利用軌間環線實現連續式列車運行自動控制
2008-04-12 00:00:00呂永宏劉紅燕
現代電子技術 2008年1期
摘 要：隨著我國鐵路和城市軌道交通的迅猛發展，鐵路信號控制技術作為保障鐵路運輸安全和提高運營效益的重要手段之一，近年來得到了飛速的發展。介紹了一種西門子的LZB連續式列車自動控制系統制式，通過對該系統的基本構成和利用軌間電纜實現車-地信息傳遞的基本原理的介紹，使大家對這種特殊的鐵路信號控制技術制式有更深的了解。
關鍵詞：連續式;LZB;軌間環線;自動控制;信號系統
中圖分類號：TP29 文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)0118103
Automatic Control of Continuous Train Operation by Track Room Loop
LV Yonghong1，LIU Hongyan2
(1.Electric Enginearing Co.Ltd.，China Railway First Group Corporation，Xi′an，710054，China;2.Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)
Abstract：Along with our country railroad and the city track transportation swift and violent development，the railway signal control technology and enhances one of operation benefit important methods as the safeguard railway transportation security，also obtains the rapid development in the recent years.This article mainly introduces to everybody one kind of Siemens′s LZB continuous type train automatic control system service pattern，through gages the electric cable realization vehicle - information transmission basic principle introduction to this system basic constitution and the use，enable everybody to have more understandings to this kind of special railway signal control technology service pattern.
Keywords：continuous type;LZB;track room loop;auto control;signal system
進入20世紀90年代，世界上已有許多國家開發了各自的列車運行控制系統，在技術上具有代表性且已投入使用的主要有：德國的LZB系統，法國的VM300和TVM430系統，日本新干線的ATC系統等。這些系統的共同特點是：可以實現自動連續監督列車運行速度，可靠地防止人為錯誤操作所造成的惡性事故的發生，保證列車的高速安全運行。他們之間的主要區別體現在控制方式、制動模式及信息傳輸等方面。
1 列車自動控制系統（ATC）的組成
列車運行控制系統（Automatic Train Control，ATC），主要由3部分組成：列車超速防護系統（Automatic Train Protection，ATP）、列車自動駕駛系統（Automatic Train Operation，ATO）和列車自動監控系統（Automatic Train Supervision，ATS）。
西門子的LZB系統是世界上首次實現連續速度控制模式的列車運行控制自動系統，于1965年以前開發，他利用軌道電纜作為車-地間雙向信息傳輸的通道，利用軌道電路來檢查列車占用。1965年在慕尼黑-奧斯堡間首次運用，德國已裝備了2 000 km鐵路線，1992年開通了西班牙馬德里至塞維利亞471 km高速線。
LZB列車運行自動控制系統包括:操作控制系統、計算機聯鎖系統、連續列車自動控制、軌道空閑檢測系統、速度監測系統、列車安全間隔系統、緊急制動系統、來往車輛方向監測系統、靜止狀態的監測系統、車門的釋放系統、強制性限速系統、確保列車操作過程中的故障安全系統等。
不論采用何種方式進行列車運行控制，列車運行自動控制系統的關鍵是車-地信息的傳遞。車-地信息的傳遞通道一般有2種：無線傳輸和有線傳輸，有線傳輸可以分為利用鋼軌傳輸、利用在鋼軌間敷設的交叉電纜傳輸和點式設備傳輸。
2 LZB自動列車控制系統的特點
LZB連續式自動列車運行控制系統根據信號命令、列車運行信息、地面線路條件等因素制定機車運行速度曲線，實時傳遞給機車，機車接收到相關信息后，根據速度運行曲線自動控制列車運行。
軌間環線傳遞車-地信息的方式是一種既能保證行車安全，又能提高運行效率的準移動閉塞制式，他采用在鋼軌中間敷設交叉環線（地鐵一般25 m交叉一次，大鐵路一般100 m交叉一次），來實現車-地信息的雙向傳遞，車-地之間傳遞的是數字編碼信息，是一種數字化的信息方式，信息的傳輸量大，降低了外界氣候條件對車-地信息傳遞的干擾和影響，提高了系統的可靠性。
LZB連續式自動列車運行控制系統的主要特點有列車運行間隔時間比較段，前后車輛時間間隔可以小于120 s，列車自動運行準點率比較高，地面信號機數量少，司機以地面信號作為主要的運行控制命令，行車指令連續顯示，列車行駛速度連續監控，適用于大容量運輸系統。
3 LZB系統的結構
LZB自動列車運行控制系統主要由兩大部分組成：車載設備和地面設備。系統組成框圖如圖2所示。
3.1 地面設備
地面設備主要由控制中心、軌間感應環線和軌旁單元等組成。
3.1.1 控制中心
控制中心主要是接收和發送相關的列車運行控制信息。
接收信息[HTSS] 控制中心通過軌間感應環線等設備接收信號開放條件、線路條件、區間臨時限速、列車信息（制動類別、列車長度、制動能力等）、列車動態信息、上一個控制中心傳遞來的控制權。
發送信息[HTSS] 控制中心向列車發送控制命令、向下一個控制中心轉移控制權、向調度監督中心報告列車位置列車速度等輔助信息。
3.1.2 軌間感應環線
車-地信息利用敷設在鋼軌中間的交叉感應環線進行，可以避免外界環境的影響和抗牽引電流的干擾，軌間電纜每隔一定距離（例如地鐵中一般每隔25 m，鐵路上可以采用每隔100 m）作一個交叉，一個中繼器最多可以控制128個電纜環路，所以一個中繼器的最大控制距離為：128×25=3 200 m（以地鐵為例）。具體原理如圖3所示。
室內、室外設備聯系用控制中心和沿線設置的若干個中繼器兩級控制方式來實現的。中繼器是控制中心與軌間電纜的中間環節，他的功能是把控制中心的命令通過軌間電纜傳遞給機車，將機車信息傳輸給控制中心，控制中心與軌間電纜之間的信息交換，包括頻率變換、電平變換、功率放大等都是通過中繼器來完成的。
列車運行具體未知的確定是通過地址碼來實現的，我們用14位電碼結構來表示列車的位置信息。其中最高位為列車運行方向碼，第11~13位為對應中繼器的代碼，第4~10位為表示列車處于具體環路的粗地址碼，當列車每駛過一個交叉點時，利用信號極性的變化，粗地址碼就會加1，第1~3位為細地址碼，當列車每駛過25 m×1/8，細地址碼就會加1。當控制中心接收到地址碼后，通過解碼就會確定列車的具體位置。
例如：當控制中心接收到的地址碼為：
解碼：
(1) 列車為下行方向；
(2) 中繼器代碼為：010（4#中繼器）；
(3) 粗地址碼為：0001011（十進制的11），即列車處于第11環路；
(4) 細地址碼為：010（十進制的2），即列車處于11環路的25 m×1/8×2=625 m處。
最終定位為：
25×128×4＋25×11＋625＝13 08125 m
這個距離就是列車距離控制中心的距離，各個列車的具體位置確定下來以后，車載防護系統根據計算出的或地面控制中心傳遞的列車最大允許速度來控制列車的運行及防護列車超速。
3.2 車載設備
車載設備主要由車載計算機單元、感應接收線圈等設備組成，按三取二原理配備。車載計算機控制單元式控制系統的核心，控制單元主要通過車載感應線圈與地面軌道環線之間相互交換信息，從地面接收相關控制信息，同時可以通過感應線圈向地面傳遞列車的運行速度等信息，實現了地面-列車雙方向信息傳遞。
LZB系統車內設有主體化機車信號，在機車上顯示列車實際速度、目標速度、目標距離、應有速度等。
4 列車控制的基本原理
地面控制中心按地理位置存儲了各種地面信息（線路坡度、曲線半徑、緩行區段的位置與長度等），此外，沿線的信號顯示、道岔位置、列車的有關信息（車長、制動率、所在位置、實時速度等）不斷地經過軌間電纜傳輸到地面控制中心。地面控制中心根據線路狀況、列車運行的位置和前后列車之間的運行間距計算出列車所允許的最大運行速度，地面控制中心將此信息通過軌間電纜傳遞給機車，由車載計算機來控制列車的運行，如果列車的運行速度低于最大允許速度，車載防護系統不啟動，如果列車的運行速度超過最大允許速度，車載防護系統啟動，對列車進行制動，以降低列車運行速度，當然地面控制中心計算出的最大允許速度是根據線路狀況、列車運行的位置和前后列車之間的運行間距隨時改變的。還有一種方法就是由地面控制中心不對列車的允許運行速度進行計算，而僅僅將線路狀況、列車運行的位置和前后列車之間的運行間距等信息通過軌間電纜傳遞給機車，由車載計算機計算出列車的最大允許速度，并由計算機來控制列車的運行。
5 列車運行安全防護距離
LZB列車運行控制系統屬于準移動閉塞方式，列車仍以閉塞分區為最小行車安全間隔，但根據目標速度和目標距離隨時調整列車的可行車距離，該種方式后續列車所知道的目標距離是距前車或目標地點所處軌道電路區段邊界的距離，不是距前車的實際距離。
LZB列車運行控制系統的安全防護距離設置一般有2種方式。
一種是，列車追蹤運行的最小安全間隔的最大值為安全保護距離加一個閉塞分區長度；列車最小正常追蹤運行間隔為安全保護距離加一個閉塞分區長度再加最高允許速度下使用常用制動直至停車的制動距離，如圖5所示。
另外一種是，列車追蹤運行的最小安全間隔的最大值為安全保護距離；列車最小正常追蹤運行間隔為安全保護
距離加最高允許速度下使用常用制動直至停車的制動距離，如圖6所示。
這種準移動閉塞方式還是以軌道電路分界點來分段確定目標距離的。后續列車所知道的目標距離是距前車或目標地點所處軌道電路區段邊界的距離，不是距前車尾部的實際距離，因此，根據目標速度和目標距離隨時調整的列車可行車距離是“跳躍式”的，即在列車尾部依次出清各電氣絕緣節時“跳躍式”跟隨。因此，列車的追蹤間隔和列車控制精度除取決于線路特性、停站時分、車輛參數外還與ATP/ATO系統及軌道電路的特性密切相關，如軌道電路的最大和最小長度、傳輸信息量的內容及大小、軌道電路分界點的位置等。
6 結 語
LZB系統由于車-地信息傳遞采用軌間電纜，數據傳輸受外界的影響比較小，避免了牽引電流的干擾，數據傳輸不受隧道、高山、森林和其他通信信號的干擾，但是信息傳輸要另外敷設軌間電纜，不利于機械化養護，造價成本較高，受防盜及工務線路養護等因素的限制，更加適合在地鐵、輕軌運輸系統使用。
參 考 文 獻
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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>
