列车运行控制02

城市轨道交通专用通信设各维护课程列车运行控制

原理与技术应用国外高速列车运行控制系统1列车运行控制系统原理2列车运行控制系统技术应用3主要内容２.１列车运行系统概述２.２列控系统基本原理２.２.１列控系统的构成２.２.２列控系统信息传递２.２.３速度监督原理２.２.４测速方法列车运行控制系统原理高速铁路采用列控系统的必要性随着列车速度的提高，为了保证行车安全，高速铁路必须以机车信号作为行车的凭证，司机可以正确的识别信号，正确地理解信号，然后还要及时正确地执行。列控系统的现状目前投入使用的列控系统主要包括有：TVM430和TVM300、日本铁路ATC和数字ATC、德国LZB80、欧洲ETCS等系统设备。控制系统的重要性与发展方向列车的开环控制变为闭环控制、实现了以车载设备为主的行车方式、通信信号一体化是现代铁路的重要发展趋势、故障安全作为最重要的技术条件。列车运行控制系统原理２.１列车运行系统概述列控系统设备构成示意图列车运行控制系统原理２.２.１列控系统的构成列控系统通常是由地面控制中心或无线闭塞中心、轨道电路、地面点式信号设备、车地传输设备和车载速度控制设备构成，用于控制列车运行速度保证行车安全和提高运输能力的控制系统地面设备功能：１、检测列车的位置２、根据前行列车的位置和进路的情况确定列车的限制速度３、向列车传递限制速度信息、线路信息车载设备功能：１、接收限制速度信息并显示２、对列车运行的速度进行监督，超过限制速度自动减速，以保证列车在限速点前速度降到限速值下列车运行控制系统原理地面控制中心：是列车运行控制系统的核心，列控中心根据列车的运行位置，前后列车之间的运行间隔距离产生列控系统所需要的地面信息，包括列车的目标速度、列车到目标点的距离、线路的坡度和系列的准许速度等地面信息传输通道根据列控中心的信息进行编码，并通过地面传输通道发送给机车上的车载设备。列控车载设备：它接收点式、轨道或无线传输的信息，根据预先输入的列车参数（总重量、制动力、换长）实时计算列车当前运行允许速度，生成速度控制曲线，在司机显示器显示，列控车载设备实时检测列车当前运行速度并在司机室显示器显示，司机根据显示器上的目标速度、目标距离、允许速度和实际速度控制列车运行。当列车的实际速度超过允许速度，列控车载设备自动控制制动装置，列车制动减速，保证列车在停车点前停车或者在限速点前速度降到限速值以下。列车运行控制系统原理列控系统车地间传输媒介主要包括：轨道电路无线传输点式设备

列车运行控制系统原理２.２.２列控系统信息传递方式点式设备主要包括点式应答器和点式环线两种在欧洲ETCS1级标准中利用点式设备提供全部空车信息，在欧洲ETCS2级标准中主要提供列控系统的辅助信息，如里程标、线路数据、切换点等。在CTCS2、CTCS3标准中，由应答器向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速信息等。点式传递方式是在地面某些固定点，如闭塞分界点处，从地面向车上传递信息，这种制式传递信息的量很大。缺点：机车只有通过地面应答器点处才能得到列车运行前方的信息，这一信息将一直保持到下一个地面点。后续列车接收到的地面信息不能随着前行列车的位置及时改变。列车运行控制系统原理点式应答器

应答器的地面设备包括：无源应答器、有源应答器和地面电子单元LEU。结构如下：列车运行控制系统原理点式应答器无源应答器：它不与任何设备相连，所存放的数据往往是预先固定的。通常向列控车载设备提供的信息包括线路速度、坡度、轨道电路参数、信号点类型等。有源应答器：它通过与LEU的连接，即可以发送实时变化的信息，也可发送固定的信息，这些信息包括：进站和出站口的临时限速，进路坡度、轨道电路参数、信号点类型等。信心传输的过程：应答器内部寄存器按照协议以数码形式存放实现列车速度监控及其他行车功能必要的数据。当列车驶过地面应答器，且车载应答器天线与地面应答器对准时，车载应答器首先应以一定的频率，通过电磁感应方式将能量传递给地面应答器，地面应答器的内部电路在接受到来自车上的能量（27.095Hz）后即开始工作，将所存储的数据以某种调制方式（移频键控FSK）仍通过电磁感应传至车山。列车运行控制系统原理点式接收器为连续式机车信号的辅助设备，其用途：

1、为连续式机车信号的自动接通及接收上、下行载频的自动转换；

2、连续式机车信号的自动切换；

3、设置限速点；

4、设置绝缘停车点。结构如下：

列车运行控制系统原理点式环线轨道电路列控系统信息基于轨道电路传输是传统方式。CTCS2标准、U/T系统、日本ATC系统等均采用轨道线路。利用轨道电路，通过机车上安装传感器可以连续地接收到地面传递的信息，接收的信息可以随前行列车位置的变化而变化。连续式列车运行控制系统的工作原理：由轨道电路或轨间环线向车载设备连续传递限速信息，车载连续信息接收模块接收该信息并解调传递给安全计算机；同时安全计算机根据测速测距提供的列车实际运行速度信息和定位信息，生成制动模式曲线，来监督列车的运行。根据地对车提供的信息不同和车载设备的不同工作模式，列控系统对列车运行速度的控制模式又可分为速度模式和目标距离速度控制模式。列车运行控制系统原理轨道电路分类模拟轨道电路ZPW-2000A（UM）车载设备中的轨道电路信息接收模块用于接收轨道电路信息，采用冗余结构，STM具有同时接收不同载频的功能，可根据应答器信息或司机操作锁定上下行或单载频。STM将接收的载频、解调后的信息发送给安全计算机（VC）。数字编码轨道电路目前国内使用的数字编码轨道电路有法国的UM2000，城市轨道交通中还采用了联合道岔和信号公司（USS）的AF900/902/904数字编码轨道电路和西门子公司的FTGS（数字频率轨道电路）。列车运行控制系统原理AF902/904系统由轨旁设备和信号设备室内的处理设备构成。轨旁设备由轨道耦合单元、导接线和轨道一线构成，室外的处理设备构成如图所示：列车运行控制系统原理AF902/904数字编码轨道电路室内的处理设备构成如下图所示：列车运行控制系统原理系统工作原理：系统工作AF902/904轨道耦合单元将轨道信号和组匣上的发送和接收单元连接起来。并提供了轨道电路载频的调谐功能。耦合单元内部包括两个完全独立和隔离的耦合电路，每一个电路包括自己的变压器和跳线可调的电容组，用于实现和轨道一线相匹配的频率调谐。当一列车分路了轨道电路，轨面传送的信号被阻断了。这个状态通过AF902/904区段报告给相应的联锁MICORLOLII系统。当该列车同时又进入相邻轨道电路，则两段电路均被视为占用。当列车出清轨道电路区段时，接收的信号门限被恢复，AF902/904系统会做出相应的反应。车载ATP设备通过感应器接收和解码该数据帧，完成列车控制功能。与轨道逻辑处理器（轨道MICROLOKII）的接口是一个双向的串行数据链路，与列车之间的通信接口是一个单向的链路，只有列车接收的功能。列车运行控制系统原理列车的车载ATC系统会适时将车载的滤波器转换到正确的频率范围上，从而实现列车只接收正确载频的数据帧一量接收到下一轨道电路区段载频的通知，相应的滤波器被以电路选择方式实现以准备好对即将进入区段的采用预定8种载频之一进行调制的安全数据帧的接收和译码。正线轨道电路的布置如图所示，轨道电路机车信号载频应用中显示的两套分别由三种载频循环使用的规则。列车运行控制系统原理FTGS是遥供音频无绝缘轨道电路（F-远程供电、G－轨道电路、T－音频、S－西门子公司）以电气绝缘节为界划分区段，采用FSK－移频键控调制模式。FTGS按以下顺序进行空闲检测：

a、幅值计算，检测接收回来的电压

b、调制检测，检测接收回来的电压的中心频率是否正确

c、编码检测，检测接收回来的电压所带的位模式是否正确。列车运行控制系统原理FTGS数字频率轨道电路结构如下（下一页ＰＰＴ上）轨旁盒：是连接电气与室内设备的中间设备，是轨道电路室外的发送、接收设备。每个轨旁盒有一根电缆与室内设备连接，有四根电缆与电气节相连，另有一个地线。轨旁盒一般可以分为左右两部分，对称结构布置。每部分都由一个调谐单元（S棒和调整短路棒使用的调谐单元型号不同）和一个转换单元组合成；一部分作为一个区段的发送端时，则另一部分作为相邻一个区段的接收端。每一部分的调谐单元接电气节，转换单元接室内设备。列车运行控制系统原理FTGS标准型轨道电路结构及工作原理方向转换板：标准区段和道岔区段，由LZB根据进路的方向直接控制方向转换板上的继电器来转换方向；中间馈电式区段LZB提供进路的方向信息给中间馈电转换板，再由中间馈电转换板根据区段占用情况和进路方向，控制方向转换方向，实现发送端电缆与接收端电缆之间的转换，使轨道电路的发送方向始终迎着列车的运行方向。在板上可以调整个方向各接收端的接收电压。列车运行控制系统原理放大滤波板：

放大滤波板把发生器发来的调制音频电压提升到所需要的电平，并通过带通滤波器送到轨道馈入点，每种频率都有自己专用的放大滤波板。放大滤波板上的放大器设计为带变压器退耦的推挽放大器，由发送板的输出信号（方波）驱动，输出经放大后的信号（方波）。方波被馈送到发送滤波器，变成正弦波经电缆匹配电阻输送到方向转换板。列车运行控制系统原理发送滤波器输入的信息：

FSK信号：由发送板送入，经调制的FSK方波信号。发送滤波器输出的信息：

FSK正弦波信号：经过电桥，送入方向转换板，此信号是已经放大和滤去高次谐波的相应频率的正弦波。列车运行控制系统原理发送板：发送板由一个带调制器的石英晶体振荡器（晶振，频率为16.336MHz）组成，通过一个可变频的数字分频产生9.5kHz到16.5kHz音频电压。发送板上另一个插塞-位模式插塞，与另一个存储芯片相连，提取出位模式编码的“并行”编码，然后转为“串行”编码，用此串行位模式编码对轨道电路音频电压进行调制，产生移频键控信号“FSK“，并送至广大滤波板输入端。在串行位模式编码进行调制前要经过一个选择开关，此开关是由报文转换板控制，当轨道“空闲”时，开关接通位模式编码，向广大滤波板输出调制后位模式；当轨道“占用”时，由报文转换板提供一个触发脉冲，转换器截止了位模式的输出，切换为输出ATP报文。ATP报文同样会对轨道电路音频电压进行频率调制，再输出。列车运行控制系统原理接收1板

接收1板用来检测轨道电路频率及电压幅值，把从轨道上接收回来的信号分为两个通道，分别进行频率及电压幅值的检测。在轨道空闲时送一个14.8V控制电压给接收2板，同时把经广大和调频的振荡信号送给解调器；当轨道占用时送一个“占用”信息给报文转换板。该板对应于每一个运行方向以及轨道电路的长度和电气节的类型设定了响应值，使得对应每一个频率有相应的接收1板。列车运行控制系统原理接收2板

接收2板设计为双通道，它将接收1板的输出信号，发送板的时钟信号和解调板进行位模式检查后产生的TTL电平进行动态“与”运算，并提供稳定的电压驱动输出到继电器板。同时有时钟脉冲放大器放大脉冲信号提供给与门进行运算。解调板

解调板设计为双通道，用于检测接收到音频信号的频率及解调出位模式编码。它由接收1板靶，当轨道电路被占用时，解调器的驱动被切断；当轨道空闲时，解调板将接收到的位模式与内部参考位模式（由代码插件决定）进行比较，一致时，输出低电平给接收2板。列车运行控制系统原理继电器板继电器板为双通道，每个通道有一个K50型缓吸缓放继电器，两通道是一样的，联锁实时检查开关状态，两组继电器的开关状态需要一致。观察上继电器接点的或落下，可判断相应轨道电路牌空闲或占用状态。它发送“轨道占用”或“空闲”信号到联锁，根据具体的项目发送给LZB。报文转换板报文转换板完成FTGS的位模式和ATP报文之间的转换，列车占用轨道区段时，发送ATP报文，并使发送方向迎着列车方向；由于LZB系统要利用FTGS轨道电路发送ATP报文给列车，在有列车占用轨道区段时，FTGS的拉模式无效，同时，ATP报文被激活；发送板执行一个报文转换信号进行开关切换，再通过一个光耦合器，ATP报文就从报文转换板传送到发送板。列车运行控制系统原理无线传输的方式可以分为一下两类：基于ＣＢＴＣ的列控系统、基于ＧＳＭ－Ｒ的列控系统基于ＣＢＴＣ的列控系统结构框图如下：

列车运行控制系统原理无线传输列车运行控制系统原理GSM－R移动通信原理GSM－R网的原理结构：基站子系统BSS：主要负责与一定覆盖区域内的移动台MS进行通信网络子系统NSS：负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接基于ＧＳＭ－Ｒ的列控系统构成框图采用GSM-R无线传输信息的优点：

1.在各种列车混跑的区间，由于轨道电路信息量的局限，无法向列车传递轨道电路长度信息，因此，由轨道电路限定的闭塞分区设计成固定长度，从而根据两列列车相隔几个闭塞分区获得列车间的距离。而GSM-R的信息量大，足以传送前方列车的距离信息，可以构成随列车速度、线路参数改变的优化列车间隔。

2.在使用轨道电路时，闭塞分区的长度与该区段列车的最大运行速度有关。随着列车运行速度的提高或制动性能的改善，固定长度的闭塞分区限制了运输能力的过一步提高，对于无线控制系统来说，列车速度提高或制动性能的改善，对应的仅是程序参数的改变，系统发展、完善十分简单。

3.无线列车运行自动控制系统由于无固定的闭塞分区长度，所以对于任何类型的列车都可以提高运行速度。

4.GSM-R的应用可以取消地面固定信号机及轨道电路，可以节省大量的安装、维护费用。列车运行控制系统原理基于ＧＳＭ－Ｒ的列控系统影响列车运行的因素:列车牵引力、列车阻力、列车制动力列车牵引力：是使列车产生前进运行，并可以司机根据需要来控制的外力。它是由机车产生，领先机车动轮与钢轨的黏着作用在机车动轮踏面上的外力。

列车阻力：在列车运行中产生的、始终存在的、与列车运行方向相反、阻止列车运行且不能被操纵的外力叫列车运行阻力，简称列车阻力，以字母W表示。作用在机车和车辆上的阻力，分别叫做机车和车辆阻力。列车运行控制系统原理２.２.３速度监控原理制动力的形成：列车制动力和牵引力形成的基本原理是相同的都是领先轮轨间的黏着作用。形成牵引力时有由动力装置作用于轮对的力矩M，该力矩通过钢轨与动轮的静摩擦力产生向前的推进力F，与列车运行方向相同。形成制动力时，轮对作用于动轮的静摩擦力B，其与列车运行方向相反。牵引力、制动力的形成如图所示。列车运行控制系统原理列车制动力制动力：是人为施加的、根据需要大小可调节的、与列车运行方向相反的列车阻力。列车制动的目的是调节列车速度或使列车停车。列车制动作用方式可可分为常用制动和紧急制动两种。由于牵引力F、列车运行阻力W、列车制动力B都是随着列车运行速度而变化的，故其合力C也随速度而变。列车的运行速度决定于合力的大小和方向。 当C>0时，即合力作用方向与列车运行方向相同，列车加速运行； 当C<0时，即合力作用方向与列车运行方向相反，列车减速速运行； 当C=0时，列车匀速运行。列车运行控制系统原理制动距离：是指从司机施行制动时起到预定速度为止列车所运行的距离。制动有效距离是从制动初速度Ｖ０到末速度Ｖｍ所行驶的距离，这时列车作非匀减速运动，将制动过程中的速度变化范围（Ｖ０～Ｖｍ）分成若干速度间隔，按列车运行方程式求出各速度间隔列车列车行驶的距离，则各速度间隔行驶距离的总和，即为列车制动有效距离Ｓｅ，则有：

(m)式中，

——速度间隔的初速和末速，km/h；

——换算摩擦系数

——列车换算制动率

——常用制动系数，紧急制动时列车运行控制系统原理列车制动距离的计算分级速度控制：以一个闭塞分区为单位，根据列车运行的速度分级，在一个闭塞分区内只控制一个速度等级并且只按照一种速度判断列车超速，对列车进行速度控制。它可以分为两大类：阶梯式分级速度控制和曲线式分级速度控制。列车运行控制系统原理速度监控的基本原理阶梯式分级速度控制之超前速度控制：列车运行控制系统原理阶梯式分级速度控制它是根据列车运行的速度等级分级，每一个闭塞分区给出一段速度控制曲线，对列车运行进行速度控制。如下图所示：列车运行控制系统原理曲线式分级速度控制目标距离模式曲线：是根据目标速度、线路参数、列车参数、制动性能等确定的反映列车允许速度与目标距离间关系的曲线。目标距离模式曲线反映了列车在各个位置的允许速度值。列控车载设备根据目标距离模式曲线实时给出列车当前的允许速度、当列车实际速度超过当前允许速度时，自动实施常用制动或紧急制动，确保列车在停车点前停车。列车运行控制系统原理目标距离模式曲线制动模式曲线的计算基于以下三个方面的数据：

列车的制动性能参数：由车辆供应商以制动减速度的方式提供，制动减速度数据至少包含紧急制动减速度参数和最大常用制动减速度参数。

线路坡度数据：线路坡度数据来自地面应答器的数据信息包[ETCS-21]。

LMA的位置和限速信息：LMA的位置和限速的起点确定了制动模式曲线的主要部分，制动模式曲线从LMA前一定距离开始到降速起点（起模点）之间，根据列车制动性能进行计算。在此之外的制动模式曲线根据目标速度和顶棚速度确定。LMA的位置通过轨道电路信息推算，并与从应答器接收的线路信息结合形成。限速信息来自于应答器数据。列车运行控制系统原理速度距离曲线的计算方法：

制动模式曲线的计算从LMA之前一定距离（保护距离）开始，至少直到列车的当前位置由CSM区和TSM区两部分组成。制动模式曲线的GSM区根据列车制动性能进行计算；制动模式曲线的CSM区根据目标速度和顶棚速度确定。模式曲线的计算应在车辆额定减速度的基础上，考虑制动性能下降时的最不利减速度，至少从列车当前位置开始，逐点计算LMA前一定距离（保护距离）处的制动曲线。减速度的取值应考虑不同速度、不同坡度对减速度的影响。同时，在模式曲线的计算过程中应该考虑制动空走时间的影响。列车运行控制系统原理制动模式曲线计算：前方目标点为停车点时，当通过轨道电路信息并结合应答器给定的的描述取得前方停车点信息后，列控车载设备产生紧急制动模式曲线和常用制动模式曲线。对紧急制动产生以距离轨道电路末端L1m处为终点的制动模式，对常用制动产生以距离轨道电路末端L2m处为终点的制动模式。列车运行控制系统原理前方目标点为限速点时，应答器上传静态限速或限速的位置和限速值，列控车载设备产生到指定限速起点前一定距离的制动模式曲线，计算模式曲线也应考虑坡度，如下图所示（静态限速度模式曲线）：列车运行控制系统原理常用的测速方法有：测速发电机、脉冲式速度传感器（路程脉冲传感器和光电式传感器）、雷达测速测速发电机:它安装在车轮外侧，发电机所产生交流电压的频率与列车速度成正比，然后经过频率—电压的变换，把列车实际运行速度转换为电压。按一下这个公式计算：ｆ－测速发电机产生的频率ＨｚＶ－列车速度km/h

Z－发电机的此轮Ｄ－车轮直径mn

列车运行控制系统原理２.２.４测速方法它的基本原理：是对车轮旋转计数，因此需在轴承上安装信号发生器。车轮每转一周，发生器输出一定数量的脉冲方波信号，对发生器输出信号计数，测出脉冲或方波的频率即可得出列车运行速度。设机车轮径为D，脉冲速度传感器车轮每转一圈的脉冲数为N，测出的传感器输出脉冲频率为f，则列车实时运行速度为:

V=3.14*D*f*3.6/N（km/h）

列车运行控制系统原理脉动式速度传感器列车运行控制系统原理霍尔脉冲速度传感器由铝盘和霍尔传感器探头组成。铝盘外缘有规则粘接了若干磁钢片，铝盘安装在机车动轮轴头的顶端。根据采用的霍尔元件不同，一个探头可以输出一吃点从路