中系统的最大区别在于:ats系统是面向列车的运行计划，根据运行计划对列车运营集中管理和对运行进行调整控制，从而使列车的运行与计划一致;而铁路调度集中系统是面向列车的运行，根据列车的运行情况对计划进行调整，无法对列车的运行进行自动调整。由于调度集中系统的固有特点，使得它难以应用到高密度运行的城市轨道交通中去。 从功能上讲，ats系统作为城市轨道交通列车运行管理系统，它的主要功能为:列车运营监督、车次号管理、自动进路控制、列车运行调整以及时刻表管理等。1101而铁路调度监督系统则只实现，调度集中系统也只实现了对列车运行的监督功能，控制车站的进路、信号功能，对列车的运行管理则是由辅助调度员进行计划的调整，而无法实现对列车的自动运行管理。3.2 功能描述 ats系统在atp(列车自动防护)、ato(列车自动运行)系统的支持下，汇集诸如列车位置、进路状态、列车状态、车次号、信号设备故障等信息，基于这些信息，完成对列车运行的自动监控，实现运行图管理、运营信息处理、自动排列进路，通过调整停站时间和站间运行时间来自动调整列车运行，旅客向导以及与其他系统的接口功能。221 ats系统是一个包含中央ats和本地ats的分布式自动控制系统。中央ats运行于控制中心的局域网，中央ats和各个本地ats通过通信系统实现远程连接。本地ats负责采集微机联锁、轨旁atp/ato的数据并将中心ats产生的控制指令发往微机联锁与轨旁atp/ato。在中心ats失效后，本地ats可在降级模式下执行现场控制功能。中央ats系统是整个ats系统的核心部分，在通常情况下，由中央ats执行全部控制功能。 ats系统具体包括以下主要功能：（1） 列车监视和追踪功能通过列车识别号对列车进行跟踪。列车识别号跟踪、传递和显示功能对运行于线路上的所有列车进行定位与标识。跟踪从列车自车辆段出发占用转换轨时开始，至终到站或离开转换轨返回车辆段时结束。识别号随着列车的走行自动跟踪，并可由调度员人工修改。列车识别号由车组号、服务号、序列号、目的地号等组成。（2） 运行调整功能 运行图的比较及运行调整功能可根据操作员事先设置的调整参数选取不同的调整策略，尽可能地保证列车按照计划时刻表运行。当列车运行与时刻表偏离小于某个预置参数时，ats调整功能将自动调整停站时分及/或列车运行等级以恢复原先的计划控制。当出现严重的交通扰动时，ats调整功能向调度员提供人工控制列车运行的手段，以恢复计划控制(功能包括:跳停，扣车/终止扣车，修改停站及/或运行时间，修改列车始发时间，修改列车始发和/或终到站，改变调整策略等)。 也可由操作员对计划运行图进行在线修改，包括对单个列车或所有列车进行“时间平移”、增加或取消运行计划线、改变列车的始发站、终到站及始发时间、调整列车的出、入段时间等。（3） 运行图编制和管理功能 包括在线和离线2种方式。包括时刻表的产生、修改，计划时刻表与实际时刻表的比较，运行图的显示和打印。（4） 列车运行及信号设备的监视和报警功能。可显示车辆段线路，正线车站及区间轨道区段、道岔、信号机、列车识别号、在线列车运行状态、命令执行情况及系统设备状态(背投式组合显示屏不显示车辆段的线路及进路状态)。报警发生时对故障和事件发生的地点、时间、内容进行记录。（5） 联锁控制功能。进路的控制有人工、自动2种控制模式。自动进路只适用于正向列车运行，包含通过进路、自动触发进路(包括接近触发和目的地接近触发方式)和循环进路。中央和本地ats工作站均具有联锁操作功能，用于对相应联锁区运营列车进行监控。工作站人一机界面对话窗主要由联锁、轨道、道岔、信号、进路、车站以及故障报警等部分组成。在相应的对话窗中可对相应的控制对象进行监控。（6） 旅客向导。ats可根据计划运行图、列车跟踪、列车调整等功能所提供的数据向各个车站发送pits信息。25在车站站台层设置旅客向导系统，显示与旅客乘车有关的信息，如列车到达时间、目的地、列车直通、车站提供的“请勿上车”及列车的编组情况(停车位置)等。（7） 各种事件的记录、输出和报表管理功能。（8） 运行回放 离线情况下，再现系统的运行状况。在模拟和维护工作站上可执行离线的回放功能。回放功能基于系统数据库中所一记录的系统运行数据信息。操作员可灵活选取所需回放的时间段，在人机界面上完全真实地再现该回放时间段中系统的运行状况，并且操作员可灵活控制回放的速度，对故障场景的分析十分方便。（9） 数据库管理。ats管理所有车辆信息及晚点统计:车辆在正线运行时间及公里数;准点统计;交通状况;故障情况等。（10） 交互式培训。（11） 其他专业系统接口。3.3 系统主要性能指标3.3.1精度要求ats系统中对运算结果达到了如下精度要求: 时刻表数据库中时间值一一精确到秒; 列车自动调整模块计算出的时间调整值一一精确到秒; 列车跟踪模块跟踪轨道的长度值一一精确到轨道电路分界;里程统计一一精确到米。3.3.2时间特性要求 ats系统是一个实时自动控制系统，主要体现在对现场设备的状态转变需要有实的表示，以及对于系统及调度员的控制指令现场设备必须有实时的响应和信息反馈两个面因此，ats开发平台设计并满足以下实时性指标:系统响应时间:从发出选择命令到系统完整的显示输出:1s;显示更新时间:从接收到变化的信号到选定的显示更新:2s;3.3.3灵活性要求ats平台的灵活性主要体现在三个方面:(1) 系统可集成:系统相对独立，接口的变化对系统功能的影响较小，可与不同类型的外围系统良好衔接;(2) 功能可配置:组件化设计使功能模块相对独立，部分模块的取舍不影响系统总体功能的实现;(3) 运营策略可配置:用户对于运营方面的特殊需求独立于系统核心功能。3.4自动闭塞的分类及说明3.4.1闭塞的定义用信号或凭证，保证列车按照空间间隔制运行的技术方法，闭塞是用来控制列车运行。空间间隔制就是前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离的行车方法，如果两个车站之间只允许一列列车运行，闭塞分区的长度为两站之间的距离，那么则称为站间闭塞。特点是确保了安全，缺点是效率低。为了在确保安全的前提下，提高列车运行效率，在两个车站之间划分成若干分区，称作闭塞分区。在确保同一时间、同一分区内、同一方向只有一列列车在运行，效率提高，这种控制方式叫自动闭塞。自动闭塞的定义是根据列车运行及有关闭塞分区状态，自动变换通过信号机显示司机凭借信号行车的闭塞方式。实现自动闭塞的技术手段有多种，列车与地面之间的信息传输采用轨道电路、计轴设备、电缆敷线、波导管及漏缆、无线等方式来划分闭塞分区。3.4.2自动闭塞的分类及说明自动闭塞分为三类：固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。如下对三种闭塞各自进行分析比较。（1）固定闭塞：列车控制系统采取分级控制模式时，采用固定闭塞方式，运行列车间的空间间隔是若干个闭塞分区，闭塞分区是以轨道电路或计轴装置来划分，具有列车空位和占用轨道的检查目的。讨论固定闭塞前，先讨论轨道电路。轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，并用引接线连接信号电源和接收设备所构成的电气回路。它是由钢轨、轨道绝缘、轨端接续线（减少两条钢轨接头处的电阻而增设的连线）、引接线（将设备接向钢轨所需的连线）、送电设备及受电设备等主要元件所组成。轨道电路的基本工作原理：平时，列车未进入轨道电路，即线路空闲时，电流通过轨道继电器线圈，使它保持在吸起状态，接通信号机的绿灯电路，当列车进入轨道电路，即线路被占用时，电流同时通过轮对和轨道继电器，由于轮对电阻比轨道继电器线圈电阻小得多，形成很大的分流作用，并使电源输出电流显著加大，限流电阻rx上的压降随之增加，送向两根钢轨间的电压降低，因而流经轨道继电器的电流减少到它的落下值，使轨道继电器释放衔铁，用继电器的后接点接通信号机的红灯电路，信号机红灯显示向继续行驶的列车发出停车信号，以保证列车在轨道电路区段内运行的安全。轨道继电器gj 监督着轨道电路的工作状态，继电器的接点又控制着信号机的显示，信号又指示着列车的运行，列车的运行又改变着轨道电路的工作状态，反复循环，从而实现信号自动控制。轨道电路能否正常工作，直接关系到行车安全和行车效率。为此对轨道电路提出下列要求:当轨道电路空闲且设备良好时，轨道继电器衔铁应可靠吸起；轨道电路在任何一点被列车占用时，即使只有一个轮对进入轨道电路，轨道继电器应立即释放衔铁；当轨道电路不完整时，断轨、断线或绝缘破损，轨道继电器应立即释放衔铁，关闭信号；对某些轨道电路，还应实现由轨道向列车传递信息的要求。由上述轨道电路的基本原理可知，利用轨道电路不仅可检查该线路区段内列车的有无（轨道电路的空闲与占用），而且还可以在该段线路内无列车情况下，以该段线路作为通道由前方信号机向相邻的后方信号机传递控制信息，铁路信号技术的发展，还可使用钢轨与专用设备的电磁感应或无线联系方式向列车传递控制信息。固定闭塞的追踪目标点为前行列车所占用闭塞分区的始端，后行列车从高速开始制动的计算点为要求开始减速的闭塞分区的终端，两点固定空间间隔的长度固定，故称为固定闭塞；固定闭塞列车控制系统采取分级速度控制模式，把速度分级，每两个速度等级间存在一个速差，其对应的信号显示表达了速差的意义，称为速差式信号显示，也称台阶式信号系统。固定闭塞的列车最小行车间隔约为100105秒。（2）准移动闭塞：准移动闭塞方式的列车控制系统采用目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）。目标距离控制模式根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车制动曲线，不必设定每个闭塞分区速度等级，采用一次制动方式。准移动闭塞的追踪目标点是前行列车所占用闭塞分区的始端，留有一定的安全距离。后行列车从最高速度开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点相对固定，在同一闭塞分区内不依前行列车的运行而变化，而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的；空间间隔的长度是不固定的；其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。列车最小运行间隔约为8590秒。通常闭塞分区是用轨道电路或计轴装置来划分的，它具有列车定位和占用轨道的检查功能。由于目标点相对固定，故当前行列车在一个闭塞分区内运行时，连续式一次速度控制曲线是相对稳定的；当前行列车出清闭塞分区时，目标点突然前移，目标距离突然改变，连续式一次速度控制曲线会发生跳变。列车控制系统采取目标距离控制模式，速度不采用分级，给出的连续式一次速度控制曲线式的信号显示，对应的信号显示制式为速度式信号显示。虚拟闭塞：它是准移动闭塞的一种特殊方式。它不设轨道占用检查设备和轨旁信号机，采取无线定位方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能。闭塞分区和轨旁信号机是以计算机技术虚拟设定的，仅在系统逻辑上存在有闭塞分区和信号机的概念，除了虚拟闭塞系统将闭塞分区和轨旁信号机均定义为虚拟的以外，其余等效于准移动闭塞。虚拟闭塞方式有条件将闭塞分区划分得很短，当短到一定程度时，其效率就接近于移动闭塞。（3）移动闭塞：移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部，并留有一定的安全距离。后行列车从最高速度开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度以及列车本身的性能计算决定的，目标点是前行列车的尾部，与前行列车的运行和速度有关，是随时变化的。而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的，空间间隔的长度是不固定的，其追踪运行间隔要比准移动闭塞更小一些。列车最小运行间隔约为80秒。移动闭塞一般采用无线通信和无线定位技术来实现。最先进的移动闭塞甚至要考虑前行列车的速度 。下图为三种闭塞方式的速度模式图：3.1闭塞方式示意图4 atc系统构成和工作原理4.1 atc系统的功能 城市轨道交通列车自动控制系统atc系统包括列车超速防护atp,列车自动驾驶ato和列车自动监控ats三个子系统。ato的主要功能是使列车随时都处于最好的运行状态;atp子系统可以自动检测列车的位置和实现列车间隔控制，连续监视列车的速度，实现超速防护;ats是对列车的监督运行，其作用是后发性的。轨道交通系统使用列车自动控制系统后，行车调度员的作用只为监控运行，列车司机的作用为开关车门、启动列车和监控运行，可见列车自动控制系统是一个智能化程度非常高的系统。从它们的主要功能可以看出，这3个子系统是相辅相成的，atp自身作用就是保证行车安全。1.停车点防护停车点有时就是危险点，危险点是一点都不能超越的点，例如车站内有车的时候，车站的起点就是危险点。为了保证行车安全，在停车点的前方需要设置一个安全区段，也就是防护段。其长度由运行条件以及列车的性能决定，atp系统根据其条件计算出一个制动曲线，保证列车不会超越危险点。4.1安全停车点的防护曲线图2超速防护 在城市轨道交通中的限速分为两种:一种是固定速度限制，如区间最大允许速度或最大允许度，前者由线路参数决定，后者由列车自身物理特性决定;另一种是临时性的限速，如线路临时维修等情况。atp系统始终地监视这类限制速度不被超过，一旦超过，先做出警告，然后启动紧急制动，并做记录。3列车安全间隔控制 城市轨道交通行车密度高，所以atp系统要在相应的闭塞方式下保证列车的安全运行间隔。目前城市轨道交通的atp系统大多是在移动闭塞方式下保证列车的安全间隔。4测速与测距 atp系统通过准确的测速，可精准地定位列车的位置。atp系统利用装在轮轴上的测速传感器测量列车的即时车速，传递给车载设备，在驾驶室内显示出。5车门控制atp在车门控制方面的主要功能是:(1) 防止列车在站外打开车门;(2) 防止列车在站内打开非站台侧的车门;(3) 舫止在车门打开时列车启动。 atp系统检查所有的安全条件都符合时，才会给出命令打开车门。4.2 atp系统的结构、分类和工作原理4.2.1atp系统的结构atp系统主要包括2个部分:车载设备和地面设备。atp系统要正常地工作运行，需要其他几个单位、单元的支持与配合，这些单位和单元包括控制中心、信息传输通道和进路控制单元等ec,i。它们相互之间以及与atp之间的关系如图2-2所示。4.2 atp与相关单元的关系图 (1)控制中心在不同类型的控制方式中，atp作用稍有不同，控制中心所做的工作内容也相应的有所不同。一种情况是:控制中心储存了线路的固定数据，例如区间的线路布置图、坡度、缓行段的位置及长度等。沿线的信号显示、道岔位置及其他控制对象的信息不断经由联锁装置传回到控制中心，另外列车也会将其数据，例如制动率、车长，实时速度和所在位置等，传回给控制中心，控制中心内的计算机就会根据这些数据计算出此时列车所允许的最大速度，再将此速度值的信息传给列车。即所有信息传递到控制中心后，控制中心需要计算列车允许的最大的速度;另一种情况是控制中心将有关的信息，例如线路坡度、目标点距离和目标点速度等传给机车，机车的车载计算机就负责计算此时列车所允许的最大速度，使速度测量、速度计算、速度比较和速度调整在机车上形成控制闭循环。在本论文中，主要讨论的是第二种制式的控制中心，第一种基本不做讨论。 (2)进路控制单元接收来自控制中心的控制命令，控制信号机显示及道岔的位置。 (3)信息传输通道主要用作信息的传输。在不同的信息传输方式的atp中，分别由轨道电路和电缆作为信息的传输通道。例如数字式无绝缘轨道电路除提供列车定位信息、检测列车占用之外，还担负着atp信息的地对车传递及断轨检查了。(4)车载设备接收轨道电路传递的各种信息，然后生成列车的信息控制曲线，将允许的速度与实际测量速度作比较，监督列车运行，一旦超速就会发出各种制动命令。车载设备具有各种输入输出接口，与司机驾台、牵引制动装置、测速度和距离单元以及显示记录单元等联系。4.2.2atp系统工作的分类atp按其信息的传输方式、车载设备与地面信息交换方式的不同可以分为两大类，一是点式;二是连续式。连续式又可以分为两种:采用轨间电缆的连续式atp和采用轨道电路的连续式atp。这三小类型的atp在世界各国的轨道交通史中都有使用。在同一轨道交通中，有时并不是单一地使用同一类型的atp，可能是两种方式并用，这样更能保证整个行车过程的安全。目前使用最多的有两种情况:一是单独使用轨道电路的连续式atp;二是轨道电路的连续式加点式的混合型atp。4.2.3点式atp的工作原理点式列车超速防护系统信息的传输是点式的，用车载计算机实现信息的处理，最后达到列车速度防护目的的系统。 在结构上主要分为地面设备(主要是地面应答器)和车载设备，如下图所示:4.3点式atp结构原理图地面应答器又由三个部分组成:电源接收装置、eprom可编程存储器和发送设备。存储器事先存入一些防护区间的固定数据，例如目标点的距离，区间的坡度、线路的曲半径和区间线路最高的允许速度等，以及地面实时输入的数据。当列车驶过应答器的上方时，地面的应答器就将数据传递给车载设备。机车设备获得地面应答器的信息后，根据车载计算机内事先预存的自重，车长和制动率等列车自身数据，以及轮脉冲获得的实时速度，列车计算机根据预存在内的算法计算出本信息点与目标点之间的速度曲线，此速度曲线作为atp系统对列车速度监控的依据。4.2.4采用轨间电缆的连续式atp的工作原理整条线路设置一个控制中心，在此控制中心内，预先存储一些线路的固定的数据如区间的线路布置图、坡度、曲半径、缓行情况等;此外通过联锁设备，实时地将沿线信号、道岔等信息传入控制中心。同时，列车将自身的数据，如车长、制动率、所在位置和实时速度，通过轨间电缆传入控制中心。控制中心根据其预先存储的固定算法计算出实时的列车允许速度。或者由车载计算机直接计算列车允许速度。计算方式是:4.4采用轨间电缆的连续式超速防护系统原理图4.2.5采用轨道电路的连续式atp的工作原理这种方式的超速防护系统的原理与点式、采用轨间电缆atp基本相同。唯一不同的是，这种方式的车载atp部分的主要任务是根据来自地面中心的数据与预先储存的列车数据计算列车实时最大允许速度，将此最大允许速度与来自轮脉冲发生器(opg)的列车此时刻的实际速度数据做比较，超过允许速度时，报警后启动制动器。在司机驾驶台上给出一系列必要的显示，如允许速度、此时刻的实际速度、目标点距离、目标点速度等。4.5轨道电路超速防护系统结构图4.3三种方式的atp优缺点比较三种方式的atp都有自身的优点和缺点，国内外的轨道交通使用的atp类型多种多样，但目前大都使用音频轨道电路作为信息传输方式，一些地铁还加上点式atp作为辅助。我国的一些轨道交通系统也采用此种方式，如深圳地铁，即主要采用轨道电路的连续式atp系统加点式atp系统。4.3.1点式atp的优缺点点式atp的最大的优点是成本低，可靠性高，而且安装、使用和维修都比较方便。如果点式的atp用于辅助连续式的atp，轨道交通行车安全等级将会比使用任何单独的制式的atp要高。点式与连续式相比，信息传递是间断的，无法及时更新信息，当列车从一个目标点获得信息后，无法获取本目标点距下一个目标点之间地面信息，只有到达一个目标点后，地面信息才可以更新。如果一列列车在一个目标点获取信息后，需要减速或停车，车载设备就会发出减速或停车命令，一旦前面目标点的情况发生改变，无法在第一时间传递给列车，此列车就会一直按照低速行驶或者停车在原地不动，直到进入下一个目标点获取新的信息或者控制中心的人员告知可以开动，列车才会正常行驶，这样就大大的降低了行车的效率。这种方式虽然不会影响安全，但对列车运行的高效性造成很大的影响。4.3.2采用轨间电缆连续式atp的优缺点采用轨间电缆连续式atp的最大的优点就是可以克服点式atp的弊病，车载设备与地面设备的信息交换是连续的，不会产生长距离的信息中断，既可以保证行车的安全性，又可以保证行车的高效性。这种制式的缺点是轨间电缆价格相当的昂贵，同时会给养护工作带来麻烦，在养路工作中，工作人员在工作时非常容易损伤电缆。如果电缆受到损坏，更换十分不方便，代价相当高。4.3.3采用轨道电路连续式atp的优缺点轨道电路作为信息传输方式的atp与采用电缆作为传输方式的atp相同，可以克服点式的弊病，信息交换是连续的。另外轨道与电缆相比起来易于维护，在养路工作中不易损伤。此种方式atp的缺点:轨道电路另一个重要的作用是作为牵引电流的回流线，牵引电流中的高次频谐波相当丰富，因此轨道电路的传输频率应尽可能的采用高频率;而且，钢轨的衰耗与频率的高低是成正比的，频率越高，衰耗就越快;轨道电路的有效长度与频率是成反比的，所以在选择频率时不能选得过高或过低。目前在欧美国家大多数采用9.5khz- 16.5khz作为轨道电路的传输频率，我国上海地铁二号线，广州地铁一号线也都是采用这个1.4 atp项目开发的愈义为加快我国城市轨道交通设备的国产化进程，国家计委于1999年5月以计司高技1999033号文发出关于组织实施城市轨道交通设备国产化开发及产业化专项的通知，在该通知中，明确了城轨车辆及铝合金车体、牵引传动及信号系统为重点实施国产化领域。研发、拥有自主知识产权的atp系统，不但可以节约大量的外汇和维护成本，还可以解决网络化城市轨道交通运营的互联互通问题，保证我国城市轨道交通系统健康有序发展，因此，可以说国产化的atp列车运行控制系统将会具有巨大的社会效益和经济效益。4.4 atp系统可靠性和安全性分析 atp系统是由控制中心、信息传输通道、进路控制单元及车载设备组成，这四个部分又是分别由诸多单一的组件和满足“故障安全”准则的子系统构成，事实上任何一个子系统发生故障或失效，则一定会引起不安全行车。因此，atp系统可以看成是由多个满足“故障安全”准则的子系统构成的串联系统，单个串联单元即为满足“故障安全”准则的子系统，任何一件串联单元发生故障，即“故障安全”发生故障，则整个系统就发生故障。信号系统己被公认为投资少、见效快，对提高客运量有着重要的作用和效果，各国地铁与轻轨都十分重视信号系统的建设。列车超速防护(atp)系统是保证行车安全、提高行车密度、维护行车秩序的行之有效的系统，是信号系统的核心部分。其功能是对列车运行进行超速防护，对与安全有关的设备实行监控，实现列车位置检测，保证列车间的安全间隔，保证列车在安全速度下运行，完成信号显示，故障报警，降级提示，与ats, ato及车辆系统接口并进行信息交换。atp系统将实时来自区域控制中心的控制命令、相关信息和允许速度信息等与地面通过数字轨道电路上传到车上的信息进行运算，从而得到当前的最高允许速度，当列车速度超过atp装置允许的最高速度时，atp设备就会根据超过的大小，来给出报警、常用制动、紧急制动，保证列车不超速、不冒进。atp系统由车载子系统、地面子系统和车地通信子系统三大部分组成。车载子系统主要实现控制列车运行的功能，如超速防护功能和防冒进功能。具体完成命令解码、测速、超速的强制执行、特征显示、车门操作等任务。车载atp设备包括:两套atp主机、两个速度传感器和两个接收天线、相关的车辆接口、驾驶室内的操作与显示单元等。车载atp设备根据地面传来的数据与预先储存的列车数据计算出列车实时的最高允许速度。将此速度与来自测速传感器的速度进行比较，实时监控列车的运行。地面子系统提供线路信息并由控制中心产生控制信息。车地通信子系统主要完成车地之间的可靠信息交换，是地面和列车双方互相通信的中间传输通道，其实方式采用点式点式应答器、交叉环线或无线传输等通信方式。本系统采用目前国际上先进的基于数字化轨道电路技术的一次制动曲线(目标距离)的控制模式如图：4.6速度距离目标模式控制图设计城市轨道交通专用通信系统应紧密围绕着为运营相关人员以及系统设备提供可靠的信息交互手段，保障轨道交通系统“安全、可靠、正点”运送乘客的目标。整个系统的设计应该充分考虑系统安全可靠，消除各子系统的隐患以及由于各子系统间的接口匹配而可能产生的故障。在各个子系统功能和接口的设计中，应充分考虑到如下设计准则:技术先进性、高可靠性、易维护性、易扩展和升级。这些子系统在设计上能协调工作，在不同的运营环境下能正确地相互作用。各个子系统能对各自子系统内的故障进行检测和报警，保证整个系统的可靠性。轨道交通的通信系统，承载着运营管理中的语音、数据、图像和文字等各种信息，为确保行车安全、提高运输效率和现代化管理水平、提升旅客舒适度以及突发情况下提供应急处理手段等方面，提供重要的通信保障。此外，考虑到实际工程中的轨道交通建设线路为分段开通及今后三期延伸的特点，该线路的通信系统，应该建设成为一个安全可靠、功能合理、技术先进、经济实用并易于扩展的通信网络。因此，对于整个通信系统的方案设计，严格遵循以下原则：（1） 高安全性、可靠性;（2） 易维护性，系统组成模块化;（3） 易扩展和升级;（4） 技术先进:符合国家标准、国际标准和技术要求。4.4.1