国外列车控制系统调研

1、国外列车控制系统调研 1国外列控技术综述1.1 欧洲列车控制系统etcs 是欧洲铁路运输管理系统 （英文缩写 ertms, 全称 european railway traffic management system)的核心。 etcs 涉及一系列关于可操作的技术文件、标准、规范和概念，范围从地面设备到车载设备，从功能需求到系统需求，从运营到接口，从通信协议到信息码的格式， 包括了信号安全和列车控制的各个方面。该系统采用模块化结构，能根据功能需要和运营条件灵活配置系统。欧洲列车控制系列标准分为1-3 级。etcs 各级向下兼容，即3 级可以用于2 级，2 级可以用于 1 级。etcs 还可通过特

2、定传输模块读取现有设备信息，实现与现有列车控制系统的兼容， 从而实现了同一列车在不同级别铁路上不停留的跨国运输。1a 系统以传统信号设备为主，增加“ 欧洲标准应答器 ” （简称应答器），是一种点式传递信息、 用车载计算机进行信息处理、 最后实现列车超速防护的列车运行控制系统。区间仍按传统原则划分固定闭塞分区， 配备轨道电路或电子计轴器。区间地面设置色灯信号机， 在信号机旁及在其他关键的场合设置应答器。信号机旁的应答器通过轨旁电子单元与信号机相连，其作用是把地面信号的显示以及区间的地理数据（如坡度、限速情况等）传给机车。车载设备有接收天线、数据处理单元、显示与记录单元以及与列车制动机相连的接口等

3、。轨道上安装的应答器还和地面控制中心相连。 列车通过应答器时测出列车位置并将信息传送到控制中心，控制中心为运行列车计算新的运行权限，并将其发回应答器。 当列车经过应答器时，列车天线接收检测设备接收到新的运行权限和数据，车载计算机计算运动曲线，确定下一个制动点， 并将这些信息显示给司机。 1b 系统与 ia 基本相同，只是 1b 系统增设了 “ 欧洲标准环线 ” （简称环线）辅助应答器。环线采用单根漏泄同轴电缆，固定在钢轨内外侧。这样把点式数据传输方式变为半连续传输方式，etcs 就可以不完全受地面闭塞分区分割的局限，车载设备可提前收到允许运行的距离，计算出新的制动点，避免频繁制动，提高运输效率

4、。2 级系统不采用传统的闭塞设备和地面色灯信号机，但区间线路仍装有轨道电路或其它区间检测设备， 按分区逐段检查列车的占用情况。区间的列车运行由无线闭塞中心（英文名缩写为rbc)控制。 rbc 不断监控各段线路的列车占用，接收中央调度中心传送的指令， 控制信号设备工作， 并随时把信息发送给运行列车。应答器作为电子公里标志仅用于列车定位。车对地以及地对车的双向数据不间断地传输，通过铁路专用移动通信网gsm-r 实现。3 级系统与 etcs 2 级系统一样，信息传输采用gsm-r ，但不划分闭塞分区，不设信号机和轨道检查设备。列车运行控制功能集中于车上，按照列车的绝对制动距离（加安全距离）控制列车运

5、行，即移动闭塞。地面应答器仅用于修正列车定位，列车位置由列车经无线报告给rbc 和调度中心，并由rbc 传送至后续列车，实现间隔控制。 3 级系统的关键性功能是车载设备能通过列车局域网实现列车完整性检查。 中央调度中心确定列车进路和列车群运行秩序。车载设备根据与前方列车之间的距离、速度要求等，自动控制列车的运行。1.2 日本新干线列车控制系统1. 地面设备主体多段式atc 以往 atc 系统是地面为主体的系统。 与先行列车的距离或线路条件决定了列车运行速度，表示这个速度的信号由atc 地面装置以模拟形式发送到轨道；列车接收到这个信号后， 这个信号表示速度与列车的速度比较，列车实施制动， 自动减

6、速到该信号所表示的速度。 它是从地上装置经轨道电路发送速度信号，车上装置接收，将列车的速度与该速度信号对照， 当超过速度信号时即进行自动制动。由于各信号段分别进行制动、 缓解，而且轨道回路的距离由最低减速性能车辆决定，因此控制效率低，到达时间延长，运转间隔增加。由于是多段制动控制，要使列车停止，速度分为几个阶段。表示限速的atc信号所在区间与列车速度比较，比列车速度低时实施制动。 这种阶段的控制， 在轨道电路单元中进行，对应各轨道电路制动控制的空走时间，包括了空走距离，延缓了运输时间；制动中多次的制动和缓解冲击，乘坐舒适性不好。2. 车载主体数字一段式atc 在这里，地面装置以数字形式发送列车

7、应停止位置的信息，取代多段式 atc中的速度信号。 车上装置基于这个停止位置和列车当前位置，检索车载数据库得到停止位置的速度曲线， 由速度曲线和列车位置求出容许速度， 与列车速度比较，采取适当的制动措施。 这里，具有地上主体系统向车载主体系统的变化，运用了以往系统所没有的车载列车位置检测、速度曲线检索和atc 信号数字传输的技术。车上主体型， 容许速度在车上计算， 构成容许速度判断的固有数据由地面以atc 信号传送。这样，不同制动性能的列车在走行区间，根据列车的性能能够进行有效的制动。另外，车上主体型，车上形成制动曲线，什么地点开始制动控制，什么地点停止，在车上决定，能采取考虑乘坐舒适性的制动

8、控制。1.3 北美铁路的列车控制系统的发展1. 先进列车控制系统上世纪 80 年代起，美国铁路开始研究不用轨道电路和路旁信号机，采用无线技术和计算机技术，通过人造卫星和雷达控制铁路行车的先进列车控制系统(atcs） 。由列车本身检测列车所在位置，通过无线通信将列车位置信息送到地面，地面中心根据来自各列车的位置和站内进路状态等信息，决定列车可以安全运行的区间和速度， 并通过无线通信报告列车， 列车再根据来自地面的信息以及线路坡度、列车制动能力等数据计算出安全运行的速度。2. 基于通信的列车控制系统1987 年，北美铁路成立的航空无线股份有限公司开始了基于无线的列车控制技术（ cbtc ）的研究，

9、为先进列车控制系统制定工业标准，制定通信专业协议。上世纪 90 年代，先进列车控制系统命名为精确列车控制，1996 年起，美国铁路部门合作开始了cbtc 的系统和标准化的研究。基于通信的列车自动控制在美国有不同的系统：精确列车控制系统 （pto） 、精确列车定位系统 (pts)、列车自动控制系统 (atc)和先进列车自动控制 (aatc)系统等。列车控制发展的主体是通信与信号的结合。itcs 系统的开发自1994 年开始，是结合位于美国密西根洲东北走廊的提速改造工程开展的设计，设计目标为时速250km ，全线长 200 多公里。系统于1998 年开始试运行， 2000 年投入商业运行。 该线路

10、原有传统闭塞最高时速126 km，采用 itcs 后时速已达 145km （受线路条件限制）。计划于 2005 年底开行时速 195km 。系统安全认证项目于2004 年至 2005 年进行。itcs 信号系统采用了一体化的设计思想，集自动闭塞、车站联锁控制和列车运行超速防护控制于一身。itcs 可以和既有联锁系统接口来获取道岔位置、信号的显示以及轨道占用情况。 它采用双向连续的车地无线通信，以车载信号作为列车运行的主体信号控制列车运行。itcs 系统通过实时监测列车运行、当情况发生变化向司机提供报警、 并且在需要时通过对列车实施制动来保证行车安全的。itcs 的主要特点和优势 : 采用虚拟闭

11、塞技术，在对线路运输能力的要求发生变化时，可以通过增加虚拟信号机来适应运输的需求；可以在设备保证安全的条件下，提高行车安全度和行车密度；轨旁设备少，设备可靠性高、结构简单，技术先进、成熟，维修量小。北美联合精确列车控制（najptc) 是这种新一代系统的代表。系统采用全球定位系统进行列车定位， 没有线路旁的设备， 控制中心接受列车发送来的位置信息，经处理立即发出列车速度限制和列车前行的授权指令。najptc采用多级的闭环结构原则，通过无线网络、中央服务器对每节列车的位置、 运行计划等发出指令。 每节列车各自确定自己的位置，按周期发给服务器，服务器及时响应修订列车运行指令。为确定位置和速度限制，

12、 每个列车装有轨道图，在 l0km 的范围内以滚动图形的方式显示线路、坡度、运行命令和速度限制等。 当列车接近速度限制时， 机组人员及时得到报警， 如不能采取相应的措施， najptc会自动制动。有集成（固定闭塞）和独立（移动闭塞）两种操作方式。前者和线路旁的信号结合起来，通过信号监视，对列车运行发出命令。后者主要根据列车位置和地面障碍发出列车运行命令，可以在没有轨道电路或线路旁信号的情况下使用。采用多种传感技术的车上定位系统和gps 定位系统结合起来，保证了系统的安全性能。1.4 小结中国 ctcs 技术参照了欧洲etcs 系统并根据中国铁路需求做了修改，ctcs-2 通过 zpw2000

13、轨道电路检测列车的位置， ctcs 地面设备据列车占用情况和运营计划通过轨道电路+应答器向列车连续发送行车命令，由列控车载设备实现列车运行的安全控制。 ctcs-2 级相比 etcs-1 增加了轨道电路传送列控数据，弥补了 etcs-1 信息不连续的缺点。北美列控系统的技术体系和欧洲、日本有很大的不同， 北美 cbtc 系统不需要轨道电路、 轨旁信号机、 应答器等设备， 依赖于列车精确定位和无线通信系统实现对列车的控制。 cbtc 系统在高速铁路上没有得到广泛应用（中国青藏铁路采用了 ge 的 itcs 系统） ，但北美 cbtc 系统中列车精确定位技术值得借鉴。2列控定位技术2.1 北美联合

14、精确列车控制(najptc ) 项目najptc 通过将惯性传感器与差分全球定位系统(dgps) 、 测速仪读数与地图匹配的结合使用。 najptc 车载定位系统提高了非卫星覆盖区域的推算定位能力(如隧道或峡谷 )。极大地提高了轨道处理能力、改进了未使用惯性传感器铁路网络的故障状态的监测能力。位置确认、轨道鉴别与进入点保护是najptc 的难点。 najptc 系统使用了下图所示的各种技术。充分发挥各自的功能。n a j p t c 定位系统采用多传感器、惯性导航系统 (ins) 设计。包括综合自测安全功能。一旦超出惯性导航系统的信号覆盖范围，惯性导航系统构件利用推算定位使系统继续工作。多传感

15、器定位系统通过 gps输出提高轨道鉴别及推算定位能力2.2 北美先进列车自动控制(aatc) 项目无线电测距通过往返时延计算距离多电台提高测量精度2.3 日本 sparcs 系统图 4 一次测距时间片内的测量值图 5 确定列车位置的原理sparcs 具有高安全性、高可靠性的位置检测功能。列车初始位置检测通过应答器和无线测距功能加以实现，并向系统登录列车位置。由车轮传感器 （tg ）获得的相对位置信息和无线测距得到的连续绝对位置信息来确保测距的安全性和可靠性。 用无线测距信息 tg 相对位置信息应答器绝对位置信息道岔开通方向信息实现列车的位置跟踪，通过记录和管理系统中登录列车的在线信息确保行车安全。 通过车载电台与 2 个无线电台之间电波传播的时间来计算列车与电台之间的距离，如图4所示，在ts0 时刻，电台a向电台 x发送信号， 电台x在tr0 时刻接收 a在ts0 时刻发送的信号，电波传播的速度为 v， 则a 到x 的距离 lax=v (tr0-ts0)。同理 x 到a 的距离 lxa=v (tr1-ts1)，则电台 a和电台 x之间的距离 l = ( lax+lxa)/2 。sparcs在