中國高速鐵路信號系統的發展與應用

盧德培

簡要介紹中國鐵速鐵路信號系統的發展,重點介紹高速鐵路信號系統的基本組成,高速鐵路信號系統的調度控制中心、車站聯鎖及車載設備間控制原理,狀態信息的傳送原理等,為從事高速鐵路信號工作做些基礎準備。

信號;信息控制;系統功能;技術應用

信號系統是鐵路運輸的核心設備,是鐵路運行控制的神經中樞系統,高速鐵路信號控制系統在保證高速鐵路行車安全、提高運輸效率中起著關鍵性的作用。了解、掌握高速鐵路信號控制原理和控制過程,使信號控制系統正常發揮效用,是高速鐵路安全、準點運行的重要保障。

1.信號與信息控制技術

進入20世紀60年代,隨著電子技術的發展,電子設備和電子器件開始引入鐵路信號控制系統。車站聯鎖由電氣集中向電子設備集中轉化,區間設備也由半自動閉塞向移頻(FSK)自動閉塞、相鍵(PSK)自動閉塞和調幅(ASK)自動閉塞等制式發展,由于電子系統動作速度加快,可靠性提高,并且信息量大,為高速鐵路的信號控制系統的電子化、信息化奠定了基礎。

70年代初世界第一代微處理聯鎖機的問世,使鐵路信號控制的微電子控制時代迎來生機,在微機信號控制系統中,顯著的特點是信息的容錯技術得到了提高,所謂容錯控制技術(Fault-Tol-erance Control),是指通過系統設計方式,使得在控制系統元器件、甚至是模塊故障情況下,系統通過冗余控制技術,將故障部件信息覆蓋或屏蔽,輸出正常狀態的工作信息,即在局部設備故障的情況下,系統仍能維輸出滿足需要的工作信息,維持系統的工作效用,保證系統正常工作。

隨著信息技術的發展,在信息運用技術、信息自動化、信息優化與信息智能化等四個方面的發展。

信息化技術是把客觀的物理概念進行數字化處理,輸入到計算機進行數據處理,按照優化技術生成某種預定的技術指標,在一定約束條件下求得最優解;信息智能化是信息處理的最高境界,包括信息的理解、推理、分析、判斷等方面。信息智能化的重要標志是信息對知識的表述和應用。

2.高速鐵路信號技術的應用

鐵路信號控制系統原以繼電器為主件的分散控制技術,如電氣集中聯鎖,區間半自動繼電器閉塞等,稱為信號系統的聯鎖、閉塞技術。信號聯鎖和閉塞技術通過信息的邏輯處理,最終以地面信號機給出三種基本顏色——紅、黃、綠(進站、出站可以是黃綠組合)的信號顯示指揮列車運行。

高速鐵路的信號控制技術,是以電子器件或微電子器件的集中處理、分散控制,即所謂集散式控制方法,實現車站、區間信息變換、傳遞和處理的控制方式,信號控制系統分為行車指揮自動化與列車運行自動化兩個方面,控制列車運行的信號顯示以車載機車自動信號為主,地面信號為輔的運行方式。由于列車運行速度高、密度大,區間信號機采用——紅、黃、黃綠、綠顯示,通過數字軌道電路傳遞列車運行信息,后續列車運行過程中實時了解前行列車的目標距離、目標速度,及安全停車位置信息,并通過列車車載自動控制系統實行列車的正常制動、非常制動,實現列車自動停車控制。

3.高速鐵路信號控制系統的特點

分散控制、集中管理的大規模綜合列車運行自動控制,信息顯示的綜合運用系統。

較高的容錯控制技術及安全控制能力,調度中心發布控制命令、監督信號系統的運行狀態和列車位置信息等,是信號控制和信息管理的上層機構,命令的下達和執行還要通過車站、區間的執行設備才能完成,如果調度中心的計算機故障,可改由人工控制,通過區域信號控制設備實現建立進路、解鎖進路、區間閉塞等功能。車站的聯鎖、閉塞設備通過驅動設備實現就地安全控制。

較強的信息處理能力,較強的系統運用靈活性,能夠實現行車調度指揮、運行控制和列車運行信息管理的綜合控制。

人機控制,通過調度員輸入的控制程序或調度員、車站值班員在控制臺的人工控制,運用(帶有冗余的)計算機硬件、軟件的實現自動、人工邏輯控制。

以上控制特點可以描述為高速鐵路列車控制的C4I系統(即計算機、控制、指揮、通信與信息等控制系統)。

4.高速鐵路信號系統的組成及功能

世界各國采用的高速鐵路信號控制系統都稱為列車自動控制系統(ATCS-Automatic Train Conrol System),列車自動控制系統(ATCS)包括行車指揮自動化子系統或稱列車自動控制與監視(ATS)子系統、列車自動防護(ATP)子系統和列車自動駕駛(ATO)子系統。

行車指揮自動化(ATS)系統。根據運行圖計劃及列車控制信息,通過控制中心計算機實行輸入列車運行程序,實時控制、調整列車運行狀態,指揮列車運行。各站的控制計算機實行車站區域進路排列、道岔轉換、信號開放等。根據列車的運行情況,中心計算機實時采集相關數據,在顯示屏上集中顯示出全線信號設備的運行狀態和列車位置信息,列車編號等信息,并將各種數據進行統計、打印,匯成編制報表等。

列車自動防護(ATP)系統。列車自動防護系統是保證列車按照設定速度安全運行,防止列車超速運行,并能防護列車迎面沖突和追尾沖突的系統,系統具有故障一安全技術的特點,主要功能是檢測列車當前運行速度和位置信息,并將速度信息實時與區域設定速度比較,決定是否實行制動;通過檢測列車位置信息,并發送至控制中心,控制后續列車的運行速度,保證后續列車安全進入指定區域,保證列車安全運行和一定的制動距離。

列車自動駕駛(ATO)系統。通過數字軌道電路或應答器等軌旁設備將調度中心或車站的控制命令傳輸給車載系統,車載系統接收到控制信息后,經過運算、比較,結合列車自身的控制、制動條件,給出安全、合理的運行速度,列車的運行信息、狀態信息、制動性能等技術指標均可在調度中心顯示出來,以便對運行的列車實時控制,實現列車的安全、自動駕駛運行。可以設備控制的人工介入,并取得優選擇權,實現司機監督、按照設定的速度曲線自動運行,保證進站后定點停車,并可根據調度中心的指令實時調整列車速度,確保列車的最小追蹤間隔,提高列車的運行效率。

列車運行自動化ATS、ATP、ATO系統的控制關系如圖1。

5.信號系統控制功能的實現

行車指揮自動化(ATS)系統:

系統的結構與任務。隨著計算機應用技術和信息化技術的快速發展,數據通信網絡技術的提高,目前,以鐵路局、鐵道部為行車運營指揮中心的行車自動化體系已經建立,為高速鐵路的運行提供了良好的行車自動化指揮平臺。

高速鐵路列車指揮系統的基本結構如圖2。

控制中心計算機是高速鐵路指揮控制系統的核心,目前一般采用三取二的冗余系統,三臺計算機中有兩臺計算機用于重要操作,采用交叉比較輸出,第三臺計算機用于熱備份,如圖3。

控制中心還具有數據傳輸、處理系統,即用一臺高速數據傳輸設備進行信息處理與傳遞,與管線車站、區間、列車等進行雙向數據傳輸,實現全線調度監控等。

調度集中采用全線連續自動列車控制,調度中心計算機中固定存有被控制區域的各種數據,如線路坡度、曲線限速數據等;還有軌道電路運用狀態、信號機位置、顯示等信息,應答器設置位置及工作狀態等;運行列車的車輛信息、運行速度、制動效果等都將通過各站計算機傳送到中心計算機。

控制中心計算機根據各種數據運算出指揮行車的控制命令,通過數傳設備和軌旁單元傳送到車載計算機中,通過車載計算機算出運行列車的目標速度、到達下一停車點的目標距離、車載計算機限速運行曲線、實際行駛速度曲線、制動曲線編號等,根據最大允許速度實行自動駕駛(圖4)。

高速鐵路行車指揮系統的設備結構特點:減少分散安裝在線路旁邊的地面信號機,加裝應答器等裝置,實現調度中心對管內信號設備的集中控制與監督。調度中心計算機在調整列車運行過程中,向車站各分機分區、分時地下達列車運行計劃。各站的控制分機根據中心計算機的運行計劃,直接控制現場的有關聯鎖設備與進路。調度中心計算機自動跟蹤列車運行并向列車傳遞運行計劃與控制命令,調度員監督計算機工作狀態并給予必要運行輔助調整。利用有線、無線的數據傳輸網絡為調度中心與列車之間進行雙向信息傳遞。實現調度中心與列車車載信息的互動,控制指揮列車運行,并能實時了解列車運行狀態,車載計算機能夠輔助司機進行人工操縱作。

微機聯鎖系統。隨著微電子技術及計算機技術的發展,用電子器件及微電子器件代替繼電器實現聯鎖功能,控制信息量大、成本低、提高了系統安全性、可靠性,提高了設備靠性。

微機聯鎖系統的基本結構。微機聯鎖系統由控制臺、監視器、聯鎖邏輯處理機、控制驅動電路和現場設備等組成,如圖5所示。

微機聯鎖是一個閉環系統,安全控制信息輸出和信息輸入的局部,以及微機內部的邏輯處理過程,都是按照閉環控制原理設計的,控制監視機與聯鎖處理機的聯系也都遵循閉合工作原理,只要閉環系統中的任何一部分發生故障,系統就能立即診斷出來并采取措施,進行記錄報警,直至切斷控制輸出電源,以便確保安全。

微機聯鎖系統的冗余技術。為了提高微機聯鎖關系的安全性、可靠性和可維護性,目前廣泛采用的主要冗余技術有:

硬件冗余:硬件冗余為三取二的三重冗余系統和二重冗余系統;軟件冗余系統有雙通道冗余、雙套軟件冗余,信息長度冗余和時間冗余等提高系統安全性;運用容錯技術、避錯技術,提高系統可靠性;運用檢測技術,診斷系統故障,進行周期檢測,及時報警,系統中設有故障切斷器,實時切斷控制輸出電源或使局部系統停止工作。系統輸入、輸出接口采用固態元件構成的安全控制電路,確保故障導向安全;信息通道采用編碼傳輸技術和閉環信道,加大海明電碼距離,提高誤碼檢出率。采用嚴密的組織手段、先進的檢測方法和計算機輔助設計系統,提高硬件的可靠性和軟件的可信性。

微機化列車自動控制設備。車載計算機同樣要采用三取二的結構來保證系統的安全性和可靠性。完整的車載連續式列車自動控制系統如圖6所示。

列車收到運行信息后,由車載計算機算出列車位置和駕駛信息,經過處理后由列車控制設備執行速度控制,進行必要的啟動、制動控制。列車速度信息、位置信息等回傳給軌旁設備,進而輸送至控制中心及車站分機,報告列車位置、列車車次,列車長度及實際行車速度等,信息的傳遞是通過應答器和無線通道實現的。

控制中心計算機通過自動控制系統能收到所管范圍內每列車的行車特性、線路地形等與列車有關的信息,在行車自動化過程中,可以使得兩列車按最小時分或安全間隔運行。

地面處理機向前面和后面兩個軌道電路銜接點的兩端發送信號,所利用的是3kHz的載頻頻率(在途中分別用f1至f4表示)。處理機在銜接點處接收各點多測試的電流和電壓,用所測的電壓值除以電流值就求出了由列車車軸分路后軌道電路上鋼軌的阻抗。根據求得的鋼軌阻抗可以算出從銜接點到列車的舉例。如果鋼軌電路上沒有列車時,則所測的鋼軌阻抗將大于相當于軌道電路長度的鋼軌阻抗。這樣,地面處理機就能確定出在這個軌道電路上沒有列車。

地面處理機首先計算機從銜接點到后面軌道電路上后續列車的舉例(L2),當和后面軌道電路上沒有列車時,這個距離就等于軌道電路的長度(L2)。其次,地面處理機計算銜接點到前面軌道電路上列車尾部的舉例(L2),當前面的軌道電路上沒有列車時,則這段距離的長度由前方的地面處理機傳來。求出這兩段距離之和(L1+L2),系統就能連續第確定亮列車之間的運行距離。

機車上的處理機通過安裝在機車前部的天線接收由鋼軌傳來的數據流。天線由兩個感應線圈組成。機車上的處理機根據機車制動性能確定其制動模式,控制列車速度。機車上的處理機連續檢測前方列車的尾端距離,所以能做到列車以極短的間隔運行,同時可以避免不恰當的列車加速和減速操作,從而達到節省能源和使旅客舒適的目的。

當兩列列車同時運行在一個軌道電路上時,由于前行列車車軸分路了軌道電路,后續列車將接收不到地面處理機的控制數據。在這種情況下,后續列車的機車處理機保存它剛剛進入軌道電路前的有關數據,通過對這些數據和機車上的測速機的輸出數據進行處理,可檢測出它自己的位置和它與前面列車的間隔距離。當前面列車駛出該軌道后,后續的列車就能接收到地面處理機傳來的信息,列車運行的控制就可恢復正常。

6.列車自動防護(ATP)系統、行車指揮自動化(ATS)系統、列車自動駕駛(ATO)系統ATO三才之間控制關系

ATP為整個ATC系統的安全核心,是列車運行時必不可少的安全保障。ATS為ATC系統的上層管理部分,是ATC的指揮中樞。ATO是采用ATCS的最優體現。一個完整的ATC系統依靠各子系統協調工作共同完成,三者之間互有聯系、密不可分,其關系見圖7。

ATO需在已裝備ATP子系統的條件下才能使用,并不斷接受ATP的監視,ATO通過ATP從ATS處得到列車運行命令;ATO獲得信息后,結合線路情況計算合適的運行速度,得到控制量,執行控制命令,同時顯示有關信息。到站后,經ATP檢查開門條件滿足后,ATO給出開門信息,同時,列車ATO通過列車位置識別系統(PTI)天線,將列車信息傳送給地面通信器,然后傳送到ATS,ATS根據此列車信息確定列車的新任務后再次通過軌道電路傳送給ATO,在區間運行時,每進入新的軌道區段,ATO便接收新的地面信息,以便進行速度調整,在運行過程符合條件時,可以靈活地進入ATO模式。

7.結束語

高速鐵路信號系統是一項先進的控制技術,隨著高速鐵路的發展,高鐵信號系統還將承擔著更艱巨的重任,為了保證高速鐵路的安全,高效運營,鐵路信號控制技術需要在功能、控制手段方面不斷改進,相信在信號工作者的不斷努力下,一定能夠開辟出中國高速鐵路信號控制技術的嶄新局面。

[1]錢仲侯.高速鐵道概論.北京:中國鐵道出版社,2006

[2]吳汶麒.城市軌道交通信號與通信系統.北京:中國鐵道出版社,1998

[3]趙志熙.車站信號控制系統.北京:中國鐵道出版社,1997