高速铁路系统概述课件

1、高速铁路系统概述主要内容o 高速铁路的发展背景o 高速铁路的系统组成o 高速列车网络控制系统o 讨论高速铁路的发展背景o 高速铁路的定义o 世界高速铁路的发展历史与现状o 中国高速铁路的现状与规划高速铁路的划分o 国际铁路联盟（UIC）的以速度为等级将铁路划分为：n 常速铁路：100120公里/小时n 中速铁路：120160公里/小时n 准高速铁路：160200公里/小时n 高速铁路：200400公里/小时n 超高速铁路：400公里/小时以上中国高速列车的定义o 高速铁路是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使营运速率达到每小时200公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到

2、每小时250公里以上的铁路系统。o 时速在200km/h以上，为动车组o 时速在300km/h以上，为高速动车组高速铁路发展回顾o 1814年，英国人斯蒂芬森发明了世界上第一台沿轨道运行的蒸汽机车o 1825年9月27日斯蒂芬森亲自驾驶首台机车（12节煤车，20多节车厢，约450名旅客），成功在英国斯托克顿Stockton 和达灵顿Darlington之间的36km距离内，以24km/h速度运行，铁路运输事业从这天开始 o 1903年10月28日，德国的AEG轨道电动车创下了最高运行速度210.2km/h的世界记录o 1964年10月，日本东海道新干线建成，列车以210km/h速度营运，世界上

3、才真正出现第一条高速铁路上世纪七、八十年代o 20世纪70年代末期 ，英国HST(200km/h)、Inter City 225(225km/h)o 80年代，法、德等国相继建成高速铁路o TGVPSE高速列车营运速度为260km/h，TGV-A、欧洲之星(Euro-Star)高速列车营运速度为300km/ho 德国的ICE(Inter City Express)高速列车，其营运速度，第一代为250km/h、第二代为280km/h、第三代为330km/h总体发展情况 其他国家情况p 意大利：投入运营里程达到1525kmp 西班牙：2230公里的高速铁路o 荷兰：安特卫普-阿姆斯特丹，全长95

4、kmo 英国：海峡隧道连接线，一期全长69 kmo 俄罗斯：莫斯科一圣彼得堡，全长654 kmo 韩国：首尔-釜山，全长426 kmo 澳大利亚：悉尼一堪培拉，全长270 km泛欧高铁网规划o 欧洲9个拥有高速铁路的国家将总共投入2000亿美元，使目前总长为7000公里的铁路线延长至1.6万公里。o 为了配合欧洲高速铁路网的建设，欧洲东部和中部的捷克、匈牙利、波兰、奥地利、希腊以及罗马尼亚等国家正在进行干线铁路的全面提速改造。世界著名高铁生产厂商Regina（庞巴迪）E2-1000（川崎重工）Velaro-E（西门子）SM3（阿尔斯通）中国高速铁路发展o 1978年的秋天，邓小平在日本考察新干

5、线时感慨地说：“像风一样快，我们现在很需要跑！” o 当时，国外高速列车时速已达300公里，而中国旅客列车的平均时速却仅为43公里。 广深铁路技术改造（19911994）o 20世纪90年代，铁路面临着与高速公路和航空运输的竞争，为了大量吸引客流，铁路提速势在必行o 设计速度目标值为客车时速160200kmo 双线电气化铁路，客货共线o 投入运营后，经不断配套完善，又从瑞典引进X2000摆式列车，客车的实际运行时速已超过200km。六次铁路大提速（19972007）o 1997年4月1日，最高时速140公里的40对快速列车，平均时速54.9公里 。o 1998年10月1日，最高时速达到140公

6、里至160公里，平均时速55.2公里 。o 2000年10月21日，重点是亚欧大陆桥陇海、兰新线、京九线和浙赣线，平均时速达到60.3公里 。将原来的列车七个等级调整为三个等级，即特快旅客列车、快速旅客列车、普通旅客列车 六次铁路大提速（19972007）o 2001年11月21日，实施新列车运行图，全国铁路实行联网售票。平均时速61.6公里 。o 2004年4月18日，开行19对直达特快列车，部分列车时速200公里。平均时速65.7公里 。o 2007年4月18日，开行动车组140对，年底达到257对。时速200公里及以上里程达到6003公里。中国高铁的发展沿革o 20052008年京津城际

7、铁路通车，标志着中国系统掌握了时速350公里的高速铁路成套技术。o 20082011年高铁的快速突破：n 武广、郑西等客运专线持续运营时速350公里n 的武广客运专线的建设，形成了中国高速铁路体系标准。n 京沪高速铁路最高运营时速380公里 中长期铁路网规划 o 2004年经国务院审议通过，其发展目标为：到2020年，o 到2020年全国铁路营业里程达到12万公里以上，其中：n 规划建设客运专线1.6万公里以上，到2012年建设客运专线1.3万公里n 新线建设4.1万公里n 既有线增建二线1.9万公里n 既有线电气化2.5万公里快速客运网o “四纵四横”，时速大部分在350公里o 跨区际的快速

8、通道，比如贵州广州、南宁广州、江西福建，它速度的目标一般定位在时速250公里。o 区域城市圈城市轨道交通，为环渤海、长三角、珠三角等一些城市密集的地方构筑，它的速度目标一般定位在200250公里高速铁路网四纵四横图解“四纵”客运专线o 京沪高速铁路：o 京港高速铁路：北京武汉广州深圳香港o 北京沈阳哈尔滨（大连）o 东南沿海铁路：杭州宁波福州深圳，预留跨越台湾海峡，连接台湾的设计条件“四横”客运专线o 徐州郑州兰州，将来延伸至乌鲁木齐o 沪昆线：杭州南昌长沙昆明o 青岛石家庄太原，其延长线太原中卫银川也已经开工o 沪汉蓉高速铁路：上海南京武汉重庆成都高速列车发展过程o 上世纪90年代初，开始高

9、速列车综合试验，已经取得了大量实践试验数据。o 2001年4月，铁道部下达“270km/h高速列车设计任务书”，开始设计“中华之星”。o 2002年11月27日，“中华之星”电动车组冲刺试验创造了最高速度每小时321.5公里的当时“中国铁路第一速”。 o 2005年正式运营于秦沈专线，运营速度为160km/h。2006年8月2日停运 引进策略国产动车组十一五期间成果o “十一五”期间，我国已经建成5000公里以上的高速铁路，居世界前列；到2020年，将建成16000公里的高速铁路，我国高速铁路的总里程已居世界第一。o 截至2011年，我国已投入运营的高速列车共计786标准列，其中时速200-2

10、50km/h速度级355列，时速300-350km/h速度级140列，时速380km/h速度级133列。高速铁路系统维修体系高速铁路系统票务系统旅客服务系统市场营销策划客运组织管理路基工程轨道工程桥梁工程站场工程隧道工程运行管理车辆管理供电管理综合维修客运调度运输计划牵引系统制动系统列车网络系统总成车体转向架供电系统变电系统接触网系统远程监控系统电力系统地面子系统联锁子系统车载子系统调度集中CTC通信系统工务工程牵引供电通信信号动车组运营调度客运服务高铁系统集成牵引供电(电气计算)轮轨关系(动车组/线路)电磁兼容供电(短路电路)通信信号(电缆走线,接线柜,信号,远动.)动车组限界(动态限界)动

11、车组供电（弓网、自动过分相）线路道岔动车组列控（动车组/通信信号）土建工程(隧道,高架桥,桥梁,声屏障)道路作业(路基,地面类型)通信信号(接地和电气连接)工务工程o 无缝钢轨：攀钢、包钢、鞍钢等企业可生产o 道岔：从法国科吉富、德国BWG引进，国产化逐步达100。o 扣件：从德国VOSSLOH公司、 RST公司和法国PANDROL公司引进技术。o 无碴轨道：形成具有自主知识产权的CRTS有挡肩、无挡肩板式，双块埋入式、压入式系列无碴轨道技术体系。o 隧道、桥梁、车站：自主设计牵引供电o 供电系统：从国家电网受电，向线路供电，主要由变电所、开闭所、分区所等构成。优先采用电力系统两回独立可靠的2

12、20kV电源，互为热备用。o 变电系统：将220kv或110kv外部电源转变为27.5kv，向线路供电。主要由牵引变压器、断路器等构成，变电所无人值班。牵引供电o 接触网系统：通过线路向动车组和电力机车不间断提供电能，主要由接触悬挂（承力索、接触线、吊弦等）、支持装置（腕臂、定位装置等）、支柱和基础等构成。o 远程监控系统SCADA：监督控制和数据采集，完成四电系统运行状态的遥控、遥信、遥测及调度管理等功能，在线实时监控220v220kv四电设备运行状态。动车组牵引控制系统牵引电机制动系统牵引变流器牵引变压器转向架列车网络控制系统铝合金、不锈钢车体动车组系统集成核心技术的三个大类车体车体动车组

13、车体结构的静强度和疲劳强度(1)高速列车铝合金车体静强度分析的各种载荷的确定、载荷的叠加原则。(2)车下大型设备与车体固接强度的各种载荷的确定、载荷的叠加原则。(3)高速列车铝合金车体的刚度及疲劳强度的测试、评估及计算仿真分析研究。车体耐冲撞与吸能结构分析(1)车体碰撞的自身吸能结构设计研究。(2)车体碰撞的辅助吸能装置设计研究。碰撞预防安全性车体碰撞安全的计算机仿真分析及试验研究。时速300公里高速动车组流线型车头加工制造和国产化研究(1)通过三维CAD/CAE/CAM集成产品开发平台，消化吸收西门子公司提供的原型设计，完成产品的本地化工作。(2)采用数值仿真方法，对涉及车头结构可靠性的主要

14、指标（强度、刚度、疲劳性能、耐撞性能等）及空气动力学性能指标进行数值仿真评估，以掌握其结构物理品质。(3)完成车头结构所用铝型材的三维空间弯曲成形以及铝板空间曲面无模成形并加工生产。(4)完成复杂结构焊接变形分析理论研究及对车头焊接变形的分析预测。(5)完成车头总成及部件组焊的工装设计并加工生产。(6)完成高精度整体测量技术。(7)现代集成制造技术。唐车组装照片结构强度分析碰撞安全动车组关键技术转向架转向架与车体固接结构强度的研究通过转向架对车体固接结构的静强度和疲劳强度仿真分析及各种运行工况下的应力测试，对高速运行时转向架与车体相互作用力的特点和数值进行分析研究，确定转向架与车体固接结构强度

15、的设计要求。牵引变压器设计原理、系统集成和系统参数选择原理(1)与牵引变流器相适应的集成技术(2)牵引变压器参数选择原理(3)牵引变压器检测、调试试验技术牵引变流器牵引传动系统研究实验(1)技术方案及概念分析、参数计算校核、封装模块解密。(2)试验技术支持。牵引逆变器主电路组成结构与集成技术分析(1)网侧四象限变流器的具体控制策略。(2)电机侧矢量控制逆变器的具体控制策略，包括转子磁通观测，中间过程变量的参数校正等较深层次问题。(3)对控制接口参数及中间可见变量进行分析解读。牵引电机设计原理、系统集成和系统参数选择原理(1)与牵引变流器相适应的模型和容量匹配技术(2)牵引电动机参数选择原理(3

16、)与牵引变流器控制的接口设计(4)牵引电动机检测、调试试验技术转向架CRH3采用德国采用德国SF500的改进型的改进型牵引传动系统主电路参数o 受电弓 AC25KVo 变压器 副边 AC1.55KVo 中间直流电压 DC2.7-3.6KVo IGBT脉宽调制逆变器PWMI AC2.7KV n 牵引时：2383KWn 制动时：1843KW牵引变流器o 2台4象限整流器并联，向1台逆变器供电o 1台三相电压型两电平逆变器，给4台异步牵引电机供电o 1台牵引控制单元TCU控制整流器和逆变器，实现变压变频控制VVVFo 具有冷却系统o 具有故障保护系统牵引电机o 三相四极异步电机o 额定电压 约 2,

17、700 Vo 额定电流 约 145 Ao 额定功率 562 kWo 额定转速 4,100 min-1o 轮对最大负载 17 to 齿轮比 约 1 : 2.788（1 档）电机传感器o 温度传感器：定子中 风机冷却o 速度传感器：电脉冲计速动车组技术九项关键技术 合作要素合作内容系统集成牵引系统和传动系统(1)牵引、制动性能仿真计算分析 (2)牵引计算 (3)列车控制系统的开发软件 弓网关系(1)弓网关系分析软件(2)对国外受电弓和我国接触网匹配分析。结合我国接触网的型式、结构和接触网材质进行综合，对受电弓滑板材质、受流进行综合分析。(3)建立和完善我国高速受流的主要评价指标（如接触网静态弹性、

18、离线率、接触网动态评介标准、受电弓与接触网的动态接触力等）的测试、检测和分析技术体系。空气动力学及气密性能结构技术分析(1)高速列车的头型设计。(2)高速列车外形设计。(3)高速列车门、窗、排水等的气密结构设计。(4)高速列车空调系统的气流组织、压力保护等的结构设计。空气动力学及气密性能理论技术分析(1)列车风速(2)高速列车三维绕流分析(3)列车交会压力波(4)通过隧道气动耦合分析(5)列车对周围环境的影响(6)受电弓高速稳定性分析和气动声学分析(7)车辆/轮轨系统一体化流动分析(8)列车气密性能分析空气动力学研究弓网关系o 弓网动态接触力太小，接触电阻大；太大，磨损增加o 离线受电弓与接触

19、线脱开，导致失压、电弧、电压畸变，并影响无线通信。o 硬点接触线上弹性变差或有附加质量的地方，出现撞弓、碰弓现象o 接触线动态抬升量高速运转时的垂直振动牵引特性曲线CRH动车组特性曲线动车组技术牵引控制设计原理，系统集成以及系统参数确定原则系统设计原理，包括：(1)牵引/电制动的控制；(2)故障诊断和自保护、安全导向原则；(3)牵引特性和防空转、防滑；(4)列车自动控制；(5)牵引控制系统的硬件；(6)系统可维护性；(7)系统升级、系统兼容系统接口设计（包括以下内容）(1)TCN控制和接口；(2)电气配线、布线；(3)线路的接地屏蔽；(4)ATP设计和接口；(5)制动系统控制及接口。 控制单元

20、硬件设计 。 电磁兼容性设计。列车网络控制系统网络控制系统研究实验模拟列车网络控制系统：(1)列车网络控制系统拓扑图；(2)列车网络控制系统逻辑图及原理说明；(3)可靠性设计原理和冗余设计原理；(4)WTB MVB时时通信程序设计。(5)WTB MVB端口计算。(6)网络的设计和结构描述，包括装置的地址信息、帧结构等；网络控制系统组成结构与集成、冗余技术分析(1)列车网络控制系统的硬件配置；(2)SIBAS控制系统的组成及各模块的功能；(3)SIBAS 32控制单元的组成及各模块的功能；电磁兼容技术分析电磁兼容性设计原则制动系统引进制动技术的消化和吸收(1)动、拖车制动盘、闸片热容量计算相关参

21、数及计算标准研究。(2)制动系统与动车组集成研究。(3)动车组制动系统的诊断及试验系统的研究。牵引测试系统制动测试系统网络控制系统通信信号o 列车运行控制系统o 计算机联锁系统o 调度集中系统o 防灾安全监控系统o GSM-R无线通信系统o 视频监控系统列车运行控制系统o 由列控中心、闭塞设备、地面信号设备、地车信息传输设备、车载速度控制设备构成的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。o 功能包括：n线路的空闲状态检测；n列车完整性检测 n列车运行授权；n指示列车安全运行速度；n监控列车安全运行系统结构车载安全计算机(EVC)o 车载安全计算机是ATP装置的核心部分，负责从

22、ATP各个模块搜集信息，生成制动模式曲线，必要时通过故障-安全电路向列车输出制动信息，控制列车安全运行。o 为了保证列车控制的安全性和设备的冗余性，安全计算机一般采用二乘二取二或者二取二冗余结构，安全等级达到SIL4级。 应答器信息接收模块(BTM) o BTM天线接收来自地面应答器的信号，传输至BTM模块进行信息解调处理。BTM是一个采用二取二技术的故障-安全模块。通过一个专用信息接口和安全计算机同步。o 同时它还提供通过应答器中点时的确切时间，能够让ATP车载设备在几厘米的准确范围内进行列车定位校准。 连续信息接收模块(STM) o 通过STM天线接收轨道电路信号，解调轨道电路上传的信号信

23、息，将解调的信息及时传递给安全计算机和列车运行监控记录装置。STM模块是安全模块，可接收ZPW-2000系列轨道电路及4信息、8信息、18信息等传统移频轨道电路的信息。 地-车信息传输 GSM-Ro GSM-R：铁路专用全球移动通信系统。是国际铁路联盟（UIC）和欧洲电信标准协会ETSI，为欧洲新一代铁路无线移动通信开发的技术标准。欧洲委员会在在 900MHzGSM的频率频段上分配4MHz给铁路实施GSMR。o GSM-R通过保持列车和控制中心的持续联系即“永远在线”，来提供可靠的列车控制数据传输通道。 ATP车载设备主要工作模式 o 完全监控模式完全监控模式 ：ATP车载设备生成目标距离模式

24、曲线，通过DMI显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等，控制列车安全运行。 o 部分监控模式部分监控模式 ：数据缺损时 o 目视行车模式目视行车模式 ：当ATP车载设备显示禁止信号时，ATP处于目视行车模式。此时列车停车后，根据行车管理办法(含调度命令)，ATP生成固定限制速度(20kmh)，列车在ATP监控下运行，司机对安全负责。 o 调车监控模式调车监控模式 o 隔离模式隔离模式 ：ATP车载设备故障时 目标距离曲线o 制动优先列控基本原理CTCS系统o 为确保列车运行安全、提高运输效率，结合我国铁路的特点研究制定中国列车运行控制系统 CTCS的技术规范。参照欧洲列车运行控制系统

25、（简称ETCS）编制的。 o CTCS标准起草单位： n 铁道部运输局基础部n 中国铁道科学研究院n 北京交通大学n 北京全路通信信号研究设计院n 北京和利时浩通科技发展有限公司CTCS等级级ETCSCTCS0 欧洲既有线现状中国既有线现状；通用式机车信号+监控装置1 基于点式传输的列车控制系统； 列车占用及完整性检查由轨道电路完成；设置地面信号机；面向160kmh以下区段；主体机车信号+加强型监控装置2 基于GSMR传输的列车控制系统；列车检测和列车完整性检查由轨道电路完成；可以取消地面信号机： 面向提速干线和客运专线；基于轨道电路+点式应答器进行信息传输的列控系统；可取消地面通过信号机；3

26、基于GSMR传输的列车控制系统；取消轨道电路和地面信号机；无线闭塞中心与车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查；可实现移动闭塞 面向提速干线、客运专线和特殊线路；基本参照ETCS2级4 未定义 面向客运专线和特殊线路 基本参照ETCS3级 无线闭塞中心（RBC）o 在CTCS-3级列控系统中，RBC的主要功能包括：通过列车的CTCS识别码获得列车的信息；通过轨道电路提供的列车占用信息跟踪区域内列车；根据微机联锁、轨道电路等系统提供的信息，生成管辖内每一列车的运行许可；接收调度集中系统（CTC）提供的临时限速信息；向管辖内列车传送列车当前运行许可、临时限速及线路参数。 行车许可o 行车许可（M

27、A）：是列车安全运行的行车凭证。一个行车许可（MA）可以包括多个连续的锁闭进路。o 缩短行车许可（SMA）：缩短行车许可强制列车以接收到的停车位置作为新的行车许可终点（EOA），列车将根据当前位置，决定是否触发常用制动或紧急制动，如果列车已经越过该位置，将立即触发紧急制动。停车消息o无条件紧急停车消息（UEM）：要求列车立即制动停车，列车接收到该消息后，将实施紧急制动 o有条件紧急停车消息（CEM）：要求列车在指定位置前停车，车载设备将评估列车当前位置和新的指定位置间的关系，重新计算制动曲线，根据列车到指定位置的距离，存在下述情况：n如果列车可以在指定位置前停车，列车/司机将使用常用（或紧急）

28、制动停车。n如果列车不能在该位置前停车，列车将使用紧急制动，直至列车停稳。n如果列车前端已经越过指定位置，列车将拒绝该消息并继续遵照已收到的行车许可行车。 7.23事件o 2011年7月23日20时30分05秒，甬温线浙江省温州市境内，由北京南站开往福州站的D301次列车与杭州站开往福州南站的D3115次列车发生动车组列车追尾事故，造成40人死亡、172人受伤，中断行车32小时35分，直接经济损失19371.65万元。事件原因o直接原因：雷电o系统原因：nLKD2-T1型列控中心设备在保险管熔断后 ，采集数据不再更新，错误地控制轨道电路发码及信号显示，使行车处于不安全状态。 n雷击也造成582

29、9AG轨道电路发送器与列控中心通信故障，使D3115次列车超速防护系统自动制动，在5829AG区段内停车。因轨道电路发码异常，司机三次转目视行车模式起车受阻，7分40秒后才转目视行车模式以低于20公里/小时的速度向温州南站缓慢行驶，未能及时驶出5829闭塞分区。n因温州南站列控中心未能采集到前行D3115次列车在5829AG区段的占用状态信息，使温州南站列控中心管辖的5829闭塞分区及后续两个闭塞分区防护信号错误地显示绿灯，向D301次列车发送无车占用码，导致D301次列车驶向D3115次列车并发生追尾。o管理原因：n铁道部的招标审核n通号集团所属通号设计院管理混乱n上海铁路局有关作业人员故障处置工作不得力，运营调度系统机构运营调度系统功能运行监视进路控制运行图调整临时限速、调度命令状态监视供电控制设备管理计划调整交路计划调整运用状态监视配属管理应急处理维修计划审批设备集中监测综合监测管理抢险救灾管理运输状态监视运输方案制订运营调度铁路基础数据管理图像、视频数据管理应急救援支持运力资源管理与分析统计与分析营销决策基本计划实施计划旅客服务系统票务与营销交易处理信息主机中心电话订票互联网订票短信订票自动检票自动售票窗口售票车上