城市轨道交通信号控制系统的研究(毕业论文doc)

1、城市轨道交通信号控制系统的研究学 生 姓 名： 学 号： 08300484 专 业 班 级： 城轨车辆382203班指 导 教 师： 论文摘 要本论文主要阐述城市轨道交通信号控制系统的研究。随着我国城市轨道交通的迅猛发展，信号系统作为控制运行安全的核心设备，对其安全、可靠性的分析评价显得尤为重要，本文从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等方案的主要方面对描述了城巾轨道交通中信号系统的安全策略及可靠性分析。信号系统作为城市轨道交通工程中重要的组成部分,对行车的安全、正点、高效的运行起着至关重要的作用,但由于其中的设计标准不全面,给系统设计方案造成了一定的随意性。本文就其中的系统构成、设计行

2、车间隔和ATP 信息传输方式等方案进行了探讨。关键词：城市轨道；信号系统；控制系统；行车信号安全 论文目 录摘 要I引 言11 信号的基本理论21.1 联锁和进路21.2 信号作用31.2.1 信号与信号显示31.2.2 信号的分类31.3 系统的可靠性分析31.3.1 可靠性评估41.3.2 ATP系统的正常驾驶模式下42 城轨信号系统52.1 信号标志52.2 信号基础器材62.2.1 信号机62.2.2 号机开放的意义72.2.3 转撤机112.2.4 轨道电路112.2.5 电子计轴器152.3 广州地铁信号系统152.4 车场线信号162.4.1 联锁设备162.4.2 联锁设备的要

3、求162.5 电气集中172.6 故障安全172.6.1 故障安全原则172.6.2 主要设备182.6.3 6502电气集中的组成183 信号控制系统在城市轨道交通中的应用193.1 城市轨道交通中使用的信号系统193.2 城市轨道交通移动闭塞信号系统的通信实现方式213.3 信号控制方式及列车运行模式信号控制方式213.3.1 ATP列车自动保护系统213.3.2 ATO列车自动驾驶系统223.3.3 ATS列车自动监控系统223.3.4 SICAS微机联锁系统23总 结24致 谢25参考文献26论文引 言城轨交通的信号系统担当着控制和指挥列车运行的任务,是影响整个城轨交通系统运营安全控制

4、和效益的关键点。信号系统的水平也成为城市快速轨道交通现代化的重要标志。设计出一个优秀的系统方案不仅有利于保证行车安全,提高运输能力,实现迅速、及时、准确的行车调度指挥和运输管理现代化,提高服务质量,而且还有利于合理使用工程投资,降低工程造价。为了保障运营系统的安全、高效，配置一套科学、合理的信号系统成为大家关注的核心。对于信号系统设计方案的取舍，注重其功能的实现和价格的高低，而很少甚至没有从安全和可靠性方面进行分析比较，其结果是造成系统性能和用途不协调，投资大小和投资方向的准确性下降。本文将从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等的安全和可靠，陛方面进行分析，对信号系统的方案进行阐述。1

5、信号的基本理论1.1 联锁和进路·联锁为了保证行车安全，在信号、道岔和进路间必须建立一定的相互制约关系。如防护进路的信号机存开放之前必须检直进路空闲、道岔位置正确及敌对进路为建立等。相互开放以后道岔不能动，这种相互制约的关系称为联锁。用以实现联锁的技术设备叫联锁设备。在联锁中，信号、道岔和进路所处的状态一般称为联锁条件。·进路列车或调车车列由某指定地点运行至另指定地点所经过的径路称为进路。所谓保证行车安全：就是保证列车或调车车列在其进路上运行的安全。进路的控制过程：一条进路的控制过程可分为进路建立（排列）和进路解锁两个大的阶段。进路的建立阶段是指从车站操作人员开始办理进路、

6、到防护进路的信号机开放这一阶段；进路的解锁是指从列车驶入信号机后方（驶入进路），到出清进路中全部道岔区段这阶段，或者是操作人员解除已建进路的阶段。进路建立阶段：进路建立过程分成6个小阶段：(1)操作阶段 (2)选路阶段 (3)道岔转换阶段(4)一致性检查阶段(5)进路锁闭阶段 (6)开放信号阶段进路解锁：就是取消已建立的进路，其中包括解除对道岔和敌对进路的锁闭。根据解锁的条件和时机，有5种进路解锁方式，即：(1)取消进路 (2)非常解锁 (3)正常解锁(4)中途折返解锁（5）故障解锁·信号闭塞所谓闭塞就是指利用信号设备把铁路线路人为地划分成若干个物理上或逻辑上的闭塞分区，以满足安全行

7、车间隔和提高运输效率的要求。日前，信号闭塞原则是按照ATP/ATO制式来划分的，基木上可分为三类，即：固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。1.2 信号作用1、保证行车安全2、提高运输能1.2.1 信号与信号显示1、信号：在行车调车工作中，对乘务人员与行车有关人员指示运行条件而规定的物理特征符号。2、信号显示：是信号的显示方式，显示含义和使用方法的统称。3、信号的分类：视觉信号和听觉信号。1.2.2 信号的分类1、视觉信号：以颜色、形状、位置、显示数目和灯光状态等表达的信号。如信号机、信号灯、信号旗、信号牌、信号表示器、信号标志等。2、听觉信号（音响信号）：以不同器具发出的音响的强度、频率和音响长短

8、时间等表达的信号。如停车信号显示不明或灯光熄灭时，列车停在信号机前用无线调度电话通知运转车长，通知不到时鸣笛一长声，停车等候2分钟，未显示信号时以遇到阻碍能随时停车的速度继续运行不超过20KM/H。图1.1 信号的分类1.3 系统的可靠性分析随着我国城市轨道交通的迅猛发展，运量日益增长，列车运行密度不断加大，为了保障运营系统的安全、高效，配置一套科学、合理的信号系统成为大家关注的核心。目前，对于信号系统设计方案的取舍，注重其功能的实现和价格的高低，而很少甚至没有从安全和可靠性方面进行分析比较，其结果是造成系统性能和用途不协调，投资大小和投资方向的准确性下降，通俗地说不是“大马拉小车”就是“小马

9、拉大车”。本文将从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等的安全和可靠，陛方面进行分析，希望能够对信号系统的方案设计提供些借鉴。城市轨道交通的信号系统担当着控制和指挥列车运行的任务,是影响整个城轨交通系统运营安全和效益的关键点。信号系统的水平也成为城市快速轨道交通现代化的重要标志。设计出一个优秀的系统方案不仅有利于保证行车安全,提高运输能力,实现迅速、及时、准确的行车调度指挥和运输管理现代化,提高服务质量,而且还有利于合理使用工程投资,降低工程造价。1.3.1 可靠性评估在信号系统的设计时，除了系统安全性外，可靠性评估也是非常重要的，高度的可靠性也是高安全性的一个重要保障。为了能够放心地在实

10、际中运用，设计一个完善的信号系统必须定量地分析出系统的可靠性指标。例如：在国铁规范中，已明确了列车超速防护的车上设备的平均无故障时间(MTBF)不低于104h，地面设备的平均无故障时间不低于105h。1.3.2 ATP系统的正常驾驶模式下在城市轨道交通中由于ATP系统在正常驾驶模式下使用，是惟一能连续控制列车运行，并长期确保列车安全运行的驾驶模式。降级驾驶模式是ATP系统出现故障情况下，在限速条件以人工驾驶来降低列车运行风险所采用的一种驾驶模式。不过，诙漠式并不能避免所有风险，特别是不能保护列车不闯关闭的信号机，所以要求正常驾驶模式必须非常稳定可靠，以尽量减少采用降级驾驶模式。鉴于上述因素，在

11、国外城市轨道交通工程中，提出ATP系统正常驾驶模式的可靠必须高于9999。其中，月为系统可靠性概率；T为系统设计寿命；MTBF为平均无故陶司隔时间。2 城轨信号系统城轨信号系统分正线与车辆段两个部分。一般正线有微机联锁、ATP/ATO轨旁设备、ATP/ATO车载单元设备，以及OCC（运行控制中心）的ATS设备组成；而车辆段主要由6502电气集中组成。2.1 信号标志1、定义：表示地铁线路所在地点的情况和状态，指示行车人员依据标志的要求及时正确地进行相关作业与操作的标志。2、与地铁行车相关的信号标志主要有以下几种：(1)警冲标：在两条线路汇合处，为了防止停留在一线的车辆与领线上的车辆发生侧面冲撞

12、而设在两汇合线路之间隔4米的中间的标志。股道之间间距不足4米时应设在两线路中心线最大间距的起点处。(2)站界标：车站与区间的分界处的标志，主要用于车站管辖范围区界划分和列车运行时位置识别。(3)鸣笛标：要求司机鸣笛的标志，一般设在道口、桥梁、隧道口以及线路状况复杂地段的外方规定位置。(4)停车牌：指示列车停车位置的标志。通常用于车站站台规定的乘客上下车的停车地点以及列车折返时指示司机停车的地点，它固定设置在规定位置。(5)一度停车标志：要求列车（机车）在该地点停车后进行确认线路、道岔以及进行相关操作后继续行驶的指示标志。(6)车挡表示器：设在线路尽头线车挡上的表示器，便于司机以及调车员确认车挡

13、位置。隧道内显示红色灯光，地面线路昼间使用红色方牌、夜间使用红色灯光。(7)接触网终止标：表示接触网已经终止的标记，设在接触网中端，警告司机不准越过该标，防止脱弓。在这些标志中有些具有警告意义和防护功能，他们与运行信号显示有相同性质的含义。2.2 信号基础器材2.2.1 信号机车辆段和各联锁站（带有道岔的车站）安装有地面信号机，没有道岔的车站不安装地面信号机，但所有的车站均安装有发车表示器( DTI)，终端站尽头端安有红灯信号机。高柱型、矮柱型单显示、二显示、三显示机构型号含义：X信号；S色灯；G高柱（A矮柱）； HL红绿二显示色灯信号机：用不同颜色来显示信号。透镜式：一组透镜给出一个颜色的灯

14、光。如果显示多种颜色信号灯光时就要有多组透镜一一多灯式。特点：结构简单，合于生产，安全可靠但显示距离有限，安装在曲线上时，不能保证连续显示。探照式：一组透镜能显示出三个颜色 单灯式。特点：节省电能，显示距离远，结构复杂，制造工艺要求严格，维修困难。图2.1 信号器材2.2.2 号机开放的意义(1)正线红灯禁止；绿灯进路空闲、进路道岔开通直股；黄灯进路空闲、进路道岔开通侧向；黄灯+红灯引导信号（一般60秒不通过就复原）。(2)车辆段（入、出厂信号）黄灯+红灯一引导进车厂；黄灯允许进（出）车厂；月白灯允许调车；红灯禁止。(3)停车库内及联络线（交接线）入口处调车信号机为红色、白色灯光显示，其他信号

15、机为蓝色、白色灯光显示。红、蓝色灯光表示禁止越过，白色灯光表示允许调车。图2.2 号机开放示意图表2.1 常见调车手信号表2.2 常见列车运行手信号表2.3 徒手信号的类别及显示方式（4）各种信号灯的显示意义防护信号机有三种显示颜色，分别为红、黄、绿。红灯显示意义为禁止列车越过该信号机；黄灯显示意义为进路开通，允许列车进入道岔侧股运行；绿灯显示意义为进路开通，允许列车进入道岔直股运行。阻挡信号机有一种显示颜色，为红灯。红灯显示意义为禁止列车进入该区段或禁止越过该信号机。调车信号机有二种显示颜色，为红灯、白灯。红灯显示禁止调车，白灯显示允许调车。出段信号机与入段信号机的显示意义与防护信号机的显示

16、大似相同。·几种主要固定信号的显示图2.3 进站信号图2.4 调车信号图2.5 通过信号图2.6 预告信号图2.7 出站信号2.2.3 转撤机在车辆段和联锁站内的每组道岔处都要设置一台电动转撤机，可以转换道岔、锁闭岔和反映道岔的状态。直流电动转撤机带滚珠丝杠的三相交流电动转撤机液压式电动转撤机2.2.4 轨道电路利用铁路的钢轨作为导体，并与其它相关设备一起组成能自动检测区间有无车辆轮对的电路系统。（1）车辆段一般使用单轨条式50Hz相敏轨道电路。该轨道电路那传输的信号频率是50HZ，并且轨道电路的接收端列该信号有一定要求，控制GJ（轨道继电器），其核心是轨道接收器（二元轨道继电器）。

17、图2.8 50Hz相敏轨道电路图2.9 轨道电路控制图图2.10 轨道电路工作原理图图2.11 道岔区段轨道电路图2.12带平衡扼流圈的交流轨道电路（2）正线一般使用无绝缘音频轨道电路（FTGS）音频发送端和接受端（一般使用LC组合）除具有一般轨道电路检查轨道空闲/占用外还具有：轨道不需要使用机械绝缘进行分隔，保证列车平稳；在车占用该种轨道电路时，轨旁ATP设备利用该轨道向车上发送有关ATP报表。图2.13 无绝缘音频轨道电路2.2.5 电子计轴器分为室内和室外部分组成。(1)室外：地面传感器，电缆盒、传输电缆(2)室内：信号处理电路及计数处理电路原理：每一轨道区段的两端分别设置计数点，每个计

18、数点设置2个电磁传感器。当轨道无车时控制室内的“入”计数器与“出”计数器同步工作，计数值一致得出区段“空闲”；当列车驶入该轨道区段，“入”计数器计入传感器传来的计数脉冲，破害入、出计数器的同步工作，得出区段“占用”，直到列车全部驶出另一计数器，恢复了同步给出区段“空闲”。2.3 广州地铁信号系统正线的信号设备采用西门子公司ATC自动列车控制系统，主要包括SICAS微机连锁、LZB700列车自动防护，ATO列车自动驾驶等先进设备。车辆段采用国内领先的铁科研TYJL-II型微机连锁和6502机电电气集中连锁。西门子公司的ATC信号联锁设备主要由：SICAS微机连锁子系统、ATP（列车自动防护子系统

19、）、ATOA(列车自动驾驶子系统)、具备集中和本地操作能力的ATS（列车自动监督子系统）等组成；室外设备中采用了西门子的S700K型电动转辙机和技术成熟的国产ZD6-D型电动转辙机、FTGS（遥控音频无绝缘）轨道电路等先进的设备。2.4 车场线信号车辆段采用成熟的6502电气集中联锁（1号线）和铁科研TYJL-II型微机联锁（2号线），室外设备采用技术成熟的国产ZD6-D型电动转辙机、50HZ相敏轨道电路。联锁设备，用于保证站内行车和调车工作的安全和提高车站的通过能力。闭塞设备，用于保证列车在区间内运行的安全和提高区间的通过能力。在车站上，铺设有许多条线路，线路之间用道岔联结着。2.4.1 联

20、锁设备列车或机车车辆在车站内运行的经路，叫做进路。进路由道岔的开通方向决定。如果道岔开通方向不对，就有可能使两列列车由不同方向开到同一股道上去，或者开到事先已停留车辆的股道上去，从而会引起撞车事故。为了保障行车安全，进路要由信号机防护。道岔位置不对，或者进路上有车，防护着这条进路的信号机就不能开放；信号机不开放，就禁止列车开到进路里去，以保证列车运行的安全。控制上述的道岔、进路和信号并实现这三者之间的联锁的设备，叫做车站联锁设备，简称车站联锁。2.4.2 联锁设备的要求1、当开放某一进路时，必须先将进路上的所有道岔扳到正确位置后，防护这一进路的信号机才能开放。2、当防护某一进路的信号机开放以后

21、，这一进路上的全部道岔应被锁闭，不能再扳动。3、当某一进路的信号机开放以后，与之敌对进路（两条或两条以上的进路，有一部分相互重叠或交叉，有可能发生列车或机车车辆冲突的进路）的信号机应全部被关闭，不能开放。4、主体信号机开放前，预先信号机不能开放；在正线出站信号机开放前，进站信号机不能显示正线通过能力。值班员可以通过控制台上的各种按钮控制现场设备，并通过控制台上的站场表示盘，来监视现场设备的工作状态。图2.14 连锁设备2.5 电气集中把许多道岔、进路和信号，用电气化方法由一个地方集中控制和监督，并实现它们之间的联锁的设备，叫做电气集中联锁设备，简称电气集中。1、若用电磁继电器的继电电路实行控制

22、并实现联锁的设备，叫做继电式电气集中，有时简称继电集中；2、若用工控计算机取代电磁继电器的继电电路实行控制并实现联锁，只保留部分单元电路的设备叫做微机联锁电器集中，简称微机联锁。电气集中是提高车站通过能力的物质基础。6502电气集中就是继电式电气集中的一种，是我国自己设计的较先进的铁路信号设备之一，已在全路广泛采用。铁科研的TYJL-II型微机联锁是我国自己设计的目前较先进的铁路信号设备，已在全路和各大专用线广泛采用。2.6 故障安全电气集中是实现铁路现代化和自动化的基础设备之一，因此要求它必须更加安全可靠。设备发生故障时，也必须使其后果导向安全侧（例如信号机由绿灯导向黄灯，由黄灯导向红灯，进

23、路由解锁导向锁闭，均为导向安全侧），叫做故障-安全。2.6.1 故障安全原则是电气集中设计时必须遵守的重要原则之一。“故障安全”即为以下两点。1、在设备无故障时，能够精确无误地按预定要求工作。2、在发生故障时（故障是不可预期和不可避免的），不能产生会造成行车危险的结果，即所谓的“故障倒向安全”。结合以上两点即可得出，当发生故障危险时，不能导致行车危险和无故障时，必无误工作。即叫“故障一安全”。2.6.2 主要设备在信号楼或车辆值班员室集中控制信号机和道岔的联锁设备。·主要设备：继电器电动转辙机轨道电路控制台2.6.3 6502电气集中的组成6502电气集中分为室内设备和室外设备。信号

24、楼（或行车室）内设有控制台、区段人工解锁按钮盘、继电器组合及组合架、电源屏和分线盘；室外设有色灯信号机、电动转辙机、轨道电路和电缆线路。图2.15 6502电气集中的组成3 信号控制系统在城市轨道交通中的应用3.1 城市轨道交通中使用的信号系统一般称之为ATC系统，大多应用于80km/h以下的轨道交通工程中，ATC系统主要由ATP、ATO、训算机联锁以及ATS四个子系统构成，其中ATP/ATO制式主要有两种：第一，基于多信息移频轨道电路的固定闭塞，采用行阶式速度控制模式，属二十一世纪八十年代技术水平，其列车运行间隔一般能达到180秒。西屋公司、GRS公司分别用于北京地铁、上海地铁一号线的ATP

25、、ATO系统属于此种类型。第二，基于数字轨道电路的准移动闭塞，采用距离速度曲线控制模式的ATP/ATO系统，属于二十世纪九十年代技术水平，其列车运行间隔一般能达到90 -120秒。两门子公司在广州地铁一号线使用的LZB700M、usS公司存上海地铁一号线使用JAF-900以及我国香港地区机场快速线（最高速度达135km/h）使开的阿尔斯通公司SACEM (ATP/ATO)信号系统均属于此种类型。上述两种列车控制模式均为基于轨道电路的列车控制系统。基于轨道电路的速度-距离曲线控制模式的TP/ATO系统，采用“跳跃式”连续速度-距离曲线控制模式，“跳跃”方式按列车尾部依次出清各电气绝缘节时跳跃跟操

26、作人员解除已建进路。根据移动闭塞基本原理，线路上的前行列车经ATP车载设备将本车的实际位置，通过通讯系统传送给轨旁的移动闭塞处理器，并将此信处理成后续列车均运权限，传送给后续列车的ATP车载设备。后续列车与前行列车总是保持一个“安全距离”，设安全距离是介于后车目标停车点和确认的前车尾部之间的一个固定距离。在选择该距离时，已充分考虑了在一系列最坏情况下，列车仍能够安全地分隔开来。图4.1 移动闭塞基本原理图4.2 城轨列车行车信号的应用3.2 城市轨道交通移动闭塞信号系统的通信实现方式1、基于“通信”的移动闭塞信号系统车地通信的主要方式：(1)感应环方式；(2)波导方式；(3)无无线或无线扩频方

27、式；(4)漏缆方式。2、缩写释义ISMC-系统管理中心；IVCC -车辆控制中心；ISTC -车站控制器系统；IVOBC -车载控制器系统；ITOD -司机显示盘。3.3 信号控制方式及列车运行模式信号控制方式三级控制：中央控制(ATS)、降级控制(RTU)、现场控制(LOW)、列车运行模式（共5种模式）。ATO模式：列车自动驾驶模式。AR模式：列车自动折返模式(DTRO)。SM模式：ATP监督下的人工驾驶模式。RM模式：限速人工驾驶模式。URM模式：非限速人工驾驶模式。停车库内及东教站联络线（交接线）入口处调车信号机为红色、白色灯光显示，其他调车信号机为监色、白色灯光显示。红色、蓝色灯光表示

28、禁止越过，白色灯光表示允许调车。3.3.1 ATP列车自动保护系统1.ATP的含义ATP: Automatic Train Protection列车自动保护系统。2.ATP系统的组成ATP设备分为车载设备和轨旁设备。ATP车载设备由ATP车载单元、ATP天线和速度脉冲发生器等组成。ATP轨旁设备土耍包括：FTGS轨道电路、ATP定位环线fIIAT PG轨旁单元(LEB#i)和必要的通信线路。3.ATP系统功能ATP系统负责全部的列车运行保护。ATP系统主要完成以下功能：1保持列车追踪运行的安全间隔；2列车运行速度监控，防止列车超速运行；3实现安全连锁联锁；4安全区段和停车点的保护；5限速监控；

29、6列车无人驾驶折返的监控；7紧急制动；8运行方向的监督；9停车状态的监督3.3.2 ATO列车自动驾驶系统l.ATO的含义ATO, Automatic Train Operation列车自动驾驶系统。2.ATO系统的组成ATO设备分为车载设备和轨旁设备。ATO系统的车载设备由ATO车载单元、PTI车载设备、MMI人机接口等组成。ATO系统的轨旁设备主要札PTI多临转换轨旁币儿和环线组成。3.ATO系统功能ATO系统根据ATP系统提供的运行信息和ATS系统提供的运行调整命令，对列车运行进行自动、实时控制。ATO系统具体有以下功能：列车运行工况的选择。实现列车定点停车。车地通信。车门开闭控制。实现

30、无人驾驶折返。为列车自动广播系统提供信息；在中央ATS设备故障时与RTU及ATP系统地而设备配合实现自动排列进路。3.3.3 ATS列车自动监控系统1 ATS的含义ATS: Automatic Train Supervision列车自动监控系统。2 ATS系统的组成ATS系统设备有控制中心设备、车站设备和车辆段设备组成。3.ATS系统功能ATS系统存ATP、ATO系统的支持下完成对列车运行的自动监控。ATS系统的主要功能如下：时刻表编辑。列车运行监督及管理。列车自动调整。完成进路自动设置。控制列车自动运行。远程终端单元功能( RTU)。3.3.4 SICAS微机联锁系统1、SICAS的含义SI

31、CAS, SIEMENS Computer Aided两门子计算机辅助信号系统2、SICAS的够成SICAS联锁系统由SICAS联锁计算机、STEKOP计算机、DSTT现场接口模块和LOW工作站组成。3、SICAS功能保证列车运行安全SICAS连锁计算机：实现连锁功能。STEKOP接口计算机：接口处理。DSTT接口模块：驱动道岔和信号机现场设备并采集信息。LOW工作站：Local Operator Workstation区域操作员工作站，控制和监督倒茶、信号机和进路。总 结本论文主要针对城轨列车行车信号分析进行论述。在系统构成和主要的技术方案确定以后,信号系统虽已基本定型,但要真正全面地设计出一个良好的系统,还有许多细节需要考虑。城市轨道交通信号系统