中國高速鐵路信號系統(tǒng)的發(fā)展與應用

盧德培

簡要介紹中國鐵速鐵路信號系統(tǒng)的發(fā)展,重點介紹高速鐵路信號系統(tǒng)的基本組成,高速鐵路信號系統(tǒng)的調度控制中心、車站聯(lián)鎖及車載設備間控制原理,狀態(tài)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(tǒng)功能;技術應用

信號系統(tǒng)是鐵路運輸?shù)暮诵脑O備,是鐵路運行控制的神經中樞系統(tǒng),高速鐵路信號控制系統(tǒng)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(tǒng)正常發(fā)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(fā)展,電子設備和電子器件開始引入鐵路信號控制系統(tǒng)。車站聯(lián)鎖由電氣集中向電子設備集中轉化,區(qū)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(fā)展,由于電子系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(tǒng)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(tǒng)設計方式,使得在控制系統(tǒng)元器件、甚至是模塊故障情況下,系統(tǒng)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(tài)的工作信息,即在局部設備故障的情況下,系統(tǒng)仍能維輸出滿足需要的工作信息,維持系統(tǒng)的工作效用,保證系統(tǒng)正常工作。

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

信息化技術是把客觀的物理概念進行數(shù)字化處理,輸入到計算機進行數(shù)據(jù)處理,按照優(yōu)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(yōu)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(tǒng)原以繼電器為主件的分散控制技術,如電氣集中聯(lián)鎖,區(qū)間半自動繼電器閉塞等,稱為信號系統(tǒng)的聯(lián)鎖、閉塞技術。信號聯(lián)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(xiàn)車站、區(qū)間信息變換、傳遞和處理的控制方式,信號控制系統(tǒng)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(qū)間信號機采用——紅、黃、黃綠、綠顯示,通過數(shù)字軌道電路傳遞列車運行信息,后續(xù)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(tǒng)實行列車的正常制動、非常制動,實現(xiàn)列車自動停車控制。

3.高速鐵路信號控制系統(tǒng)的特點

分散控制、集中管理的大規(guī)模綜合列車運行自動控制,信息顯示的綜合運用系統(tǒng)。

較高的容錯控制技術及安全控制能力,調度中心發(fā)布控制命令、監(jiān)督信號系統(tǒng)的運行狀態(tài)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(zhí)行還要通過車站、區(qū)間的執(zhí)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(qū)域信號控制設備實現(xiàn)建立進路、解鎖進路、區(qū)間閉塞等功能。車站的聯(lián)鎖、閉塞設備通過驅動設備實現(xiàn)就地安全控制。

較強的信息處理能力,較強的系統(tǒng)運用靈活性,能夠實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)(即計算機、控制、指揮、通信與信息等控制系統(tǒng))。

4.高速鐵路信號系統(tǒng)的組成及功能

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

行車指揮自動化(ATS)系統(tǒng)。根據(jù)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(tài),指揮列車運行。各站的控制計算機實行車站區(qū)域進路排列、道岔轉換、信號開放等。根據(jù)列車的運行情況,中心計算機實時采集相關數(shù)據(jù),在顯示屏上集中顯示出全線信號設備的運行狀態(tài)和列車位置信息,列車編號等信息,并將各種數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、打印,匯成編制報表等。

列車自動防護(ATP)系統(tǒng)。列車自動防護系統(tǒng)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(tǒng),系統(tǒng)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(qū)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(fā)送至控制中心,控制后續(xù)列車的運行速度,保證后續(xù)列車安全進入指定區(qū)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(tǒng)。通過數(shù)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(tǒng),車載系統(tǒng)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(tài)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(xiàn)列車的安全、自動駕駛運行?？梢栽O備控制的人工介入,并取得優(yōu)選擇權,實現(xiàn)司機監(jiān)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(jù)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(tǒng)的控制關系如圖1。

5.信號系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)

行車指揮自動化(ATS)系統(tǒng):

系統(tǒng)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(fā)展,數(shù)據(jù)通信網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)的核心,目前一般采用三取二的冗余系統(tǒng),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(shù)據(jù)傳輸、處理系統(tǒng),即用一臺高速數(shù)據(jù)傳輸設備進行信息處理與傳遞,與管線車站、區(qū)間、列車等進行雙向數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)全線調度監(jiān)控等。

調度集中采用全線連續(xù)自動列車控制,調度中心計算機中固定存有被控制區(qū)域的各種數(shù)據(jù),如線路坡度、曲線限速數(shù)據(jù)等;還有軌道電路運用狀態(tài)、信號機位置、顯示等信息,應答器設置位置及工作狀態(tài)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(jù)各種數(shù)據(jù)運算出指揮行車的控制命令,通過數(shù)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(jù)最大允許速度實行自動駕駛(圖4)。

高速鐵路行車指揮系統(tǒng)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(xiàn)調度中心對管內信號設備的集中控制與監(jiān)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(qū)、分時地下達列車運行計劃。各站的控制分機根據(jù)中心計算機的運行計劃,直接控制現(xiàn)場的有關聯(lián)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(jiān)督計算機工作狀態(tài)并給予必要運行輔助調整。利用有線、無線的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡為調度中心與列車之間進行雙向信息傳遞。實現(xiàn)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(tài),車載計算機能夠輔助司機進行人工操縱作。

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

微機聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本結構。微機聯(lián)鎖系統(tǒng)由控制臺、監(jiān)視器、聯(lián)鎖邏輯處理機、控制驅動電路和現(xiàn)場設備等組成,如圖5所示。

微機聯(lián)鎖是一個閉環(huán)系統(tǒng),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(huán)控制原理設計的,控制監(jiān)視機與聯(lián)鎖處理機的聯(lián)系也都遵循閉合工作原理,只要閉環(huán)系統(tǒng)中的任何一部分發(fā)生故障,系統(tǒng)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(lián)鎖系統(tǒng)的冗余技術。為了提高微機聯(lián)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(tǒng)和二重冗余系統(tǒng);軟件冗余系統(tǒng)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(tǒng)安全性;運用容錯技術、避錯技術,提高系統(tǒng)可靠性;運用檢測技術,診斷系統(tǒng)故障,進行周期檢測,及時報警,系統(tǒng)中設有故障切斷器,實時切斷控制輸出電源或使局部系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)輸入、輸出接口采用固態(tài)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(huán)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(tǒng),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(tǒng)的安全性和可靠性。完整的車載連續(xù)式列車自動控制系統(tǒng)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(zhí)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(xiàn)的。

控制中心計算機通過自動控制系統(tǒng)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(fā)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(jù)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(xù)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(tǒng)就能連續(xù)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(shù)據(jù)流。天線由兩個感應線圈組成。機車上的處理機根據(jù)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(xù)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?shù)牧熊嚰铀俸蜏p速操作,從而達到節(jié)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(xù)列車將接收不到地面處理機的控制數(shù)據(jù)。在這種情況下,后續(xù)列車的機車處理機保存它剛剛進入軌道電路前的有關數(shù)據(jù),通過對這些數(shù)據(jù)和機車上的測速機的輸出數(shù)據(jù)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(xù)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(tǒng)、行車指揮自動化(ATS)系統(tǒng)、列車自動駕駛(ATO)系統(tǒng)ATO三才之間控制關系

ATP為整個ATC系統(tǒng)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(tǒng)的上層管理部分,是ATC的指揮中樞。ATO是采用ATCS的最優(yōu)體現(xiàn)。一個完整的ATC系統(tǒng)依靠各子系統(tǒng)協(xié)調工作共同完成,三者之間互有聯(lián)系、密不可分,其關系見圖7。

ATO需在已裝備ATP子系統(tǒng)的條件下才能使用,并不斷接受ATP的監(jiān)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(zhí)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(tǒng)(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(jù)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(qū)間運行時,每進入新的軌道區(qū)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(tǒng)是一項先進的控制技術,隨著高速鐵路的發(fā)展,高鐵信號系統(tǒng)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(tǒng).北京:中國鐵道出版社,1998

[3]趙志熙.車站信號控制系統(tǒng).北京:中國鐵道出版社,1997