运行间隔控制原理

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1、列车运行控制技术王长林列车运行控制系统ATC（Automatic Train Control）包括三个子系统：列车超速防护系统ATP（Automatic Train Protection）；列车自动驾驶系统ATO（Automatic Train Operation）；列车自动监控系统ATS（Automatic Train Supervision）。间隔控制原理 列车运行自动控制系统（简称列控系统）保证列车按照空间间隔制运行的技术方法是靠控制列车运行速度的方式来实现的。运行列车间必须保持的空间间隔首先是满足制动距离的需要，当然还要考虑适当的安全余量和确认信号时间内的运行距离。所以根据列控系统采取

2、的不同控制模式会产生不同的闭塞制式。列车间的追踪运行间隔越小，运输能力就越大。从闭塞制式的角度来看，装备列车运行控制系统的自动闭塞可分为三类：固定闭塞 准移动闭塞（含虚拟闭塞）移动闭塞。1固定闭塞列控系统采取分级速度控制模式时，采用固定闭塞方式。运行列车间的空间间隔是若干个闭塞分区，闭塞分区数依划分的速度级别而定。一般情况下，闭塞分区是用轨道电路或计轴装置来划分的，它具有列车定位和占用轨道的检查功能。固定闭塞的追踪目标点为前行列车所占用闭塞分区的始端，后行列车从最高速开始制动的计算点为要求开始减速的闭塞分区的始端，这两个点都是固定的，空间间隔的长度也是固定的，所以称为固定闭塞。固定闭塞时列控系

3、统采取分级速度控制模式，是要把速度分级的，每两个速度等级间存在一个速差，其对应的信号显示就表达了这个速差意义，所以可以称为速差式信号显示。当采用滞后型阶梯式控制模式时，需要增加一个闭塞分区作保护区段，所以运行列车间的空间间隔就大一点；采用其他分级速度控制模式时就不必增加一个闭塞分区作保护区段。如图1-1所示。图1-1 固定闭塞示意图2准移动闭塞准移动闭塞方式的列控系统采取目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）。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，不必设定每个闭塞分区速度等级，采用一次制动方式。准移动闭塞的追踪目标点是前行列车所占用闭塞分区的始端，当然会留

4、有一定的安全距离，而后行列车从最高速度开始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。目标点相对固定，在同一闭塞分区内不依前行列车的走行而变化，而制动的起始点是随线路参数和列车本身性能不同而变化的。空间间隔的长度是不固定的，由于要与移动闭塞相区别，所以称为准移动闭塞。显然其追踪运行间隔要比固定闭塞小一些。一般情况下，闭塞分区是用轨道电路或计轴装置来划分的，它具有列车定位和占用轨道的检查功能。由于目标点是相对固定的，所以，当前行列车在同一闭塞分区内走行时，连续式一次速度控制曲线是相对稳定的；当前行列车出清闭塞分区时，目标点突然前移，目标距离突然改变，连续式一次速度控制曲线会发

5、生跳变。如图1-2所示，准移动闭塞时，列控系统采取目标距离控制模式，速度是不分级的，给出的是连续式一次速度控制曲线式的信号显示，所以其对应的信号显示制式可以称为速度式信号显示。图1-2 准移动闭塞示意图3虚拟闭塞虚拟闭塞是准移动闭塞的一种特殊方式，它不设轨道占用检查设备和轨旁信号机，采取无线定位方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能，闭塞分区和轨旁信号机是以计算机技术虚拟设定的，仅在系统逻辑上存在有闭塞分区和信号机的概念。虚拟闭塞除闭塞分区和轨旁信号机是虚拟的以外，从操作到运输管理等，都等效于准移动闭塞方式。如图1-3所示。图1-3 虚拟闭塞示意图 虚拟闭塞方式非常有条件将闭塞分区划分得很短，

6、当短到一定程度时，其效率就很接近于移动闭塞。4移动闭塞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。移动闭塞的追踪目标点是前行列车的尾部，当然会留有一定的安全距离，后行列车从最高速开始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。高一级的移动闭

7、塞还要考虑前行列车的速度。如图1-4所示。图1-4移动闭塞示意图 第二章 速度防护原理 根据技术特点和用途，列控ATP有着不同的分类方法。按照列车速度防护模式，分为阶梯速度防护模式和曲线速度防护模式两种类型。列车速度防护模式与行车安全、运营效率、闭塞方式、运输组织模式和列车驾驶都有着密不可分的关系。各国的列车自动控制系统都具有自己的特点，有不同的技术条件和适应范围。国外铁路采用的列控系统主要有：日本新干线ATC系统，法国TGV铁路和韩国高速铁路的TVM300及TVM430系统，德国及西班牙铁路采用的LZB系统，及瑞典铁路的EBICA900系统等。2.1阶梯控制方式阶梯控制方式阶梯控制方式可不需

8、要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号，即可实现阶梯控制方式。每个闭塞分区设计一个目标速度，在一个闭塞分区中，无论列车在何处都只按照固定的速度判定列车是否超速。因此轨道信息量较少，设备相对比较简单，这是一种传统的控制方式。阶梯控制又分为出口速度检查和入口速度检查两种方式。2.1.1 出口速度检查控制方式出口速度检查控制方式阶梯控制出口速度检查方式示意图见图2-1。图2-1阶梯控制出口速度检查方式示意图 阶梯控制出口速度检查方式，每一个闭塞分区内按照一个允许速度进行控制，列车的允许速度为本区段的入口速度，即上一区段的目标速度。机车信号显示给出的是目标速度，要求列车在闭塞分区内

9、将列车速度降低到目标速度，设备在闭塞分区出口进行检查。如果列车实际速度未达到目标速度以下则设备自动进行制动。出口速度检查方式由于要在列车到达停车信号处（目标速度为零）才检查列车速度是否为零，如果列车速度不是零，设备才进行制动。由于制动后列车要走行一段距离才能停车，因此为保证安全，停车信号后方要有一段安全防护区。安全防护区的设置对线路的通过能力有一定的影响，此外这种阶梯监控分段制动的方式也不符合一般列车的连续制动模式。法国TVM300系统采用了这种方式，TVM300系统是其早期产品，系统构成简单，地面轨道电路采用了UM71，地对车信息传输容量仅有18个，因此它的速度监控是阶梯式的。为充分发挥乘务

10、员责任感及驾驶技巧，法国铁路采用了人控为主，设备起监督作用的控制方式。入口速度检查控制方式入口速度检查控制方式阶梯控制入口速度检查方式示意图见图2-2。图2-2阶梯控制入口速度检查方式原理示意图 列车在闭塞分区入口处接收到目标速度信号后立即以此速度进行检查，一旦列车超速，则进行制动，使列车速度降低到目标速度以下。日本新干线传统ATC系统采用的就是这种速度分级，入口制动，自动缓解的控制方式。日本新干线ATC系统采用“设备优先”的控制原则。列车减速一般由设备完成，当列车速度低于目标速度后自动缓解。列车速度减到30 kmh以下需要在车站停车时，才由司机操纵以保证列车停在正确位置。这种方式要求列车制动

11、系统连续多次制动后制动力不衰竭。2.1.3 分级速度制动方式存在的问题分级速度制动方式存在的问题（1）制动距离的确定由于线路上运行的各种列车制动性能各异，为了确保安全，系统只能按制动性能最差的列车性能来确定制动距离，这对于制动性能好的列车来说是个损失，影响进一步提高运行密度。（2）ATP制动控制只进行制动和缓解两种操作，不调整制动力大小，因此列车减速度变化大，旅行舒适度差。（3）分段制动方式增加了列车追踪间隔，采用多段制动方式时，每个闭塞分区都要考虑列车从入口速度降低到出口速度减速制动距离，列车实际的减速过程要包括列车在信号设备动作时间及制动空走时间中走行的距离，此外还要在防护点之前留有一定安

12、全距离。分段制动方式和一次制动方式示意图见图2-3。图2-3 分段制动方式和一次制动方式式示意图2.2曲线控制方式曲线控制方式曲线控制又可细分为两种模式方式：分级曲线控制方式和速度距离模式曲线控制方式。分级速度曲线模式分级速度曲线模式分级速度曲线控制方式和阶梯控制方式一样，每一个闭塞分区只给定一个目标速度。控制曲线把闭塞分区允许速度的变化连续起来。地面设备传送给车载设备的信息是下一个闭塞分区的速度、距离和线路条件数据，没有提供至目标点的全部数据，所以系统生成的数据是分级连续制动模式曲线（即以分级小曲线的变换点连成的准一次制动模式曲线）。在曲线控制方式下，列车在一个闭塞分区中运行时，列控设备判定

13、列车超速的目标速度不再是一个常数，而是随着列车行驶不断变化，即是距离的函数。因此列控设备除了需要接收目标速度信息外，还要接收到闭塞分区长度及换算坡度的信息。法国TVM430系统采用了这种方式，TVM430是TVM300的换代产品，地面采用UM2000型轨道电路。该方式要求每个闭塞分区入口速度（上一个闭塞分区的目标速度）和出口速度（本闭塞分区目标速度）用曲线连接起来，形成一段连续的控制曲线，TVM430每一个闭塞分区给定一个目标速度，但用曲线代替原来的阶梯控制线。列车速度超过限速曲线时，列控设备实施制动。为防止冒进信号发生追尾，仍设有保护区段。图2-4 法国TVM430曲线控制方式示意图 地面轨

14、道电路UM2000可以传递27 bit信息，其中目标速度信息6bit，距离信息8bit，坡度信息4bit。法国TVM430仍然采用“人控优先”的控制原则。列车正常运行由司机驾驶，当列车速度低于目标速度后只给出允许缓解的表示，由司机进行缓解操作。只有在司机失误并可能出现危险的情况下列控设备才强迫列车制动。法国铁路认为这种人机关系有利于发挥司机的技术能力，加强其责任感。速度速度距离曲线模式距离曲线模式速度距离模式曲线控制不再对每一个闭塞分区规定一个目标速度，而是向列车传送目标速度、列车距目标的距离（和TVM430不一样，它可以包括多个闭塞分区的长度）的信息。列车实行一次制动控制方式。列车追踪间隔可

15、以根据列车制动性能、车速、线路条件调整，可以提高混跑线路的通过能力。这种方式称为目标速度目标距离方式（DISTANCE TO GO），是一种更理想的运行控制模式。速度距离模式曲线控制实现了一次制动方式，列控车载设备为智能型设备，它根据目标速度、目标距离、线路条件、列车性能生成的目标距离模式曲线进行连续制动，缩短了运行间隔，提高了运输效率，增加了旅行舒适度。为了实现这一方式，地面设备必须向列车发送前方列车的位置、限速条件等动态数据，以及线路条件等固定数据，数字ATC的地面设备以数据编码向列车传送信息，信息量明显增加，可靠性高。德国LZB系统和日本数字ATC系统采用这种控制方式。德国连续式列车自动

16、控制系统LZB是由轨旁设备LZB L72和车载设备LZB 80构成。所有固定数据如线路地理参数、局部的固定限速等都贮存在LZB中心。联锁系统向控制中心传送信息显示、道岔设置及其他数据的同时，系统范围内的列车也向控制中心传送它们的特殊数据，如列车长度、列车位置、实际速度等等。区间列车占用情况检查是通过区间轨道电路或计轴设备等完成的。根据上述数据，控制中心确定每列列车的最大标称速度指挥列车运行，德国LZB系统列车速度距离方式示意图见图2-5。图2-5 德国LZB系统列车速度距离方式示意图 在LZB系统中，地面和车上的信息是通过感应环线相互传送的。每个LZB地面控制中心最长可以控制12.7km的环线

17、，每个短回线发送接收单元的环线长度为左右各300 m，环线每100m交叉换位一次，以对电气进行补偿，同时也用于确定列车的实际位置。地面设备由控制中心和环线系统构成。控制中心与调度中心、微机联锁、相邻控制中心交换数据，并通过环线和列车交换数据，控制每一列车运行。日本新干线ATC系统近年来为进一步提高高速列车速度和行车密度，采用最新计算机技术和数字技术对现行的ATC系统进行了改进，增加了车地通信数据，新神户至博多全线都更换成为这种新的数字ATC系统。其制动曲线如图2-6所示。图2-6日本新干线数字ATC曲线控制方式示意图数字ATC根据增加的数据和车上线路数据结合起来，列车就可以知道自己现在处于什么位置、据前方停车点（或限速点）还有多少距离，列车根据这些数据，结合本身的牵引及制动性能，经过列车牵引计算，计算出最高允许速度，控制列车在允许速度以下运行。这种方式只是再增加数字信息发送设备，地面接收设备和原有车上设备可保持不变，新的车上设备可以接收数字信息，实现高速运行。列控系统各种控制模式归纳成表2-1。