城市轨道闭塞区间研究报告,毕业设计论文

...---可修编.城市轨道交通学院毕业论文城市轨道交通闭塞区间技术研究专业：城市轨道交通控制班级：10秋03班学号：1006820320：阳摘要本工程设计是对城市轨道交通闭塞区间技术进展研究，了解闭塞区间的开展历程，了解半自动闭塞与自动闭塞技术的工作原理及其优劣。了解准移动闭塞工作原理，并比照分析准移动闭塞与自动闭塞技术的优劣。分析移动闭塞的工作原理，并比照分析准移动闭塞的优劣。分析城市轨道交通闭塞区间技术应用的列车自动控制系统及其子系统的功能。重点研究移动闭塞技术的工作原理、系统构造、功能、优劣以及在城市轨道中的应用；移动闭塞系统列车组合定位导航技术；移动闭塞条件下地铁列车的运行优化。..--可修编.前言在城市轨道交通中，列车自动控制系统是保障行车平安，提高运输效率的关键技术装备。在ATC系统的开展过程中，城市轨道交通通信系统在经历固定闭塞系统之后，正在想移动闭塞系统时期过渡。移动闭塞系统利用先进的通信技术，在列车与轨旁之间实现了连续的、大容量的、双向的车—地数据通信，使信号系统完全摆脱了轨道电路的束缚，实现了高分辨率的列车定位。由于采用了基于通信的列车控制〔municationsBasedTrainControl〕技术，所以被称之为CBTC系统。与固定闭塞相比，移动闭塞系统在保证行车平安情况下，最大限度的缩短了列车的行车效率。在我国已经建成的城市轨道交通路线中，固定闭塞制式的信号系统占据了绝大多数。2004年9月28日，我国第一条移动闭塞制式的城市轨道交通线路——轻轨1号线正式开通运营，填补了我国城市轨道交通中没有移动闭塞系统的空白。地铁3号线已经决定采用移动闭塞系统，地铁4号线、5号线、地铁4号线、地铁8号线都采用了移动闭塞系统。综上所述，随着我国城市轨道交通建立顶峰的到来，将来有更多的城市轨道通信号系统采用移动闭塞。移动闭塞系统是城市轨道交通信号控制系统开展方向之一，采用基于通信的列车控制技术来实现，目前主要有感应环线，无线扩频两种方式。通常情况下，移动闭塞系统工作在ATC模式下。但是移动闭塞系统也存在一些问题，当系统出现某些ATC模式无法处理的故障〔如环线或多个扩频电台故障、设备集中站的车站控制单元故障等〕时，就会出现一个或几个联锁区系统完全瘫痪局面，从而对线路的正常运营造成较大的危害。另外，在日常检修中，ATP故障车、工程车、救援车等无车载设备的车辆在线路上运行，ATC系统也不能识别这些无车载设备的"哑巴车〞。为了解决上述这些问题，人们引入了后备模式〔FallbackMode〕概念。目录前言I第一章城市轨道交通闭塞区间概述11.1城市轨道交通概述11.1.1城市轨道交通的定义和特点11.1.2城市轨道交通的类型21.1.3城市轨道交通系统组成51.2城市轨道交通闭塞区间的功能61.3城市轨道交通闭塞区间的组成71.4城市轨道交通闭塞区间的开展10第二章移动闭塞系统142.1城市轨道交通信号系统142.1.1城市轨道交通信号系统简介142.1.2列车自动控制系统152.1.3城市轨道交通信号系统的闭塞方式162.2移动闭塞系统简介20移动闭塞系统概念20移动闭塞系统原理212.3移动闭塞系统的功能232.3.1ATP功能232.3.2ATO功能242.3.3ATS功能252.4移动闭塞系统车-地通信方式262.5典型移动闭塞系统简介292.5.1Alcatel的SeltracMB系统292.5.2Alstom的URBALIS300系统302.5.3Siemens公司的RFMeteor系统30第三章后备系统323.1后备系统简介33后备系统定义33后备系统功能33完毕语35..第一章城市轨道交通闭塞区间概述1.1城市轨道交通概述城市轨道交通的定义和特点城市中，使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统称为城市轨道交通。国家标准"城市公共交通常用术语"〔GB56551999〕中，将城市轨道交通定义为"通常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通之总称〞。城市轨道交通是城市公共交通的一个重要组成局部，随着城市的不断开展，它逐渐成为城市主要的交通工具。它以其鲜明的特点，赢得了城市管理者和市民的青睐，成为"城市交通的主动脉〞。它的特点包括以下几点。1、平安城市轨道交通大局部与地面隔离，其特定的路权方式使系统平安可靠。此外因为城市轨道交通具有运量大的特点，人们在设计、建立、管理以及资金投入方面，对其平安也特别重视。2、快捷城市轨道交通的线路条件不受地面环境影响，并且有良好的控制系统，速度快。3、准时城市轨道交通在其专用的轨道上行驶，在可靠技术下，按照运营方案行驶，一般都会正常准时运营。4、舒适城市轨道交通都有良好的环控体系和候车环境，乘车舒适性好。5、运量大城市轨道交通的车厢空间大，一列城市轨道交通列车可载1400人以上。6、无污染城市轨道交通的动力是电能，没有污染。7、占地少，不破坏地面景观城市轨道交通的线路主要在地下，占用城市地面面积少，不会破坏地面景观。但是，城市轨道交通也存在如建立投资大、路网构造不易调整、运营本钱高、条件技术要求高等缺点。城市轨道交通的类型按照不同的标准，城市轨道交通〔简称城轨〕可以划分成不同的类型如按轨道交通空间位置划分，可分为铁路，地面铁路和高架铁路；按铁道形式化分，可分为重轨铁路、轻轨铁路和独轨铁路；按效劳区域划分，可分为市郊铁路、市铁路和区域快速铁路等。由于目前各国对城市轨道交通的划分尚未有统一的标准，造成城市轨道交通的类型也不是很明确。地铁地下铁道交通〔简称地铁〕是一种在城市中建立的快速，大运量的轨道交通，通常以电力牵引，其单向顶峰小时客运能力可达30000人次以上，它的线路通常设在地下隧道，也有的在城市中心以外区域从地下转到地面或高架桥上。目前世界上一些著名的特大城市，如纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、、等，均已形成一定的城市轨道交通规模和网络，且以地铁为主干，延伸到城市的各个方向。地铁具有以下特征：全部或大局部线路建于地面以下。建立费用大、周期长、本钱回收慢。行车密度大，速度高。客运量大，一般在顶峰时单向客运量为3万至7万人次/h。地铁列车的编组数决定于客量和站台长度，既平安，又舒适。地铁车辆的消声减震和防火均有严格要求，既平安又舒适。供电制式主要有直流750V第三轨受电或直流1500V架空线受电。轻轨城市轻轨铁路〔简称轻轨〕泛指顶峰时单向客运量在1万至3万人次/h的中等运量的轨道交通系统。轻轨是老式的地面有轨电车的根底开展起来的，在西欧、北美等地已经成为城市公共交通的主流。轻轨与一般的铁路相比，具有以下特征:〔1〕线路可以为地面、地下和高架混合型，一般与地面道路完全隔离，半封闭或全封闭专用车道。〔2〕建立费较少，每公里线路造价仅为地铁的1/5~1/2。〔3〕中等运量，每小时单向运输能力2万至4万人次，介于地铁和公共汽车之间。〔4〕轻轨车辆有单节4轴车，双节单绞6轴和3节双绞8轴车等。〔5〕对车辆和线路的消声和减震有较高要求。〔6〕供电制式以直流750V架空线〔或第三轨〕供电为主，也有局部采用1500V和直流600V供电。3、市郊铁路市郊铁路是指城市市区与郊区，尤其是远郊区联系起来的长距离城市轨道交通系统。它主要为短途、通勤的旅客提供运输效劳，故也称为通勤铁路〔muterrail〕或地区铁路(regionalrail)。现在其概念围也在扩大，包括了城际间直达的高速铁路，俗称"快轨〞。和其他的轨道交通形式相比，它具有如下特点：〔1〕站间距大〔2〕速度快，最高速度可达100km/h以上。〔3〕建立本钱低，一般每公里线路造价大约是地铁的1/10~1/5.〔4〕运量大，单向运送能力高达60000至80000人次/h。4、独轨独轨铁路简称独轨，是指车辆在一般轨道上运行的一种轨道交通系统。通常分为跨坐式和悬挂式两种类型。前者车辆的走形装置跨骑在走形轨道上，其车体重心处于走形轨道上方。后者车体悬挂于轨道梁上行走的走形装置下面，其重心处于走形装置下面。独轨交通的优点是:〔1〕线路多架于空中，可充分利用城市空间，适宜于在大城市的繁华中心区建立，具有交通和旅游观光的双重作用。〔2〕线路构造简单，建立费用低，为地铁的1/3左右。〔3〕能实现大坡度和小半径曲线运行，可绕行城市的建筑物。〔4〕一般采用轻型车辆，列车编组为4至6辆。〔5〕走行装置采用空气弹簧和橡胶轮构造，并采用电力驱动，故运行噪音声低，无废气，乘坐舒适。独轨铁路交通的特点是：〔1〕能耗大。由于其走行装置采用橡胶轮，它与混凝土轨面的滚动摩擦阻力比钢轨大，故其能耗比一般轨道交通大约大40%，且有轻度的橡胶粉尘污染。〔2〕运能较小，一般每小时单向最大客运量为1.2万人次。〔3〕独轨线路不能与常规的地铁、轻轨等接轨。〔4〕道岔构造复杂，笨重，转换时间较长，从而延长了列车折返时间。〔5〕列车运行至区间时假设发生事故，疏散和救援工作困难。城市轨道交通系统组成城市轨道交通系统由车辆，供电系统、通信系统、信号系统、自动售检票系统、空调系统、屏蔽门、自动扶梯和电梯、防火、灭火系统、给排水、综合监控系统组成。1、车辆城市轨道交通的车辆是用来运输旅客的工具，按有无动力可划分为两大类：拖车〔T〕，本身无动力牵引装置；动车〔M〕，本身有动力牵引装置。在运营时城轨列车一般采用动托结合、固定编组的电动列车形式。城轨车辆不仅要有良好的牵引、制动性能，保证运行平安、正点、快速；同时又要有良好的旅客效劳设施，是旅客感到舒适、文明、方便。2、供电系统城市轨道交通供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和轨道交通供电系统实现输送或变换，最后以适当得电压等级的电流形式供应用电设备。3、通信系统城市轨道交通的通信系统是传递语言、文字、数据、图像等多种信息的综合业务数字系统。它包括：数字传输、交换、高度、有线和无线图像、有线播送、时钟、电源等设备系统。4、信号系统城市轨道交通的信号系统是保证列车运行平安和提高线路通过能力的重要设备。以前列车的运行，主要是驾驶员根据色灯信号〔红、黄、绿〕进展操作。而城市轨道交通具有高密度、短间隔、站距短和快速等特点，其信号系统也从传统的方式，即以地面信号的显示传递行车命令，驾驶员按行车规那么操作列车的运行的方式，开展到按地面发送的信号自动监控列车速度和自动调整列车追踪间隔的方式。实现这一方式的关键设备是列车自动控制系统ATC(AutomaticTrainControlSystem)。5、其他自动售检票、暖通空调、屏蔽门、自动扶梯和电梯、防火、灭火系统、给排水、综合监控系统等环控设备，在保证乘客有一个良好的候车环境到达同时，更保证了乘客能够平安、快速的乘坐列车。1.2城市轨道交通闭塞区间的功能为保证行车平安和铁路线路必要的通过能力，把铁路分成假设干个长度不等的段落，每一段线路叫做一个区间。相邻两个区间的分界称为分界点，分界点是车站、线路所及自动闭塞区间通过信号机的通称。区间根据分界点的不同分为站间区间，所间区间及闭塞分区三类。站间区间指两端的分界点均为车站的区间。所间区间指两端的分界点为线路所与车站间的区间，是在非自动闭塞区段上为了提高铁路线路的通过能力设置的最简单的分界点。在线路所设有通过信号机，用以划分区间，并有专人办理接发列车的工作。通过信号机是自动闭塞区段上的分界点，它将站间区间划分为几个闭塞分区，以提高通过能力并自动的指示列车运行。线路所及其通过信号机，仅作调整列车运行之用，目的在于保证行车平安，以及必要的线路通过能力。地铁是采用移动闭塞列车运行间隔自动调整，又称为移动自动闭塞系统。这种设备不需要将区间划分成固定的假设干闭塞分区，而是在两列车间自动地调整运行间隔，使之经常保持一定的距离。所以称列车运行自动调整，他可以大提高区段的通过能力。移动闭塞方式的列控系统也采取目标距离控制模式。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，采用一次制动方式。通过ATC列车自动控制系统及三个子系统ATP、ATO、ATS互相渗透，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以平安为根底，及行车指挥和运行调整等功能为一体的列车自动控制系统。通过信息交换网络构成闭环系统，充分发挥了保证行车平安、提高运行速率、缩短行车间隔、促进管理、提高综合运营能力和效劳质量的作用。1.3城市轨道交通闭塞区间的组成城市轨道交通闭塞区间设备有：64D型继电半自动闭塞是由半自动闭塞机、半自动闭塞用的轨道、操纵和表示设备以及闭塞电源、闭塞外线等局部组成。此外，在控制电路中还包括了车站的进、出站信号机的控制条件，它们之间以电线相连，借以实现彼此间的电气联系。为了实现闭塞设备之间的相互联系与控制，在相邻两车站上属于同一区间的两台闭塞机之间，用两外线连接。64D型继电半自动闭塞设备之间的联系如图7－2－2所示。图7－2－264D继电半自动闭塞设备之间的联系1、轨道电路64D型继电半自动闭塞，在每个车站两端进站信号机的方需设一段不小于25m的轨道电路。其作用，一是监视列车的出发，使发车站闭塞机闭塞；二是监视列车的到达，然后由接车站值班员办理到达复原。由于这两个作用〔尤其是第一个作用〕的重要性，即轨道电路的动作直接影响行车平安，所以要求轨道电路不仅能够稳定可靠的工作，而且能满足"故障—平安〞的要求。继电半自动闭塞的发车轨道电路应采取闭路式。因为当轨道电路发生断线或瞬连续电时等故障时，轨道继电器衔铁落下，使闭塞机处于闭塞状态。而继电半自动闭塞的接车轨道电路应采用开路式。因为，当发生断线或瞬连续电事故时，轨道继电器不动作，不会使闭塞机构成虚假到达。单线继电半自动闭塞区段由于接、发车轨道电路是共用的，故采用闭路式为好。当采用一段开路式轨道电路时只要一处断线，列车出发时就会产生闭塞机不闭塞的故障，可能造成重大行车事故。所以为了保证行车平安，不准只采用一段开路式轨道电路。由上述分析，单线继电半自动闭塞专用轨道电路最好采用两段：一段开路式和一段闭路式。这样，既能满足接车轨道电路的要求，又能满足发车轨道电路的要求。2、操作和表示设备单线继电半自动闭塞的操纵和表示设备有：按钮、表示灯、电铃、和计数器等、这些元件安装在信号控制台上。〔1〕、按钮为了办理两站之间的闭塞和复原要设：1〕、闭塞按钮BSA：二位自复式按钮，办理请求发车或同意接车时按下。2〕、复原按钮FUA：二位自复式按钮，办理到达复原或取消复原时按下。3〕、事故按钮SGA：二位自复式按钮，平时加铅封。当闭塞机因故不能正常复原时，破封按下，使闭塞机复原。〔2〕、表示灯车站的每一个接发车方向各设继电半自动闭塞表示灯两组。1〕、发车表示灯FBD：由黄、绿、红三个光点式表示灯组成。表示灯经常熄灭，黄灯点灯表示本站请求发车，绿灯点亮表示对方站同意发车，红灯点亮表示发车闭塞。2〕、接车表示灯D：由黄、绿、红三个光点式表示灯组成。表示灯经常熄灭，黄灯点灯表示对方站请求接车，绿灯点亮表示本站同意接车，红灯点亮表示发车闭塞。当接、发车表示灯同时点亮红灯时，表示列车到达。每组三个表示灯用箭头围在一起，箭头表示列车运行的方向。表示灯的排列顺序为，从箭头的方向起为黄、绿、红。假设车站为计算机联锁采用显示器时，在屏幕上分别用黄、绿、红箭头作为半自动闭塞联系信号，接车方向箭头指向本站，发车方向箭头指向对方站。〔3〕、电铃DL电铃是闭塞机的音响信号，在闭塞电路总采用直流24v电铃，它装在控制台里。当对方站办理请求发车、同意接车或列车从对方站出发时，本站电铃鸣响；当对方站办理取消复原或到达复原时，本站电铃也鸣响。此外，如果接车站轨道电路发生故障时，当列车自发车站出发后，接车站电铃一直鸣响〔但此时因电路中串联一个电阻，音量较小〕，以提醒接车站及时修复轨道电路，准备接车。〔4〕、计数器JSQ计数器是用来记录车站值班员办理事故复原的次数。每按下一次SGA，JSQ自动转换一个数字。因为事故复原是在闭塞设备发生故障时的一种特殊复原方法，当使用事故按钮使闭塞机复原时，行车平安完全是由车站值班员认为保证，因此必须要严格控制。使用时要登记，用后要及时加封，而且由计数器自动记录使用的次数。3、闭塞机闭塞机由闭塞设备的核心，它由继电器而和电阻、电容器等元器件组成。在电气集中联锁车站，采用组合式，即将插入式继电器和电阻、电容器安装在组合架上。它们构成半自动闭塞电路。完成闭塞作用。4、闭塞机外线继电器半自动闭塞的外线原是与站间闭塞共用的。但随着干线电缆或光纤线路的开展，最好将闭塞机外线和闭塞外线分开。1.4城市轨道交通闭塞区间的开展19世纪中叶出现火车之后，为了保证列车的平安，采用人骑马作为列车运行先导，以后又用过在一定距离设置导运人员，挥旗来表达列车可否平安前行。随着列车速度提高、密度增加，上述方法被淘汰，如何保障一个区间只能运行一列列车的闭塞概念被提出，1832年莫尔斯电报机创造后，很快就引入到铁路。1841年英国人提出闭塞电报机专利，并于1851年在英国铁路获得普及应用。1876年创造了，又实现了闭塞，〔电报〕闭塞靠人工保证行车平安，两站间没有设备上的锁闭关系。1878年英国人泰尔(Tyres)创造电气路牌机，即两相邻车站各有一个路牌机，它们之间有电气联接，两站之间有列车运行，一定要领到一个路牌才能作为运行的凭证，而在平时，在一个时间只允许有一个路牌从中取出，这样保证了行车平安。1889年英国人韦布和汤姆森(webbandThomson)创造了电气路签机，它工作原理与电气路牌机相似，即平时在一组路签机中只能取出一枚路签供运行的列车司机作为行车凭证。早期的闭塞问题主要是防止列车对向相撞问题，随着铁路繁忙起来，为了提高运输效率，人们希望同一方向可以发追踪列车，因此，要保证列车的平安，不仅要防止对向相撞问题，还要有防止列车尾追。最初采用的闭塞制度是时间间隔法，即前行列车和追踪列车之间必须保持一定时间间隔的行车方法。领先行列车出发后，经过一定的时间，才允许后续列车出发。由于先行列车可能在途中减速或因故停留在区间，有可能发生后续列车撞上前行列车的追尾事故。故此方法很不可靠。1842年英国人库克提出了空间间隔法，空间间隔法是控制前行列车和追踪列车之间保持一定距离的行车方法。一般以相邻两车站之间作为一个区间，或将区间的铁路线路划分为假设干个独立的区间(称为"闭塞分区〞)，一个区间或一个闭塞分区同时只能允许一列列车运行，因为它能较好地保证行车平安而被广泛采用，逐步形成铁路区间闭塞制度。轨道电路的出现，为空间间隔法奠定了根底，首先是将两车站之间的整个区间分成假设干个段，每一段成为一个闭塞的分区间(如图7－1－1所示)。如图7－1－2所示，在闭塞分区设置轨道电路，在闭塞分区始端设有信号，这些信号机平时显示绿灯，称为"定位开放式〞；并且规定：一旦有一个列车占用了此区间，就不再允许有第二个列车进入此闭塞区间，此时闭塞分区段始端的信号出现制止信号〔显示绿灯〕，要求后续列车在此闭塞分区的始端信号前完全停车。形成了原始的自动闭塞。自动闭塞解决了列车追踪的平安间隔控制问题，但是固定分区的自动闭塞条件下，为了保证足够的平安间隔距离，通常在前行列车与追踪列车之间保存的一定距离，这个距离过小，无法保证列车平安，距离过大，影响了行车密度。随着列车运行自动控制技术特别是无线通信技术的开展，近些年准移动闭塞及移动闭塞技术得到快速开展。以同方向保持最小运行间隔的前行列车尾部和追踪列车头部为活动区间的闭塞〔如图7－1－3所示〕。〔C〕图7－1－1固定闭塞示意图图7-2自动闭塞示意图DirectionofTravel－运行方向；Signal－信号机；Train〔1、2〕－列车；Block－区间。图7－1－3移动闭塞线路闭塞分区行车闭塞制式大致经历了：电报或闭塞—路签或路牌闭塞—半自动闭塞—固定分区自动闭塞准移动闭塞移动闭塞的开展过程。局部城市的地铁已开场应用移动闭塞技术。第二章移动闭塞系统移动闭塞的概念虽然很早就提出了，但是受当时技术条件的限制，国外的研究都仅限于实验室阶段。到了二十世纪八十年代，计算机、通信、控制等3C技术迅猛开展，人们又重新开场对移动闭塞系统进展研究。目前，在城市轨道交通领域比拟有代表性的移动闭塞系统主要有Alcatel的SeltracMB系统Alstom的URBALIS300系统、Bombardier的CITYFLO*650系统、GE的AATC系统、Siemens的Meteor系统等等。目前投入商业运营的移动闭塞系统的车一地数据通信多采用感应环线〔InductiveLoop〕方式，局部线路也采用无线扩频〔RadioFrequency〕方式。2.1城市轨道交通信号系统城市轨道交通信号系统简介(1)城市轨道交通信号系统的开展史在城市轨道交通信号系统一百多年的历史中，共经历了俩个开展阶段。在20世纪60年代以前，城市轨道交通信号系统根本上沿袭了大铁路的信号系统，由信号机、联锁设备、轨道电路、闭塞设备、机车信号、自动停车以及调度集中等传统的信号设备组成的。这是城市轨道交通信号系统的第一阶段——传统信号系统阶段。随着工业化程度的提高，世界城市人口急剧膨胀，从而对城市轨道交通的载客能力提出了越来越高的要求。缩短行车间隔是提高载客能力最有效的方法之一。自上世纪70年代起，世界上一些著名的信号厂商，如英国的WestingHouse、德国的Siemens、日本的Hitachi等相继推出新颖的列车自动控制系统(AutomaticControl,简称ATC)。这是城市轨道交通信号系统的第二个阶段——现代信号系统阶段，这一时期的信号系统以ATC系统为核心。最早的ATC系统采用固定闭塞方式，利用音频轨道电路来实现列车定位、速度码的传输，采用阶梯式速度曲线来控制列车。采用这种方式的列车控制系统控制精度不高，舒适度较差。此外，由于闭塞分区长度的划定按照最长列车、满载、最高允许速度、最不利的制动率及最小列车运行时间间隔等来严格设计，影响了行车效率。移动闭塞系统经过十几年的开展已经趋于成熟，AlcatelSiemensBombardier等国际信号厂商已经开发了基于无线通信技术的移动闭塞系统，并已在SanFranciscoAirportPeopleMover、IasVegasMonorail等多条线路上投入使用。(2)城市轨道交通信号系统的特点城市轨道交通信号系统和大铁路信号系统有着许多相识的地方，但也存在着一些不同之处，主要反映在以下方面：1、城市轨道交通运行间隔短、行车密度大。高密度的运行是城市轨道交通的主要特点。为此，信号系统需要努力追求最小的行车间隔以保证高密度的运行。2、系统性强，集成度高。城市轨道交通信号系统表现出很强的系统性系统的集成度高，各子系统关系也更加严密，信息交换更加频繁，只有在各子系统的密切配合下，才能保证列车高密度的平安运行。此外，作为整个城市轨道交通系统的一个子系统，与通信等其他子系统结合非常严密。3、高度平安性和高度可靠性。城市轨道交通系统对平安性、可靠性的要求非常高，设备大多采用双机热备，三取二等冗余构造。4、信息的应变速度快、信息量大，这主要是为了满足行车密度大、站间距离短的要求。5、自动化程度高。相比大铁路，城市轨道交通信号系统的自动化程度较高，可以实现ATO，甚至无人驾驶。列车自动控制系统列车自动控制系统〔AutomaticTrainControl,简称ATC〕是现代化城市轨道交通信号系统的核心，是城市轨道交通系统中保证行车平安、缩短列车运行间隔、提高列车运行质量的先进控制设备。系统采用通信、计算机、控制等先进技术来实现对列车自动控制的各项专用功能，在全世界的许多城市轨道交通线路中已经投入使用。随着新技术的开展，不同制式的控制系统相继研发成功，平安性，可靠性和系统功能日趋完善。ATC系统中主要包括列车自动保护子系统〔AutomaticTrainProtection,简称ATP〕、列车自动监控子系统〔AutomaticTrainSupervision,简称ATS〕、列车自动运行子系统〔AutomaticTrainOperation,简称ATO〕三个子系统，是一套完善的集中控制，监视，管理于一体的系统。ATP子系统为整个ATC系统的平安核心，负责列车间的平安分隔、超速防护等。位于管理级的ATS子系统负责完成行车指挥等功能。ATO子系统结合ATP和ATS子系统完成列车的牵引、制动、停车等根本操作。3个子系统既相互独立又相互联系，完整的ATC系统能确保列车平安、快速、短间隔的有序运行。ATC系统设备分布于控制中心，轨旁以及车上，其系统框图如图2.1所示。在控制中心，有控制台、调度员工作站等设备，其控制及表示信息通过数据传输系统与车站的ATC系统相连；轨旁通过车站数据传输系统与控制中心相连，通过车、地面通信系统与车载设备通信；车载ATC系统通过轨道电路等方式接收来自轨旁的命令，然后控制列车的运行及制动，完成列车定位停车。城市轨道交通信号系统的闭塞方式目前，用于城市轨道交通信号系统的闭塞制式主要有两种：固定闭塞和移动闭塞。(1)固定闭塞系统固定闭塞系统〔Fixedblocksystem〕一般都基于轨道电路传输信息，列车以闭塞分区为最小行车间隔。固定闭塞系统传输的信息量少，对应每个闭塞分区只能传送一个信息代码，即该区段所规定的最大速度码或入口/出口速度命令码。列车速度监控采用的闭塞分区入口/出口检查方式，当列车的出口速度大于本区段的入口/出口速度命令码所规定速度时，车载设备便启动常用制动系统，将列车速度降低到限制速度以下。如果常用制动仍未到达速度的要求，列车即实施紧急制动停车，实现列车超速防护。为了进一步保障列的平安，在停车点前方设置一个闭塞分区，即保护区段。如图2.2为固定闭塞系统采用的阶梯式列车运行模式曲线。由于固定闭塞系统的ATP采用阶梯式控制方式，对列车运行控制精度不高，降低了列车运行的舒适度。此外，固定闭塞分区的划分依赖于特定列车的性能，对线路上有不同性能的列车时，为保证平安，只能按最不利的条件设计，影响运行效率也不适应今后列车类型的变更。该技术属于二十世纪八十年代水平，英国的Westinghouse公司、美国的GRS公司分别用于地铁1号线、地铁1号线的ATC系统属于此类型。按照对列车的最终控制方式，固定闭塞系统被分为阶梯式的速度曲线控制方式、速度-距离模式曲线控制方式两种。其中，前者是传统的固定闭塞系统。而后者称之为准移动闭塞系统。准移动闭塞系统一般采用数字式音频无绝缘轨道电路来实现，其主要技术特点如下：1、线路划分仍采用假设干固定的闭塞分区；2、一个闭塞分区仍只能由一列列车占用；3、列车间隔为假设干闭塞分区，列车制动起点根据列车实时速度距离计算，生成速度-距离制动曲线，终点是前方列车占用闭塞分区的边界；4、采用连续曲线速度控制方式，只需要一定长度的保护距离〔据前行列车占用闭塞分区的边界〕准移动闭塞采用的制动平安原理如图2.3所示图2.3最上部的曲线①为列车最大平安速度曲线，由线路、限界、车长等条件所确定；曲线②为紧急制动触发线，一旦列车速度到达此速度，列车马上实施紧急制动，系统设计应保证出发紧急制动后不会触到最上部的曲线①；曲线③为列车紧急制动后实际运行轨迹；最下部的曲线④为列车常用制动曲线。由于采用数字式的音频无绝缘轨道电路作为列车占用检测和ATP信息传输媒介，因而具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。通过轨道电路的发送设备向车载设备提供目标速度、目标距离、线路条件〔曲线半径、坡道等数据〕等信息，车载设备结合车辆性能数据计算，并调整出适合本列车运行的速度/距离曲线，保证列车速度/距离曲线下有序运行，提高了线路的利用率。采用速度/距离模式曲线的列控方式，提高了列车运行的平稳性，列车追踪运行最小平安距离间隔较固定闭塞短，对提高通过能力有利。ATS、ATP子系统与ATO子系统结合性较强，ATC系统技术成熟。因ATP车载设备具有自能化功能，故使用的兼容性好，车辆有可能适应于不同路线运行的需要，或者可以使不同的车辆在同一线路上实现混跑。该技术属于二十世纪九十年代水平，德国Siemens为1、2号线提供的信号系统、美国US&S为2号线、XX津滨轻轨提供的信号系统都属于这种制式。〔2〕移动闭塞系统移动闭塞信号系统中没有闭塞分区的概念，列车平安间隔距离是根据最大允许车速、当前停车点位置、线路等信息计算得出，信息被循环更新，以保证列车不连续收到"即时〞信息。移动闭塞系统通常采用无线通信、感应环线、泄露电缆等传媒方式，在轨旁和车载设备之间实现高速、大容量的实时信息传输。移动闭塞ATC系统是利用列车和地面间的双向数据通信设备，是地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息，并据此计算出每一列车的运行权限，动态更新发送给列车，列车根据接收到的运行权限和自身的运行状态，计算出列车运行的速度曲线，实现准确的定点停车。在国，目前已经建成的城市轨道交通中，仅轻轨采用了移动闭塞系统，该系统为Alcatel的基于感应环线的Seltrac系统。正在修建的地铁3号线也将采用该系统，而地铁4号线很可能采用西门子公司为其提供的基于无线通信的移动闭塞系统。与准移动闭塞系统、固定闭塞系统相比，移动闭塞系统的平安性、可靠性以及线路通过能力等方面有着较大优势，表2.1是三种闭塞制式在各方面的一个比拟。2.2移动闭塞系统简介移动闭塞系统概念移动闭塞系统是相对于固定闭塞而言的。该系统没有固定的闭塞分区，其闭塞分区的长度随着线路条件的变化而变化，并随着现行列车的运行而移动，故称之为移动闭塞〔MovingBlock〕。移动闭塞系统通常采用基于通信的列车控制〔munications-BasedTrainControl,简称CBTC〕技术实现。移动闭塞系统和CBTC系统从本质上讲是一致的，是从不同角度来命名该信号系统；前者是根据信号系统的制式命名，后者那么是从系统采用技术手段来命名。关于CBTC系统，IEEE1474.1-1999中给出了其定义；利用高精度的、不依赖于轨道电路的列车定位技术，实现连续的、大容量的双向车—地数据通信，拥有执行平安功能的车载及轨旁处理器的一种连续式的自动列车控制系统。移动闭塞系统原理前面所说的闭塞都是把区间划分为固定分区的固定闭塞，固定闭塞是根据性能最差的列车制动距离来确定闭塞分区的长度，因此，对于制动性能较好列车冗余距离过大，限制了行车密度和区间通过能力的提高。移动闭塞是相对于固定闭塞而言的，移动闭塞不需要划分闭塞区间，根据连续检测先行列车位置和速度，进展列车间隔控制，确保追踪列车不会与先行列车发生冲突，能够平安停车的闭塞方法。DirectionofTravel－运行方向；BrakingCurveForTrain〔1、2、3〕－制动曲线；Train(1、2、3)－列车；NormalSpeed－正常速度。图7－5－4移动闭塞示意图移动闭塞方式的列控系统也采取目标距离控制模式〔又称连续式一次速度控制〕。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，采用一次制动方式。移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部，当然会留有一定的平安距离，后行列车从最高速开场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。目标点是前行列车的尾部，与前行列车的走行和速度有关，是随时变化的，而制动的起始点是随线路参数和追踪列车本身性能不同而变化的。空间间隔的长度是不固定的，所以称为移动闭塞。其追踪运行间隔要比准移动闭塞更小一些。移动闭塞一般采用无线通信和无线定位技术来实现。如图7－5－4所示。移动闭塞条件以下车追踪间隔模型设前方列车与追踪列车的最小间隔为，两者的速度、减速度及空走时间分〔a〕相对制动方式〔b〕绝对制动方式图7－5－5MAS条件以下车追踪间隔控制原理MAS：系统实现无线应用的接入工具显然，在相对制动方式下的追踪间隔较短，因此，效率较高，同时，危险性也较大。至于应该采用何种方式。应结合多种因数进展综合考虑，这可以通过大量的仿真来比拟。另外，这里的值仅是两车之间的最短距离，其作用仅仅是保证行车平安。为了使追踪列车速度不会因前车速度的正常波动而受到影响，还必须考虑附加的缓冲距离。的取值相当微妙，取值过大，那么会降低线路的通过能力；取值过小，又会降低列车允许平稳性。移动闭塞虽然也有防护列车运行平安的闭塞区间，但其闭塞区间是移动的，不再设置固定的信号机，它随后续列车和前方列车的实际行车速度、位置、载重量、制动能力、区间的坡道、弯道等列车参数和线路参数的具体情况不同而不同。2.3移动闭塞系统的功能一个完整的移动闭塞系统应该具有ATP、ATO、ATS三个子系统的功能。ATP功能移动闭塞系统需具备双向的列车自动保护功能。ATP子系统包含了ATC系统中负责平安列车运行的平安性功能，需满足"故障-平安〞原那么，通常由车载设备和地面设备来组成，其功能包括：a、列车定位及速度、方向检测列车定位及速度、方向检测是移动闭塞系统最根本的ATP功能之一。移动闭塞系统通常采用环线、无线等方式来实现定位功能，精度可控制在±0.5-±2km/h。b、列车的平安分隔根据实时计算的结果，移动闭塞系统会对拥有车载设备的列车发送一个移动授权限制〔NAL〕命令。移动授权限制的计算建立在现行列车的位置、制动曲线等因素的根底之上。通常情况下，根据系统给定的平安制动模式，能使列车平安停车至MAL的末尾的速度为该时刻列车的允许速度。C、超速防护采用移动闭塞系统的城市轨道交通由于行车间隔小、密度大，所以信号系统必须为其提供超速防护功能。d、零速检测零速检测的目的在于验证列车在采取制动措施后是否已经停车。如果失败，列车将采取紧急制动。如果探测到列车连续超过2秒速度在1km/h-3km/he、门控连锁1、列车速度为"零速〞；2、常用制动已经实施；3、列车门处于乘客上下车区；4、车门位于允许下车侧；F、紧急制动紧急制动是列车最大减速度的制动，是列车最后的"惩罚性〞停车措施。列车采取紧急制动措施的情况有：1、当列车速度超过ATP允许的最大曲线；2、系统中某些设备故障；3、站台紧急停车按钮等紧急制动装置激活。与常用制动不同，紧急制动为"不可逆〞制动。重新启动后，只有系统检测到ATP条件正确，才允许为该列车排列进路。g、进路连锁同其它信号系统一样，移动闭塞系统需提供进路联锁功能。在进路设置完毕且锁闭的情况下，列车才会被授予进入该联锁区的移动权限。除上述这些功能之外，移动闭塞系统具备的ATP功能有：倒溜保护、末轨检测、列车的完整性检测、限速防护、对紧急停车装置的检测等。2.3.2ATO功能ATO子系统是自动控制列车运行设备，由车载设备和地面设备组成，结合ATS和ATP子系统完成以下功能：a、速度控制在ATP、ATS功能的围，移动闭塞系统为所有列车提供完整的自动运行功能。根据线路情况、临时限速等，移动闭塞系统控制列车的巡航速度、加速、减速等。b、站台自动停车功能含有ATO功能的移动闭塞系统需提供列车在站台的自动停车功能。该功能提供一系列自动站台位置功能。1、通常情况下，列车自动停车到站台开门区的中心位置。如果需要，可以指定其他位置。2、如果站台较长，移动闭塞系统将支持多点停车。3、如果站台足够长，可以容纳第二辆列车驶入并停车，移动闭塞系统可为其提供自动操作和保护。4、一旦现行列车离开，移动闭塞系统方允许后续列车驶入车站。c、车门操作移动闭塞系统在列车到达车站后，能自动的翻开和关闭列车乘客门。通常情况下，ATO会发出一个声音信号提示司机或列车长手动关闭车门。ATS功能a、列车监视和追踪功能移动闭塞系统要求对路线中的每一列车进展实时地监视和追踪，并将列车的车次、进路、时刻表、状态等相关数据发送至调度员工作站，同时显示在运营中心的大屏幕上。b、运行图功能移动闭塞系统需要提供运行图的指定、在线调整、显示、打印等功能。运行图通常定义了一天当中线路运营所使用的效劳模式和级别。每个运行图由假设干时间段构成，这些时间段为一天当中不同时间的班次定义了调整模式〔如到达时间和运行线〕。一个运行班次是运行图中的一个时间段，列车必须按此运行。运行图对各效劳级别之间的转换进展了定义，使得列车在一天当中可以进入、退出和继续运营。调度员可根据运营的实际情况随时调整运行图，以更好的满足运营要求。c、进路控制功能移动闭塞系统要求ATS子系统能为列车自动建立进路，并根据实际情况随时调整列车的运行。d、优化节能功能节能是移动闭塞系统一个特点。用户可以定义整个系统的运行策略以减少能量的消耗。这些策略包括最大的惰行、使用最小的加速度、尽可能多地用再生制动等等。e、站台停车功能移动闭塞系统可以灵活的处理各种需求的站台停车情况，具体功能如下：1、下一站停车：ATS功能应当允许一列列车或一组列车直接停在某一特定站，即使该列车的运行图原本要求跳过这一站。2、扣车：ATS功能要求可以在某一特定车站扣停某一列车并制止该车车门自动翻开。3、跳停:ATS功能要求系统跳过某一特定车站，即使运行图要求其在该站停车。f、旅客信息显示系统〔PIIS〕接口PIIS是移动闭塞系统的ATS功能之一。根据列车的运行报告，向旅客信息显示系统提供列车的目的站、下一站站名、到达时间等信息。g、故障报告移动闭塞系统要求系统所有设备的状态实时报告给中央的ATS系统。如果发生故障，系统将根据故障等级发出报警，以提示调度员进展排查。除发生上述功能外，移动闭塞系统还可以提供临时限速、建立人工进路等功能。2.4移动闭塞系统车-地通信方式由IEEE关于CBTC系统的定义可知：移动闭塞系统必须实现轨旁与列车间的连续的、大容量的、双向数据传输。传统的轨道电路、应答器等装置很难满足这个要求，必须寻求更为先进的通信手段实现。目前，实现移动闭塞系统车-地数据通信的方式主要有以下几种：1、感应环线〔inductiveloop〕穿插感应环线是目前移动闭塞系统中最成熟的车-地通信技术，Alcatel公司的SeltracMB系统、Siemens公司的Meteor系统采用了该技术。感应环线沿整个轨道线路铺设，一根位于轨道中央，一根位于钢轨的腰部下方，每隔一定距离穿插一次。列车经过每个环线穿插点时，车载设备可以检测到环线信号的相位变化，并对相位变化的次数进展计数，从而确定列车运行的距离，到达对列车粗定位的目的。环线穿插点的相位变化原理见图2.72、泄露同轴电缆〔LeakyCoaxialCable〕泄露同轴电缆〔LeakyCoaxialCable〕通常又简称为泄露电缆或泄露电缆，其构造与普通的同轴电缆根本一致，由导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三局部组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁波也可以通过槽孔感应到泄漏电缆部并传送到接收端。目前城市轨道交通信号系统采用的泄露电缆的频段主要为2.4GHz左右，与其它车-地通信技术相比，泄露同轴电缆技术具有信号覆盖均匀，尤其适合地铁隧道等狭小空间、节省频带资源等特点。同时，泄露电缆开槽要求尺寸严格、价格比拟昂贵，限制了技术应用。3、波导管泄露波导因为波导自身具有较强的构造特性，通常沿钢轨或隧道顶部铺设，传输损耗较小，高频下可达800m，无反射，场强均匀。其缺点是波导的体积较大、安装精度要求较高。缝隙波导与泄露波导有一样的优缺点，但采用等距离的缝隙波导天线后，可以使该天线同时成为列车位置的技术基准，可采用非接触方式进展列车定位，精度较高。4、无线扩频电台该方法采用了目前移动通信领域比拟先进的无线扩频技术。扩频技术基于香农定理，在发送端将待传送的数据用扩频码〔通常采用伪随机序列〕进展编码，从而实现频谱的扩展；在接收端那么用一样的扩频码进展解调，恢复出原始数据。目前，采用该技术的有GE公司的AATC系统、Siemems公司的Meteor系统、Alcatel公司的Seltrac-MB系统等等。图2.8为GE公司在美国旧金山BART所采用的AATC(AdvancedAutomaticTrainControl)系统。该系统有轨旁电台、车载电台共同组成了一个无线通信网络。在可靠性和平安性方面，无线系统与有线系统方式比拟，要差得多。为此，无线系统通常需要采用冗余覆盖，覆盖率高达100%。这种冗余是一种自愈式构造，当其中一个电台故障时，系统可以重新组织，并自动向运营控制中心报告故障电台的位置或编号，从而不会对象路运营带来不便。此外，无线扩频技术还可以用来实现列车定位功能。轨旁电台的位置固定不变，且线路设计时经过准确测量并录入线路数据库。所有电台都由同步时钟准确同步，根据轨旁电台与车载电台之间信息的传输时间就可以很准确的计算列车的位置，实现列车定位功能。目前的采用该方式的列车定位系统定位精度可达1.8m。2.5典型移动闭塞系统简介Alcatel的SeltracMB系统Alcatel公司的SeltracMB系统是基于感应环线或无线扩频技术的移动闭塞系统。该系统可分为3个层次：管理层、操作层和执行层，其中仅管理层为非平安性层。SeltracMB系统的系统构造示意图2.9所示。位于运营控制中心的SMC主要完成ATS功能，负责对列车自动控制系统进展全面的协调管理，为非平安性设备。VCC位于操作层，主要负责信号系统的平安运行，同时还完成中央ATP、ATO和联锁功能。在SMC系统要求时，VCC通过穿插感应环线或无线通信系统与车载ATC设备VOBC进展通信，从而控制列车运行。该设备为平安性设备，采用三取二冗余构造。STC设备是该系统的平安性轨旁子系统，主要完成控制区域道岔、屏蔽门、防淹门等设备的控制盒监视。车载VOBC是ATC系统与车辆系统之间的接口，每列车前后各一套，互为备用：主要负责完成车载列车的ATO和ATP功能。该系统采用中央集中式联锁和ATP/ATO高度集成方式，设备构成简单，可靠性高，调试简单。工期较短。但是由于没有独立的联锁设备，所以一旦VCC、感应环线等设备故障，系统就会瘫痪，影响正常运营。Alstom的URBALIS300系统采用了波导为车-地信息传输媒介，载频在2.5GHz，数据传输的波特率为1Mbit/s。该系统采用SACEM列车运行控制系统，列车定位采用各种信标为线路位置基准，通过波导裂缝和编码里程计连续计算列车位置；联锁设备采用VIP2微机联锁，为双机热备系统，可驱动和监视转辙机、屏蔽门等现场设备；各设备集中站的联锁设备采用VIP2平安通信链路进展联锁数据交换；ATS系统由中央ATS、设备集中站ATS、车辆段ATS组成，采用冗余局域网进展通信。该系统采用分散式构造，将平安功能与非平安功能别离，可用性较高；采用波导管数据传输方式频带较宽、传输速率高，不仅实现了车-地双向通信，而且能传输车载设备状态信息、视频、声音等信号；轨旁设备简单而且多为无源设备，维护工作量小。该系统存在以下问题：波导管需要在轨旁铺设，由于波导管与车载天线间有严格的距离限制，所以安装精度要求较高；采用硬件叠加方式提高可靠性和平安性，造成设备数量、种类繁多，给维修带来许多不便。Siemens公司的RFMeteor系统Siemens公司的Meteor系统目前已经从IL(InductiveLoop，感应环线)系统升级到RF(RadioFrequency，无线)。该系统采用无线扩频电台技术来实现车-地数据通信，目前正在美国纽约的NYCT采用。图2.10为Siemens公司在纽约NYCT上采用的移动闭塞系统构造图。该系统将线路划分为假设干个区域，每一个区域由区域控制器集中控制。一个区域通常含有假设干个定向扩频天线，邻近的几个天线又组成一个无线通信单元。轨旁天线从列车接收到数据信息后，发送至轨旁无线处理器，再经轨旁网络发送至区域控制器；区域控制器根据列车发回的信息结合本地数据库信息，从而控制列车运行。该系统采用移动闭塞制式，极提高了线路的通过能力，使列车控制更加灵活，准确；采用冗余构造、容错技术，可靠性、平安性较高；轨旁设备少，维修工作量小。但是由于采用的2.4GHz为ISM公司公用频段，污染较为严重，平安性较差。虽然采用加密技术，但仍有待提高。第三章后备系统移动闭塞系统采用先进的通信技术来实现车—地通信后，彻底摆脱了轨道电路，轨旁设备较少，维护量小；同时，由于定位准确度提高，列车追踪间隔大大缩短，行车密度大大提高。因此，由于，国外越来越多的城市轨道交通开场采用移动闭塞系统。然而，移动闭塞系统并不是完美无缺。虽然大多数移动闭塞系统都提供了其某些设备故障的情况下降级运营的功能，但是对于中央控制单元、车—地数据通信系统故障等情况，ATC模式无法处理。为此，我们引入了后备系统，对移动闭塞系统进展完善。引入后备系统的必要性主要表现在以下几点：1、作为移动闭塞系统出现故障的情况下的临时替代系统。采用集中控制方式的移动闭塞系统在中央ATS、车站ATS等故障的情况下，系统可以采用降级模式运行。此时系统的运行效率可能会降低，但不会影响系统平安。当车—地通信单元、中央控制单元等设备故障时，设备所在区域就会出现需要人工来保证平安情况，甚至会出现系统崩溃的情况。采用后备系统可以很好地解决这个问题。后备系统下运营的区域采用自动闭塞方式运营，司机根据轨旁轨旁信号机的显示来驾驶列车，列车追踪间隔可保证在10分钟以。2、从功能上对移动闭塞系统进展完善。线路正常运营时，假设出现某列列车双套车载CBTC系统全部故障的情况，或者工程车进入运营线路抢修等情况，ATC模式下的移动闭塞系统将无法处理。采用后备系统我们可以很容易地实现对CBTC列车的定位及跟踪，以方便运营控制中心实时调度，保证线路平安，是线路的正常运营的影响降到最低。城市轨道交通线路都采用分期开通的方式来修建。在移动闭塞系统未完全开通或者两期工程衔接段，后备系统可以解决线路