讲座_铁路发展.ppt

,铁路信号基本概念及发展,傅世善,目录一、提速高速促进铁路信号大发展二、车站联锁到信息联锁三、信号显示制度的基本概念四、闭塞制式的基本概念五、故障-安全的概念六、列控系统的基本概念七、列控系统的基本构成八、CTCS-2级列控系统九、CTCS-3级列控系统,一提速高速促进铁路信号大发展当前中国铁路正处在大发展时期，6次成功提速，加速建设250km/h提速线路和350km/h的客运专线。铁路提速带来巨大经济效益和社会效益，为铁路带来了发展的生机。提速过程中，铁路信号领域中无论在信号制式、系统、技术、设备、设计、研究中，都发生了很多重要的理念变化，这些理念的变化是相互关联和影响的。设计院也发生了巨大变化，由设计、研究、标准的三位一体，演变成系统开发、系统集成、系统承包的三位一体。,1.随着列车运行控制系统和列车运行调度系统的推广运用，中国铁路信号制式和系统经历着一些重大变化：*铁路信号从以车站联锁为中心向以列车运行控制系统为中心转化；*列车运行调度指挥从调度员车站值班员司机三级管理向实现由调度员直接控制移动体（列车）转化；*以地面信号机为主向以车载信号为主转化；*列车运行由以人为主确认信号和操作向实现车载设备的智能化转化；*区间闭塞由固定闭塞方式向准移动闭塞方式转化*信号显示制式由速差式向速度式（目标距离）；等等。,2.计算机技术、数字化技术普遍应用，基于通信技术的信号系统应运而生,中国铁路信号技术和设备经历着一些重大变化：*计算机联锁大规模应用，二乘二取二（或三取二）的冗余系统已经取代了双机热备系统；*传统的系统界面被突破，列控与联锁一体化已经有了成功的样板，区域控制计算机联锁也在多处运用；*非安全通信通道用于信号安全领域，基于无线通信的列控系统CTCS-3已作为客运专线的主要方案；*执行单元全电子化的计算机联锁已经上道，必然会有进一步的发展；等等。,3.信号制式、系统、技术、设备的变化必然会带来设计理念的变化：*从三显示到四显示自动闭塞引起了信号显示制式向速差式迈进，概念尚未完全建立，又被准移动闭塞推向了速度式信号显示制式；*自动闭塞设计中最复杂的闭塞分区的划分因准移动闭塞变得简单，闭塞分区的名称已失去原来的含义，轨道区段基本上等长就可以，再也不要考虑线路参数等因素；*计算机联锁的设计，设计单位只提供两图一表，逻辑设计转移到计算机联锁厂商；等等。,4.铁路信号的发展，先进技术的应用，信号系统和设备是高科技、高投入、高风险产品，传统的科研方式不能确保信号系统和设备的高安全性和高可靠性，于是科研方式发生了重大变化，迅速与国际接轨：*根椐铁道部和用户的需求，确立以欧洲铁路标准体系为参考标准，研究铁路信号安全标准，研究RAMS分配方法和技术；*改变各自立题、从小产品做起和先产品后补标准等习惯，到系统研究、标准先行；*从依靠研制完成后审查、鉴定，到建立安全评估机制，通过第三方的安全认证，从研究开发过程中进行控制，保证系统的安全可靠；*从偏重应用层面的研究，到开始加强通信信号核心技术的研究；*从依靠现场试验到建立轨道交通运行控制实验室，对系统进行综合仿真与测试；等等。,5.铁路现代化、信息化扩大了“铁路信号”专的内涵,广泛应用计算机等新技术，使铁路信号技术向数字化、网络化、智能化、综合化方向迈进:*计算机联锁、TDCS、CTC系统信息共享，既提高运输效率，减轻了劳动强度，又保证了作业安全；*新一代分散自律调度集中系统的成功运用揭开了调度指挥的新篇章，真正实现行车调度员对移动体的直接指挥；*CIPS系统以信息集成为核心，综合管理技术、运输生产技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，按照控制、调度、管理、经营、优化、决策一体化的路线，使我国编组站管理与控制技术一步跨入了世界领先水平，创造了编组站现代化的新模式；*以调度集中为核心的综合行车调度指挥系统已开始构建，全国客运专线将构成网络，建成四个综合行车调度指挥统一指挥；*提速提高了旅行速度，增加了旅客的舒适度和满意度，以通信信号为基础的信息共享，使得行车信息服务于大众成为可能，全面提高了铁路运输的社会形象；*信息联锁的理念已开始建立，智能化交通的框架开始研究。,二、车站联锁到信息联锁一、车站联锁在铁路信号名词术语中，联锁的定义是：“通过技术方法，使信号、道岔和进路必须按照一定程序并满足一定条件，才能动作或建立起来的相互关系。”车站联锁从采取的技术方法上分，经历了几个阶段：机械联锁、电机联锁、继电联锁、电子联锁、计算机联锁。联锁对象是产生信息的源，又可能是联锁控制的点。从现代眼光看，联锁对象远非三个。从保证车站范围内行车和调车作业的安全的角度出发，由于技术手段有限，车站联锁没能完成的涉及安全的联锁需求还有许多。例如：道岔号码、接近区段长度，预防侧冲.。,二、信息联锁铁路信号大系统已经从以车站联锁为中心向以列车运行控制系统为中心转化。车站联锁是车站范围内的信息联锁。信息联锁可能作为通用名词，被广义理解和运用。铁路信号大系统范围内的信息联锁，包含了对安全性的要求，似乎可以称为铁路信号信息安全联锁，业内可简称为信息联锁，这就成为铁路专用名词。,三、信息联锁的安全性的要求信息联锁作为一个新的铁路专用名词，锁字中包含了对安全性的要求。用计算机完成一般的逻辑关系，可以采用通常使用的“逻辑处理”和“逻辑运算”等词汇，信息联锁应该强调对安全性的要求。从车站联锁到信息联锁是技术发展的必然趋势，提出信息联锁的概念有利于从大系统范围内在最大程度上满足用户需求，确保行车安全。信息联锁的概念已开始运用，编组站综合集成自动化系统（CIPS）中也已成功运用了信息联锁技术。由调度集中、车站联锁、列控系统等组成的铁路信号大系统中也有运用了信息联锁技术的经验。信息联锁作为一个新的铁路专用名词，包含了对安全性的要求。不同的信号系统对安全等级有不同的要求。信息联锁实现起来并非易事，关键在于安全性的要求，要认真研究。,三、信号显示制度的基本概念信号显示制度是表达信号显示意义的基本体系，地面信号机的信号显示制度通常可分为进路式和速差式两大类：进路式表达的是进路意义；速差式表达的是速度意义。地面信号机信号显示由于受显示方式、显示数目和显示距离等条件的限制，我国规定只适用于列车运行速度160km/h及以下。,列控系统的低级阶段采用分级速度控制方式（包括台阶式和小曲线式）就是继承了速差式信号显示制度的概念。列控系统（CTCS-2或CTCS-3）采用目标-距离制动模式曲线控制方式，其车载信号显示采用目标-距离的信号显示方式。车载信号显示内容可以是一条制动模式曲线也可以采用指针式，包括：目标速度、目标距离、线路限速、制动能力等要素。,四、闭塞制式的基本概念作为铁路专用名词的“闭塞”其含义为：闭塞就是用信号或凭证，保证列车按照空间间隔制运行的技术方法。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。从各种不同的角度看，闭塞可以有各种不同的分类,传统的闭塞分类从列车追踪的角度，可分站间闭塞和自动闭塞两大类1.站间闭塞站间闭塞就是两站间只能运行一列列车,其列车的空间间隔为一个站间。按技术手段和闭塞方法又可分为:电话闭塞、路签闭塞，路牌闭塞、半自动闭塞、自动站间闭塞等。,2自动闭塞自动闭塞就是根据列车运行及有关闭塞分区状态自动变换信号显示，而司机凭信号行车的闭塞方法。其特征为：把站间划分为若干闭塞分区，有分区占用检查设备，可以凭通过信号机的显示行车，也可凭机车信号或列车运行控制的车载信号行车；站间能实现列车追踪；办理发车进路时自动办理闭塞手续；随列车走行自动变换信号显示。自动闭塞一般设地面通过信号机，装备有机车信号，保证列车按照空间间隔制运行的技术方法是用信号或凭证来实现的。自动闭塞一般适用于列车最高运行速度在160km/h及以下，它可分为：三显示自动闭塞、四显示自动闭塞、多信息自动闭塞。,列控系统中的闭塞分类列车运行自动控制系统（简称列控系统）是靠控制列车运行速度的方式来实现列车按照空间间隔控制运行的技术方法。运行列车间必须保持的空间间隔首先是满足制动距离的需要，考虑适当的安全余量和确认信号时间内的运行距离。所以根据列控系统采取的不同控制模式会产生不同的闭塞制式。列车间的追踪运行间隔越小，运输能力就越大。,列控系统是在自动闭塞基础上发展起来的，早期的列控系统采用固定闭塞方式，仍保留闭塞分区的概念，先进的列控系统采用移动闭塞的方式，扬弃了闭塞分区的概念，使列车间的追踪运行间隔更小。所以列控系统采用的闭塞制式可分成固定闭塞和移动闭塞两大类。为了更精确地表达系统的技术特征，又习惯于把列控系统采用的闭塞制式细分为三类：固定闭塞、准移动闭塞（含虚拟闭塞）和移动闭塞。,五、故障-安全的概念故障-安全的概念最早产生于铁路信号控制领域，至今已发展到其它领域，成为安全工程学中的最基本、最重要的概念之一。一故障-安全的标准在铁路信号的继电时代，铁道部行业标准将故障-安全定义为：故障以后导向安全。铁路信号大量采用电子器件后，铁道部制订了国家标准GB104951989铁路信号技术中采用电子元器件时应遵循的主要安全条件，该标准等效采用国际铁路联盟UIC73811980铁路信号技术中采用电子元器件时应遵循的主要安全条件。,随着铁路和城轨交通大量引进国外信号系统和技术，与安全相关的国际标准和规范开始引入中国，目前中国往往直接采用。,二铁路信号安全技术铁路信号安全技术分为：故障-安全、危险侧故障率最小化、防错办、故障弱化、冗余、多重化、安全余裕、故障检测与诊断、故障恢复、过程控制。铁路信号安全技术有共同的目标，就是不发生故障、少发生故障以及发生故障后导向安全侧，并尽快恢复。所以曾习惯于把铁路信号安全目标统称为故障-安全要求。产生矛盾。,1.故障-安全技术狭义的故障-安全技术是指：设备或系统发生故障时，不致错误地给出危险侧输出，能使设备或系统导向安全侧的手段。狭义的故障-安全技术是以设备或系统本身具有的性能为特点的，铁路信号安全技术是采用综合技术为特点的。故障-安全技术是铁路信号安全技术的核心和特点，铁路信号安全技术是以故障-安全为中心逐步发展和完善起来的。可靠性与安全性是两个不同的概念，但确有不可分隔的关联。一般情况下，可靠性高少出故障，安全性也就高了，但有时狭义的故障-安全技术会与可靠性产生矛盾。,传统的故障-安全技术的主要方法有：安全侧分配法：对涉及行车安全的信号器件或设备选取安全或相对安全的状态定为安全侧，故障以后导向安全侧。排除法：利用自然法则或特殊材质制造非对称性信号器材，或利用特殊结构电路，排除一些故障。闭环法：利用闭环原理使电路或设备形成完整系统并具有自监功能，以便及时发现故障。联锁法：利用逻辑处理及时发现故障，并使单个故障能导向安全状态。,2.其它的铁路信号安全技术危险侧故障率最小化技术：采取安全措施使发生危险侧故障率最小化。防错办技术：在有人介入的系统中，减少或防止操作失误，或操作失误也能使系统处于安全状态。故障弱化技术：当设备或系统发生局部故障时，某些功能有所减弱，但在整体上仍能维持使用。例如，灯光转移或降级显示、引导信号、故障解锁等。冗余技术：通过提高设备或系统的可靠性来减少故障。,多重化技术：利用多套软件或硬件实现数据比较和正确性检查，控制危险侧输出。安全余裕技术：利用参数或时间等的余裕，使系统具有较大的安全系数。故障检测与诊断技术：利用检测与诊断及时发现故障和故障定位，有利于及时排除故障。故障恢复技术：在检测出和定位故障后，最快排除故障使系统迅速恢复工作。过程控制技术:对系统和设备研发的过程进行控制。,三、现代信号系统故障-安全技术的特点现代信号系统是以通信、计算机、控制技术一体为基础的，但故障-安全技术仍应是区别于其它行业的特性。现代信号系统以前的信号系统以具有非对称故障特性的安全型信号继电器和闭环原理为基础，实现信号系统的故障-安全，建立了一种绝对化的故障-安全概念，尽管有时难以做到绝对，但在尽力争取。随着可靠性理论的发展，对故障的分析建立在概率论的基础上，揭示了故障-安全也应该是一个具有概率特性的概念。于是不具有非对称故障的电子元器件和非安全通信通道也应用于铁路信号系统，通过采用各种可靠性技术、容错技术等来实现现代信号系统的故障-安全特性。,现代信号系统的故障-安全特性是建立在高可靠性基础上的，新概念认为：设备或系统的故障是不可避免的，可以足够小，但不可能为零；故障的后果可分为危险侧和安全侧，危险侧故障概率应足够小；安全侧故障也应尽量小，不然可用性就差。现代信号系统依据新特点、新概念采取一系列有效的措施来实现现代信号系统的故障-安全特性。延用了传统的安全技术。采用各种可靠性技术、容错技术。完整和详细的标准。加强过程控制。加强故障检测和系统测试。对系统自身的检测和专门的检测都很重视,继电时代的信号系统可视性强，标准电路在研究、评审、设计、制造、施工、维护、使用各环节上都可以发现问题，帮助改进和提高。计算机系统的软、硬件可视性差，一旦形成产品，很难再发现问题，所以加强过程控制就是关键。安全性评估，一般用平均危险侧故障间隔时间来衡量系统的安全性，对软件进行安全性分析。安全性认证，要求第三方权威机构进行安全认证，严格审查软件形成的过程，。,第六讲列控系统的基本概念一、现代铁路信号系统现代铁路信号系统包括：列车运行调度指挥系统、列车运行自动控制系统、车站联锁系统三个主要系统。以列车运行自动控制系统为中心。,二、列控系统的基本概念1.定义列车运行自动控制系统ATC（AutomaticTrainControl）就是对列车运行全过程或一部分作业实现自动控制的系统。其特征为：列车通过获取的地面信息和命令，控制列车运行，并调整与前行列车之间必须保持的距离。列车运行自动控制系统（简称列控系统）是靠控制列车运行速度的方式来实现列车按照空间间隔制运行的技术方法。在城轨交通领域中，列车运行自动控制系统ATC包括三个子系统：列车超速防护系统ATP（AutomaticTrainProtection）；列车自动驾驶系统ATO(AutomaticTrainOperation）；列车自动监控系统ATS(AutomaticTrainSupervision）。,二、列控系统的两大要素当今列控系统有很多级别和种类，铁路用过的有：广深线的运用过滞后阶梯式速度监控（TVM300）系统；秦沈客运专线采用TVM430/SEI系统，是TVM300的升级系统；UM71无绝缘轨道电路进行了数字化改造，发展成为UM2000，低频信号增加到28种，有效信息量为221个。与滞后阶梯式速度监控（TVM300）相比，一个闭塞分区内的控制曲线又是连续的，所以称其为分级速度曲线控制模式。,既有线提速采用的CTCS-2系统；青藏线采用的ITCS系统;是基于无线通信（GSM-R）的列控系统，以无线通信（GSM-R）完成车地间双向、实时和连续的信息传输，以GPS差分定位系统实现列车定位，车站装设RBC（无线闭塞中心）及VHLC（安全型逻辑控制器），实现站内联锁，中小站及区间的线路旁仅有道岔转辙装置，不设置信号机、轨道电路或其它信号设备。京津城际铁路采用ETCS-1系统；客运专线采用的CTCS-3系统。城轨交通方面更是五花八门，可谓集世界之大成，世界各大信号公司之列控系统中国全有。,列控系统有很多级别和种类，如何识别这？可采住两大要素：一为列车运行控制模式，有分级速度控制和连续速度控制之分，它决定了采用的闭塞方式，从而决定了系统的效能。二为车地信息传输方式，有应答器、轨道电路、轨道电缆、波导管、无线通信等。,三、列控系统的控制模式列控系统的控制模式是其主要特征和性能之一，控制模式决定了闭塞方式和列车运行间隔，从而决定了运输能力。中国列车运行自动控制系统CTCS-2和CTCS-3级，采用目标距离一次制动模式曲线方式.车载设备根据地面传送来的移动许可和线路数据，车载信号设备根据列车性能计算出列车运行速度，若列车接近前方减速点时，即刻生成目标距离一次制动模式曲线。目标距离一次制动模式曲线缩短了制动距离，并可根据列车性能给出不同的模式曲线，提高了运输效率。,图：一次制动与分级速度控制的比较,图中由外至内，粗实线为目标-距离一次制动模式的紧急制动曲线：点虚线为目标-距离一次制动模式的常用制动曲线；阶梯式细实线为滞后阶梯式速度监控曲线；点划虚线为分级曲线式监控曲线。固定闭塞发展到准移动闭塞是一个重要的里程碑。,列控系统各种控制模式比较表,四、车地信息传输系统列控系统采用的车地信息传输系统是其主要的技术特征，决定了其系统的构成和技术水平，也决定了列控系统能采用的控制模式。轨道电路方式信息量有限，模拟信号的UM71只有18个，只能构成台阶式控制模式的列控系统，数字化的UM2000有228，能构成连续式分级控制式的列控系统。均属固定闭塞。CTCS-2采用应答器+轨道电路方式，只能地对车单向信息传输，构成了连续速度控制模式，实现了准移动闭塞。CTCS-3采用无线通信方式,能地与车双向信息传输，构成了更完善的连续速度控制模式，实现了准移动闭塞。因而列控系统往往以车地信息传输方式命名，例如，基于轨道电路的列控系统、基于无线通信的列控系统。城轨交通的基于通信的列控系统CIBC。,第七讲列控系统的构成一、列控系统的构成CTCS系统（以C3为例）分两个子系统，即车载子系统和地面子系统。地面子系统可由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网络（GSM-R）、列车控制中心（TCC）/无线闭塞中心（RBC）。其中GSM-R不属于CTCS设备，但是重要组成部分。应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能，应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。无线通信网络（GSM-R）是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令，并通过车地信息传输系统传输给车载子系统，保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。,车载子系统可由以下部分组成：CTCS车载设备、无线系统车载模块。CTCS车载设备是基于安全计算机的控制系统，通过与地面子系统交换信息来控制列车运行。无线系统车载模块用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息交换。,二CTCS的应用等级CTCS根据功能要求和设备配置划分应用等级分，分为04级。CTCS应用等级0(以下简称L0)：由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。CTCS应用等级1(以下简称L1)：由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。CTCS应用等级2(以下简称L2)：是基于轨道传输信息并采用车-地一体化系统设计的列车运行控制系统。可实现行指-联锁-列控一体化、区间-车站一体化、通信-信号一体化和机电一体化。CTCS应用等级3(以下简称L3)：是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控