国内外轨道交通控制系统的概述

国内外轨道交通控制系统的概述

随着经济的发展，我国大多数大城市仍然以自行车和小汽车作为交通工具，尤其是私人汽率，近年来增长速度非常快，对城市道路及停车面积的需求也越来越大。给城市交通带来严峻的考验。我国现有的城市道路网大多是密度低、干道间距大、支路短缺、功能混乱、本质上属于低速的交通系统，难以适应现代化汽车交通的需要，阻碍着汽车化在城市的体现。那怎样的交通方式能实现这样的需求，既能满足安全、舒适、快捷的要求？那就是城市轨道交通。

但是目前为止，温州的动车事故、城市轨道交通的安全性受到很大质疑，那归根究底影响这些事故发生的原因——轨道交通控制系统。那么轨道交通控制系统到底由哪些组成？

城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运输效率的关键系统设备。

所有的地铁轻轨均离不开核心的控制设备——列车运行自动控制系统ATC城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统（Automatic Train Control，简称ATC）组成，按照国内通常的划分，ATC系统包括三个子系统：列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，简称ATS），列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，简称ATP），列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简称ATO）。三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

1、列车自动监控子系统（ATS）

ATS系统由控制中心、车站、车场以及车载设备组成。ATS主要实现对列车运行的监督，辅助调度人员对全线列车运行进行管理，实现以下基本功能：（1）通过ATS车站设备，能够采集轨旁及车载ATP提供的轨道占用状态、进路状态、列车运行状态以及信号设备故障等控制和监督列车运行的基础信息。

（2）根据联锁表、计划运行图及列车位置，自动生成输出进路控制命令，传送至车站联锁设备，设置列车进路、控制列车停站时分。

（3）列车识别跟踪、传递和显示功能。系统能自动完成正线区段内列车识别号（服务号、目的地号、车体号）跟踪，列车识别号可由中央ATS自动生成或调度员人工设定、修改，也可由列车经车—地通信向ATS发送识别号等信息。

（4）列车计划与实迹运行图的比较和计算机辅助调度功能。能根据列车运行实际的偏离情况，自动生成调整计划供调度员参考或自动调整列车停站时分，控制发车时间。

（5）ATS中央故障情况下的降级处理，由调度员人工介入设置进路，对列车运行进行调整，由ATS车站完成自动进路或根据列车识别号进行自动信号控制，由车站人工进行进路控制。

（6）在计算机辅助下完成对列车基本运行图的编制及管理，并具有较强的人工介入能力。通过设在车辆段的终端，向车辆段管理及行车人员提供必要的信息，以便编制车辆运用计划和行车计划。

（7）列车运行显示屏及调度台显示器，能对轨道区段、道岔、信号机和在线运行列车等进行监视，能在行调工作站上给出设备故障报警及故障源提示。

（8）能在中央专用设备上提供模拟和演示功能，用于培训及参观。能自动进行运行报表统计，并根据要求进行显示打印。

（9）能在车站控制模式下与计算机联锁设备结合，将部分或所有信号机置于自动模式状态。

（10）向通信无线、广播、旅客向导系统提供必要的信息。

2 、列车自动防护子系统（ATP）

ATP的工作原理是：将信息（包括来自联锁设备和操作层面的信息、地信息、前方目标点信息和容许速度信息）不断从地面传至车上，从而得到列车当前容许的安全速度，依此来实现速度监督和管理。主要实现以下功能：

（1）自动连续地对列车位置进行检测，并向列车发送必要的速度、距离、线路条件等信息，以确定列车运行的最大安全速度。提供列车速度保护，在列车超速时提供常用制动或紧急制动，保证前行与后续列车之间的安全间隔，满足正向行车时的设计行车间隔和折返间隔。对反向运行列车能进行ATP防护。

（2）确保列车进路正确及列车的运行安全。确保同一径路上的不同列车之间具有足够的安全距离，以及等防止列车侧面冲撞。

（3）防止列车超速运行，保证列车速度不超过线路、道岔、车辆等规定的允许速度。

（4）为列车车门的开启提供安全、可靠的信息。

（5）根据联锁设备提供的进路上轨道区间运行方向，确定相应轨道电路发码方向。

（6）任何车—地通信中断以及列车的非预期移动（含退行）、任何列车完整性电路的中断、列车超速（含临时限速）、车载设备故障等均将产生安全性制动。

（7）实现与ATS的接口和有关的交换信息。

（8）系统的自诊断、故障报警、记录。

（9）列车的实际速度、推荐速度、目标速度、目标距离等信息的记录和显示。具有人工或自动轮径磨耗补偿功能。

3、列车自动驾驶子系统（ATO）

ATO子系统是控制列车自动运行的设备，由车载设备和地面设备组成，在ATP系统的保护下，根据ATS的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。

（1）自动完成对列车的启动、牵引、巡航、惰行和制动的控制，以较高的速度进行追踪运行和折返作业，确保达到设计间隔及旅行速度。

（2）在ATS监控范围的入口及各站停车区域（含折返线、停车线）进行车—地通信，将列车有关信息传送至ATS系统，以便于ATS系统对在线列车进行监控。

（3）控制列车按照运行图进行运行，达到节能及自动调整列车运行的目的。

（4）ATO自动驾驶时实现车站站台定点停车控制、舒适度控制及节省能源控制。

（5）能根据停车站台的位置及停车精度，自动地对车门进行控制。

（6）与ATS和ATP结合，实现列车自动驾驶、有人或无人驾驶。

中国国内的列车运行自动控制系统（信号）关键的技术要素有几个：其一是列车与地面的信息传输方式，其二是速度控制模式。

自动闭塞分为三类：固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞。

1）固定闭塞

讨论固定闭塞前，先讨论轨道电路。轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，并用引接线连接信号电源和接收设备所构成的电气回路。它是由钢轨、轨道绝缘、轨端接续线（减少两条钢轨接头处的电阻而增设的连线）、引接线（将设备接向钢轨所需的连线）、送电设备及受电设备等主要元件所组成。轨道继电器GJ 监督着轨道电路的工作状态，继电器的接点又控制着信号机的显示，信号又指示着列车的运行，列车的运行又改变着轨道电路的工作状态，反复循环，从而实现信号自动控制。利用轨道电路不仅可检查该线路区段内列车的有无（轨道电路的空闲与占用），而且还可以在该段线路内无列车情况下，以该段线路作为通道由前方信号机向相邻的后方信号机传递控制信息，铁路信号技术的发展，还可使用钢轨与专用设备的电磁感应或无线联系向列车传递控制信息。

2）准移动闭塞（distance to go）

准移动闭塞方式的列控系统采用目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）。目标距离控制模式根据目标距离、目标速度及列车本身的性能确定列车制动曲线，不必设定每个闭塞分区速度等级，采用一次制动方式。准移动闭塞的追踪目标点是前行列车所占用闭塞分区的始端，留有一定的安全距离。后行列车从最高速度开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度及列车本身的性能计算决定的。目标点相对固定，在同一闭塞分区内不依前行列车的运行而变化，而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的；空间间隔的长度是不固定的；其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。列车最小运行间隔约为85～90秒。通常闭塞分区是用轨道电路或计轴装置来划分的，它具有列车定位和占用轨道的检查功能。由于目标点相对固定，故当前行列车在一闭塞分区内运行时，连续式一次速度控制曲线是相对稳定的；当前行列车出清闭塞分区时，目标点突然前移，目标距离突然改变，连续式一次速度控制曲线会发生跳变。列控系统采取目标距离控制模式，速度不分级，给出的连续式一次速度控制曲线式的信号显示，对应的信号显示制式为速度式信号显示。

虚拟闭塞

虚拟闭塞是准移动闭塞的一种特殊方式。它不设轨道占用检查设备和轨旁信号机，采取无线定位方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能。闭塞分区和轨旁信号机是以计算机技术虚拟设定的，仅在系统逻辑上存在有闭塞分区和信号机的概念，除了虚拟闭塞将闭塞分

区和轨旁信号机均定义为虚拟的以外，其余等效于准移动闭塞。虚拟闭塞方式有条件将闭塞分区划分得很短，当短到一定程度时，其效率就接近于移动闭塞。

3）移动闭塞

移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部，并留有一定的安全距离。后行列车从最高速度开始制动的计算点是根据目标距离、目标速度以及列车本身的性能计算决定的，目标点是前行列车的尾部，与前行列车的运行和速度有关，是随时变化的。而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的，空间间隔的长度是不固定的，其追踪运行间隔要比准移动闭塞更小一些。列车最小运行间隔约为80秒。移动闭塞一般采用无线通信和无线定位技术来实现。最先进的移动闭塞甚至要考虑前行列车的速度。

列车控制系统涉及到列车制动性能、运输能力及本国既有信号控制技术特点，各国在发展自己的高速铁路技术时都非常重视列车运行控制技术的研究。目前比较成熟的列控系统主要有德国的LZB系统、法国的TVM300和TVM430系统、日本的ATC一1W和数字ATC等。此外，欧洲为了解决配备不同ATC设备的列车在跨国运输时遇到的障碍，20世纪90年代开始建立铁路运输管理系统ERTMS，并制定了相应的规范，其核心就足欧洲铁路列车控制系统ETCS。ETCS是一个标准化的新型列控系统，分为三个功能等级：ETCS-1、ETCS-2、ETC孓3，每个等级分别对轨旁设备、信号检测方式、控制模式等进行了定义。

我国铁路运输特点是客货列车、不同速度列车共线运行；高密度、大重量运输和地面信号制式混杂、线路限速多样。随着国外列控技术的发展，我国先后引进了法国的TVM300和TVM430系统，在其基础上实现了部分技术国产化和自主创新，并逐步研究开发了适合我国国情的“ZPW2000系统”和“LSK旅客列车速度分级控制系统”等列车控制系统。

由上面我们可以看出，中国的城市轨道交通控制系统还有待改善，技术水平不高，地铁建设速度滞后，使得国产信号设备技术水平较低，只能提供配套设备，不能提供一体化的完整系统，我国城市轨道交通信号技术基本以引进国外先进的列车自动控制系统为主，北京、上海和广州地铁引进的TC系统来自英、美、德、法四国五家不同的公司：北京地铁一线改造及复八线建设引进了英国西屋的ATC系统；上海地铁1号线、2号线和明珠线(3号线)分别引进美国的GRS公司、USS公司和法国AI。S—TOM公司的ATC系统；广州地铁一号线引进了德国西门子公司ATC系统。引进不同制式、不同水平的多种ATC系统，一方面促进了我国城市轨道交通的发展，但同时也带来了造价昂贵、制式混杂等诸多问题。因此，ATC技术国产化是我国城市轨道交通信号系统发展的必由之路。但在一定时期内，信号系统的引进与国产化技术将会并存

。

目前各国的国家都在研究基于无线通信列车自动控制系统———CBTC。目前世界上最先进的信号系统是：移动闭塞（Moving Block），采用CBTC技术，并实现无人驾驶DTO （Driverless Train Operation），如庞巴迪公司的CITYFLO650系统。CBTC是基于通信的列车控制系统，目前完全被国际上少数几个公司垄断，CBTC以列车与地面的传输信息方式来划分，分无线、环线、漏缆及波导管等几种，带环线的CBTC技术最成熟的是阿尔卡特，无线CBTC技术最成熟的是庞巴迪（已有较好的开通业绩）。此外，美国GE公司，英国西屋公司，法国CSEE公司，法国AREVA公司均在CBTC领域有涉足，但形不成竞争态势。美国GE公司兼并了美国哈门公司以后开通了一条无线CBTC系统。目前国内有几家单位正在对CBTC技术进行研发，对于移动闭塞的研发，国内尚处起步阶段，中国通号在铁路信号行业内有较深厚的技术基础，但是至今对移动的理念的确立，尚存在不同流派的争论，相信移动闭塞、CBTC是中国信号界研发的一个必须逾越的障碍，尚待时日来验证方案是否可行。

我们可以看出轨道交通控制系统是如此的重要，运行控制系统的作用，可以概括为：在保证列车运行安全的前提下，提高运行效率。轨道交通运行控制系统足一种闭环系统，它遵循闭环控制的基本规律。目前国内列车的驾驶模式有列车自动运行驾驶模式、列车自动防护驾驶模式、限制人工驾驶模式、非限制人工驾驶模式、自动折返驾驶模式。在这些模式里，就算是人工驾驶模式里，也要参照ATP允许速度才能驾驶，可想而知，城市轨道控制系统在这个列车运营中重要作用。控制系统正常运行以后，才能尽可能避免事故的发生。。

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