（安全技术及工程专业论文）提速条件下山区铁路列控方式研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h es i x t hs p e e du p d a t i n go fo u rc o n t r yr a i l w a y ，t h e w e s ts t a r t sc o n s t r u c t i o no fn e wl i n e sa n dr e c o n s t r u c t i o no fe x i t i n gl i n ef o r e n h a n c i n gt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft r a c k i nt h i sc a s e ，t h ed e n s i t yo fw a g o n ，t h e t r a i nr u n n i n gs p e e d 嬲w e l la st h ea v e r a g el o a dp e rf r e i g h tt r a i nw i l lb ei n c r e a s e d t h ee x i s t i n gt r a i nc o n t r o lm o d ea l r e a d yc a n ts a t i s i f yt h en e e do fs p e e d i n gu p ，t h e r e a s o n a b l et r a i nc o n t r o lm o d eb ei m m i n e n t o nt h eo t h e rh a n d i no u rc o u n t r yt h e p h e n o m e n o no fp a s s a g e ra n df r e i g h ta n dp a s s a g e rt r a i n ss h a r et h es a m el i n ew i l l b ee x i s t i n gf o ra l o n gt i m e ，t h er e a s o n a b l ec h o i c eo ft h es i g n a ls y s t e mw i l ld e c i d e t h ew a s t e dd i s t a n c ew h e np a s s a g e ra n df r e i g h ta n dp a s s a g e rt r a i n ss h a r et h es a n l e l i n e ，f o l l o w i n gt h ec o m p l e t i o no fc o n s t r u c t i o no fn e wl i n ea n de l e t r i cu p d a t i n go f l i n e ，t h ep r o b l e mo nh o wt od e f i n et h es e c t i o nl e n g t hb e c o m em o r ei m p o r t a n tt h a n b e f o r e a sar e s u l t ，s e l e c t st h er e a s o n a b l es i g n a ls y s t e ma n dd e t e r m i n eas e r i e so f a p p e a r sw i t hi tm a t c ht a r g e tc o m p u t a t i o ns y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r eu r g e n t l y i nv i e wo fo u r c o u n t r ym o u n t a i nr a i l w a y sc h a r a c t e r i s t i c ，t a k e t h e s e c u r i t y - e f f i c i e n c y 舾t h ep r i n c i p l e ，t a k 暑t h eo p t i m i z e dt h e o r ya n dt h es y s t e m t h e o r ya st h ee l e m e n t a r yt h e o r ym e t h o d ，t a k er e d u c eh e a d w a yt i m e ，i n c r e a s et h e c a r r y i n gc a p a c i t y o ft r a c ka st h ef i n a l g o a l ，t h r o b g hf u l l l y c o n s i d e r a t e m o u n t a i n o u sr a i l r o a da c t u a ls i t u a t i o n t h i sp a p e rd e t e r m i n ev e l o c i t ys t e p p e d c o n t r o lm o d ec u r v es i g n a ls y s t e mt ob er e s o n a b l es i g n a ls y s y t e mt h a ts u i to u r c o u n t r ym o u n t a i nr a i l w a y t a k et r a c t i o nc a l c u l a t i o nt r e o r ya s t h ee l e m e n t a r y t h e o r y , t h em o d e lo fp a s s a g e ra n df r e i g h ta n dp a s s a g e rt r a i n ss h a r et h es a m el i n e i se s t a b l i s h e d i th a sr e a l i z e dr e a s o n a b l ed i v i s i o no fs e c t i o n 。u n d e rt h er e a s o n a b l e s e c t i o nl e n g t hi sd e t e r m i n e d aw a yt h a tr e d u c eh e a d w a yt i m ea n di n c r e a s el i n e c a p a c i t y i sf o u n db ya n a l y s i sa n dc a c u l a t ei t si n f l u e n c ef a c t o r s i n a d d i t i o n ， c o n s i d e r e dt h ea d v a n c e do fs p e e du p d a t i n g ，ar e s e r v a t i o np l a nt h a td e t e r m i n e a i m - i n t e r v a lc o n t r o lm o d ec u l l es i g n a ls y s t e mf o rt h en e wt u r ne n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n tn e e d sw h i l ed e s i g n i n gt h em o u n t a i nr a i l w a ys i g a ls y s t e m i no r d e r t og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo ft h es e l e c t e ds y s t e m ，b a s eo nt h em a n - m a c h i n e e n g i n e e r i n gt h e o r y , r i s kf r e q u e n c ya p p r a i s a lm o d e l ，t s l ( t i m et os i g n a ll i m i t ) a p p r a i s a lm o d e la n dt h ed r i v e rm a r g i no fs a f e t ym o d e la n ds oo n a r ec o n s t r u c t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h a tc a l le v a l u a t er e l i a b i l i t yo fs i g a ls y s t e m f i n a l l y , t a k ec h e n g d ub u r e a ua sa e x a m p l e ，as e r i e so fd a t ai so b t a i n e dt h r o u g hc a c u l a t ei t sh e a d w a yt i m e ，i tc a n a l s oc o n f i r m e dt h ea c c u r a c yo ft h e o r ya n dt h eu s a b i l i t yo fs y s t e m t h ek e yw o r d ：t r a i nc o n t r o ls y s t e m ：v e l o c i t ys t e p p e dc o n t r o lm o d ec u r v e ； m o d e l ：h e a d w a yt i m e ：r e l i a b i l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第l 章引言 1 1 研究背景与问题的提出 伴随长三角经济带的确定，以成都为中心的西南部在我国经济发展的地 位日益凸显，铁路在国民经济中输送人员、交换物资的作用也变得日益重要 在这种情况下，铁道部实旖了第六次铁路大提速，其最具代表性的就是以京 沪高速铁路为主的一系列的高速客运专线的修建，在引进和吸收国外先进技 术的基础上，高速客运专线已经开始正常运作，实现了我国铁路的一个跨越。 但对于西南地区的铁路而言，受地理条件、历史因素以及经济条件等因 素的限制，尚无法全面实行线路改造。基于这样的事实，如何选取一种合理 的运行方案，使之既皂满足山区铁路提速的需要，又能满足安全运行的需要， 成为铁路提速的当务之急。针对这一问题，国内专家学者在上个世纪就开始 了探索和研究，并在相关文献上撰文阐述，但都是仅仅从某一特定模式或单 一优势出发，没有系统、全面地加以揭示【l l 。 随着高速客运专线的建设及运作，国内相关专家学者将研究的焦点放在 了高速客运专线上，并就如何缩短列车追踪间隔进行了大量的论证和实验， 取得了一系列的成果，但在如何增加山区铁路通过能力方面却甚少提及，实 现铁路跨越式的发展，需要从整个社会的角度进行，否则，将会出现新的瓶 颈，不能从根本上解决我国铁路运行能力不足的症结。 在铁路提速的过程中，一方面随着列车速度的进步提高，原有信号制 式与控制技术将无法适应高速度、高密度的运输【2 l ，客观上需要一整套与之 相匹配的理论与技术，为本文提供了研究平台；另一方面，一些新学科、新 技术如现代控制理论、系统工程理论、可靠性工程、人机工程、计算机技术、 数字通信技术等的飞跃发展，为铁路信号技术与控制系统进一步深化和扩展 奠定了基础0 1 。基于以上技术，铁路信号技术与控制系统将向着微电子化和 多功能、大系统化两个方面拓展，这为本文的研究提供了技术和理论支持。 列车提速面临一系列技术难题，而列车运行安全是列车运行控制的核心， a t p 等先进的列车运行控制系统已成为行车安全不可缺少的重要技术装备。其 基本功能是在不干扰机车乘务员正常驾驶的前提下，监视、辅助机车乘务员 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 的操纵作业，对列车运行速度及制动方式等状态进行监督、控制和调整，并 在不同程度和阶段上实现运行过程的自动控制，有效地保证列车运行安全和 效率。在山区铁路提速的过程中，如何选用列控方式并使之与现行制式下的 设备技术接轨，是提速过程中需要首先解决的问题。此外，随着高速度高密 度行车要求的不断提高，在选定列控方式的前提下，相关的技术规范应如何 进行修正，相关的指标应如何计算继及选用系统的安全评价等一系列问题随 之而来。为此，客观上需要一整套与铁路提速相匹配的、系统的理论与技术。 1 2 国外研究现状 在2 0 世纪继日本采用高速客运系统并一举取得成功之后，日本及西方发 达国家相继开发和研制了适合本国高速列车运行的速度一间隔控制系统”，以 适应高速列车运行的需要。 1 2 1 法国高速铁路列车速度控制系统 法国高速铁路列控系统以u t 系统为代表，它是以u m 7 1 无绝缘轨道电路、 t v m 3 0 0 机车信号为主体的超速防护系统【4 】【5 1 。其基本原则为分级调速，在闭 塞分区出口处检查速度，本分区出口速度等于下一分区入口速度，以防护分 区的入口速度作速度监督值，所以运行中司机按列车上的出口速度显示手动 速度，到分区出口前车速必须减到低于监督速度( 设备有5 k m h 的余量速度) ， 如果列车速度超过本分区出口速度，到下一个分区将超速，列车实施紧急制 动；以降至规定速度后方可进行人工缓解。其是一种人机联控、人控为主的 列控方式。其制动方式具有滞后效应，要求设置间隔保护分区。 t v m 3 0 0 系统是法国高速铁路的早期产品，其最大优点是系统构成简单， 造价较低，但由于受当时技术条件的限制，“地对车”信息传输容量信息有限， 决定了t v m 3 0 0 型机车信号的速度监督采用阶梯式控制方式。阶梯控制方式完 全不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号， 因此轨道信息较少，设备相对比较简单。这种传统的控制方式是目前高速铁 路普遍采用的控制方式。 由于t v m 3 0 0 只检查列车离开本分区时的出口速度，故当司机因疏忽操作 而在出口端未能减速到目的速度时，列车只能在进入下一个闭塞分区后才能 检查出列车是否超速。因此，这种速度监督方式必须设置一个保护区段才能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 保证行车安全。 针对这些不足，法国在t g v 北方线上已开始使用t v m 4 3 0 1 “，t v m 4 3 0 与 t v m 3 0 0 的主要区别在于： 1 ) t v m 4 3 0 连续信息编码使用2 7 位代码，在调制信号中，2 7 种频率组合 可以获得2 7 b i t 的编码，与t v m 3 0 0 的1 8 个速度信息相比，信息量增多。 2 ) t v m 4 3 0 用曲线控制模式代替阶梯型控制模式，使其更符合通常司机 实施制动时的制动曲线。 3 ) t v m 4 3 0 系统采用信源编码、频率合成和调制技术，车上接收设备用 快速弗里埃衰变变换确认不同的信息，较t v m 3 0 0 的模拟方式在技术上有明显 的提高。 t v m 4 3 0 的控制性能优于t 3 0 0 ，但其控制是建立在高可靠、高水平轨道 电路的基础上。作为传输媒体，对整个轨道电路的维护水平要求较高，尤其 对道床的养护水平要求较高。t v m 4 3 0 型机车信号所显示速度意义包含有本区 段的目标速度和表示下区段减速的带闪光的目标速度，如下区段不要求减速， 就无此闪光速度显示，这就能提前发出警告提醒司机注意，使整个系统更人 性化。 1 2 2 德国l z b 列控系统 该系统是在轨道间铺设交叉电缆，即两条电缆每间隔l o o m 交叉一次，以 此作为传输信道进行地面和车上信息双向交换，列车根据轨间电缆的交叉点 ( 地址) 和测速、测距装置确定自己的所在位置，并传送给计算机控制中心： 同时由控制中心将各种运行信息传输至列车，可以连续确定列车间隔和容许 运行速度，且列车之间存在一个随着列车的移动而移动的假想闭塞区间，因 而该方式被称为移动闭塞方式【7 】【引。 1 9 8 8 年5 月，l z b 系统取得了突破性的进展，实现了列车运行过程中以 机车信号为主体信号的行车控制方法转变【9 】【l o 】。德国高速铁路列控系统主要 技术及相关性能见表i - i 所示l l ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 表1 - 1 德国高速铁路，0 控系统主要技术及相关性能 项目 主要技术内容 固定闭塞：不设地面闭塞信号机，但安装f r s 型机车信号 的高速列车，仍要求接闭塞分区间隔运行，即l z b 闭塞分区， 每个l z b 闭塞分区只允许l 列装有f r s 机车信号设备的列车运 闭塞方式 行，在分割这些分区的信号点上设虚拟信号机，只有装有f r s 的高速列车才能接收到这些信号显示，普通速度列车则接收不 到。 既有线为有绝缘轨道电路；高速线为无绝缘轨道电路，采 用的频率较高，轨道电路仅仅表示占用：轨道间铺设电缆交叉 轨道电路列车定位回路，每l o o m 交叉一次，利用列车头部通过l o o m 交叉的数量 来提供粗定位，再由车载速度传感器在l o o m 中再划分的1 2 5 m 范围内，测出走行距离以提供细定位。 车上与车下的信息通道利用电缆交叉回路，其中线路一列 l z b 车的呼叫码为8 3 5 b i t 编码序列，而另外的4 1 b i t 编码序列用 列车作车上一地面的应答码：采用信源编码和f s k 调制技术；呼叫 自动码8 3 5 b i t 中有8 b i t 校核码。 控制地面一机车呼叫码采用3 6 k h z 速率为1 2 0 0 b i t s ，车上一 载频模式 地面使用5 6 k h z 以间歇方式传送应答码，速率为0 0 0 b i t s 。 控制模式地面控制模式，强调以人为主 运营速度高速线为2 5 0 k m h ，既有客车为1 4 0 - - - 1 6 0 k m h 1 2 3 日本新干线a 亿列控系统 该系统遵循设备优先的原则，在每个闭塞分区入口处起便以该分区出口 速度作为监督速度值，车内根据与前行车的间隔和线路条件连续显示列车允 许速度，若列车运行速度超过此速度值，a t c 设备即以常用制动自动减速， 低于出口速度后自动缓解，但a t c 不具有加速功能。 日本开始采用a t c 运营以来，以运营3 0 年无人员伤亡的奇迹充分证明了 a t c 系统具有极高的安全性。但与此同时，传统意义的a t c 存在的问题逐渐 暴露出来【l “，如： 1 ) 由于采用多级制动控制，各速度段内存在制动空走时闻，并要考虑富 裕距离，难以缩短列车运行间隔时间，而且地面向列车传输的信息量最大只 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 有3 6 个，信息量少。 2 ) 地面闭塞分区长度由列车制动性能决定，制动性能不同的列车在同一 线路行驶时，闭塞分区的长度只能以制动性能最差的列车为依据，这对制动 性能优良的列车而言，难以发挥其最佳效率。 3 ) 在提高速度时，需要分配新的速度信号，这就需要对地面设备、车载 设备进行必要的改造，从而增加了成本。 4 ) 因采用最大常用制动，势必影响乘客的舒适性。 为此，近年来日本已经开始新一代a t c 的研制，新一代的a t c 必须能满 足以下要求：能适应高速度、高密度的列车开行；在进一步提速和提高密度 时，地面设备不需要作变动；加减速性能各异的列车在同一条线路上能很好 的混行；维修性能较以前提高以及系统要有良好的过渡性；能够方便地引入 导向系统等。 目前，采用轨道电路作为传送信息和检测列车位置的数字a t c 系统和采 用漏泄同轴电缆l c x 以无线方式来传送列车位置和控制信息的乙c ) 卜a t c 系统 已经开始研发，并在研究中取得了一定的成果 珀】。现将两种方式简述如下： 一、数字化a t c j r 东日本旅客运输公司的智能化a t c 设备已经安装在上越新干线至新泻 的下行线，车载设备已安装在s t a r 2 1 高速试验车上，并于1 9 9 4 年进行了实 用化的一级制动试验，试验结果表明从地面向车上发送列车控制所必须的数 字信息非常成功，利用车上装置进行一段式制动的控制功能其发挥也令人满 意。1 9 9 5 年，地道综合技术部在j r 九州进行包括制动在内的综合实验【1 4 】。 数字a t c 的特点是采用了一段式制动控制，从开始制动控制起直到停止 前制动一直不缓解，这样空走时间和富裕距离只存在一次，可以缩短被浪费 的时间。另外，因为可根据车辆的制动性能进行控制，这就可以大大提高制 动性能较好车辆的运转效率。此外，现在的a t c 从地面向车上发送的最大信 息量只有3 6 个，而数字a t c 已有飞跃性的增加( 2 ”个以上) 。一段式制动所 必需的信息可以区分为固定信息和可变信息，固定信息为线路的坡度、曲线、 车站和车辆等信息，可变信息包括列车至必须停车点的距离、列车运行的位 置、临时限速点等等。 数字化a t c 能可靠地检测列车当前性能以及检测轨道是否断裂，并提高 行车速度，缩短列车间隔时间，减少轨道电路数，且其适用于各种不同的区 间，弥补了传统a t c 的缺陷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 二、采用无线控制列车系统( c a r a t ) 日本铁道综合技术研究所从1 9 8 8 年左右着手进行新一代行车控制系统的 研究，其研究目的是当列车以高速、高密度运行时能采用一种既经济又便利 的控制系统。在经历了基本构思及课题研究。现有列车实地收集基础数据并 进行分析、基本系统初步设计和详细设计、室内模拟试验等阶段之后，该系 统于t 9 9 5 年进入实际列车的长期运用试验阶段。 9 9 4 年1 1 月下旬到1 2 月 初，在s t a r 2 1 试验列车上进行了运行制动试验。试验系统的部分性能，例如 采用l c x 无线的间隔控制性能，几乎达到实际应用的水准。 1 9 9 9 年，随着东北新干线上开发和试验新型的a t a c 无线列车控制系统， 原有的c a r a t 完成了其历史使命。 在众多铁路技术发展相对成熟的国家里，瑞典与我国山区的地貌相同， 其列控技术对我国铁路有一定的参考价值。瑞典铁路采用摆式列车+ 速差式信 号制式的运行模式【4 7 1 ，一方面，摆式列车能较好地适应山区地形，在小半径 曲线地区仍能保持较高运行速度，另一方面，a t c 系统为列车的快速运行提 供了安全技术保障。其列控系统和法国t v m 4 3 0 相似，在这里不再赘述。 以上几种列车控制方式对比汇总成表如表i - 2 所示： 表i - 2 国外先进列控方式技术特点汇总表 系统特征日本a t c 系统法国u - t 系统德国l z b 系统 闭塞方式准移动自动闭塞速度分级模式曲线移动自动闭塞 列控方式 信号方式机车信号机车信号机车信号 信息传输方式 点连式，主要为有绝缘 点连式，z w p - 2 0 0 0连续式 轨道电路传送信息，经 轨道电路和t v m 4 3 0交叉式 车上设备译码产生制动机车信号、数字化显速差式机车信号 模式曲线 示目标速度 速度控制方式设备优先常用制动司机优先常用制动司机优先常用制动 速度控制曲线 小阶梯，接近于连续式 曲线阶梯连续式 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 国内研究现状分析 我国幅员辽阔，线路条件复杂，加上国家政策倾斜不同，现行采用的列 车控制方式较复杂，从半自动闭塞到移动闭塞( 未广泛应用，我国仅在地铁 上有所使用，不作重点介绍) 均有使用。 1 3 1 半自动闭塞 在我国铁路的发展过程中，半自动闭塞已经存在并运用了很长一段时间， 但考虑其即将退出历史舞台，本文仅仅对其作一简单介绍f l “。 半自动闭塞就是人工办理闭塞手续，列车凭信号显示发车后，出站信号 机自动关闭的闭塞方法。其特征为：站间或所间只准走行一列车：人工办理闭 塞手续；人工确认列车完整到达和人工恢复闭塞。半自动闭塞由于站间( 所闻) 区间只能运行一列列车，因此，尽管其安全系数较高，但由于线路能力利用 低，渐渐将被淘汰。 1 3 2 三显示自动闭塞 我国自动闭塞区段，一般采用三显示信号制式。它是以地面信号机显示 为主，根据列车制动距离，将前行车与后行车之间的距离用三个闭塞分区等 分，每个分区满足列车的全制动距离，其相应的追踪间隔时间即为列车在各 个分区内走行的时间【l ”。 三显示信号制式由于原理简单，对设备要求不高。因此，在我国铁路运 营初期得到了广泛地运用。随着铁路运量需求的不断增大，三显示制式的追 踪间隔时间过大的缺陷逐渐暴露出来，其原因是三显示信号制式下闭塞分区 长度根据列车的全制动距离而定，列车提速后，制动距离的急剧增加，进而 造成闭塞分区的长度增大，最终导致列车之间的追踪间隔过大，这对于提高 线路的通过能力极为不利。此外，随着高速列车的运用，靠地面信号机显示、 司机晾望来确定信号的方式已经不能保证列车的安全运行，在这种情况下， 以机车信号为主体信号、以设备优先为控制原则的速差式列控方式便应运而 生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 3 速差式信号制式 速差式信号制式的原理是将列车的制动距离分为若干个闭塞分区，用多 个分区来满足列车的全制动距离，每个分区都有明确的速度目标值，列车按 照各个目标速度值分段减速，在考虑足够安全余量的条件下，满足列车的全 制动距离【2 “。速差式信号制式仍采用固定闭塞分区间隔的原理，列车之间的 追踪间隔距离仍然是以闭塞分区的整数倍计算的，类似于传统三显示信号的 固定间隔。与三显示信号制式相比，速差式信号制式以设备优先为设计原则， 减少了人与入之间在信息传递时的主观失误，从而进一步保证了行车的安全。 从理论上看，速差式信号制式的追踪间隔时间应该小于三显示信号制式， 但从我国引进的列控系统现场实际运营情况看，该种制式并不能有效地减少 追踪间隔时间，例如京广线郑武段采用四显示自动闭塞列车的追踪间隔时间 并不能很好的解决铁路通过能力的问题【l ”，其根本原因是该线路的列车速度 目标值过低，速差式信号制式的优点难以发挥b 9 1 1 2 0 ，此外，该系统还存在如 下问题：客货混运的客观事实长期存在，因此，区间的不合理划分将导致列 车运行时存在一定程度的浪费。列车在进行制动时是分几次完成的，在每次 制动时都存在空走及设备反应时间，需要设置防护分区以保证行车安全，故 速差式信号制式仍然不能最大程度地减少追踪间隔。如何将系统的优势最大 效率地发挥，扬长避短，将有赖于找出最合理的分区划分方式。 速差式控制在发展过程中，产生了两种不同的形式。其一是大台阶式， 该方式是用几个闭塞分区来满足列车全制动距离，每个分区出口均设置速度 目标值，通过检查列车在分区出口速度是否大于允许速度来决定是否采用紧 急制动、防止列车冒进信号的一种列控方式。由于列控设备只检查列车分区 出口速度，紧急制动是在下一个闭塞分区内完成的，因此系统存在滞后性， 必须设置防护分区才能保证列车安全运行，且列车制动过程中存在多次空走， 对缩小追踪间隔不利，因此，大台阶式的速度控制方式已经慢慢被淘汰。其 二是分级模式曲线列控方式。该方式是根据前行车传输回来的信息，针对各 个闭塞分区以及不同的目标速度值分段产生控制模式曲线，在保证安全的前 提下缩短了追踪阎隔时间。分级模式曲线列控方式与大台阶式列控方式的区 别在于二者的速度目标值不同，大台阶式每个闭塞分区的目标值是一个确定 的值，而分级模式曲线是一个与距离有函数关系的变量。 多显示信号制式下列车最小追踪间隔是按照追踪列车能在指定停车点前 停车、后行车不出现非正常减速的原则进行计算的【2 “。由于固定闭塞分区的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 存在，实际追踪的间隔距离依然是闭塞分区的整数倍加上一个列车长度。 1 3 4c t c s 总体技术规范 既有线提速、客运专线建设的进一步深入，为通信信号技术的发展提供 了新的发展机遇。具体表现在列车提速后，铁道部提出了机车信号要尽快实 现主体化的明确要求，加快推进铁路通信信号技术一体化，实现对列车移动 体的运行控制已经提到重要议事日程。从我国国情出发，参照欧盟发展的经 验，铁道部制定了( c t c s 技术规范总则，规范中规定了我国列车控制系统 的发展方向及其主要设备。现将其面向范围、主要构成部分作简要介绍，并 按照相关规定选取适合成都局的列车控制系统。 1 ) c t c s - o 既有线现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构成。 2 ) c t c s - i 由主体机车信号+ 安全型运行监控记录装置组成。面向1 6 0 k m h 以下的 区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化的要求，增加点式 设备，实现列车运行安全监控功能。 3 ) c t c s - 2 基于轨道传输信息的列车运行控制系统。面向提速干线及高速新线，采 用车地一体化设计。适用于各种限速区段，地面可不设置通过信号机，机车 乘务员凭车载信号行车。 4 ) c t c s - 3 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制 系统。面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或虚 拟自动闭塞。适用于各种限速区段，地面可不设置通过信号机，机车乘务员 凭车载信号行车。 5 ) c t c s 一4 基于无线传输信息的列车运行控制系统。面向时高速新线或特殊线路， 基于无线传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。由r b c 和车载验证系统共 同完成列车定位和歹0 车完整性检查。地面不设通过信号机，机车乘务员凭车 载信号行车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 4 研究内容及研究思路 1 4 1 研究内容 现行的山区铁路提速的普遍是以线路改造为基调进行的，这也是由铁路 传统思想决定的，即硬件与软件相结合，硬件为基础，软件为促进。但进行 全国铁路的全面改造建设，不仅耗资巨大，而且工程周期长，在短时期内根 本无法解决铁路运能紧张的矛盾，为此需要在短时间内从技术改造入手，找 到一种切实可靠的方法，作为铁路大建设过程的过渡方案。 基于此构成了本文的研究出发点，笔者将提出一种合理解决运能不足的 方案，并对其在安全性、可行性进行分析。我国铁路尤其是西部铁路，由于 地理环境复杂，同时又长期处于客货混跑的局面，因此，进行行车模式选取 时，需要从山区铁路本身的特点入手，综合分析现存的各种列控方式的优缺 点，科学地选取一种适合于提速条件下的山区铁路列车运行控制模式。 通过国内外研究现状的分析可以看出，为了行车安全和配合列车的提速， 我国引入了新型列控技术，但对应用方式的设计，依然局限于原有思路，仅 仅是把旧有模式与新技术简单叠加，提高密度一般靠单纯地压缩闭塞分区长 度，带有一定的主观性、盲目性，缺乏系统的理论依据和实验论证。而行车 密度是以列车制动距离为核心因素的各种制约因素的综合反映，特别是随着 新技术的横向转移，速度控制方式已成为决定行车密度的一个决定性因素。 行车指挥方式、列车控制技术的变革对协调运行的各种制约因素有着实质性 的影响。因此，提高行车密度实际上是一个优化系统运行的问题，这有赖于 找出在多种类、多速度列车共线混行条件下，制动距离、速度控制方式信号 显示方式、追踪间隔以及车站间隔之间各种匹配关系的量化情况，最终实现 速度与密度的最优匹配，做到运输能力与服务质量的双重优化。 特别是经济建设的迸一步深化以及人们对出行需求质量的要求日益提 高，铁路提速已经显得刻不容缓，传统列车已经向快速、高速方向发展，同 样，快速( 高速) 铁路的发展必然引起其采用的设备、信号制式等发生变化。 由于我国高速铁路的建设处于起步阶段，缺乏相应规范，对相关计算方法在 同领域内也没有统一的意见，未形成系统。为此本次设计拟从列车追踪运行 的基本原理入手，明确间隔计算条件、方法规律及有关参数标定，获取提速 条件下有关行车间隔时分的计算系统和数值结果，以便满足新一轮的工程设 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 计需求。 本文研究基于我国铁路已进行的六次提速的背景，在客货混行及多种类、 多速度列车共线混行现象还将存在的条件下，建立一套面向提速线路的列车 速度一间隔控制理论模型及与之相适应的理论描述，提出基于速度分级模式控 制方式条件下，行车控制制式设计的模型与算法，并就系统的安全性进行评 价。本文的研究内容概括如下： 1 提速( 高速) 条件下，追踪间隔的形成机理、构成要素和控制因素： 对于不同线路及运营条件的速度目标值； 2 分别在客运专线和客货混跑条件下，不同列车类型、不同开行速度的 组合匹配关系下的制动距离、速度控制方式信号显示方式、追踪间隔以及车 站间隔之间的关系； 3 车站间隔时间的构成与计算标准： 4 分级制动和一次制动方式下的列车速度一间隔控制模型与算法； 5 系统的可靠性分析。 1 4 2 研究思路 由于设计涉及运输底层微观层次，难度较大，笔者在进行山区铁路列车 运行控制现状进行现场调研、资料收集整理的基础上，整合多个学科领域的 有关理论和技术，以运输工程理论、控制理论、数学理论与系统科学等为主 导来进行理论模型与算法的构建，以成都局线路为应用实际，提出一系列有 关能力、时间等反映运输水平和技术性能的数据集，充分验证研究的正确性 与工程应用性。 本着从原理出发、将分析结果置于实际运营中进行检验的原则，本次设 计按图卜l 所示流程进行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图1 - i研究思路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章客货混行列控方式机理分析 2 1 控制思想的演进 2 1 1 三显示自动闭塞 三显示自动闭塞为固定闭塞行车方式，其以地面信号为主，机车信号为 辅，通常以地面信号机为分界点，每个闭塞分区长度均能满足列车从最高速 度至速度为零所走行的全制动距离，列车追踪目标点和开始制动的起始点均 为固定点【i ”。在列车运行过程中，以不同灯色给司机规定明确的操纵命令， 列车运行工况按照地面信号机指示分阶段进行转换。 三显示自动闭塞方式下列车追踪间隔时分决定于同方向列车间隔的距 离、列车的运行速度及信号、联锁、闭塞设备的类型，原则上以保证列车总 是按绿灯运行的条件进行追踪列车间隔时分的检算。 列车在区间追踪运行的时候，通常情况下需要满足3 个闭塞分区间隔， 才能保证后行列车在绿灯下向绿灯运行，从而使列车保持高速运行。因此， i ：的计算方法是后行车以实际运行速度通过3 个闭塞分区以及1 个列车长所 花费的时间，如图2 1 所示。 ；6 6 陷晶 图2 - 1 三显示自动闭塞下区间追踪间隔示意图 到站间隔的计算原则是使后行列车不因站内未准备好接车进路而出现非 正常减速，为此，车站准备好进路和开放完毕进站信号的时刻，应不迟于第 - y j j 车头部接近站外第二通过色灯信号机的时刻，如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l i - 0 l i - 0 u i - 0 h t - 0 图2 _ 2 三显示自动闭妻下到站追踪间隔示意图 到站间隔i d 的大小为列车通过一个列车长、两个闭塞分区、1 个进站走 行距离所花费的时间，以及车站办理进路、开放信号的作业时间之和； 发车间隔的确定原则是使后行列车在出站信号机显示绿灯的条件下出 发。只有在前行列车腾空两个闭塞分区后，才能为后行列车办理出发进路、 开放信号，因此，发车间隔i f 的大小为列车以发车速度通过站外2 个闭塞分 区、1 个列车长的距离所花费的时阊，以及办理出发进路、开放信号的时间 之和，见图2 3 所示。 图2 - 3 三显示自动闭塞下发车追踪间隔示意图 按照类似的原则求出其他几种追踪间隔，包括前行车停站后行车通过、 前行车通过后行车到站停车岛、前后行列车均通过车站厶、前行车通过后行 车在车站发车匆以及前行车从车站发车后彳亍车通过车站易，取其中最大者作 为列车的追踪间隔时分。 2 1 2 四显示( 多显示) 自动闭塞 四显示( 多显示) 自动闭塞是在传统三显示控制方式的基础上，结合速 差式信号控制思想及设备而形成的。它用若干个闭塞分区来满足列车的全制 动距离，每个分区都有明确的速度目标值，列车按照各个目标速度值分段减 速，使列车在最不利情况下能够在规定停车点前停车1 1 9 】。其基本原理及追踪 间隔构成要素如图2 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 、 、 毽氅黧蹬馨溺 、 离嗣藕眺熟嘲 i 、j l j n 2 r 7、， 、 ，、，l l a3 ( n ) l a l 防护l 列之 l 匿司 图2 - 4l t 示意图 作为二- 种速差式控制方式，四显示信号制式与三显示信号制式相比，更 加注重行车的安全保障，它通过先进的信息检测、通信和控制装备，赋予了 不同运行过程、尤其是各制动阶段明确的速度含义。 目前对于多显示信号制式，由于仍采用固定闭塞分区间隔的原理，列车 之间的追踪间隔距离仍然是以闭塞分区的整数倍计算的，列车最小追踪间隔 的计算是按照区间中后行列车在绿灯下向绿灯运行，进站时候列车能在指定 停车点前停车或通过且不出现非正常减速的原则进行确定的。 以四显示自动闭塞为例，追踪间隔时间的确定与三显示自动闭塞相似。 追踪间隔i ：为列车以实际运行速度通过5 个闭塞分区加上1 个列车长的距离 所花费的时间，见图2 - 4 所示；对于i d 的计算，应使后行追踪列车不因站内 未准备好接车进路而减速，为此，车站准备好进路和开放完毕信号的时刻， 应不迟于第二列车头部接近站外第4 通过色灯信号机的时刻，即i d 为列车以 实际进站速度通过站外4 个闭塞分区加1 个进站距离所花费的时间与车站办 理进路、开放信号的作业时间之和；就i f 而言，应使后行列车在出站信号机 显示黄绿灯的条件下出发，只有在第一列车腾空( a 2 ) 个闭塞分区后，才能 为后行列车办理出发进路、开放信号，即i f 为列车以实际发车速度通过站外 ( n - 2 ) 个闭塞分区加1 个列车长的距离所耗费时间与办理出发进路、开放信 号的时间之和。 按照类似的原则求出其他几种追踪间隔，包括前行车停站后行车通过如、 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 前行车通过后行车到站停车肠、前后行列车均通过车站厶、前行车通过后行 车在车站发车匆以及前行车扶车站发车后行车通过车站靠，取其中最大者作 为列车的追踪间隔时分。其具体确定方法下文中有详细描述。 2 1 3 移动闭塞 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f 2 3 j ，它是 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闾隔点，实际上该系 统把前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1 2 4 】【2 ”。在移动闭塞系统中，后行列车的 速度曲线随着目标点的移动而实时计算，后行列车到前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【2 “，其工 作原理如图2 - 5 所示： 后行列车 、篓癣目两隰嘲囊 、i ，、i l 反应距离 制动走行距离 防护距离列车长度 图2 5 移动闭塞原理示意图 由图2 - s 可以看出，追踪间隔的大小为列车有效制动距离、人员设备反 应时间内列车走行距离、必要的防护距离以及列车长度之和。从移动闭塞的 原理分析可以看出，移动闭塞是一种对列车运行进行实时控制的自动闭塞方 式，它的闭塞分区可以看成无限小【2 7 】【2 射。因此，移动闭塞下列车的追踪间隔 可以实现最小化f 2 9 1 。 2 2 速度分级模式曲线列控方式机理 根据现阶段规划目标，我国的货物列车运行速度最高为1 2 0 k m h ，旅客 列车最高速度为1 6 0 k m h ，根据铁道部( c t c s 技术规范总则相关规定， 1 6 0 k _ m h 及其以下的列车技术装备以c t c s 1 为标准，即在既有设备上进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 强化改造，达到机车信号主体化的要求。针对国内列车不断提速的特点，借 鉴郑武段行车制式的经验，本次研究选用速差式信号制式，以下将速差式信 号制式的基本原理作简要介绍。 速度分级模式曲线列控方式究其本质而言是一种速差式信号制式，后行 车根据前行车传递回来的信息将列车的制动距离分为若干个闭塞分区，用几 个分区来满足列车的全制动距离，每个分区都有明确的速度目标值，列车按 照各个目标速度值分段减速，即在考虑有关安全余量条件下，满足最不利情 况时在全制动距离内，列车能在规定停车点前停车【2 1 】【2 2 1 。 其与速度分级阶梯式控制的区别是，阶梯式控制是以一定的速度等级将 铁路线路划分为若干个固定分区，根据前方列车占用分区情况，各区间发送 相应的速度信息，列车车载设备按照所接收到的速度信息监督或控制列车运 行，列车超速的目标值为一个常数，且只在分区出1 3 处检查列车速度值，当 列车“撞墙”后，列控系统只能在下一个分区开始实施紧急制动，因此，该 系统存在滞后性，需要设置防护分区才能保证行车安全。而速度分级模式曲 线控制是在速度分级阶梯控制的基础上，由列控车载根据每个区段的入口出 口速度，以及闭塞分区长度换算坡度等信息，生成一条平滑速度曲线，控制 列车运行，列车超速的目标值不再是一个常数，而是与距离有函数关系的量， 该控制模式在列车运行过程中对超速运行进行了实时控制，故不存在滞后效 应。 就本质雨言，速度分级阶梯控制和速度分级模式曲线控制均属于多级制 动模式，两者相比，当不同速度及制动性能的列车混线运行时，模式曲线控 制对追踪间隔时间影响较小，更利于能力的提高。 多级制动模式下，列车追踪间隔主要与速度等级的划分、闭塞分区长度 和列车速度、列车制动性能等有关。客货混行条件下，客货列车速度差的客 观存在，表现在运行图上是产生旅客列车扣除系数，具体对信号机布点而言， 也就是对列车运行来说，则是制动距离的差异，这必然影响以此为基本出发 点的固定闭塞控制制式及其效率。 在能力紧张的线路上，预计运量将继续增长，旅客列车、货物列车旅行 速度都将有所提高，因此，满足较长制动距离的闭塞分区的划分，必然造成 制动距离较短的列车的能力浪费及其运行效率的发挥。因此需要找出一种划 分分区长度的合理方式，使这种因制动