（交通信息工程及控制专业论文）城市轨道交通移动闭塞系统后备模式的研究.pdf

铁道科学研究院硕士学位论文 摘要 移动闭塞系统是城市轨道交通信号控制系统未来的发展方向之一。通常 情况下，移动闭塞系统工作在a t c 模式。但是当环线、多个扩频电台、中央 控制单元( “集中式”移动闭塞系统) 等设备出现故障时，系统将无法工作在 a t c 模式下。为此，我们引入了后备模式的概念。 后备模式是移动闭塞系统在非a t c 模式下的一种简化运营。提供这种运 营模式的设备被称为后备系统，它不但可以解决移动闭塞系统部分或全部故 障的情况下，城市轨道交通正常运营的问题，而且能够解决移动闭塞系统正 式开通前的临时过渡问题。 本文在结合i e e e 标准以及国内外的工程实践的基础上，对后备系统进行 了深入地研究，给出了后备系统的定义、功能、工作原理、设计要求。在现 有的两种后备方案的基础上，提出了计轴+ 国内联锁的后备方案并对其进行 了详细设计。通过对系统能力、可靠性和安全性的分析，结果表明浚方案能 够满足设计要求。 关键词：后备模式；移动闭塞系统；城市轨道交通 铁道科学研究院硕十学位论文 a b s t r a c t t h em o v i n gb l o c ks y s t e mi so n eo fd e v e l o p m e n td i r e c t i o n so fs i g n a ls y s t e m f o ru r b a nr a i lt r a n s i t n o r m a l l y , i ti sr u n n i n gi nt h ea t cm o d e b u tw h e nl o o p s ， s e v e r a ls p r e a d s p e c t r u mr a d i o sa n dc e n t r ec o n t r o lu n i t ( m o v i n gb l o c ks y s t e mw i t h c e n t r a l i z e d s t m c t u r e ) f a i l ，t h es y s t e mc a nn o tb er u n n i n gi nt h ea t cm o d e s o ，t h e c o n c e p to ff a l l b a c km o d ei sp r e s e n t e d i nf a c t ，t h ef a l l b a c km o d ei sas i m p l eo p e r a t i o nm o d eo ft h em o v i n gb l o c k s y s t e mi nt h e i o n - a t cm o d e t h ee q u i p m e n t ，w h i c hp r o v i d e st h i so p e r a t i o nm o d e ， i sc a l l e da sf a l l b a c ks y s t e m i tn o to n l yr e s o l v e st h ep r o b l e mo fo p e r a t i o nw h e nt h e m o v i n gb l o c ks y s t e mi sp a r t i a l l yo rt o t a l l yi n o p e r a t i v e ，n o ta l s or e s o l v e st h e p r o b l e mo ft e m p o r a r i l yt r a n s i t i o nb e f o r et h em o v i n gb l o c ks y s t e mp u t si n t o r e v e n u es e r v i c e b a s e do ni e e es t a n d a r da n dd o m e s t i ca n do v e r s e a se n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h e f a t l b a c ks y s t e mi ss t u d i e di nd e t a i l t h ed e f i n i t i o n ，f u n c t i o n ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e a n dd e s i g ns p e c i f i c a t i o na r ep r e s e n t e d b a s e do nt w oe x i s t e df a l l b a c ks c h e m e s ，a n e wf a l l b a c ks c h e m ew i t ha x l ec o u n ta n dd o m e s t i ci n t e r l o c k i n gs y s t e mi s p r e s e n t e d t h ea n a l y t i cr e s u l t so fs y s t e mc a p a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yi n d i c a t e t h a tt h i ss c h e m ec a nm e e td e s i g ns p e c i f i c a t i o n k e y w o r d ：f a l l b a c km o d e ，m o v i n gb l o c ks y s t e m ，u r b a nr a i lt r a n s i t i i 铁道科学研究院硕士学位论文 铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ，独立进行研究 j ：作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文一i 含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出熏要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名 铁道科学研究院硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 在城市轨道交通中，列车自动控制系统( a t c 系统) 是保障行车安全，提高 运输效率的关键技术装备。在a t c 系统的发展过程中，城市轨道交通信号系 统在经历了阉定闭塞系统之后，正在向移动闭塞系统时期过渡。 移动闭塞系统利用先进的通信技术，在列车与轨旁之间实现了连续的、大 容量的、双向的车一地数据通信，使信号系统完全摆脱了轨道电路的束缚，实 现了高分辨率的列车定位。由于采用了基于通信的列车控制 ( c o m m u n i c a t i o n s - b a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 技术，所以又被称之为c b t c 系统。与固 定闭塞系统相比，移动闭塞系统在保证行车安全的情况下，最大限度地缩短 了列车的行车问隔，提高了行车效率。 从技术角度讲，移动闭塞系统还处于发展阶段。在世界范围内，能够提供 该系统的仅有a l c a t e l 、s i e m e n s 、b o m b a r d i e r 、g e 、a l s t o m 等几个著名的国际 信号厂商。随着相关技术的不断成熟，越来越多的城市轨道交通线路在修建 或改造其信号系统时，选择了移动闭塞系统。目前，城市轨道交通已采用或 正在采用移动闭塞系统的线路己超过3 0 条，线路长度仅a l c a t e l 就超过 1 2 0 k m 。 在我国已经建成的城市轨道交通线路中，固定闭塞制式的信号系统占据了 绝大多数。2 0 0 4 年9 月2 8 日，我国第一条移动闭塞制式的城市轨道交通线路 武汉轻轨1 号线正式开通运营，填补了我国城市轨道交通中没有移动闭 塞系统的空白。广州地铁3 号线已决定采用移动闭塞系统，广州地铁4 号线、 5 号线、北京地铁4 号线、上海地铁8 号线都很可能采用移动闭塞系统。综上 所述，随着我国城市轨道交通建设离峰的到来，将有更多的城市轨道交通信 号系统采用移动闭塞系统。 移动闭塞系统是城市轨道交通信号控制系统未来的发展方向之一，采用 基于通信的列车控制技术来实现，目前主要有感应环线、无线扩频两种方式。 铁道科学研究院硕士学位论文 通常情况下，移动闭塞系统工作在a t c 模式。 但是，移动闭塞系统也存在一些问题，当系统出现某些a t c 模式无法处 理的故障( 如环线或多个扩频电台故障、设备集中站的车站控制单元故障等) 时，就会出现一个或几个联锁区内系统完全瘫痪的局面，从而对线路的正常 运营造成较大的危害。 另外，在日常检修中，a t p 故障车、工程车、救援列车等无车载设备的车 辆需在线路上运行，a t c 系统也不能识别这些无车载设备的“哑巴车”。为了 解决上述这些问题，人们引入了后备模式( f a l l b a c km o d e ) 的概念。 后备模式是移动闭塞系统在非a t c 模式下的一种简化运营。在该模式下， 可实现对道岔和信号机的控制以及部分或全部的联镁功能；同时，驾驶员根 据信号机显示和安全规则来驾驶列车。提供这种运营模式的设备被称为后备 系统，它不但可以解决移动闭塞系统部分或全部故障的情况下，城市轨道交 通正常运营的问题，而且能够解决移动闭塞系统正式开通前的临时过渡问题。 目前，采用移动闭塞系统的国内城市轨道交遥越来越多，因此研发一套满足 我国城市轨道交通需求的后备系统很有必要。 1 2 论文研究的内容 本文主要研究以下内容： 1 、移动闭塞系统 在简要介绍城市轨道交通信号系统以及列车控制系统之后，对移动闭塞 系统的原理、典型结构及车一地通信方式做了详细分析并具体地介绍了几种移 动闭塞系统。 2 、后备系统及其方案 i e e es t d1 4 7 3 1 1 9 9 9 对后备系统仅进行了简单描述，本文在结合国内外 工程实践的基础上，给出了定义，对其功能、工作原理、设计要求进行了详 细描述。筒要介绍了现有的两种后备系统方案，并在其基础之上，提出了计 轴+ 国内联锁的改进方案。 3 、主方案设计 2 一 璧鲎型堂堑壅堕堡主堂堡堡茎 本章详细分析了计轴十国内联锁后备系统方案的硬软件结构，并对该后备 系统与移动闭塞系统的接口以及计轴与国内联锁间的接口进行了设计。 4 、主方案系统能力分析 后备系统作为移动闭塞系统的补充系统，使用情况较少，因此对其系统 能力的要求并不高。本章根据广州3 号线的线路资料等数据，分析了计轴+ 国 内联锁方案的系统能力。 5 、主方案的可靠性和安全性分析。 鉴于城市轨道交通系统站间间隔小、行车密废大等特点，其信号系统的 可靠性、安全性较之大铁路的信号系统要高。本章对计轴+ 国内联锁方案的可 靠性和安全性进行了详细的分析。结果表明：该方案能够满足设计要求。 铁道科学研究院硕士学位论文 第二章移动闭塞系统 移动闭塞的概念虽然很早就提出了，但是受当时技术条件的限制，国内外 的研究都仅限于实验室阶段。到了二十世纪八十年代，计算机、通信、控制 等3 c 技术迅猛发展，人们又重新开始对移动闭塞系统进行研究。目前，在城 市轨道交通领域比较有代表性的移动闭塞系统主要有a l c a t e l 的s e l t r a cm b 系 统、a l s t o m 的u r b a l i s3 0 0 系统、b o m b a r d i e r 的c i t y f l o * 6 5 0 系统、g e 的a a t c 系统、s i e m e n s 的m e t e o r 系统等等。目前投入商业运营的移动闭塞 系统的车一地数据通信多采用感应环线( i n d u c t i v el o o p ) 方式，部分线路也采用 无线扩频( r a d i of r e q u e n c y ) 方式。 2 1 城市轨道交通信号系统 2 1 1 城市轨道交通信号系统简介 2 1 1 1 城市轨道交通信号系统的发展史 在城市轨道交通信号系统一百多年的历史中，共经历了两个发展阶段。在 2 0 世纪6 0 年代以前，城市轨道交通信号系统基本上沿袭了大铁路的信号系统， 由信号机、联锁设备、轨道电路、闭塞设备、机车信号、自动停车以及调度 集中等传统的信号设备组成的。这是城市轨道交通信号系统的第一阶段 传统信号系统阶段。 随着工业化程度的提高，世界城市人口急剧膨胀，从而对城市轨道交通的 载客能力提出了越来越高的要求。缩短行车间隔是提高载客能力最有效的方 法之一。自上世纪7 0 年代起，世界上一些著名的信号厂商，如英国的w e s t i n g h o u s e 、德国的s i e m e n s 、日本的h i t a c h i 等相继推出新颖的列车自动控制系 统( a u t o m a t i c t r a i nc o n t r o l ，简称a t c ) 。这是城市轨道交通信号系统的第二 阶段现代信号系统阶段，这一时期的信号系统以a t c 系统为核心。 最早的a t c 系统采用固定闭塞卷q 式，利用音频轨道电路来实现列车定位、 速度码的传输，采用阶梯式速度曲线来控制列车。采用这种方式的列车控制 铁道科学研究院硕士学位论文 系统控制精度不高，舒适度较差。此外，由于闭塞分区长度的划定按照最长 列车、满载、最高允许速度、最不利制动率及最小列车运行闻隔时间等最严 格条件设计，影响了行车效率。1 1 1 2 】【3 l 到了本世纪初，a t c 系统已经从基于轨道电路的固定闭塞系统发展到了采 用先进的c b t c 技术的移动闭塞系统。目前，基于感应环线( i n d u c t i v el o o p ) 的移 动闭塞系统经过十几年的发展在技术上已经趋于成熟，a l c a t e l 、s i e m e n s 、 b o m b a r d i e r 等国际信号厂商已经开发了基于无线通信技术的移动闭塞系统， 并已在s a nf r a n c i s c oa i r p o r tp e o p l em o v e r 、i a sv e g a sm o n o r a i l 等多条线路上 投入使用。 2 1 1 。2 城市轨道交通信号系统的特点 城市轨道交通信号系统和大铁路信号系统有着许多相似的地方，但也存在 着一些不同之处，主要反映在以下一些方面： 1 、城市轨道交通运行闻隔短、行车密度大。高密度的运行是城市轨道交 通系统的主要特点。为此，信号系统需努力追求最小的行车间隔以保证高密 度的运行。 2 、系统性强、集成度高。城市轨道交通信号系统表现出很强的系统性。 系统的集成度高，各子系统关系也更加紧密，信息交换更加频繁，只有在各 子系统的密切配合下，才能保证列车高密度的安全运行。此外，作为整个城 市轨道交通系统的一个子系统，与通信等其他予系统结合非常紧密。 3 、高安全性和高可靠性。城市轨道交通信号系统对安全性、可靠性的要 求非掌高，设备大多采用双机热备、三取二等冗余结构。 4 、信息的应变速度快、信息量大，这主要是为了满足行车密度大、站问 距离短的需求。 5 、自动化程度高。相比大铁路，城市轨道交通信号系统的自动化程度较 高，可以实现a t 0 ，甚至无人驾驶。1 4 1 2 1 2 列车自动控制系统 列车自动控制系统( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ，简称a t c ) 是现代城市 轨道交通信号系统的核心，是城市轨道交通系统中保证行车安全、缩短列车 - s - 铁道科学研究院硕士学位论文 运行间隔、提高列车运行质量的先进控制设备。系统采用通信、计算机、控 制等先进技术来实现对列车自动控制的各项专用功能，在全世界的许多城市 轨道交通线路中已经投入使用。随着新技术的发展，不同制式的胛c 系统相 继研制成功，安全性、可靠性和系统功能日臻完善。 a 1 e 系统主要包括列车自动保护子系统( a u t o m a t i c t r a i n p r o t e c t i o n ，简称 a t e ) 、列车自动监督予系统( a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ，筒称a t s ) 、列车自 动运行子系统( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ，简称a i d ) 三个子系统，是一套完熬的 集控制、监督、管理于一体的系统。a t p 子系统为整个a t c 系统的安全核心， 负责列车间的安全分隔、超速防护等；位于管理级的a t s 子系统负责完成行 车指挥等功能；a t o 子系统结合a t p 和a t s 子系统完成列车的牵引、制动、 停车等基本操作。3 个子系统既相互独立又相互联系，完整的a t c 系统能确 保列车安全、快速、短间隔她有序运行。a t c 系统设备分布于控制中t = i , ( c e n t r a l c o n t r 0 1 ) ，轨旁( w a y s i d e ) 以及车上( v e h i c l e ) ，其系统框图如图2 1 所示。 图2 1 t c 系统框图 在控制中心内，有控制台、调度员工作站等设备，其控制及表示信息通 过数据传输系统与车站的a t c 系统相连；轨旁通过车站数据传输系统与控制 中心相连，通过车一地通信系统与车载设备通信；车载a t c 系统通过轨道电路 等方式接收来自轨旁的命令，然后控制列车的运行及制动，完成列车定位停 车。1 1 1 f 2 l f 3 1 图2 1 是一种分布式的a t c 系统，一般常见于固定闭塞系统以及准移动 闭塞系统中，此外还有一种集中式的a t c 系统，常应用于移动闭塞系统( 详 见第三章) 。 - 6 - 铁道科学研究院硕士学位论文 2 1 3 城市轨道交通信号系统的闭塞制式 目前，用于城市轨道交通信号系统的闭塞制式主要有两种：固定闭塞和移 动闭塞。 ( 1 ) 固定闭塞系统 固定闭塞系统( f i x e d b l o c ks y s t e m ) - - 般都基于轨道电路传输信息，列车以 闭塞分区为最小行车间蕊。固定闭塞系统传输的信息量少，对应每个闭塞分 区只能传送一个信息代码，即该区段所规定的最大速度码或入m 出口速度命 令码。列车速度监控采用的是闭塞分区入口出口检查方式，当列车的出口速 度大于本区段的入口出口速度命令码所规定速度时，车载设备便启动常用制 动系统，将列车速度降低到限制速度以下：如果常用制动仍未达到减速的要 求，列车即实施紧急制动停车，实现列车超速防护。为了进一步保障列车的 安全，在停车点前方设置一个闭塞分区。即保护区段。如图2 2 为固定闭塞 系统采用的阶梯式列车运行模式曲线。 图2 2 阶梯式列车运行模式曲线图 由于固定闭塞系统的a t p 采用阶梯式控制方式，对列车运行控制精度不 高，降低了列车运行的舒适度。此外，固定闭塞分区的划分依赖于特定列车 的性能，对线路上有不同性能的列车时，为保证安全，只能按最不利的条件 设计，影响运行效率也不适应今后列车类型的变更。该技术属于二十世纪八 十年代水平，英国的w e s t i n g h o u s e 公司、美国的g r s 公司分别用于北京地铁 l 号线、上海地铁1 号线的a t c 系统属于此种类型。 按照对列车的最终控制方式，固定闭塞系统被分为阶梯式的速度曲线控 制方式、速度距离模式曲线控制方式两种。其中，前者是传统的固定闭塞系 铁道科学研究院硕士学位论文 统，而后者称之为准移动闭塞系统。 准移动闭塞系统一般采用数字式音频无绝缘轨道电路来实现，其主要技 术特点如下： 1 、线路划分仍采用若干固定的闭塞分区； 2 、一个闭塞分区仍只能由一列列车占用； 3 、列车间隔为若干闭塞分区，列车制动起点根据列车实时速度距离计算， 生成速度距离制动曲线，终点是前方列车占用闭塞分区的边界； 4 、采用连续曲线速度控制方式，只需要一定长度的保护距离( 距离前行 列车占用闭塞分区的边界) ：【2 9 1 准移动闭塞采用的制动安全原理如图2 3 所示。 当前 运行权限 飞? 0 最大安全速 一( 由线路、限界 一紧急制动触发 毒斗 一紧急制动的列茸 11 - l - - - - - - - - - - - - - u l 图2 3 准移动闭器安全原理图 图2 3 最上部的曲线为列车最大安全速度曲线，由线路、限界、车长等 条件所确定；曲线为紧急制动触发线，一旦列车速度达到此速度，列车马 上实施紧急制动，系统设计应保证发出紧急制动后不会触到最上部的曲线； 曲线为列车紧急制动后实际运行轨迹；最下部的曲线为列车常用制动曲 线。f 2 4 j 由于采用数字式的音频无绝缘轨道电路作为列车占用检测和a t p 信息传 输媒介，因而具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。通过轨道电路的 铁道科学研究院硕士学位论文 发送设备向车载设备提供目标速度、目标距离、线路条件( 曲线半径、坡道 等数据) 等信息，车载设备结合车辆性能数据计算，并调整出适合本列车运 行的速度距离曲线，保证列车在速度，距离曲线下有序运行，提高了线路的利 用率。采用速度距离模式曲线的列控方式，提高了列车运行的平稳性，列车 追踪运行的最小安全间隔较固定闭塞短，对提高通过能力有利。a t s 、a t p 予 系统与a t o 予系统结合性较强，a t c 系统技术成熟。因a t p 车载设备具有智 能化功能，放使用的兼容性好，车辆有可能适应于不同线路运行的需要，或 者可以使不同的车辆在同一线路上实现混跑。该技术属于二十世纪九十年代 水平，德国s i e m e n s 为广州1 、2 号线提供的信号系统、美国u s & s 为上海2 号线、天津津滨轻轨提供的信号系统都属于这种制式。 ( 2 ) 移动闭塞系统 移动闭塞信号系统( m o v i n g b l o c ks i g n a l i n gs y s t e m ) 中没有闭塞分区的概 念，列车安全间隔距离是根据最大允许车速、当前停车点位置、线路等信息 计算得如，信息被循环更新，以保证列车不问断收到“即时”信息。 移动闭塞系统通常采用无线通信、感应环线、泄露电缆等传媒方式，在 轨旁和车载设备之间实现高速、大容量的实时信息传输。 移动闭塞a t c 系统是利用列车和地面间的双向数据通信设备，使地面信 号设备可以得到每一列车连续的位置信息，并据此计算出每一列车的运行权 限，动态更新发送给列车，列车根据接收到的运行权限和自身的运行状态， 计算出列车运行的速度曲线，实现精确的定点停车。 在国内，目前已经建成的城市轨道交通中，仅武汉轻轨采用了移动闭塞 系统，该系统为a l c a t e l 的基于感应环线的s e l t r a c $ 4 0 系统。正在修建的 广州鲰铁3 号线也将采用该系统，而广州地铁4 号线很可能采用西门子公司 为其提供的基于无线通信的移动闭塞系统。 与准移动闭塞系统、固定闭塞系统相比，移动闭塞系统在系统的安全性、 可靠性以及线路通过能力等方面有着较大优势，表2 】是三种闭塞制式在各 方面的一个比较。 固定闭塞准移动闭塞移动闭塞 l 系统结构 较复杂较复杂 简单 铁道科学研究院硕士学位论文 地面设备数量 多较多少 占用机房空间大较大较小 信息量小 较大大 功能 简单较完善完善 节能差较好好 旅客舒适度差一般好 可扩展性较好 较好 好 列车控制模式分级速度台阶模式曲线模式曲线 维修工作量较多较少较少 薪老系统衔接接口复杂接口较简单接口简单 工期长 较短短，但受车辆制约 后备模式不需配备不需配备需配备 生命周期成本高高低 技术应用情况 成熟 较成熟尚未成熟 2 2 移动闭塞系统简介 2 2 1 移动闭塞系统概念 表2 1 三种闭塞制式的比较 移动闭塞是相对于固定闭塞而言的。该系统没有固定的闭塞分区，其闭 塞分区的长度随着线路条件的变化而变化，并随着先行列车的运行而移动， 故称之为移动闭塞( m o v i n g b l o c k ) 。 移动闭塞系统通常采用基于通信的列车控制( c o m m u n i c a t i o n s b a s e dt r a i n c o n t r o l ，简称c b t c ) 技术来实现。移动闭塞系统和c b t c 系统从本质上讲是 一致的，是从不同角度来命名该信号系统；前者是根据信号系统韵制式命名， 后者则是从系统所采用技术手段来命名。 关于c b l r c 系统，i e e e1 4 7 4 1 1 9 9 9 中给出了其定义：利用高精度的、不 依赖于轨道电路的列车定位技术，实现连续的、大容量的双向车一地数据通 垦望型堂翌塞堕堡主堂堡堡奎 信，拥有执行安全功能的车载及轨旁处理器的一种连续式的自动列车控制系 统。 3 3 1 2 2 2 移动闭塞系统原理 根据是否考虑先行列车的列车速度，移动闭塞系统可以分为两种： 1 、考虑先行列车速度的移动闭塞系统( m b v 方式、相对速度方式) 这种方式是根据先行列车的位景和速度进行间隔控制的，简称为m b - v 方 式，其列车间隔如图2 4 所示。 魁 掣 后续列车先行列车 一一一 常心、紧急嚣速 安全距离a l 图2 4 粕v 方式移动闭塞的列车闻隔 假设：先行列车与后续列车的最小行车间隔为l ，两者的速度、减速度及空走 时间分别为v l 、v 2 、向、卢：、r 。、z ：，安全距离为l ， 舭。k ( 豪托h 暑+ q 卜 舭 图2 4 中，假设了v | = v 2 = v 一；同一线路上一般采用同一型号的列车， 故q = f ：= z ；式2 1 中a 为先行列车紧急制动减速度，芦：为后续列车常用制 动减速度；缸为安全距离，通常根据线路情况取固定值，如5 0 m 。 2 、不考虑先行列车速度的移动闭塞系统( m b - k 方式、相对位置方式) 这种方式不考虑先行列车的速度，只考虑先行列车的当前位置，简称为 铁道科学研究院硕士学位论文 m b k 方式，其列车间隔如图2 5 所示。 型 瑙 后续列车 先行列车 一一 - - - i 、 常用制动减 速度改 、x 、i 、i 安全距离址 距离 图2 ，5m b v o 方式移动闭塞的列车间隔 此时，列车间融t k ( 去z ) + 址 舭z 从式2 1 、式2 2 可以看到，采用相对速度方式由于考虑了追踪列车制动 过程中前行列车的走行距离，所以列车行车间隔较小，有利于提高线路的通 过能力。但是，采用该方式同时会加大行车的危险性，一旦车载设备故障， 两车相撞的概率大大增加。因此，就要求a t c 系统有更高的可靠性、安全性。 目前，现有的移动闭塞大多采用相对位置方式。 s l 2 2 3 移动闭塞系统结构 目前，移动闭寨系统可以分为两种类型：中央集中式移动闭塞系统和分 散式移动闭塞系统。无论哪种结构的移动闭塞系统，线路都被划分成若干个 联锁区，每一个联锁区又由几个相邻的车站及其中的线路组成。通常情况下， 设备集中站的车站控制单元( 中央集中式移动闭塞系统) 或车站联锁设备( 分 散式移动闭塞系统) 可以控制该联锁区内所有的道岔、信号机等设备；菲设 备集中站的车站控制单元( 中央集中式移动闭塞系统) 或车站联锁设备( 分 散式移动闭塞系统) 仅需控制该车站的屏蔽门、防淹门、车站紧急停车按钮 等设备。嗍 1 2 铁道科学研究院硕士学位论文 在中央集中式的移动闭塞系统中，联锁计算机和a t p a t o 设备高度合成， 组成中央控制单元。a t c 模式下，中央a t s 系统向中央控制单元发出控制命令， 中央控制单元根据系统内部存储的静态数据( 如线路情况、车辆数据等) 结 合从车站控制单元、车一地数据通信系统等收集来的动态信息，进行联锁运算； 然后向车站控制单元发出道岔控制命令，经车一地数据通信系统向列车发出移 动授权。a t c 模式下，该结构的移动闭塞系统的联锁功能由中央控制单元、车 站控制单元共同完成。中央集中式的移动闭塞系统如图2 6 ( a ) 所示。 图2 6 ( a ) 中央集中式移动闭塞系统结构示意圈 相铘车站联锇 车站a t s 系统 ：鳖塾塑：il 三：兰竺竺到 卜森懦i 刊车子系缱( 牵 i 、制动) 图2 6 ( b ) 分散式移动闭塞系统结构示意图 图2 6 为分散式的移动闭塞系统，该系统将安全功能和非安全功能分 开，关键功能进行部分和全部分散，以提高系统的可用性。在该系统中，中 央a t s 系统将列车运行计划发送到车站a t s 系统，车站a t s 系统再根据列车 铁道科学研究院硕士学位论文 运行计划产生控制命令，控制道岔。在中央a t s 系统故障或其通信系统故障 的情况下，车站a t s 仍可以依照已经存储的列车运行计划继续控制列车进路， 指挥列车运行。对于分散式的移动闭塞系统，设备集中站的联锁系统可控制 该联锁区所有的道岔、信号机，车站a t s 系统与a t p a t o 设备相连。 2 3 移动闭塞系统的功能 一个完整的移动闭塞系统应该具有a t p 、a t o 、a t s 三个子系统的功能。 2 3 1a t p 功能 移动闭塞系统需具备双向的列车自动保护( a u t o m a t i c t r a i np r o t e c t i o n ) 功 能。a t p 予系统包含了a t c 系统中负责安全列车运行的安全性功能，需满足 “故障安全”原则，通常由车载设备和地面设备来组成，其主要功能包括： a 、列车定位及速度、方向检测 列车定位及速度、方向检测是移动闭塞系统最基本的a t p 功能之一。移 动闭塞系统通常采用环线、无线等方式来实现定位功能，精度可控制在 土0 2 5 6 2 5 m 。列车的速度、方向检测可采用测速发电机、加速度计等设备 来完成，所测速度精度需控制在4 - 0 5 4 - 2 k n l h 。 b 、列车的安全分隔 根据实时计算的结果，移动闭塞系统会对拥有车载设备的列车发送一个 移动授权限制( m a l ) 命令。移动授权限制的计算建立在先行列车的位置、 制动曲线等因素的基础之上。 通常情况下，根据系统给定的安全制动模式，能使列车安全地停车至m a l 的末尾的速度为该时刻列车的允许速度。 c 、超速防护 采用移动闭塞系统的城市轨道交通由于行车间隔小、密度大，所以信号 系统必须为其提供超速防护功能。 d 、零速检测 零速检测的目的在于验证列车在采取制动措施后是否已经停车。如果失 铁道科学研究院硕士学位论文 败，列车将采取紧急制动。 如果探测到列车连续超过2 秒内速度在1 k m h - 3 k m h 以下，则认为列车零 速”，已经停车。 e 、门控联锁 移动闭塞系统允许车门打开的条件如下： 1 、列车速度为“零速”； 2 、常用制动已经实旖； 3 、列车门处于乘客上下车区； 4 、车门位于允许下车侧。 f 、紧急制动 紧急制动是列车最大减速度的制动，是列车最后的“惩罚性”停车措施。 列车采取紧急制动措施的情况有： 1 、当列车速度超过a t p 允许的最大速度曲线： 2 、系统中某些设备故障； 3 、站台紧急停车按钮等紧急制动装置激活。 与常用制动不同，紧急制动为“不可逆”制动。重新启动后，只有系统 检测到a t p 条件正确，才允许为该列车排列进路。 g 、进路联锁 同其它信号系统一样，移动闭塞系统需提供进路联锁功能。在进路设置 完毕且锁闭的情况下，列车才会被授予进入该联锁区的移动权限。 除上述这些功能之外，移动闭塞系统具备的a t p 功能有：倒溜保护、末 轨检测、列车的完整性检铡、限速防护、对紧急停车装置的监测等。 2 3 2a t 0 功能 a t o 予系统是自动控制列车运行的设备，由车载设备和地面设备组成， 结合a t s 和a t p 子系统完成以下功能： a 、速度控制 在a t p 、a t s 功能的范围内，移动闭塞系统为所有列车提供完整的自动运 行功能。根据线路情况、临时限速等，移动闭塞系统控制列车的巡航速度、 一1 5 铁道科学研究院硕士学位论文 加速、减速等。 b 、站台自动停车功能 含有a t o 功能的移动闭塞系统需提供列车在站台的自动停车功能。该功 能提供系列自动站台位置功能。 1 、通常情况下，列车自动停车到站台开门区的中心位置。如果需要，可 以指定其他位置。 2 、如果站台较长，移动闭塞系统将支持多点停车。 3 、如果站台足够长、可以容纳第二辆列车驶入并停车，移动闭塞系统可 为其提供自动操作和保护。 4 、一旦先行列车离开，移动闭塞系统方允许后续列车驶入车站。 c 、车门操作 移动闭塞系统在列车到达车站停车后，能自动的打开和关闭列车乘客门。 通常情况下，a t o 会发出一个声音信号提示司机或列车长手动关闭车门。 2 3 3a t s 功能 a 、列车监视和追踪功能 移动闭塞系统要求对线路中的每一一列车进行实时地监视和追踪，并将列 车的车次、进路、时刻表、状态等相关数据发送至调度员工作站，同时显示 在运营中心的大屏幕上。 b 、运行图功能 移动闭塞系统需提供运行图的制定、在线调整、显示、打印等功能。运 行图通常定义了一天当中线路运营所使用的服务模式和级别。每个运行图由 若干时间段构成，这些时间段为一天当中不同时间内的班次定义了调整模式 ( 如到达时间和运行线) 。一个运行班次是运行图中的一个时间段，列车必须 按此运行。运行图对各服务级别之间的转换进行了定义，使得列车在一天当 中可以进入、退出和继续运营。调度员可根据运营的实际情况随时调整运行 图，以更好的满足运营要求。 c 、进路控制功能 移动闭塞系统要求a t s 子系统能为列车自动建立进路，并根据实际情况 铁道科学研究院硕士学位论文 随时调整列车的运行。 d 、优化节能功能 节能是移动闭塞系统一个特点。用户可以定义整个系统的运行策略以减 少能量的消耗。这些策略包括最大化的惰行、使用最小的加速度、尽可能多 地使用再生制动等等。 e 、站台停车功能 移动闭塞系统可以灵活的处理各种需求的站台停车情况，具体功能如下： 1 、下一站停车：a t s 功能应当允许一列列车或一组列车直接停在某一特定站， 即使该列车的运行图原本要求跳过这一站。 2 、扣车：a t s 功能要求可以在某一特定车站扣停某一列车并禁止该车车门自 动打开。 3 、跳停：a t s 功能要求系统可以跳过某一特定车站，即使运行图要求其在该 站停车。 f 、旅客信息显示系统( p i i s ) 接口 p i i s 是移动闭塞系统的a t s 功能之一。根据列车的运行报告，向旅客信 息显示系统提供列车的目的站、下一站站名、到达时间等信息。 g 、故障报告 移动闭塞系统要求系统内所有设备的状态实时报告给中央的a t s 系统。 如果发生故障，系统将根据故障等级发出报警，以提示调度员进行排查。 除上述功能外，移动闭塞系统还可以提供临时限速、建立人工进路等功 能。【1 3 】【1 4 】【3 3 】 2 。4 移动闭塞系统车一地通信方式 由i e e e 关于c b t c 系统的定义可知：移动闭塞系统必须实现轨旁与列车 间的连续的、大容量的、双向数据传输。传统的轨道电路、应答器等装置很 难满足这个要求，必须寻求更为先进的通信手段来实现。目前，实现移动闭 塞系统车地数据通信的方式主要有以下几种： 1 、感应环线( i l l d u c t i v el o o p ) 0 1 7 - 铁道科学研究院硕士学位论文 交叉感应环线是目前移动闭塞系统中最成熟的车地通信技术，a l c a t e l 公 司的s e l t r a cm b 系统、s i e m e n s 公司的m e t e o r 系统采用了该技术。感应环线 沿整个轨道线路铺设，一根位于轨道中央，一根位于钢轨的腰部下方，每隔 一定的距离交叉一次。 列车经过每个环线交叉点时，车载设备可以检测到环线内信号的相位变 化，并对相位变化的次数进行计数，从而确定列车运行的距离，达到对列车 粗定位的目的。环线交叉点的相位变化原理图见图2 7 。 r i 2 5 a 一j 、蠢泌万必锹可 - 】2k s 一 圈2 7 环线交叉点相位变化原理 2 、泄罐同轴电缆( l e a k yc o a x i a lc a b l e ) 泄漏同轴电缆( l e a k yc o a x i a lc a b l e ) 通常又简称为泄漏电缆或漏泄电缆， 其结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔 的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界 辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收 端。 目前城市轨道交通信号系统采用的泄漏电缆的频段主要为2 4 g h z 左右， 与其它车一地通信技术相比，泄漏同轴电缆技术具有信号覆盖均匀，尤其适合 地铁隧道等狭小空间、节省频带资源等特点。同时，泄漏电缆开槽要求尺寸 严格、价格比较昂贵，限制了该技术的应用。 3 、波导管 泄漏波导因为波导自身具有较强的结构特性，通常沿钢轨或隧道顶部铺 设，传输损耗较小，高频下可达8 0 0 1 1 j ，无反射，场强均匀。其缺点是波导的 体积较大、安装精度要求较高。 缝隙波导与泄漏波导有相同的优缺点，但采用等距离的缝隙波导天线后， 可以使该天线同时成为列车位置的记数基准，可采用非接触方式进行列车定 1 8 铁道科学研究院硕士学位论文 位，精度较高。 4 、无线扩频电台 该方法采用了目前移动通信领域比较先进的无线扩频技术。扩频技术基 于香农定理，在发送端将待传送的数据用扩频码( 通常采用伪随机序列) 进 行编码，从而实现频谱的扩展；在接收端则用相同的扩频码进行解调，恢复 出原始数据。目前，采用该技术的有g e 公司的a a t c 系统、s i e m e n s 公司的 m e t e o r 系统、a l c a t e i 公司的s e l t r a cm b 系统等等。图2 8 为g e 公司在美国旧 金山b a r t 所采用的a a t c ( a d v a n c e d a u t o m a t i c t r a i n c o n t r 0 1 ) 系统。该系统由 轨旁电台、车载电台共同组成了一个无线通信网络。在可靠性和安全性方面， 无线系统与有线方式比较，要差得多。为此，无线系统通常需要采用冗余覆 盖，覆盖率高达1 0 0 。这种冗余是一种自愈式的结构，当其中一个电台故障 时，系统可以重新组织，并自动向运营控制中心报告故障电台的位置或编号， 从而不会对线路运营带来不便。 篷 v 藏电苦、y 甲雾 _ 韶 i 至匠 翅麴 睦国压崮 圈2 87 0 , t c 系统 此外，无线扩频技术还可以用来实现列车定位功能。轨旁电台的位置固 定不变，且线路设计时经过精确测量并录入线路数据库。所有电台都由同步 时钟精确同步，根据轨旁电台与车载电台之间信息的传输时间就可以很精确 地计算列车的位置，实现列车定位功能。目前的采用该方式的列车定位系统 定位精度可以达1 8 m 。1 1 5 1 1 6 1 1 碰1 8 l 2 5 典型移动闭塞系统简介 2 5 1 i c a r e l 的s o i t r a c 糟系统 a l c a t e l 公司的s e l t r a cm b 系统是基于感应环线或无线扩频技术的移动闭 一l 壁， 铁道科学研究院硕士学位论文 塞系统。该系统可以分为3 个层次：管理层、操作层和执行层，其中仅管理 层为非安全性层。s c l t r a cm b 系统的系统结构示意图见图2 9 所示。 位于运营控制中心的s m c 主要完成a t s 功能，负责对列车自动控睾4 系统 进行全面的协调管理，为非安全性设备。 v c c 位于操作层，主要负责信号系统的安全运行，同时还完成中央a t p 、 a t 0 和联锁功能。在s m c 系统要求时，v c c 将发出列车分隔、速度命令、进路 以及道岔控制等命令。v c c 通过交叉感应环线或无线通信系统与车载a t c 设备 v o b c 进行通信，从而控制列车运行。该设备为安全性设备，采用三取二冗余 结构。 s t c 设备是该系统的安全性轨旁子系统。主要完成控制区域内道俞、屏蔽 门、防淹门等设备的控制和蓣督。 车载v o b c 是a t c 系统与车辆系统之间的接口，每列车前后各一套，互为 备用；主要负责完成车载列车的a t 0 和a t p 功能。 管理层 系统慧中心 k 琴 量炮 l 孰 匿博、 旁 ，磊、 馈 1 入 蹬 南i 蔷 l j r ( ) ( )( ) ( )ij ( x ) ( ) c ) c ) 感应环线圈x 图2 9s e i t r a o 船系统的系统结构示意图 该系统采用中央集中式联锁和a t p a t o 高度集成方式，设备构成简单， 可靠性高，调试简单、工期较短。但是由于没有独立的联锁设备，所以一旦 v c c 、感应环线等设备故障，系统就会瘫痪，影响正常运营。f l l 】【1 2 1 【1 3 l 【1 4 】 2 5 2a i s t o m 的u r b a l i s3 0 0 系统 a l s t o m 公司的u r b a l i s3 0 0 系统采用了波导管为车地信息传输媒介， 铁道科学研究院硕士学位论文 载频在2 5 g h z ，数据传输的波特率为1 m b i t s 。 该系统采用s a c e m 列车运行控制系统，列车定位采用各种信标为线路位 置基准，通过波导裂缝和编码里程计连续计算列车位置；联锁设备采用v i p2 微机联锁，为双机热备系统，可驱动和监视转辙机、屏蔽门等现场设备；各 设备集中站的联锁设备采用v i p2 安全通信链路进行联锁数据交换；a t s 系统 由中央a t s 、设备集中站a t s 、车辆段a t s 组成，采用冗余局域网进行通信。 该系统采用分散式结构，将安全功能与非安全功能分离，可用性较高； 采用波导管数据传输方式频带较宽、传输速率高，不仅实现了车地