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1、列控系统原理补充目录第1章 基本概念和名词术语第2章 概述2.1轨道交通列车运行控制系统的发展过程. 2.2列车运行自动控制系统的发展方向.2.3列车运行控制系统的组成及分类2.4不同列车运行控制系统的比较第3章 列车运行控制系统基本工作原理3.1点式列车自动控制系统.3.2连续式列车自动控制系统3.3点连式列车自动控制系统(该部分予留) 第4章 地车信息传输技术4.1地车信息传输系统的分类4.2移频叠加点式信息系统. 4.3FTGS数字编码轨道电路4.4欧洲型查询/应答器4.5GSM-R移动通信4.6微波传输4.7泄漏同轴电缆.4.8毫米波.第五章 测速和定位技术5.1测速方式的分类和基本原
2、理. 5.2常用实时速度的检测技术.5.3列车测距定位基本方法、技术. 第6章 可靠性和安全性设计6.1安全性与可靠性. 6.2系统的安全性保障6.3系统的可靠性保障-第7章 安全相关系统的安全设计与评估体系7.1概述. 7.2轨道交通安全相关系统的评估标准分析.7.3轨道交通信号系统设计和评估体系的建立.第8章 国内外典型列车运行自动控制系统.8.1国内列车超速防护系统和速度监控装置.8.2国外典型列车运行自动控制系统. 第9章 CTCS系统第1章 基本概念和名词术语固定闭塞Fixed Block:线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区,一个分区只能被一列车占用,闭塞分区的长度按最长列车、
3、满负载、最高速、最不利制动率等最不利条件设计,列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨率为一个闭塞分区(一般为几百米),制动的起点和终点总是某一分区的边界,对列车的控制一般采用速度码台阶式制动曲线方式,该系统要求运行间隔越短,闭塞分区(设备)数也越多。移动闭塞(Moving Block):线路没有被固定划分的闭塞分区,列车间的间隔是动态的、并随前一列车的移动而移动,列车位置的分辨率一般为l0米范围内,该间隔是按后续列车在当前速度下的所需制动距离、加上安全裕量计算和控制的,确保不追尾,制动的起始和终点是动态的,对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式,轨旁设备的
4、数量与列车运行间隔关系不大。准移动闭塞(Distance-To-Go):线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区,一个分区只能被一列车占用,闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速、最不利制动率等最不利条件设计,列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨率也为一个闭塞分区(一般为几十米一几百米),制动的起点可以延伸,但终点总是某一分区的边界,对列车控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式,要求运行间隔越短,闭塞分区(设备)数也越多。虚拟/逻辑闭塞(Virtual/Logical Block)线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区,在一个原固定闭塞分区可以被分为几个虚拟
5、分区,闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速、最不利制动率等。最不利条件设计,列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨率也为一个虚拟分区(一般为几十米),制动的起点可以延伸,但终点总是某一虚拟分区的边界,对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式,要求运行间隔越短,分区数也越多,但设备基本不增加。ATC系统：该系统自动控制列车行使，确保列车安全和指挥列车驾驶。ATC必须包括列车自动防护ATP,可以包括列车自动监督ATS和列车自动驾驶(ATO)。列车自动防护ATP系统:作为列车自动控制系统ATC的子系统通过列车检测、列车间隔控制和联锁(联锁设备可以是独立的,有的
6、系统也可以包含在ATP系统中)等实现对列车相撞、超速和其他危险的故障-安全防护列车自动控制系统。列车自动监督ATS系统:作为列车自动控制系统ATC的子系统监督列车、自动调整列车运行以保证时刻表,提供调整服务的数据以尽可能减小列车未正点运行造成的不便。列车自动驾驶ATO系统:作为列车自动控制系统ATC的子系统,执行速度调整的所有或部分速度调整、程序停车、车门控制、性能等级.调整或其他功能。.紧急制动：考虑各种相关因素必需的最大停车距离的故障安全制动。一旦实施紧急制动，中途不可缓解。最大常用制动：可达到最大制动率的常用制动，在达到规定的速度时可以缓解。线路速度限制：由线路纵剖面、轨道以及线路结构决
7、定的线路每一个区间最大允许速度。.基于通信的列车控制（CBTC）：不依赖于轨道电路对列车进行高精度定位；大容量、双向车地数据传输；能够执行至关重要(安全)功能的车载和轨旁处理器。站停时间：移动体(车辆或列车在车站停留的时间,即从停车到发车的时间间隔。故障安全:安全苛求系统的一个设计准则,硬件故障的或软件错误时防止系统呈现或维持一种不安全状态,或者使系统导向安全状态。间隔：在同一线路同一方向上,两列追踪的列车或车辆首尾之间的间隔。联锁:在轨道交叉、分割等处道岔、闭塞和信号装置的布置。设备间的连接必须保证他们的动作必须按照预先设定的次序实现相互有效的制约,从而防止列车追尾或相撞。移动授权:在给定的
8、运行方向下,允许列车进入和通过特定的轨道区间的授权。移动授权由CBTC系统分配、监督和执行以保证安全列车间隔、通过联锁提供防护。冗余：用多于一种手段完成指定功能的系统结构。可靠性:在设计参数范围,特定运营条件及在特定的时间内,系统无故障完成指定功能的概率。安全制动模型:考虑到最不利因素和故障情况,列车实施减速制动直至完全停车模式下的列车性能的描述。一个装备CBTC的列车停车制动距离将等于或小于安全制动模型保证的距离。系统安全：工程、管理准则、标准和技术的应用在系统生命周期各个阶段内运行效力、时间和成本的制约下来优化安全的各方面。系统安全计划:结合系统安全管理和系统安全工程的任务和行为,在系统生
9、命周期内以一种及时、高性价比的方式满足系统安全要求来增强运行的效力。至关重要的功能vital function：安全苛求系统中需要以故障一安全模式执行的功能。安全完善度(Safety Integrity:在安全系统中体现确保安全的能力。其定量指标可以采用在给定时刻系统维持安全功能完善的概率来表示。安全完善度等级Safety Integrity Level ：对系统所要求的安全性完善水平的一种定量指标。是将安全完善度根据安全功能失效的频率和产生的危险严重程度划分成的等级。对不同等级的系统提出不同的技术要求,以便适当地选用可靠性及安全性技术措施来达到相应的技术条件。允许速度：列车运行过程允许达到的
10、最高安全速度。目标速度：列车运行前方目标点允许的最高速度。目标距离,列车前端至运行前方目标点的距离。目标距离模式曲线,以目标速度、目标距离、线路条件、列车特性为基础生成的保证列车安全运行的一次制动模式曲线。固定限速,由线路结构及道岔位置决定的最高运行速度。临时限速,由行车人员临时给出的列车限速。走过防护区段,为保证行车安全在禁止信号内方设置的防护区段。冒进防护,列车越过禁止信号立即触发紧急制动。车尾限速保持,为了防止列车尾部在限速区段超速,在相关区段采取的限速措施。习题:1.固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞、虚拟闭塞的基本概念及其相互区别。2.故障安全、安全完善度等级的概念及其相互区别。3.列车
11、自动防护ATP的基本概念。第2章 概 述轨道交通运输负有安全、迅速、正确和经济地运送旅客和货物的社会责任。轨道交通要安全、快速地运输,人的因素是首先应重视的。在同一个轨道上高速而且短行车间隔运行的列车,司机的一点点精神疏忽,都可能造成重大行车事故。而人的注意力范围是有限的,因此必须采用机械的、电气的、智能化的信号设备,以确保列车行车安全,保护生命财产。这些信号设备包括向司机指示列车运行条件保障行车安全的的列车运行控制系统设备简称列控设备和联锁设备。所谓列车运行控制系统是由列控中心、闭塞设备、地面信号、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
12、统。列车运行控制系统一般应具有如下功能:1应能反映所防护线路的空闲状态当线路在空闲状态时,才能给出允许列车进入的信息。自1872年发明了检测铁路线路上是否有车辆存在的技术一一一轨道电路,信号控制与轨道电路相结合,才使信号显示能真实反映线路空闲状态,也就是说按信号显示行车能够防止列车冲突事故。目前,轨道电路和计轴仍是检测列车占用的有效手段。但随着地车通信传输技术的发展,列车自身进行位置的检测将脱离传统的轨道电路和计轴设备,轨道电路和计轴设备只是作为基于通信的列车运行控制系统的后备模式或过度方案。2应能反映危及行车安全的因素是否发生危及行车安全的因素是多方面的,限于科学水平和经济条件,目前还不能用
13、技术手段把所有危及行车安全的因素一一检测并和信号控制相结合。但应积极地逐步以技术手段来识别、消除或减弱这些因素,尽可能在发现危险因素时,列车运行控制系统应立即给出使列车停止运行或降速的信息使信号处于关闭状态,保证列车不会驶入危险线路区段。3应能指示和控制列车安全运行速度实际上列车的运行速度受到若干因素的限制。例如,受线路状态结构、曲线和坡度、道岔曲线、列车前方障碍物以及机车车辆的构造速度所限制。如果实际运行速度超过了限制速度,则会引起列车颠覆或撞车的危险。特别是列车的制动距离是速度的增函数,若列车运行超过了预定的速度，就不能在指定地点停下来，就会发生冒进信号甚至撞车事故,信号显示以能指示列车以
14、什么速度进入信号所防护的线路是安全的。但是,现有的地面信号受到显示方式以及其它技术条件限制,仅显示调整列车运行的命令,还不能指示列车应有的安全速度。因此,列车运行控制系统应当能够根据地面发送的各种限制速度指令来实时控制列车的速度。2.1轨道交通列车运行控制系统的发展过程轨道交通的信号系统产生过几次革命性的变革。首先是l841年从无信号到手动闭塞信号的过渡,接着是向基于轨道进行信息传输的固定闭塞信号系统的演进,目前已发展到基于通信的CBTC系统控制的移动闭塞。概括起来讲,轨道交通列车运行控制系统的发展是随着列车与地面信息传输系统的发展而发展的,下面将就出现的典型列车运行控制系统的控制方式做一介绍
15、。1地面人工信号铁路运营的开始,就产生了如何控制列车间隔以保证行车安全的问题,从而产生了行车闭塞法。在铁路上闭塞是指有列车运行的线路区段封闭起来,不准许其他列车驶入,以防止列车相撞。世界上首条铁路在英国开始运营时,只有白天行车,且铁路上只有一列列车来回运行,所以不比考虑到列车相撞的问题。随着社会的发展,客货运量不断增长,铁路运行线路不断增长,车站增多,运行列车增多。为防止列车相撞,在线路上安装各种信号设备。通过地面信号显示系统,以物体大致形状、灯光的数目和颜色等视觉信号或音响信号等听觉信号给司机以各种运行条件的指示,提醒司机采取相应的措施,以免发生列车正面冲突和追尾事故。美国在1832年开始在
16、车站上设置信号机,作为站与站之间传送信息。信号机上挂有果物笼状的东西,外面包白布或黑布,吊在10m高的柱子上,这个信号叫球信号。当列车从车站发车时,发车站将百球挂在柱顶,指示列车以己出发。接车站将白球挂在中间,指示列车进站停车,将百球挂在柱顶,指示列车通过,将百球挂在柱下,指示列车停在站外。若发车站将黑球挂在柱顶,则表示列车晚点。由于当时站间还没有通讯手段,相邻车站用航海望远镜观察,根据球信号的颜色和位置向司机传送信号。从那个时代起,信号机已经开始起闭塞机作用了,只不过两站间闭塞关系靠人工保证,而不是靠设备保证。这个阶段,主要是依靠信号工的眼睛观测传感器),通过人控制的信号给司机传递行车命令(
17、传输),然后,由司机控制列车运行。而列车间隔调整依靠人工闭塞。2.人工闭塞系统在未出现轨道电路之前,人们在每个车站采用人工的办法实现了闭塞的概念,即在每个车站安装一个指示信号,见图l-1。保证列车在调度员和司机共同负责安全的情况下行车,提高了只凭司机或调度员情况下的行车安全。3基于轨道电路的闭塞系统在出现轨道电路后,采用轨道继电器的吸起和落下来检测轨道区段的空闲,根据列车在该轨道区段的占用与出清来点亮轨旁设置的信号.机,见图12。列车将根据轨旁的信号机显示来行车,信号机的显示定义是带有速度含义的,列车上的司机必须根据信号机的显示来控制列车,在这期间,出现了三显示和四显示的固定闭塞系统,见图13
18、和图l4。轨道电路的发明,为轨道交通的列车自动控制提供了最基础的地车信息传输媒介。4.机车信号以地面信号显示为主的铁路信号系统只是向司机提供视觉信号,由司机解释信号显示意义从而驾驶列车。信号显示仅仅指明安全运行条件,而列车的安危在很大程度上在司机手中。由于地面信号显示系统有时受到自然环境(如雾、风沙、大雨等)的影响以及地形的限制,司机往往不能在规定的距离上及时了望前方的信号机的信号显示,因而有产生冒进信号的危险。为将列车运行前方所接近信号机的显示情况及时通告司机,发明了机车信号设备,将地面的视觉信号变成通过技术手段引入司机室,大大改善了司机了望条件。这样司机就能够在任何条件下从容地驾驶列车和前
19、方信号为禁止信号时及时采取制动措施,提高了列车运行的效率和安全程度。5.自动停车系统|在以上基于轨道电路的三显示和四显示系统中,司机将对行车安全负责,一旦司机出现操作失误或其他生理原因造成的列车驾驶失控,列车将会冒进信号,造成重大事故。针对这样的情况,先后出现了不同形式的自动停车防护系统。首先,根据信号机或道岔的状态信息,在信号机或道岔前安装一个触发装置,当信号显示和道岔位置不正确时,该触发装置将起作用,保证列车冒进信号或道岔区段能触发列车的制动系统,从而保证列车在信号机或道岔前安全停车,见图15和图16目前该类系统Tripcock系统还在一些非繁忙线路应用。其次,出现的自动停车设备(一般也称
20、自动报警系统,Automatic Warning System,简称AWS系统是在信号机设置一个感应线圈,该感应线圈发送的感应信息与前方的信号机的显示是对应的,当列车通过该感应线圈或踏板时,列车会根据接收的信息进行处理,如果是红灯关闭信息,车载将触发列车的紧急制动,保证列车在红灯前停车,见图1-7和图l-8。最后,在中国的60年代,根据轨道电路的信息,研制了车载自动停车设备(ZTL系统,该系统是根据车载接收的轨道电路信息,如果是红灯信息,则出现连续报警信息,司机必须在7秒内参与确认,否则列车将实施紧急制动,这种控制设备其实在某种意义讲是一种车载控制设备,与国外先期的AWS系统有一定的不同,该设
21、备为保证中国的铁路行车安全起到了重要作用。6.速度码控制Speed Code)的列控系统AWS和自动停车设备只是对列车在防冒进红灯信号上有所防护,但在其他速度限制情况下却没有安全防护,并且还存在人为干预的情况。因此，AWS或自动停车设备在安全上存在一定的隐患。针对这样的情况,加上电子技术和信息传输的发展,轨道电路能够传输多个低频信息,从而将这些低频信息赋予不同的速度含义,车载控制设备根据接收到的不同低频信息实施不同的速度控制方式,从而保证在列车不管是在三显示还是四显示情况下,都可以实现完全安全防护,大大提高了行车的安全性。速度码控制的ATP系统控制原理见图l-9,速度码控制一般只能应用在固定闭
22、塞系统,即在一个固定闭塞分区只有一个限制速度,列车在这个轨道分区只需要将列车的实际速度与其接收的限制速度信息进行比较即可,不需要知道列车在该轨道分区的确切位置信息。在该类系统中,线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区,一个分区只能被一列车占用,并且一个分区只有一个限制速度信息。闭塞分区的长度将运行的最长列车、满负载、最高速、最不利制动率等最不利条件设计。列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨率为一个闭塞分区(一般为几百米),制动的起点和终点总是某一分区的边界,对列车的控制一般采用速度码台阶式制动曲线方式,该系统要求运行间隔越短,闭塞分区(设备)数也越多。7.基
23、于速度距离曲线控制(Distance To Go)的列控系统随着电子控制、传输技术的发展,通过轨道电路或点式应答器或其他地车传输方式可以向列车传输更多的信息,并且基于速度码控制的ATP系统存在限制运行间隔的局限性,于是就出现了基于速度-距离模式曲线控制的ATP系统,该系统在闭塞划分上可以归到固定闭塞系统,但由于最近10年的国际系统的引进以及国内专家的认同,目前一般将该类系统称为准移动闭塞系统。在该类系统中,由于列车可以准确定位自身的位置信息,从而后续列车可以尽可能地接近前行列车,与速度码控制系统相比,可以大大提高列车的追踪间隔,见图l-10。在该类系统中,线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分
24、区,一个分区只能被一列车占用。闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速、最不利制动率等最不利条件设计。列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨率也为一个闭塞分区(一般为几十米一几百米),制动的起点可以延伸,但终点总是某一分区的边界,该系统要求运行间隔越短,闭塞分区(设备)数也越多。8.基于虚拟/逻辑控制的列控系统为了缩短列车的运行间隔,同时在地面设备或系统上又不增加更多的设备,而只需要在原来固定闭塞的基础上添加了一些通信模块和定位信标,添加的数据通信系统能够在车载和轨旁间提供双向通信。就可以达到在不增加轨道电路区段的情况下,缩短发车间隔,并保持列车安全的间隔距离。
25、该系统可以与现有的联锁系统相结合,为联锁与ATP之间的隔离和转换提供了高效、低成本途径。这样,列车就可以向轨旁设备报告自己的位置,轨旁设备会自动生成基于移动障碍(如列车)和固定障碍(如道岔保护信号机)实际位置的运行指令。轨道被划分成存储在安全数据库里的虚拟闭塞区段,使得运营商们能够极大地增进性能,并采用较短的发车间隔以增进服务频率。虚拟闭塞的设计使得两辆或更多的列车能够占用相同的物理轨道电路,但是不允许列车占用相同的闭塞分区,见图1-11。在该类系统中,线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区,在一个原固定闭塞分区可以被分为几个虚拟分区,闭塞分区的长度按最长.列车、满负载、最高速、最不利制动率
26、等最不利条件设计,列车间隔为若干闭塞分区,而与列车在分区内的实际位置无关,列车位置的分辨率，也为一个虚拟分区(一般为几十米),制动的起点可以延伸,但终点总是某一虚拟分区的边界,对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式,要求运行间隔越短,分区数也越多,但设备基本不增加。9.基于CBTC控制的移动闭塞系统以上传统的轨道交通列控系统性能并不完善。在传统的信号系统中,安全列车间隔取决于闭塞区间的占用情况。每个闭塞区间都安装有一个信号机、停车触发杆和轨道电路。根据轨道电路的状态,设定信号显示。停车触发杆和人工操作程序强制列车遵循红灯显示。然而,当停车触发杆发生故障时,将不能强制列车遵守这些规则,有可
27、能在出现人为过失的情况下,导致事故发生。一些常规的信号系统并不持续地强制最大限制速度,只是间断地进行控制。在两个信号机之间,如果驾驶员按照轨旁信号显示来实施最大授权速度,等到列车到达下一个信号机时,信号的显示状态(绿色或黄色)将允许列车继续按此速度运行。但是,如果超出了最大速度,信号机将显示红色信号,此时,如果停车触发杆发挥作用,列车将进行紧急制动。为改进运行图性能,列车驾驶员可以根据所熟知的每日的行驶程序,冲着红灯驾驶列车。他们知道何时减速或提速。他们知道在通过信号机的几秒钟之前,信号机的红色信号显示将转为允许信号显示。他们对自己的驾驶信心十足,尽管他们很少看信号机的显示状态转变或根本不看信
28、号显示。安全隐患之一就是在停车触发杆失效的状态下,司机可能还认为处于正常操作状态,而冒险地闯红灯。采用速度码轨道电路的系统,将目标速度传递给列车,并显示给驾驶员,驾驶员按照显示的速度驾驶。速度编码的数量有限,通常为0、20、40、60和80公里/小时等信息。速度码与该闭塞分区相关,并无法事先预知,只有在列车进入闭塞分区时才能读取速度码。同时,也要考虑到驾驶员的反应状况,也就是驾驶员从读取目标速度到进行制动或加速所用的时间。因此不得不对系统的优化最大速度进行调整,以容纳这些因素,从而降低了运行图性能。传统信号系统的另外一个局限性是其运输能力,即每小时每方向所能运送的乘客数量。列车运行间隔(两列列
29、车间的时间间隔是一个重要因素,这一点对城市轨道交通系统尤为重要。运行列车的时间间隔缩短将提高运输能力,但这意味着闭塞分区的缩短。这将导致闭塞分区数量的增加,并由此导致信号机、停车触发杆和轨道电路数量的增加。这意味着需要安装大量的硬件设备,经济性较差。规则运行的系统里,列车间隔良好,并能够按时到达和出发。为做到这一点,列车必须严格遵守速度曲线,在车站的停靠(停留时间不得超出允许的时间范围。例如,列车在线路上的停车将打乱系统的平衡:当手动驾驶时司机将需要很长时间从干扰中恢复正常,因此要求工作人员遵守严格、复杂的程序。在传统系统里,精确的停站是通过建造加长站台,及降低列车进站速度来实现的。加长站台可
30、以使列车停站过头的情况减小,但这意味着提高基建成本:而降低速度又会影响到发车间隔。对于安装有站台屏蔽门的系统,精确的停站是十分重要的,因为站台屏蔽门必须与列车车门对准。问题在于,传统的信号系统怎样进行升级才能提高安全性、通过能力和性能?这样就需要一个能满足对速度控制、遵循信号、精确列车控制和缩短发车间隔等自动化等级要求,以提高列车运行能力的信号系统。而到今天,信号技术的最新变革就是向基于通信的列车控制系统(CBTC(Communication Based Train Control system的演进,该系统控制方式可以获得更短的间隔。为了使传统的轨道交通系统达到这一目标,就必须缩短轨道闭塞分
31、区,并增加它们的数量。这需要进一步增加设备(即信号机、轨道电路和增大维修保养,因此,从经济方面缺乏可行性。针对传统的基于轨道电路系统的主要局限性,CBTC能使列车能够在更为接近的间隔内运行,并保证对列车的安全间隔,并增强列车控制的灵活性。CBTC系统不依靠轨道电路或计轴设备就能够判定列车的位置,并使轨旁和列车实现双向通信,从而增进了对列车的控制和监督。在实现地车双向通信的情况下,CBTC系统为实现移动闭塞或逻辑闭塞提供可能,逻辑闭塞与固定闭塞轨道系统相关,CBTC系统则将轨道划分成逻辑闭塞分区,并在计算机的安全数据库里对之进行定义。这一方法的主要好处就是系统设计能够划分可能多的闭塞分区,而无须
32、太大的成本。闭塞分区改变主要为数据库的改动,这点很容易做到。与轨道电路系统不同,这一改动不涉及物理局限或设备成本。CBTC系统摆脱了用地面轨道电路设备判别列车占用闭塞分区与否的束缚,突破了固定闭塞的局限性,为实现移动闭塞提供可能,在CBTC 系统中充分利用先进的通信传输手段,实时地或定时地进行列车与地面之间的双向通信联络,使得后续列车可以及时了解前方列车运行实际间隔距离,通过计算后续列车即可给出最佳制动曲线,既提高了区间通行能力,又减少了频繁减速制动操作,改善了旅客乘车舒适度,由于车地间可通信信息量的加大,地面可以实时地向车载信号设备传递车辆运行前方线路限速情况,指导列车按线路限制条件运行,提
33、高了列车运行安全性。在CBTC系统中,列车位置的检测由列车本身提供,列车将报告其在线路面上的位置。为确保安全,列车必须对其位置和运行方向进行精确判定。这是一个基本要求。为判定位置,列车的车载计算机会同转速计/速度传感器/加速度计(用于测量距离、速度和加速度)及定位信标检测设备共同合作。位于轨道上的定位信标被用来判定列车的绝对位置。CBTC系统的地面控制设备将根据前车的位置信息和线路障碍物的状态信息，为后行列车计算移动授权,指导后行列车的安全运行,CBTC系统基本组成和信息流程见图1-12。CBTC系统的安全制动距离取决于列车速度,这是单辆列车的一个特异性以及它们在轨道上的位置有关。列车可以在由
34、实际速度、确定停靠点、.制动曲线和轨道坡度共同定义的范围内安全运行。图1-13给出了如何使用CBTC技术来实现列车分离。在该类系统中,线路没有被固定划分的闭塞分区,列车间的间隔是动态的、并随前一列车的移动而移动,列车位置的分辨率一般为10米范围内,该间隔是按后续列车在当前速度下的所需制动距离、加上安全裕量计算和控制的,确保不追尾,制动的起始和终点是动态的,对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式,轨旁设备的数量与列车运行间隔关系不大。目前得到应用的CBTC系统有以下几种:(1) 基于环线传输的CBTC系统，见图1-14；（2）基于波导管传输的CBTC系统，见图1-15；（3）基于无线自由波
35、传输的CBTC系统，见图1-16。10.ATO系统通过ATO系统的列车运行自动控制,对列车加速和减速模式进行自动修正,以达到性能和能量消耗的最优化。更多可预测的功能使运营商更加紧凑地安排时刻表并最优化能量消耗。在许多操作系统中,能量消耗都是一项重要的支出。在大多数交通机构的日程中,节省运营成本口提高乘客满意度都占据重要地位。ATO功能与联锁及中央控制操作特征相结合,实现了完全的无人驾史的列车控制。列车监控方式可以选择无人值班方式或值班员/驾驶员自车的方式。ATO的控制方式见下图1-17。11.完全无人驾驶系统FAO随着中国城市化的建设,以及北京、上海、广州等大城市举办奥运会、世博会和亚运会等重
36、大活动,使得中国的城市轨道交通迎来了前所未有的发展机遇。许多大城市如上海、北京和广州均有计划采用先进的、高可靠的、高安全的基于CBTC (Communication Based Train Control ,基于通信的列车控制系统)控制的全自动驾驶系统(FAO系统,Fully Automatic Operation,完全自动驾驶系统,以下简称FAO系统来达到以上要求。FAO系统是引导城市轨道交通发展趋势的先进客运交通系统,在世界很多城市得到了应用。FAO系统与传统系统相比,具有安全可靠性高、增大线路通过能力、提高旅行速度、减少车辆需求量、减少定员、提高服务、降低系统生命周期成本、易于工程实施和
37、城市路网互联互通等优势。1FAO系统的发展和应用情况在上世纪60年代,有司机驾驶的自动运行系统ATO系统在欧洲出现,当时中国在北京地铁一号线也进行了ATO(Automatic Train operation,自动列车运行系统)的相关试验与应用,但由于器件供应的原因,未能继续应用下去。在80年代,有人驾驶的ATO系统得到进一步的完善,初步形成了无人驾驶系统DTO (Driver-less Train Operation system),随后在DTO的基础上发展了FAO系统,FAO系统主要应用在小运量或中运量的自动旅客运输系统(Automated People Movers,以下简称APM系统)中
38、,如欧洲、北美、亚洲的APM系统均采用全自动驾驶系统。在上世纪90年代,随着通信、控制和网络技术的发展,可以在地车之间实现大容量、双向的信息传输,从而为高密度、大运量的地铁系统实现真正意义上FAO系统提供了可能,2000年法国巴黎14号线首次实现了重型大运量的地铁全自动驾驶系统,该系统采用地面铺设环线实现地车信息的双向传输,设计间隔达到90秒,但该系统的车辆段仍采用人工驾驶和管理的方式。2003年6月,新加坡的东北线正线和车辆段均采用了全自动驾驶系统,即FAO系统。该系统采用地面铺设波导管实现地车信息的双向传输,同时该传输媒介还用作FAO系统所需要的地车CCTV视频、话音和应急电话的传输介质。
39、2005年6月,基于空间自由波传输的FAO系统在美国拉斯维加斯的单轨上得到应用。从以上自动驾驶系统的发展和应用来看,真正FAO系统的主要基础是地车的双向信息传输系统和运营组织的综合与应急处理。目前在世界上能够提供整体FAO系统技术的主要公司有:加拿大庞巴迪(Bombardier)公司、加拿大阿尔卡特(Alcatel)公司、法国阿尔斯通(ALSTOM)公司、意大利安萨尔多(Ansaldo)公司、德国西门子Siemens 公司、日本三菱重工株式会社AGT公司和日本日立Hitachi)公司等。2FAO系统组成FAO系统实现列车的自动启动及自动运行、车站定点停车、全自动驾驶自动折返、自动出入车辆段等。
40、同时对列车上乘客状况、车厢状态、列车设备状态进行监视和检测,对列车各系统进行自动诊断,将列车设备状况信息及故障报警信息传送到控制中心,对各种故障和意外情况需要分门别类,做出处置预案。目前基于CBTC控制的FAO系统的典型组成见图l 。(l)信号控制部分对于FAO系统,实现列车的安全控制和间隔控制与传统的ATC(Automatic Train Control,列车自动控制系统系统基本组成、功能和安全性要求是一样的,特殊的部分是对这些相关系统的可靠性、可用性以及应急预案处理要求将大大提高。信号系统主要包括:控制中心设备:中央ATS (Automatic Train Supervision,自动列车
41、监督系统,列车自动控制系统)、电力SCADA系统和综合调度系统；轨旁设备:轨旁ATWATO (Automatic Train Protection andAutomatic Train Operation,列车自动防护/列车自动驾驶系统、车站ATS系统、联锁CI系统、定位系统和综合维护系统；车载设备:车载地车无线接收/发送单元、李载ATWATO设备、牵引和制动、列车定位系统；地车信息传输系统:一般采用基于通信的多服务的冗余数据传输系统Data Tansmission System,DCS系统实现地车的双向信息传输。目前主要的CBTC系统实现地车信息传输的方式有交叉环线、泻漏波导/漏缆、无线传输
42、等；列车定位系统:车载速度传感器和雷达传感器与地面设置相应信标或交叉环线实现列车的准确定位。2针对FAO系统设置的通信控制部分在FAO系统中,在传统轨道交通通信系统配置的基础上,将主要增加列车上电视监控、广播系统和应急电话系统,使得控制中心能随时监控列车和旅客的情况,保证在紧急情况下,控制中心能与旅客进行直接通信,并直接对列车下达控制命令,保证列车上乘客的安全。增加的通信系统包括：实现控制中心与旅客双向通信的广播与对讲系统；专用的信息传输系统,实现列车车辆状态信息与控制中心的信息传输。传输的信息主要包括:公共服务信息、CCTV视频监视信息等。3车辆部分实施FAO系统将对车辆提出特殊的要求,这些
43、要求主要体现以下方面：车辆牵引和制动系统的高可靠性要求；FAO系统与车辆的接口应当采取多元余设计方案保证对列车的可靠控制；需要增加应急情况下,调度或旅客能参与列车安全停车的装置；需要提高车辆的检测和自诊断水平,保证能及时发现车辆故障或隐患。4运营组织部分对于FAO系统,在运营组织上将主要增加紧急情况下预案处理功能和措施。需要对整个轨道交通的系统进行综合整合,保证信号、通信、供电、防灾报警、站台安全、车辆等系统的有机结合和协调工作。3FAO系统特点基于CBTC控制的FAO系统采用先进的通信、计算机、网络和控制技术,对列车实现实时、连续控制。它摆脱了钢轨作为信号传输媒介的束缚,采用现代通信手段,直
44、接面对列车,可实现车地间双向数据通信,传输速率快,信息量大,后续追踪列车和控制中心可以及时获知前行列车确切位置,使得运行管理更加灵活,控制更为有效,更加适应列车自动驾驶的需求,可以实现移动闭塞。采用移动闭塞后,轨旁设备相对减少,大大减轻了日后运营维护的压力,降低了维护成本,同时可为乘车旅客提供多种信息服务,可吸引更多旅客乘坐轨道交通工具。基于CBTC控制的FAO系统的主要特点有:(l)FAO系统是经实践证明的技术基于通信的CBTC系统,自1985年投入正式商用以来,己被广泛应哥于世界范围内的20多个城市,总计30多条线路,其中FAO系统在哥本哈根、新加坡、香港、拉斯维加斯、北美多条线上得到应用
45、。(2FAO系统确保系统安全基于CBTC控制的FAO系统采用的无线设备将不再受到天气及环填时影响,系统工作性能稳定。系统的关键设备将全部采用双套冗余来确保系统安全,同时在车辆内需增设烟雾探测报警设备、车头障碍物探测良警设备、车内CCTV监视设备、车内紧急报警设备、车内通话通信设备、车内紧急停车装置等来保证旅客的安全。FAO系统大大减少人为因素造成的安全事故,据统计,轨道交通的缘故由人为因素造成的占70%以上:FAO系统采用全封闭的运输方式,包括采用站台屏蔽门,从而有效地隔离道路、行人和乘客的侵入。(3)FAO系统的抗干扰性基于CBTC的FAO系统将采用抗干扰性更好的无线通信技术有效防止各种干扰
46、的侵入。(4FAO系统的高效性一提高系统运行效率FAO系统可以突破传统系统行车运行间隔的瓶颈,可以最低达到70秒的运行间隔,从而提高运能。特别是在建设开通初期、车辆缺少的情况见下,实现小编组和高密度运营,这样的运输方式,可以吸引更多的客流。(5FAO系统的经济性一节约整体投资成本降低土建工程建设成本:FAO系统技术可以缩短行车间隔,提高运|雪效率,通过采用短编组高密度的运营方案来提高线路通过能力,从而可以减少站台距离、折返线长度、车辆段停车线长度和试车线,大幅降R土建成本。降低系统运行的能源消耗:FAO系统可以自动控制列车的加速和减速,在时刻表的范围内采用最节省能源的操作运营模式,将有助于缓解
47、北京市能源紧张的状况。降低系统长期的维护成本和运营成本:FAO系统由于大大减少了硬件尤其是轨旁设备,同时大大减少司机定员(而传统系统实现的小编组高密度带来的问题就是大量的司机周转),因而其长期维护成本大为降低,进而进一步降低长期的运营成本。6FAO系统更短的项目实施周期在轨旁安装和测试更少的设备(CBTC的设备可以比轨道电路少1/3以上。基于CBTC控制的FAO系统主要组成部分是软件,无须大量的安装后测试和调试工作。一些重大的测试都可以在设备出厂前在仿真模拟器上实现,从而减少了现场调试和开通的时间。7FAO系统的优质服务FAO系统可以实现不管是高峰期还是非高峰期均能提供很短的运营间隔、旅行时间
48、和等待时间,从而为旅客提供高质量的旅行服务,增强了旅客对轨道交通的信任度。同时,车上乘务员可以在车厢内为乘客提供更加周到的服务和紧急处理工作。由于CBTC系统采用车地双向、大容量、快速通信传输系统,还可为乘客提供增值服务,如网络、视频、音频、广告、通信等服务。(8)FAO系统的运输灵活在出现线路单线故障的情况下,FAO系统可以采取灵活的运输组织和应急处理方法来应对,如可以实现单线的双方向运行。4FAO需要注意的问题当一条线路采用FAO系统后,需要考虑的主要问题有:1列车的安全、平滑控制采用FAO系统后,要求整体系统的安全性更高,关键设备均需要采用冗余处理,控制策略应当满足故障导向安全原则:FAO系统的列车启动、加速、减速和停车均需要满足人体舒适度的要求,这就需要