1、列车自动控制系统讲授内容讲授内容n 基本概念与术语n 概述n 列车运行自动控制系统基本工作原理n 地车信息传输技术第一章第一章 基本概念与术语（基本概念与术语（1 1）n 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、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。n 移动闭塞(M
2、oving 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。第一章 基本概念与术语（2）n 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
3、无关，列车位置的分辨率也为一个闭塞分区（一般为几十米几百米），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，闭塞分区(设备)数也越多。第一章 基本概念与术语（3）n 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
4、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。第一章 基本概念与术语（4）第一章第一章 基本概念与术语（基本概念与术语（5 5）n ATC系统n 列车自动防护（ATP）系统n 列车自动监督（ATS）系统n 列车自动驾驶（ATO）系统n 紧急制动 n 最大常用制动n 线路速度限制第一章第一章 基本概念与术语（基本概念与术语（6 6）n 基于通信的列车控制（CBTC）n 站停时间n 故障-安全n 间隔n 联锁n 移动授权n 冗余第二章第二章 绪论绪论2.1 概述概述n 定义：定义：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
5、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。n 功能功能：线路的空闲状态检测；列车完整性检测 列车运行授权；指示列车安全运行速度；监控列车安全运行2.1 2.1 列车运行控制技术发展简史概述列车运行控制技术发展简史概述n 列车运行控制技术的发展经过 地面人工信号 地面自动信号 出现机车信号 自动停车 速度码的ATP 基于轨道电路的速度-距离曲线控制的ATP 基于通信的列控系统第二章第二章 绪论绪论2.1.12.1.1 地面人工信号地面人工信号 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
6、。在保证行车安全的问题，从而产生了行车闭塞法。在铁路上铁路上“闭塞闭塞”是指有列车运行的线路区段封闭起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。来，不准许其他列车驶入，以防止列车相撞。这个阶段，主要是依靠信号工的眼睛观测（传感这个阶段，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（传器），通过人控制的信号给司机传递行车命令（传输），然后，由司机控制列车运行。而列车间隔调输），然后，由司机控制列车运行。而列车间隔调整依靠人工闭塞。整依靠人工闭塞。第二章第二章 绪论绪论2.1.22.1.2 人工闭塞系统人工闭塞系统 第二章第二章 绪论绪论2.
7、1.3 2.1.3 基于轨道电路的闭塞系统基于轨道电路的闭塞系统 采用轨道继电器的吸起和落下来检测轨道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，见图与出清来点亮轨旁设置的信号机，见图1-21-2。列车将根据轨旁的信号机显示来行车，信号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这期间，出现了三显示和四显示的固定闭塞
8、系统。系统。第二章第二章 绪论绪论轨道电路原理第二章第二章 绪论绪论三显示自动闭塞第二章第二章 绪论绪论四显示自动闭塞第二章第二章 绪论绪论2.1.4 2.1.4 机车信号机车信号地面信号只是向司机提供视觉信号，由司机解释信号显示意义地面信号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。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。在司机手中。受到自然环境（如雾、风沙、大雨等）的影响以及地形的限制，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
9、信号机的信号显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。示，因而有产生冒进信号的危险。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方信号为禁止信号时及时采取制动条件下从容地驾驶列车和前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。措施，提高了列车运行的效率和安全程度。第二章第二章 绪论绪论2.1.5 2.1.5 自动停车装置自动停车装置第
10、二章第二章 绪论绪论2.1.6 2.1.6 速度码控制（速度码控制（Speed CodeSpeed Code）的列控系统）的列控系统第二章第二章 绪论绪论2.1.7 2.1.7 基于速度基于速度-距离曲线控制（距离曲线控制（Distance To GoDistance To Go）的列控）的列控系统系统 第二章第二章 绪论绪论2.1.8 2.1.8 基于虚拟基于虚拟/逻辑控制的列控系统逻辑控制的列控系统第二章第二章 绪论绪论2.1.9 2.1.9 基于基于CBTCCBTC控制的移动闭塞系统控制的移动闭塞系统第二章第二章 绪论绪论基于基于CBTCCBTC控制的移动闭塞系统的列车追踪原理控制的移动
11、闭塞系统的列车追踪原理第二章第二章 绪论绪论基于交叉环线的基于交叉环线的CBTCCBTC系统系统第二章第二章 绪论绪论 基于波导管的基于波导管的CBTCCBTC系统系统用户信号漏泻波导原理示意图漏泻波导管车载接收发送器轨旁接收发送器(轨旁ATP,-图象数据用户信号第二章第二章 绪论绪论 基于自由波传输的基于自由波传输的CBTCCBTC系统系统第二章第二章 绪论绪论 2.1.10 ATO 2.1.10 ATO第二章第二章 绪论绪论 2.1.11 FAO 2.1.11 FAOATS系统SCADA系统综合监控系统（供电、信号、通信、车辆、防灾、车辆段、停车场等）车站ATS综合维护轨旁ATP/ATO联
12、锁设备站台安全控制公共义务PISCCTV应急通信多服务的冗余骨干网络定位轨旁无线接收/发送地车信息传输介质车载无线接收/发送车载ATP制动车载ATS车载ATO牵引控制公共义务PISCCTV应急通信定位控制中心轨旁信号控制系统轨旁通信系统车载通信系统车载信号控制系统第二章第二章 绪论绪论2.2 2.2 列车运行自动控制系统组成及分类列车运行自动控制系统组成及分类n 定义定义:基于控制技术、通信技术、计算机技术及铁路信号的行车指挥、控制及管理自动化系统n 名 称 问 题名 称 问 题:日 本 新 干 线 A T C；法 国 T G V 的 T V M 系 统；德国LZB；英国及瑞典的ATP；地铁A
13、TP系统；等等。n 系统组成系统组成 地面设备地面设备 车载设备车载设备 信息传输通道信息传输通道第二章第二章 绪论绪论第二章第二章 绪论绪论列车运行自动控制系统组成第二章第二章 绪论绪论-车载系统结构车载系统结构“三取二”安全车载计算机接收天线Antenna for track circuit FTGS-917轨道电路Track circuit轨道环线Lloop司机室显示PTI车载天线PTI Vehicle AntennaATO单元n 系统分类系统分类 按功能、人机分工和自动化程度分：ATP系统、ATC系统 按人机关系分：设备优先、司机操作优先 按控制模式分n 阶梯控制模式n 速度距离模式曲
14、线控制方式 按照闭塞方式：固定闭塞、移动闭塞 按地车信息传输方式n 点式列车运行自动控制系统n 连续式列车运行自动控制系统n 点连式列车运行自动控制系统第二章第二章 绪论绪论点式列控系统连续式列控系统-轨道电路方式连续式列控系统-轨道电缆方式连续式列控系统-无线方式点连续式列控系统-轨道电路+点式应答器第三章 列控系统基本工作原理n 概述n 基本功能n 间隔控制n 速度控制n 基本原理：地面信息传输通道车载设备n 根据传输通道不同分为n 点式列车运行自动控制系统n 连续式列车运行自动控制系统第三章 列控系统基本工作原理1、点式列车运行自动控制系统n 特点n采用点式传输信息，用车载计算机进行信息
15、处理，最后达到列车超速防护的目的n优点n采用无源、高信息量地面应答器，结构简单，安装灵活，可靠性高，价格明显低于连续式列车运行自动控制系统1.1 点式列车运行自动控制系统基本结构n 组成n地面应答器n轨旁电子单元（LEU）n车载设备车载设备信号机或联锁设备中央处理单元天线应答器LEU速度传感器地面设备第三章 列控系统基本工作原理第三章 列控系统基本工作原理v vs sv v =v v(s s)E ET TC CS S联联锁锁轨轨道道占占用用现现场场单单元元控控制制占占用用轨轨道道区区段段的的末末端端欧欧洲洲应应答答器器欧欧洲洲应应答答器器轨轨旁旁电电子子单单元元T TD D-S SP P-M
16、M A Av vs sv v =v v(s s)E ET TC CS S联联锁锁轨轨道道占占用用现现场场单单元元控控制制占占用用轨轨道道区区段段的的末末端端欧欧洲洲应应答答器器欧欧洲洲应应答答器器轨轨旁旁电电子子单单元元T TD D-S SP P-M M A An 地面应答器RUROBALISEn与地面信号机设备相连n存放固定数据n地车传输采用FSK方式第三章 列控系统基本工作原理n 轨旁电子单元（LEU）nLEU是地面应答器与信号机的接口n将不同的信号转换为约定的数码L LE EU U电流含义CoutCout1I1I2I3I4I5I2I3I4I5I绿灯灯丝电流黄灯灯丝电流双黄灯丝电流红灯灯丝
17、电流白灯灯丝电流1111111011101110010010010第三章 列控系统基本工作原理n 车载设备n车载应答器n测速传感器n车载安全型计算机n驾驶台上的显示、操作和记录n 制动输出第三章 列控系统基本工作原理n 车载设备结构图第三章 列控系统基本工作原理1.2 点式列车运行自动控制系统基本工作原理车载中央控制单元根据地面应答器传至车上的信息（目标点的距离、目标速度、线路坡度等）以及列车的制动率，计算出两个信号机之间的速度控制曲线n车载计算曲线的数学公式221bttvSbtvvzzc22czvbSvbSvz2第三章 列控系统基本工作原理n 地车信息的电码结构n起始同步码：识别一组码的开始
18、，车载、地面实现同步n信息码：以电码组合的方式传输控制信息，可达到上千位信息n安全监视码：增加电码传输的安全、可靠性n终止码：识别一组电码的结束第三章 列控系统基本工作原理2、连续式列车运行自动控制系统n适用于高速干线和高密度的地铁、轻轨n 其技术基础为飞速发展的信息传输技术n 按照地车信息传输的媒体分n 有线n 轨道电缆n 数字编码音频轨道电路n 无线第三章 列控系统基本工作原理2.1、采用轨道电缆的列车运行自动控制系统n工作原理n组成：地面控制中心、轨道传输电缆、车载设备n地面控制中心根据地面存储的各种信息，结合联锁设备的信息实时计算列车的最大允许速度，通过轨道电缆传输给车载设备，实现速度
19、控制n优点n由于控制中心“管全局”，统一指挥在其管辖范围内的列车，对于一些交通繁忙的枢纽是非常有利的，在一旦发生行车误点或其他行车障碍时，可以迅速地将行车命令传送到列车。n缺点n一旦控制中心的设备故障即会引起全线交通瘫痪第三章 列控系统基本工作原理n 采用轨道电缆的列车运行自动控制系统原理图控制中心maxvvs允许v允许v列车信息列车信息BA允许v第三章 列控系统基本工作原理n 系统结构n控制中心与中继器相连n一个中继器最多与128个轨道环路相连联锁信息中继器中继器中继器控制中心轨道电缆.第三章 列控系统基本工作原理n 轨道电缆作为该系统的唯一信息通道，为了抗牵引电流的干扰以及实现列车定位，轨
20、道电缆每间隔一定距离做一交叉。n 这样一个中继器最多可控制128个轨道电缆回路，则最大控制距离为 Lcmax=12825=3200 m第三章 列控系统基本工作原理2.2、采用数字编码轨道电路的列车运行自动控制系统n 与前面方式的比较n点式列控系统存在点式信息传输的不连续性n轨道电缆传输价格高，铁路养护麻烦n在权衡性能、价格、安全可靠与可用性等方面的情况下，用音频轨道电路构成的连续式列车运行控制系统在城市轨道交通中得到了广泛的应用。n 特点n轨道电路被用作双重通道：当轨道电路区段上无车时，轨道电路发送的是轨道电路检测信号或检测码；当列车一驶入轨道电路区段，立即转发速度信号或者有关数据电码。第三章
21、 列控系统基本工作原理n 系统概貌 第三章 列控系统基本工作原理n 地-车信息n车站停车点（用以构成列车停站开启车门的一个条件）n列车运行方向n开启哪一侧车门n下一区段入口允许速度n区间最大速度n下一区段的坡度n至限速区间起始点的距离n限速区间的允许速度n限速区间的允许速度n目标距离：指列车所在轨道电路区段的始点至目标点的距离n目标速度：目标点的允许速度，如目标点为停车点，则目标速度为零nATP系统的开始与结束n列车所在轨道电路经编号确认n列车所在轨道电路的长度n下一段轨道电路的编号n下一段轨道电路的载频频率(用于车载设备预调谐)第三章 列控系统基本工作原理n 车载设备的自动调谐n轨道电路的传
22、输频率：9.5kHz-16.5kHz，间隔为1.0kHzf1f300100100f3f501000110f1f3f5001001000110第三章 列控系统基本工作原理n 车载设备的自动调谐n接收调谐电路由两级滤波器组成：第一级为模拟带通滤波器，其通频带为9.5kHz16.5kHz，用以抑制牵引电流的干扰；第二级为数字窄带通滤波器，其通频带受一逻辑单元控制，而逻辑单元则根据来自地面的信息码调整数字滤波器的有关系数，从而使接收调谐电路的通频带随地面信息码而变化，进而实现自动频率跟踪。接收调谐电路A逻辑控制接收调谐电路B来自地区的信息码后续电路第三章 列控系统基本工作原理第四章 地车信息传输技术n
23、 概述n地-车信息传输通道是列车运行自动控制系统的重要组成部分。列控的车载设备完全靠从地面控制中心接收的行车控制命令进行行车，实时监督列车的实际速度和地面允许的速度指令，当列车速度超过地面行车限速，车载设备将实施制动，保证列车的运行安全。这就要求地-车传输信息的可靠和安全。1.地车信息传输的分类n地面信息传递到车上目前有两种方式，一种是连续式传递信息方式，另一种为点式传递信息方式。前者能连续不断地将地面信息即列车间隔、线路容许的速度等情况及时地向车上反应，使司机随时掌握列车速度，有利于保证行车安全和提高行车效率。点式信息传递方式有感应器、环线或应答器方式，它只能在闭塞区段内设若干点，通过感应点
24、将地面信息传到车上，在地面信息发生变化时，列车只能经过感应点时才能得到信息，即时性稍差。第四章 地车信息传输技术 1.1 连续式传送信息n 编码式无绝缘轨道电路n载频：1700、2000、2300、2600n调制频率：10.3Hz到29Hz，间隔1.1Hz，共18个信息n叠加点式信息n轨道电缆n无线通信第四章 地车信息传输技术n UM-71无绝缘轨道电路连续信息发送第四章 地车信息传输技术n UM-71无绝缘轨道电路载频布置第四章 地车信息传输技术 1.2 点式传送信息n 感应器n应答器n点式环线第四章 地车信息传输技术2 移频叠加点式信息系统 多信息移频自动闭塞系统叠加多信息数字调制式轨道电
25、路，是在已有的移频轨道电路的发送端叠加发送一个多信息的数字调制信号。第四章 地车信息传输技术n 在轨道电路上叠加多信息信号后必须同时满足以下要求：n发送设备可集中设置在车站，与移频轨道电路共用信道，不能影响移频自动闭塞的正常工作；n点式信息与移频信息共用移频功率放大器；n每个信号点均设置地面发送设备，信息量应满足列车超速防护系统“点”式信息的要求发送设备；n具有故障检测和报警功能，并应满足“故障一安全”原则。第四章 地车信息传输技术2.1 点式信息发送电路结构n输入接口n信源编码n信道编码n差分移相调制n输出接口n报警电路n电源电路第四章 地车信息传输技术n 输入接口n点式信息发送的信息内容是
26、有关列车运行前方线路上的一些重要信息，各轨道电路点所发送的信息是不同的，为了便于使用和维护，要求各点所发的信息内容虽不相同，但各点发送电路结要求完全一致，具有互换性。因此点式信息内容采用了由外部电路编码的方式。点式信息是二进制数，80位。信息位为0时，其对应电位为低电平OV，信息位为1时，其对应电位为高电平24 V。采用的编码规则能保证外围编码电路出现断线时，发送的点式信息为安全信息，满足“故障一安全”原则。第四章 地车信息传输技术n 信息编码n完成两路输入信息的一致性比较nCPU从两路并行接口电路分别读入两路信息，然后对两路信息进行比较，只有两路信息完全一致时，所采集的信息才有效，才有可能发
27、送出去；如果两路输入的信息不一致，则读入的信息码无效，点式信息发送设备停止发送，并点亮故障报警指示灯。n信息码的合理性检查nCPU读入两路相同的信息后，按规定的信息传输格式重组信息码。在重组过程中，对读入信息的合理性进行检查，如果读入的信息超出规定范围，点式信息发送设备停止发送，并点亮故障报警指示灯。n对重新组合的信息码添加校验码。校验码用于校验信息在发送设备内部的传送过程中的正确性。第四章 地车信息传输技术n 信道编码n点式信息发送系统是单向、连续发送的传输系统，为了快速传输点式信息和便于点式信息的接收，并保证接收设备对收到的点式信息有检错能力，点式信息的发送设备到点式信息的接收设备之间的信
28、息传送采用具有传输速率高、并有很强检错能力的同步传输方式，把需要传送的信息码按HDLC协议构成一帧信息，然后以帧为单位传送。n一帧信息格式n预同步码：用于接收设备的快速同步n帧同步码 A：信息码的起始标志n帧同步码B：信息码的结束标志n信息码：被传送的点式信息nCRC校验码：用于接收设备对收到的信息码进行校验，判断信息码在信道传输过程中的正确性第四章 地车信息传输技术n 差分移相调制n轨道电路不能直接传输二进制的数字信息，所以信道编码电路输出必须经过调制。轨道电路既传输移频信息，又传输点式信息。点式信息和移频信息共用移频发送设备的功率放大器，叠加发送要求点式信息所占的功率很小，不能影响移频信息
29、的正常发送功率，所以点式信息的载频不能太高，调制后的点式信息的频带较窄，而且有较强的抗干扰能力。综合比较调幅、调频、调相三种数字调制方式，点式信息的调制最适合采用差分移相调制，因为移相调制的信号具有最强的抗干扰能力，在相同的传输波速率下，移相调制信号具有最窄的频带。为了避免接收设备出现相位模糊采用差分调制。实现差分移相调制的方法是：首先对数字基带信号进行差分编码，即把绝对码变成相对码，然后再进行绝对调相，实现差分移相调制的方法是：首先对数字基带信号进行差分编码，即把绝对码变成相对码，然后再进行绝对调相第四章 地车信息传输技术n DPSK调制过程第四章 地车信息传输技术n DPSK调制波形第四章
30、 地车信息传输技术n 点式信息发送内容n进站信号点发送的信息n出站信号点发送的信息n区间信号点发送的信息第四章 地车信息传输技术4 EUROBALISE查询应答器 欧洲应答器EUROBALISE除了可在常规铁路线路上用作超速防护系统的地面应答器外，也常被用作列车定位的基本设备。列车准确定位成了一项关键技术。欧洲铁路管理部门决定用应答器（EUROBALISE）作为列车定位装置，由地面应答器向列车传送事前贮存的精确位置信息。诚然，为了准确定位，就必须大量采用EUROBALISE，在有的欧洲铁路线上，为了准确停车，甚至每35m设置一块EUROBALISE；为了减少投资，也可以用EUROBALISE来
31、进行定位校准，即在两个EUROBALISE之间用测速传感器实现定位，列车每驶过一次EUROBALISE，即进行一次定位校准，以期减小定位误差。第四章 地车信息传输技术n EUROBALISE查询应答器结构应答器机车接收天线接收和传输模块f1f2能量传输频率f1=27.095MHz应答器数据传输载频f2=4.237MHz调制方式FSK逻辑“1”+282kHz；逻辑“0”-282kHz码长：341bit(210可用bit)，1023bit(829可用bit)第四章 地车信息传输技术n EUROBALISE查询应答器特性n能量传输频率 27.095MHzn数据传输载频 4.237MHzn调制方式 F
32、SKn调制频率 282kHzn报文码长 341bit(短码)n 1023bit(长码)n可用码长 210bit(短码)n 829bit(长码)n数码同步方式 块控制首部n (BCHBlock Control Header)第四章 地车信息传输技术n EUROBALISE查询应答器特性n数码安全方式 75bit循环冗余校核n (Cyclic Redundancy Check)n数码速率 565kbit/sn车载接收到线与应答器之间的距离195463mmn有效作用长度 0.5mn适用列车速度 500km/h(短码)n 300km/h(长码)n重量 约3.8kg第四章 地车信息传输技术列控中心研制背景列控中心主要需求（一）总体描述列控中心关系图列控中心关系图车站采用计算机联锁时的列控中心关系图车站采用计算机联锁时的列控中心关系图图5-1（65026502电气集中条件下的车站列控中心电气集中条件下的车站列控中心 ）CTC或TDCS车站分机车务终端6502电气集中进路信息采集进站信号机及接近区段发码控制微机监测车站列控中心LEU应答器车载ATPBTM STM软件测试端口S口Q口R口P口列控中心（二）技术要求1.临时限速调度命令传送2.列控中心接口列控中心系统结构列控中心系统原理接车进路报文发送功能临时限速报文发送功能进站信号机降级显示功能；6502电气集中进路识别功能
