1、1现代铁路信号控制系统学习资料铁路通信信号系统是铁路运输的基础设施，是实现铁路统一指挥调度，保证列车运行安全、提高运输效率和质量的关键技术设备，也是铁路信息化技术的重要技术领域。现代信息类技术的迅速发展。对铁路信号、通信产品和服务产生了重要影响。铁路通信和信号技术，以及现代铁路信息化系统之间的关系和作用变得密不可分。车站、区间和列车控制的一体化，铁路通信信号技术的相互融合，以及行车调度指挥自动化等技术，冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念，推动了铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。在列车运行控制技术方面，计算机、通信、控制技术与信号技术集成为一个自动
2、化水平很高的列车运行自动控制系统（简称列控系统） 。列控系统不仅在行车安全方面提供了根本保障，而且在行车自动化控制、运营效率的提高及管理自动化等方面，提供了完善的功能，并向着运输综合自动化的方向发展。列控系统技术是现代化铁路的重要标志之一。随着列车速度的提高，列车的运行安全除了以进路保证外，还必须以专用的安全设备，监督、强迫列车(司机)执行。这些安全设备从初级的列车自动停车装置、自动告警装置、列车速度自动监督系统(或列车速度自动检查装置)发展到列车速度自动控制系统。列车自动控制系统(ATC)般指系统设备（包括地面设备和车载设备） ，同时也是一种闭塞方式，主要包括：1以调度集中系统 CTC 为核
3、心，综合集成为调度指挥控制中心。2以车站计算机联锁系统为核心，综合集成为车站控制中心。3以列车速度防护与控制为核心，综合集成为列车（车载）运行控制系统。4、以移动通信（例如 GSM-R）平台，构建通信信号一体化的总成系统（例如 CTCS） 。列车自动控制系统(ATC)的主要功能有四项：检查列车在线路上的位置(列车检测)。形成速度信号(调整列车间隔)。向列车发送速度信号或目标距离信号(信号传输)。按速度或目标距离信号控制列车制动(制动控制)。上述一至三项功能由地面没备完成，第四项功能由车载设备完成。本章主要内容为 200km/h 动车组司机驾驶所需要的列控 ATP 技术和 GSM-R 系统中的无
4、线列调功能。第一节 列控 ATP 系统技术原理一 列控 ATP 系统的组成与功能2列控 ATP 是列车超速防护和机车信号系统的一体化系统，列控 ATP 系统主要由车载设备及地面设备两大部分组成，地面设备与车载设备一起才能完成列车运行控制的功能。图 1.1.1 是列车运行控制系统地面设备原理框图。图 1.1.1 列车运行控制系统地面设备原理框图地面控制中心通过电缆与铁路线上的轨道电路、信号机、应答器等设备相连。主要完成列车位置检测、形成速度信号及目的距离等信号，并将此信号传递给列车，车载设备将按照速度信号控制列车制动。列控 ATP 系统车载设备原理框图见图 1.1.2。图 1.1.2 列控系统车
5、载设备原理框图车载设备主要由天线、信号接收单元、制动控制单元、司机显示器、速度传感器等组成。机车头部的天线接收到地面的速度命令及目的距离等信号，经过信号接收单元放大、滤波、解调后，将此命令的数据送到司机显示器和制动控制单元。制动控制单元收到速度传感器传送的信号，测量出列车的实际速度，将实际速度与信号命令比较，如果判断列车需要制动，则产生制动信号，直接控制列车制动系统。列车就会自动减速或停车。列控 ATP 系统主要功能是：1防止列车冒进关闭的信号机； 2防止列车错误出发；3防止列车退行；34防止列车超速通过道岔；5防止列车超过线路允许的最大速度；6监督列车通过临时限速区段；7在出入库无信号区段限
6、制列车速度。为保证列车运行控制系统不间断地工作和加强设备的维修与管理，在列车运行控制系统的地面和车上都安装有监视设备。地面监视系统可以检测信号机、轨道电路、地面控制中心的接收和发送设备等。检测结果可以在维修工区显示及储存，也可以通过通信网送往维修基地和调度中心。设备异常前数小时内信号设备动作情况可以保存下来，供故障分析用。车上监视设备可以将列车运行过程中速度信号、制动装置动作以及列车实际速度和司机操作等状态保存下来。一般可保存 1272 h 有关运行安全的资料。二列控 ATP 系统技术原理国外铁路采用的列控系统主要有：日本新干线 ATC 系统，法国 TGV 铁路和韩国高速铁路的 TVM300
7、及 TVM430 系统，德国及西班牙铁路采用的 LZB 系统，及瑞典铁路的 EBICA900 系统等。各国的列车自动控制系统都具有自己的特点，有不同的技术条件和适应范围。1列控 ATP 系统技术的分类（1）按照地面向机车传送信号的连续性来分类，分为两种类型：连续式列控系统，如：德国 LZB 系统、法国 TVM 系统、日本数字 ATC 系统。连续式列控系统的车载设备可连续接收到地面列控设备的车-地通信信息，是列控技术应用及发展的主流。采用连续式列车速度控制的日本新干线列车追踪间隔为 5 min，法国 TGV 北部线区间能力甚至达到 3 min。连续式列控系统可细分为阶梯速度控制方式和曲线速度控制
8、方式。点式列控系统，如：瑞典 EBICAB 系统。点式列控系统接收地面信息不连续，但对列车运行与司机操纵的监督并不间断，因此也有很好的安全防护效能。（2）按照列车速度防护方式，分为两种类型：阶梯控制方式出口速度检查方式，如：法国 TVM300 系统入口速度检查方式，如： 日本新干线传统 ATC 系统曲线控制方式4分级曲线模式，如：法国 TVM430 系统、速度-距离模式，如：德国 LZB 系统，日本新干线数字 ATC 系统（3）按照人机关系来分类，分为两种类型：设备优先控制的方式。如：日本新干线 ATC 系统。司机优先控制方式，如：法国 TVM300430 系统、德国 LZB 系统2阶梯控制方
9、式技术原理每个闭塞分区设计为一个目标速度。在一个闭塞分区中无论列车在何处都只按照固定的速度判定列车是否超速。阶梯控制方式可不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号，即可实现阶梯控制方式。因此轨道信息量较少，设备相对比较简单，这种传统的控制方式是目前高速铁路最普遍采用的控制方式。阶梯控制又分为出口速度检查和人口速度检查两种方式。（1）出口速度检查控制方式法国 TGV300 系统采用了这种方式，该方式要求列车在闭塞分区内将列车速度降低到目标速度，设备在闭塞分区出口进行检查。如果列车实际速度未达到目标速度以下则设备自动进行制动。阶梯控制出口速度检查方式示意图见图 1-1-3。图
10、 1-1-3 阶梯控制出口速度检查方式示意图TVM300 系统是其早期产品，系统构成简单，由于受当时技术条件限制，地对车信息传输容量仅有 18 个，因此它的速度监控是阶梯式的(见图 4 1)，它只检查列车进入轨道区段的人口速度，不检查出口速度，因此为保证安全，它需要有一个保护区段，这对线路的通过能力有一定的影响，同时这种阶梯监控分段制动的方式也不符合一般列车的连续制动模式。TVM300 系统的速度监督模式曲线如图 7-1-4 所示。5图 1-1-4 法国 TVM300 系统阶梯控制出口速度检查方式示意图TVM300 车载设备系统结构如图 1-1-5 所示。图 1-1-5 TVM300 车载设备
11、系统框图TVM300 车载设备主要包括连续式信号传感器及接收机、点式信息传感器及接收机、速度传感器及处理单元及速度显示器、音响报警器、制动阀转换开关、辅助表示灯等。连续式机车信号接收机接收地面连续信息，通过处理给出目标速度和监督速度，同时把来自测速单元的列车实际速度和监督速度进行比较，如果列车实际速度超过监督速度，则控制列车实施制动。连续式机车信号是车载设备的核心，采用了主备方式的双重结构。连续式机车信号的接收其主备两套设备完全相同，从感应器、接收机到显示器都是分开的，两套同时工作接收地面信息。两套设备正常工作时，主备两机的速度控制继电器以并联方式控制制动继电器使之得电，主显示器和主机接通工作
12、，各显示器备机电路断开备用，报警电路只接入主机，当主机或备机发生故障时，不会导致制动继电器失电而自动停车。但这种概率很小，当主机发生故障时，通过自动转换电路，把备显示器接人备机，报警电路也由主机转到备机；如果备机故障，主机原来的工作状态，主备机均有故障报警；仅主显示器故障时，自动转换电路还在工作，由司机用转换开关手动接通辅助显示器。测速设备由测速电机和测速单元组成，只采用一个测速电机，但是测速单元为两路，只6选择一路输出至机车信号接收器。设有两路检查工作情况的电路，如果测速电路故障，两路速度相差很大，则发出灯光报警，司机通过开关选择速度较高一路作为安全输出。法国 TGV 地面信号传输设备为 U
13、M71(或 UM2000)型轨道电路。地面不设信号机，只在闭塞分区分界点处设停车标。司机驾驶列车完全根据机车信号的速度显示，视机车信号为主体信号。TVM300 每一个闭塞分区内只按照一个允许速度进行控制。列车的允许速度为本区段的人口速度，即上一区段的目标速度。机车信号显示器给出的是目标速度，要求列车在区段的出口处必须保持或降低到此速度。如果司机按照机车显示给出的目标速度运行，速度监督设备不于预司机操作。当列车速度超过规定的允许速度时，速度监督设备则自动实施制动。TVM300 型设备包括连续式机车信号、点式信息接收设备以及列车速度监督设备。速度监督设备分为两部分，一部分是测速单元，另一部分为列车
14、制动控制电路。TVM300 型车上设备与 UM71 轨道电路、地面点式环线系统构成完整的列车运行间隔调整系统，对高速列车运行进行安全防护。地面发送设备具有 18 个低频信号(TBF)。法国 TGV 实际只使用了 14 个TBF 信号。此外地面还配有环线点式发送设备，具有 14 个单频信号，向机车传递“列车进入上行线” 、 “列车进入下行线” 、 “绝对停车” 、 “驶出 TVM300 控制区段”等信息。为发挥乘务员责任感及驾驶技巧，法国铁路采用了人控为主，设备起监督作用的控制方式。出口速度检查方式由于要在列车到达停车信号处(目标速度为零)才检查列车速度是否为零，如果列车速度不是零，设备才进行制
15、动。由于制动后列车要走行一段距离才能停车，因此停车信号后方要有一段安全防护区。（2）入口速度检查控制方式日本新干线传统 ATC 系统采用这种方式，新干线采用速度分级，人口制动，自动缓解的控制方式。该方式要求列车在闭塞分区人口处接收到目标速度信号后立即以此速度进行检查，一旦列车超速，则进行制动使列车速度降低到目标速度以下。新干线 ATC 列车检测采用了有绝缘音频轨道电路。新干线 ATC 车载设备与我国普通机车信号不同，它不向司机预告前方地面信号的灯光显示而是给出列车所在区间列车的目标速度。采用 ATC 设备后，司机按照机车上的 ATC 速度信号行车，普通自动闭塞采用的地面信机就不设了。列车经过的
16、正线、到发线、咽喉区都发送相应的速度信号。司机按照机车上的速度信号进出车站。阶梯控制入口速度检查方式示意图见图 1-1-6。7图 1-1-6 日本新干线传统 ATC 系统阶梯控制入口速度检查方式原理示意图列车的允许速度为本区段的人口速度，即上一区段的目标速度。机车信号显示器给出的是目标速度，要求列车在区段的出口处必须保持或降低到此速度。如果司机按照机车显示给出的目标速度运行，速度监督设备不于预司机操作。当列车速度超过规定的允许速度时，速度监督设备则自动实施制动。日本新干线传统 ATC 系统阶梯控制入口速度检查方式原理示意图见图 1-1-7 （a）新干线区间速度控制方式 （b）新干线进站停车速度
17、控制方式图 1-1-7 日本新干线传统 ATC 系统阶梯控制入口速度检查方式原理示意图这种方式在遇上前方停车信号时，列车在闭塞分区人口处立即制动，对许多列车来说会过早地停车，为防止列车冒进信号，ATC 系统除靠轨道电路连续传送速度信号外还设有一些辅助信号，日本新干线采用了停车信号前再装 P 点的方式，轨道电路发送 30 信号，只在列车收到 30 信号且又经过 P 点时车上才会形成停车信号。当轨道电路发送 30 信号时，经过 P 点后变为 01停车信号。在车站到发线停止标志和警冲标之间设有环线可以发送 03 停车信号，列车收到03 信号后非常制动。在新干线 03 区段内又加装了点式冒进检测装置，
18、当列车冒进后关闭全站信号，轨道电路发送 02E 信号使列车制动以防止发生侧面冲突重大事故。分级速度制动方式存在以下主要问题：制动距离的确定。由于线路上运行的8各种列车制动性能各异，为了确保安全，系统只能按制动性能最差的列车性能来确定制动距离，这对于制动性能好的列车来说是个损失，影响进步提高运行密度。ATP 制动控制只进行制动和缓解两种操作，不调整制动力大小，因此列车减速度变化大，旅行舒适度差。采用多段制动方式时，每个闭塞分区都要考虑列车从人口速度降低到出口速度减速制动距离，列车实际的减速过程要包括列车在信号设备动作时间及制动空走时间中走行的距离，此外还要在防护点之前留有一定安全距离。如果列车从
19、 200 kmh 分三段降到速度 0，则存在 3 个空走距离和 3 个安全距离。如果只用一次制动的话，则只需要一个空走距离和一个安全距离。分段制动方式增加了列车追踪间隔。分段制动方式和一次制动方式示意图见图 1-1-8图 1-1-8 分段制动方式和一次制动方式式示意图3曲线控制方式（1）分级曲线控制方式法国 TVM430 系统采用了这种方式，该方式要求每个闭塞分区人口速度(上一个闭塞分区的目标速度)和出口速度(本闭塞分区目标速度)用曲线连接起来，形成一段连续的控制曲线，曲线控制方式和阶梯控制方式一样，每一个闭塞分区只给定一个目标速度。控制曲线把闭塞分区允许速度的变化连续起来。地面设备传送给车载
20、设备的信息是下一个闭塞分区的速度、距离和线路条件数据，没有提供至目标点的全部数据，所以系统生成的数据是分级连续制动模式曲线(即以分级小曲线的变换点连成的准一次制动模式曲线)。TVM430 是 TVM300 的换代产品，地面采用 UM2000 型轨道电路TVM430 每一个闭塞分区给定一个目标速度，但用曲线代替原来的阶梯控制线。列车速度超过限速曲线时，列控设备实施制动。为防止冒进信号发生追尾,仍设有保护区段。TVM430 的允许速度不是固定为该区段的人口速度(上一区段的出口速度)，而是随着列车的移动而变化，在出口处达到目标速度。因此超速制动的时机要早一些，有利于缩短列车追踪间隔。此外，TVM43
21、0 还增加了下一个闭塞分9区的速度预告，如果下一个闭塞分区要求减速则速度显示闪动，提醒司机注意。如果速度显示稳定则表示下一个闭塞分区不减速。法国 TVM430 速度曲线控制方式见图 1-1-9 中曲线。图 1-1-9 法国 TVM430 曲线控制方式示意图在曲线控制方式下，列车在一个闭塞分区中运行时,列控设备判定列车超速的目标速度不再是一个常数，而是随着列车行驶不断变化，即是距离的函数。因此列控设备除了需要接收目标速度信息外，还要接收到闭塞分区长度及换算坡度的信息。TVM430 系统的轨道电路可以传递 27 bit 信息，其中目标速度信息 6bit，距离信息 8bit，坡度信息 4bit。法国
22、 TGV 区段允许双线双方向运行，反向运行按单线自动闭塞方式处理。TGV 区段每隔2530 km 设有区间渡线，用于特殊情况下组织反方向运行。图 1-1-10 是渡线道岔反位时允许列车以低于 160 kmh 的速度进入邻线的速度控制方式。渡线区前方设绝对停车标和绝对停车的点式环线。列车通过渡线后，如果前方区间空闲则列车可以提高速度运行。图 1-1-10 列车越渡线时的列车控制法国 TGV 线与普通线连接处设有地面信号机和 TGV 标志牌，过分界的速度为160kmh。图 7-1-11 是列车由普通线进 入 TGV 的控车方式。10图 1-1-11 列车越渡线时的速度控制图 1-1-12 是列车由
23、 TGV 线进入普通线的控车方式图 1-1-12 列车由 TGV 线到普通线时的速度控制法国 TVM 列控系统与日本新干线 ATC 系统比较有下面几个特点：采用电气谐振式无绝缘轨道电路代替使用机械绝缘的轨道电路，既有利于无缝线路的敷设又有利于牵引电流平衡回流。采用 1726kHz 载频，FSK 或 FM 调制方式。用增大发送功率和提高接收端电平的方法改善抗干扰能力。TVM300 有 18 种 TBF，可以有 18 种速度信号，实际使用 14 种。TVM430 使用了报文方式，共有 21 血，其中速度编码为 8 位，共有 256 种速度信号。日本新干线采用双频组合方式，理论上可组成 36 种速度信号，实际上使用了 8 种。
