控制線原理及其在ATC系統中的應用

1、控制線原理及其在ATC系統中的應用學號：0207456 姓名：樊超摘要：介紹了控制線的基本概念和組成，并結合津濱輕軌信號工程實際論述了其在城市軌道交通列車自動控制系統中的應用。關鍵詞：控制線；列車自動控制；速度；距離Abstract: This paper presented the basic concept and principle of control line and described its application in urban mass transit in combination with the practical engineering of Tianjin-Binh

2、ai mass transit projectKey words: control line；Automatic Train Control (ATC)；Speed；Distance控制線(Control line)理論是信號系統實現對列車精確速度控制和間隔控制的核心技術。目前國內對于控制線理論的研究和工程應用尚處于起步階段，本文基于津濱(天津一塘沽)輕軌信號系統工程實踐在這方面進行探討。1、控制線的基本概念軌旁ATP子系統不但需要采集控制范圍內的相關動態(tài)信息，包括運行方向、所有軌道電路狀態(tài)(占用或出清)、信號開放條件及相應道岔位置，還需要采集其他與運行有關的靜態(tài)信息，如線路信息(坡度、限速等

3、)、車輛牽引制動性能參數等。軌旁系統將根據所采集到的數據信息，遵照一定的控車模式，生成控制范圍內的所有軌道區(qū)段上所允許的與運行有關的數據(包括線路速度、目標距離、目標速度等)，并以鋼軌作為傳輸通道，經過數字編碼調制，按照劃分區(qū)段實時發(fā)送數據。當列車運行至任一區(qū)段時，都可以由列車上的接收線圈接收到在這個區(qū)段軌道電路上的數據。車載ATP子系統將在車內連續(xù)顯示容許的速度信號，實現列車精確的速度和間隔控制。不同區(qū)段發(fā)送的控制線數據存在一定的聯鎖邏輯關系，由軌旁子系統的控制計算機集中運算和控制。1.1控制線分類按照控車模式，控制線可以簡單劃分為階梯式控制線和模式曲線控制線2類。假定前提條件：列車初始速度

4、為50km/h；閉塞分區(qū)長度為500m。在采用階梯式控制線的系統中，軌道區(qū)段只能按照制動性能最差的列車的最大安全制動距離劃分閉塞分區(qū)。由于采用的是模擬軌道電路，因此在每個分區(qū)范圍內，傳輸給車載ATP子系統的信息只有本區(qū)段的速度等級(與軌旁色燈信號機顯示相對應)，在列車追蹤間隔中還需要預留保護區(qū)段。列車速度控制只能采用簡單的階梯方式，列車運行間隔及運行舒適度均受到限制，無法滿足軌道交通的運行需要。目前我國國鐵信號系統中多采用該種方式，與國際先進水平有較大差距。在采用模式曲線控制線的系統中，由于采用了數字編碼軌道電路，軌旁ATP子系統向車載ATP子系統提供的信息量成倍增加，列車之間的安全間隔是基于

5、目標速度、目標距離、制動曲線和列車所在線路段信息而實時動態(tài)計算出來的。由于列車定位精度得到提高，后續(xù)列車可以根據該線路段允許速度最大限度地靠近先行列車，因此可以滿足城市軌道交通高精度、小間隔的運行需要，得到廣泛應用。但這類信號系統目前均由國外廠商提供。我們對控制線的研究就是基于這種控制方式展開的?？刂凭€的最終用途在于實現對列車速度的連續(xù)、精確、實時控制。模式曲線的生成是由車載ATP子系統基于軌旁ATP子系統控制線所提供的動態(tài)數據，結合事先固化在車載ROM存儲器中的線路固定數據而動態(tài)生成的。討論列車速度控制的數學模型，可以加深對控制線作用的認識。1.2基本信息如圖所示，假定列車距目標點的距離為S

6、，列車的減速度為b，目標點的允許速度為，列車的允許速度為，列車運行到目標點的時間為T，則滿足以下運動方程。 （1）消去變量后： （2）在=0時： （3）根據公式（）即可以生成列車的速度控制曲線，當然這只是在理想條件下得到的。在工程實踐中還要考慮線路限速、坡度、車輛阻力、牽引制動性能等因素的影響，這些因素都會轉化為加權因子引人到列車速度控制方程中，但基本原理一致?？刂凭€包含的動態(tài)信息通過數字編碼軌道電路進行傳輸，由車載信號接收傳感器感應至車載ATP子系統進行處理。在津濱輕軌信號工程中，采用美國USS公司提供的MICROLOK信號控制系統，包括AF904數字編碼軌道電路，可以向車載ATP子系統不間

7、斷發(fā)送總計35bit的有效控制線信息。有效信信息定義如表：其中直接或間接與控制線相關的信息位(粗體表示)占到29bit。這些信息位均采用二進制編碼實現，并且以數據庫文件形式固化在程序ROM中，直接通過數據指針進行調用。AF904數字編碼軌道電路系統代表了國際同類系統的先進水平，具備網絡化、冗余化、數字化的典型技術特征。任一區(qū)段的發(fā)送、接收單元都可視為一個網絡節(jié)點，通過內部網絡安全通信獲取控制計算機發(fā)送的控制線信息。2、控制線的內容及編制邏輯在已建立并鎖閉運行方向的情況下，列車運行需要的控制線基本內容如圖所示。2.1線路速度列車在當前區(qū)段運行時所允許的最高速度為線路速度。由于不同區(qū)段、不同情況下

8、線路限速不盡相同，故限速可以分為種。1.線路限速包括：站臺限速，即列車在站臺運行時的最高速度；彎道限速，即為防止列車在彎道處脫軌而設置的最高速度；坡道限速，即列車在上下坡道，特別是比較陡的下坡道的最高速度；道岔區(qū)限速，即列車在經過道岔區(qū)段時所允許的最高速度。線路限速是固化的，與某個區(qū)段相關聯，不會隨著外部環(huán)境的改變而改變。2.人工限速可以根據需要人為地對某一個區(qū)域，可以包含個及個以上區(qū)段，或者單獨個區(qū)段設置限速。由于人工限速是人為設置，因此可以在不需要限速時，通過系統人機接口取消限速。當某個區(qū)段同時存在多種限速時，則應當以數值最小的速度作為本區(qū)段的線路速度。2.2目標速度根據某個區(qū)段前方運行條

9、件計算得出的在本區(qū)段運行的列車到達目標點時的速度值為目標速度。前方運行條件就是前方列車的位置、進路條件及道岔位置、限速等。目標速度的計算方法如下：.缺省情況下，車站間區(qū)段發(fā)送的控制線信息中的目標速度為0，表示當前列車速度到目標停車點時，將降為0。.當位于列車前方某1個區(qū)段的線路速度(例如:站臺或道岔區(qū)域)存在小于本區(qū)段線路速度的限速，則目標速度為前方區(qū)段的限速。表明列車到達前方限速區(qū)人口時，速度應當低于該限速。.當列車前方幾個區(qū)段處有列車占用，而且距離足夠遠，能滿足該列車的安全制動，則目標速度為本區(qū)段的線路速度。表示當前列車可以按照線路最大允許速度行駛。2.3目標距離列車運行到達前方目標速度位

10、置的距離為目標距離，這個數值包括列車當前占用區(qū)段的長度。如果目標速度為0或者小于本區(qū)段的線路速度，則目標距離為從這個區(qū)段至前方目標速度位置的距離；如果目標速度為本區(qū)段的線路速度，則目標距離為最大值，津濱信號系統工程實踐中，此條件下目標距離顯示為2900m。該數值僅用于指示給司機參考，不代表物理上實際距離，表示當前列車可以按照線路最大允許運行速度行駛。2.4下區(qū)段載頻為了減小相鄰2個區(qū)段內信號的相互干擾，通常來說，信號系統設計可以保證任何相鄰個區(qū)段的信號載頻分配都是不同的，因此軌旁信號系統也需要向列車發(fā)送相關的載頻信息。如果列車前方第1個區(qū)段有列車占用，或者信號沒有開放，則下一區(qū)段載頻為本區(qū)段的

11、載頻，車載ATP子系統一旦接收到該類型控制線信息后，將實施緊急制動。該類型控制線信息在系統中具有最高優(yōu)先等級。如果前方第1個區(qū)段沒有列車占用，或者信號已經開放，則下一載頻為前方第個區(qū)段的載頻。需要說明，線路速度指的是本區(qū)段所允許的最高運行速度，它不會因為目標速度和目標距離的改變而改變。而列車實際運行所允許的最高速度與目標速度和目標距離有關，如圖所示的實曲線，車載信號系統會自動持續(xù)地計算在當前位置按照正常制動可以安全地到達目標速度位置的當前最高允許速度，并將其顯示在司機操作臺上。當列車處于自動駕駛模式下，車載子系統可以保證運行速度不超過這個最高允許速度；當列車處于人工駕駛模式下，一旦列車超過了這

12、個最高允許速度，則列車會向司機發(fā)出警告，如司機未及時做出正確反應，車載ATP子系統將自動實施制動，避免發(fā)生危險。關于目標距離，雖然軌旁系統向某個區(qū)段發(fā)送的目標距離在數值上不會有變化，但是列車一旦開始占用這段軌道電路，車載信號系統就會自動計算目標距離減去車輪走過的距離，并以此做為在司機顯控終端上顯示的數值。因此，列車上顯示的目標距離就是列車頭部距離目標速度位置的實際長度。當目標距離顯示為最大值時，其數值不會隨列車的前進而變化，直到目標速度小于線路速度，車載信號系統才開始計算，并將隨時變化的實際目標距離數值，顯示在司機顯控終端上。3、控制線的特殊控制邏輯以上討論的是正常條件下，控制線的基本控制邏輯

13、。除此之外，在一些特定條件下，控制線的控制邏輯有必要做出特殊處理。1如果故障條件下，某個或某些區(qū)段的運行方向沒有鎖閉，則軌旁系統向區(qū)段發(fā)送的線路速度、目標速度和目標距離的數值都為0，下一載頻為當前區(qū)段頻率。2對于一些特定條件，如果前方區(qū)段的線路速度大于后方區(qū)段的線路速度，但是列車尾部還沒出清限速區(qū)段(例如：道岔區(qū)段和站臺區(qū)段)時，從安全角度出發(fā)，必須考慮列車尾部防護，如圖2所示：目標速度和目標距離考慮方式與前述一致，但軌旁子系統發(fā)送當前區(qū)段的線路速度，也就是運行中的列車正在接收的線路速度，必須為列車后方限速區(qū)段的線路速度，直至列車尾部完全出清限速區(qū)域為止。從而實現列車尾部的超速防護。4、控制線的設計流程控制線文件的編制是城市軌道交通信號系統設計工作中的重要環(huán)節(jié)，可以劃分為以下步驟：線路基本參數的最終確立；閉塞設計；控制線設計；控制線文件的數據庫軟件生成與固化；現場測試與校核；系統最終交付。津濱輕軌信號工程中采用AF904數字編碼軌道電路系統軟件，采用系統程序和應用程序2級分層結構?？刂凭€數據以數據庫的形式存儲在用戶應用程序中，并提供了基于Microsoft Word軟件編程的人機接口程序，可以根據現場實際，方便進行修改，并固化下載到控制計算機CPU板中。基于控制線原理的移動閉塞技術是城市軌道交通信號控制系統技術發(fā)展的方向和