應用于無絕緣軌道電路的新干線數字ATC的開發

福田光芳 橫田倫一

（日本鐵道綜合技術研究所）

1 前言

信號設備是為保證行車安全而設置的設備，列車根據信號設備提供的行車許可和允許速度等信息運行。信號設備指示的內容稱為“信號顯示”，信號機點燈（最近比較常見的是LED）稱為“顯示信號”。大多數既有線上都是由線路沿線的信號機和A TS（列車自動監督系統）共同作用，但在高速運行的新干線上，由于用肉眼觀察信號機行車非常困難，所以在駕駛臺的顯示器上顯示信號，一旦超過允許速度，A TC（列車自動控制系統）將會自動進行制動。

本文在介紹應用于新干線的各種A TC的基礎上，以東北新干線和上越新干線上應用的數字ATC為例介紹最新的ATC技術。

2 新干線ATC

在列車實際運行速度一旦超過允許速度的情況下，ATC將對列車實行自動制動。實現這種自動控制的系統，其控制方式大致分為兩種。一種是上述在駕駛臺顯示信號的“車載信號方式”，另一種是與A TS類似的在線路沿線使用信號機的“地面信號方式”。在新干線和使用A TC的主要既有線上采用車載信號方式，在地鐵等方面采用地面信號方式。

無論采用哪種方式，都從地面向車上連續不斷地傳送允許速度等信息，實時確認實際運行速度和允許速度，保證高安全性。在傳送允許速度方面，主要采取以軌道作為傳送媒介的方式，但傳送信息是根據列車在線路上的位置、站場內的進路和道岔的狀態等來決定。檢測列車在線路上的位置是通過軌道電路實現的。軌道電路是把軌道作為電路的一個組成部分的列車檢測裝置，給軌道通上電流，如果電流傳到接在對面的接收機，則可以判斷區間空閑。列車如果占用區間，輪對壓在軌道上會引起短路，電流無法傳到接收機，則可以判斷列車占用區間。

如果在第一輪對前方設置接收天線，由于軌道上通有電流，接收天線的輸出電壓會發生變化，可以檢測軌道上的電流大小和頻率等。通過在軌道電流上加入信息，可以實現地面向列車傳送信息。

在新干線A TC的初期，通過在軌道電流上加入信息，采用了一種AM調制（振幅調制）方式。AM調制能改變電流振幅的大小，在收音機上也廣泛應用。某一頻率反復改變振幅大小時，這個頻率稱為調制頻率。在新干線A TC中，通過與210 km/h、160 km/h……30 km/h等允許速度和調制頻率的對應從而實現信息的傳送。例如，調制頻率為10 Hz時，列車允許速度為210 km/h。

3 數字ATC

隨著技術的進步，信息量（調制頻率的種類）和允許速度的種類也隨之增加，使用上述的方式傳送信息受到限制。在速度控制方面，使用AM調制雖無問題，但為了用大量信息安全并且更加高效地實行控制，開發了通過M SK調制（M in im um Sh ift Key ing）的傳送數字信號的數字ATC。MSK調制是讓軌道電路的電流從中心頻率（fc）變化為一定的頻率（Δf），通過fc+Δf和fc-Δf兩種頻率，傳送“0”、“1”位列。軌道電路的ID和目標停止位置相關的信息預先轉換成“0”、“1”位列，再把這個位列轉換成fc+Δf和fc-Δf的頻率接入軌道。

在獨立行政法人鐵道建設 運輸施設整備支援機構（簡稱“鐵道·運輸機構”）和JR（Jap an Railw ay日本鐵道集團）的協助下，日本鐵道綜合技術研究所開發了數字ATC。通過在新干線和既有線等各種條件下進行試驗，確認了使用軌道傳送數字信號和使用車載數據庫控制的可能性。

4 應用于無絕緣軌道電路的DS-ATC的開發

東北新干線引進的數字ATC稱為 DS-ATC。

為進一步降低成本，從八戶到新青森的東北新干線的延伸區間，鐵道綜合技術研究所、鐵道·運輸機構與東日本旅客鐵道株式會社共同開發了“應用于無絕緣軌道電路的DS-ATC”。

通常情況下，軌道兩端使用電氣絕緣，與相鄰區間明確區分。如圖1所示，無絕緣軌道電路中，軌道沒有采用絕緣。從中間的發送機②③出來的電流流向接收機②和接收機③。由此可見，一個發送機向兩個軌道電路傳送信息是可能的，這種方式稱為“中間發送兩端接收方式”。由于軌道上沒有明確的區間劃分，電流會流向區間外，即使列車在區間外也會被錯誤判斷為區間占用。但是列車將檢測范圍向外延伸，不存在安全問題。這種檢測范圍的偏差稱為“分界偏差”。采用這種方式會減少軌道絕緣和絕緣處所需的變壓器等機器以及電纜等設備的數量，以降低初期成本。

作為無絕緣軌道電路，在軌道電路的分界處設置共振電路，在區間外設置無法通過電流的裝置，簡化設備結構，如圖1所示。

由于ATC傳送信息的電流（簡稱ATC波）需要在位于列車前方車輛的接收線圈處接收信息，所以必須從列車運行方向導入軌道電路的信號，按照圖1構成的無絕緣軌道電路無法順利工作。例如，軌道電路②、③的其中任意一方將會成為逆向電流。這種情況下，可以分別向軌道導入檢測列車的電流和傳送信息的電流來解決問題。用于檢測列車的發送機、接收機如圖1所示進行配置，用于A TC的發送機配置在各軌道電路分界處。接收機、發送機的數量會增加，但是軌道電路分界處所需的左右兩側的軌道電路接收機（2種）和用于ATC的發送機安裝在一個單元上，所以沒有問題。在絕緣軌道電路上，一般是在軌道上導入A TC波；無絕緣軌道電路由于有可能向其他的列車傳送載有信息的電流，所以只能在列車占用的軌道電路中導入A TC波。由于這種方式是列車前方在正好進入下一軌道電路的時間傳送ATC波，所以稱為“進入發送方式”。

以絕緣區分軌道的“粘接軌道絕緣”、區分信號電流和回程電流的阻抗連接器以及一些電纜連接點，構成了絕緣軌道電路的現場設備。無絕緣軌道電路不需要粘接軌道和阻抗連接器。無絕緣軌道電路檢測列車時使用中間發送兩端接收的方式，由于ATC采用了進入發送方式，電纜連接點變少。無絕緣軌道電路與絕緣軌道電路相比，由于現場設備較少，所以施工性能優良，維護性能卓越。

5 仿真器的討論與現場試驗

開發過程中，首先進行了計算機仿真，討論了滿足以下兩方面的電氣規格：①充分確保A TC波；②充分確保檢測列車電流（簡稱TD波）的列車檢測特性。如果變更ATC波的頻率，必須修改DS-ATC的車載設備，才能統一ATC的頻率、報文格式與DS-ATC一致。由于TD波和ATC波必須同時導入軌道，所以需要與ATC波的頻率不同。至青森的區間內出現積雪時，用淋灌裝置進行融雪作業。但是，仍然有雪糕狀的積雪殘留在軌道上，左右的軌道之間會慢慢產生短路，軌道電路的電流無法傳送到遠處。為滿足這些制約條件，反復進行模擬仿真，調整傳送電路各部分元件的參數，制成了用于試驗的裝置。

然后在既有的東北新干線（盛岡—八戶）巖手沼宮內車站區域內，進行了試驗裝置的測試。

測試時，先不讓列車運行，確認了模擬短路（用人工操作代替列車實現短路）后可以得到與仿真結果相同的特性。通過TD波確認了列車能夠檢測的范圍（分界偏差的大小）、短路時ATC波的電流大小等。

2007年3月，在列車日常運營結束后使用實際運行的列車進行了為期4天的試驗。在此基礎上，開發了投入實際使用的設備。

6 著眼于實用的綜合試驗

在現場進行確認試驗，在東北新干線（八號—新青森）七戶十和田站通信信號機房及八甲田隧道內的上下線22軌道電路上設置新開發的無絕緣軌道電路的實用1號機，通過模擬短路進行了測試，顯示與仿真匹配，并且滿足A TC波的短路電流值等各項數值。

隨后，使用實際運行的列車進行了綜合試驗。在整備新干線時，移交給業主（JR）前，使用實際運行的列車進行試驗，互相確認綜合監督檢查。在32次的走行試驗中，信號安全部門在平時的A TC試驗中加入了確認邊界偏差和進入發送性能等的試驗，綜合進行了無絕緣軌道電路的試驗。結果證明，列車高速運行時能夠正確檢測列車狀態，ATC波的短路電流也滿足設計值，作為無絕緣軌道電路特征的邊界偏差和進入發送性能等方面也比較優越。

7 結語

以上主要介紹了面向新干線的數字ATC，在既有線、地鐵等方面也在廣泛引入適應其特性的數字A TC。今后將繼續進行信號系統的研發工作，期待能對于鐵路的安全平穩的運輸工作有所貢獻。