應(yīng)用于無絕緣軌道電路的新干線數(shù)字ATC的開發(fā)

福田光芳 橫田倫一

（日本鐵道綜合技術(shù)研究所）

1 前言

信號設(shè)備是為保證行車安全而設(shè)置的設(shè)備，列車根據(jù)信號設(shè)備提供的行車許可和允許速度等信息運(yùn)行。信號設(shè)備指示的內(nèi)容稱為“信號顯示”，信號機(jī)點(diǎn)燈（最近比較常見的是LED）稱為“顯示信號”。大多數(shù)既有線上都是由線路沿線的信號機(jī)和A TS（列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)）共同作用，但在高速運(yùn)行的新干線上，由于用肉眼觀察信號機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)）將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)。

本文在介紹應(yīng)用于新干線的各種A TC的基礎(chǔ)上，以東北新干線和上越新干線上應(yīng)用的數(shù)字ATC為例介紹最新的ATC技術(shù)。

2 新干線ATC

在列車實(shí)際運(yùn)行速度一旦超過允許速度的情況下，ATC將對列車實(shí)行自動(dòng)制動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)控制的系統(tǒng)，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(jī)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(xù)不斷地傳送允許速度等信息，實(shí)時(shí)確認(rèn)實(shí)際運(yùn)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(jù)列車在線路上的位置、站場內(nèi)的進(jìn)路和道岔的狀態(tài)等來決定。檢測列車在線路上的位置是通過軌道電路實(shí)現(xiàn)的。軌道電路是把軌道作為電路的一個(gè)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(jī)，則可以判斷區(qū)間空閑。列車如果占用區(qū)間，輪對壓在軌道上會(huì)引起短路，電流無法傳到接收機(jī)，則可以判斷列車占用區(qū)間。

如果在第一輪對前方設(shè)置接收天線，由于軌道上通有電流，接收天線的輸出電壓會(huì)發(fā)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(shí)現(xiàn)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(diào)制（振幅調(diào)制）方式。AM調(diào)制能改變電流振幅的大小，在收音機(jī)上也廣泛應(yīng)用。某一頻率反復(fù)改變振幅大小時(shí)，這個(gè)頻率稱為調(diào)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(diào)制頻率的對應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)信息的傳送。例如，調(diào)制頻率為10 Hz時(shí)，列車允許速度為210 km/h。

3 數(shù)字ATC

隨著技術(shù)的進(jìn)步，信息量（調(diào)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(diào)制雖無問題，但為了用大量信息安全并且更加高效地實(shí)行控制，開發(fā)了通過M SK調(diào)制（M in im um Sh ift Key ing）的傳送數(shù)字信號的數(shù)字ATC。MSK調(diào)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(biāo)停止位置相關(guān)的信息預(yù)先轉(zhuǎn)換成“0”、“1”位列，再把這個(gè)位列轉(zhuǎn)換成fc+Δf和fc-Δf的頻率接入軌道。

在獨(dú)立行政法人鐵道建設(shè) 運(yùn)輸施設(shè)整備支援機(jī)構(gòu)（簡稱“鐵道·運(yùn)輸機(jī)構(gòu)”）和JR（Jap an Railw ay日本鐵道集團(tuán)）的協(xié)助下，日本鐵道綜合技術(shù)研究所開發(fā)了數(shù)字ATC。通過在新干線和既有線等各種條件下進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了使用軌道傳送數(shù)字信號和使用車載數(shù)據(jù)庫控制的可能性。

4 應(yīng)用于無絕緣軌道電路的DS-ATC的開發(fā)

東北新干線引進(jìn)的數(shù)字ATC稱為 DS-ATC。

為進(jìn)一步降低成本，從八戶到新青森的東北新干線的延伸區(qū)間，鐵道綜合技術(shù)研究所、鐵道·運(yùn)輸機(jī)構(gòu)與東日本旅客鐵道株式會(huì)社共同開發(fā)了“應(yīng)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(qū)間明確區(qū)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(fā)送機(jī)②③出來的電流流向接收機(jī)②和接收機(jī)③。由此可見，一個(gè)發(fā)送機(jī)向兩個(gè)軌道電路傳送信息是可能的，這種方式稱為“中間發(fā)送兩端接收方式”。由于軌道上沒有明確的區(qū)間劃分，電流會(huì)流向區(qū)間外，即使列車在區(qū)間外也會(huì)被錯(cuò)誤判斷為區(qū)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(huì)減少軌道絕緣和絕緣處所需的變壓器等機(jī)器以及電纜等設(shè)備的數(shù)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(shè)置共振電路，在區(qū)間外設(shè)置無法通過電流的裝置，簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，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(yùn)行方向?qū)胲壍离娐返男盘?，按照圖1構(gòu)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(huì)成為逆向電流。這種情況下，可以分別向軌道導(dǎo)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(fā)送機(jī)、接收機(jī)如圖1所示進(jìn)行配置，用于A TC的發(fā)送機(jī)配置在各軌道電路分界處。接收機(jī)、發(fā)送機(jī)的數(shù)量會(huì)增加，但是軌道電路分界處所需的左右兩側(cè)的軌道電路接收機(jī)（2種）和用于ATC的發(fā)送機(jī)安裝在一個(gè)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(dǎo)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(dǎo)入A TC波。由于這種方式是列車前方在正好進(jìn)入下一軌道電路的時(shí)間傳送ATC波，所以稱為“進(jìn)入發(fā)送方式”。

以絕緣區(qū)分軌道的“粘接軌道絕緣”、區(qū)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(diǎn)，構(gòu)成了絕緣軌道電路的現(xiàn)場設(shè)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(shí)使用中間發(fā)送兩端接收的方式，由于ATC采用了進(jìn)入發(fā)送方式，電纜連接點(diǎn)變少。無絕緣軌道電路與絕緣軌道電路相比，由于現(xiàn)場設(shè)備較少，所以施工性能優(yōu)良，維護(hù)性能卓越。

5 仿真器的討論與現(xiàn)場試驗(yàn)

開發(fā)過程中，首先進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，討論了滿足以下兩方面的電氣規(guī)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(shè)備，才能統(tǒng)一ATC的頻率、報(bào)文格式與DS-ATC一致。由于TD波和ATC波必須同時(shí)導(dǎo)入軌道，所以需要與ATC波的頻率不同。至青森的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)積雪時(shí)，用淋灌裝置進(jìn)行融雪作業(yè)。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(huì)慢慢產(chǎn)生短路，軌道電路的電流無法傳送到遠(yuǎn)處。為滿足這些制約條件，反復(fù)進(jìn)行模擬仿真，調(diào)整傳送電路各部分元件的參數(shù)，制成了用于試驗(yàn)的裝置。

然后在既有的東北新干線（盛岡—八戶）巖手沼宮內(nèi)車站區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行了試驗(yàn)裝置的測試。

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

2007年3月，在列車日常運(yùn)營結(jié)束后使用實(shí)際運(yùn)行的列車進(jìn)行了為期4天的試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了投入實(shí)際使用的設(shè)備。

6 著眼于實(shí)用的綜合試驗(yàn)

在現(xiàn)場進(jìn)行確認(rèn)試驗(yàn)，在東北新干線（八號—新青森）七戶十和田站通信信號機(jī)房及八甲田隧道內(nèi)的上下線22軌道電路上設(shè)置新開發(fā)的無絕緣軌道電路的實(shí)用1號機(jī)，通過模擬短路進(jìn)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(xiàng)數(shù)值。

隨后，使用實(shí)際運(yùn)行的列車進(jìn)行了綜合試驗(yàn)。在整備新干線時(shí)，移交給業(yè)主（JR）前，使用實(shí)際運(yùn)行的列車進(jìn)行試驗(yàn)，互相確認(rèn)綜合監(jiān)督檢查。在32次的走行試驗(yàn)中，信號安全部門在平時(shí)的A TC試驗(yàn)中加入了確認(rèn)邊界偏差和進(jìn)入發(fā)送性能等的試驗(yàn)，綜合進(jìn)行了無絕緣軌道電路的試驗(yàn)。結(jié)果證明，列車高速運(yùn)行時(shí)能夠正確檢測列車狀態(tài)，ATC波的短路電流也滿足設(shè)計(jì)值，作為無絕緣軌道電路特征的邊界偏差和進(jìn)入發(fā)送性能等方面也比較優(yōu)越。

7 結(jié)語

以上主要介紹了面向新干線的數(shù)字ATC，在既有線、地鐵等方面也在廣泛引入適應(yīng)其特性的數(shù)字A TC。今后將繼續(xù)進(jìn)行信號系統(tǒng)的研發(fā)工作，期待能對于鐵路的安全平穩(wěn)的運(yùn)輸工作有所貢獻(xiàn)。