闭塞与列控概论傅世善.docx
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闭塞与列控概论傅世善
《知识讲座》
闭塞与列控概论
傅世善
第一讲区间闭塞
1.闭塞制式
闭塞就是用信号或凭证，保证列车按照空间间隔制运行的技术方法。
空间间隔制就是前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离的行车方法。
从各种不同的角度闭塞可以有各种不同的分类，总的说可分站间闭塞和自动闭塞两大类。
1.1站间闭塞
站间闭塞就是两站间只能运行一列车,其列车的空间间隔为一个站间。
按技术手段和闭塞方法又可分为:
电话闭塞、路签闭塞，路牌闭塞、半自动闭塞、自动站间闭塞。
电话闭塞《技规》把它作为一种最终的备用闭塞。
路签和路牌闭塞在我国已经淘汰。
半自动闭塞就是人工办理闭塞手续，列车凭信号显示发车后，出站信号机自动关闭的闭塞方法。
其特征为：
站间或所间只准走行一列车；人工办理闭塞手续；人工确认列车完整到达和人工恢复闭塞。
自动站间闭塞就是在有区间占用捡查的条件下，自动办理闭塞手续，列车凭信号显示发车后，出站信号机自动关闭的闭塞方法。
其特征为：
有区间占用捡查设备；站间或所间区间只准走行一列车；办理发车进路时自动办理闭塞手续；自动确认列车到达和自动恢复闭塞。
1.2自动闭塞
自动闭塞就是根据列车运行及有关闭塞分区状态自动变换信号显示，而司机凭信号行车的闭塞方法。
其特征为：
把站间划分为若干闭塞分区，有分区占用捡查设备，可以凭通过信号机的显示行车，也可凭机车信号或列车运行控制的车载信号行车；站间能实现列车追踪；办理发车进路时自动办理闭塞手续，自动变换信号显示。
从保证列车运行而采取的技术手段角度来看，自动闭塞可分两大类：
传统的自动闭塞和装备列车运行自动控制系统的自动闭塞。
1.2.1传统的自动闭塞
传统的自动闭塞一般设地面通过信号机，装备有机车信号，保证列车按照空间间隔制运行的技术方法是用信号或凭证来实现的。
传统的自动闭塞通常就称自动闭塞，在此因为要与装备列车运行控制的自动闭塞以区分，故首次冠以传统的自动闭塞之称。
目前，传统的自动闭塞一般适用于列车最高运行速度在160km/h及以下，它可分为：
三显示自动闭塞、四显示自动闭塞、多信息自动闭塞。
其实四显示自动闭塞可含在多信息自动闭塞之中，因为当前用得较多，故单独提出。
三显示自动闭塞就是通过信号机具有三种显示，能预告列车前方两个闭塞分区状态的自动闭塞。
其特征为：
通过信号机具有三种显示；能预告列车前方两个闭塞分区状态；分二个速度等级，一个闭塞分区的长度满足从规定速度到零的制动距离。
四显示自动闭塞就是通过信号机具有四种显示，能预告列车前方三个闭塞分区状态的自动闭塞。
其特征为：
通过信号机具有四种显示；能预告列车前方三个闭塞分区状态；分三个速度等级，二个闭塞分区的长度满足从规定速度到零的制动距离。
多信息自动闭塞也称多显示自动闭塞，是对四显示及以上自动闭塞的统称。
多于四显示时，往往地面通过信号机不具备多显示的条件，而以机车信号显示为主。
《铁路信号名词述语》规定的定义是：
三显示自动闭塞就是通过信号机具有三种显示，能预告列车前方两个闭塞分区状态的自动闭塞；四显示自动闭塞就是通过信号机具有四种显示，能预告列车前方三个闭塞分区状态的自动闭塞。
确实通过信号机具有的显示数目是作为自动闭塞制式的唯一特征，在以地面信号机作为主体信号，且机车信号显示与地面信号机显示相符的情况下，这样的表述也是比较简单和容易理解的。
实际上作为自动闭塞的制式，通过信号机具有的显示数目，只是其表征之一，并非唯一特征和标识。
往往由于地面通过信号机显示数目不足或增加显示数目有困难、造价高等原因，而以机车信号显示（甚至用速度显示方式）来代替或补充，这样通过信号机具有的显示数目就不能作为识别自动闭塞制式的主要标识。
所以本文给出的定义补充了基本特征。
三显示自动闭塞中，黄灯是注意信号，表示运行前方有一个闭塞分区空闲，一个闭塞分区的长度能满足从规定速度到零的制动距离，可以越过黄灯后再开始制动。
四显示自动闭塞中，绿黄灯是警惕信号，表示运行前方有两个闭塞分区空闲，两个闭塞分区的长度满足从规定速度到零的制动距离，可以越过绿黄灯后再开始减速；黄灯是限速信号，列车越过黄灯时必须减速至规定的限速值，不然就难以保证在下一个红灯前可靠停车。
实际中往往有简化的情况，例如有这样的设计方案：
基本速度等级分为三级：
160～115～0km/h；两个闭塞分区的长度满足从规定速度到零的制动距离；为了少改动设备，地面通过信号机保留三显示，没有绿黄灯作为警惕信号，但机车信号的绿灯分Ｌ与Ｌ１，在见黄灯前第一架显示绿灯的信号机接近区段机车信号显示Ｌ１。
机车信号Ｌ１实际上就是警惕信号，只是地面信号机省了一个警惕信号。
这种自动闭塞制式究竟是三显示还是四显示，假若把符合三大特征的称为典型的标准型四显示自动闭塞，那么这种自动闭塞制式可称为简化的非标准型四显示自动闭塞，因为它除了地面信号机省了一个警惕信号外，其他四显示自动闭塞的基本特征它都有。
1.2.2装备列车运行控制自动的自动闭塞
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，装备列车运行控制自动的自动闭塞可分为三类：
固定闭塞、准移动闭塞（含虚拟闭塞）和移动闭塞。
称为准移动闭塞，说明它还不是移动闭塞，所以有时仍把它归入固定闭塞，准移动闭塞的名称在铁路上较少提，在城轨交通中常用，本文为说明问题，暂按分三类讲述。
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。
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，如图1.1所示
图1.1
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，当然会留有一定的安全距离，而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。
如图1.2所示。
图1.2
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，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，闭塞分区是以计算机技术虚拟设定的。
如图1.3所示。
图1.3
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（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，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。
如图1.4所示。
图1.4
第二讲列控系统的速度控制模式
2．列控系统的速度控制模式
列车运行自动控制系统ATC（AutomaticTrainControl）就是对列车运行全过程或一部分作业实现自动控制的系统。
其特征为：
列车通过获取的地面信息和命令，控制列车运行，并调整与前行列车之间必须保持的距离。
列车运行自动控制系统（简称列控系统）是保证列车按照空间间隔制运行的技术方法，它是靠控制列车运行速度的方式来实现的。
在城市轨道交通领域中，列车运行自动控制系统ATC（AutomaticTrainControl）包括三个子系统：
列车超速防护系统ATP（AutomaticTrainProtection）；
列车自动驾驶系统ATO（AutomaticTrainOperation）；
列车自动监控系统ATS（AutomaticTrainSupervision）。
目前我国城市轨道交通的信号系统大部分是引进国外技术和系统，所以列控系统及其子系统的应用和名称是与国际接轨的。
在我国铁路领域中，目前列车自动驾驶系统ATO的应用尚未提到日程，所以不常提及。
铁路列调车作业远比城市轨道交通复杂，调度监督系统使用的历史较长，运输调度指挥系统DMIS得到大力发展，目前正在集中全力发展调度集中CTC，没有把CTC的功能归入ATC。
列车超速防护系统ATP是列车运行自动控制系统ATC的核心组成部分，所以通常提及的列车运行自动控制系统ATC实际上是指列车超速防护系统ATP。
以下介绍的列车运行自动控制系统ATC主要也是指列车超速防护系统ATP部分。
从速度控制方式角度，对列车运行自动控制分为以下几种模式：
2.1分级速度控制
分级速度控制：
以一个闭塞分区为单位，根据列车运行的速度分级，对列车运行进行速度控制。
分级速度控制系统的列车追踪间隔主要与闭塞分区的划分、列车性能和速度有关，而闭塞分区的长度是以最坏性能的列车为依据并结合线路参数来确定的，所以不同速度列车混合运行的线路采用这种模式能力是要受到较大的影响。
分级速度控制又分为阶梯式和分段曲线式。
①阶梯式分级速度控制
阶梯式分级速度控制又分为超前式和滞后式。
一个闭塞分区的进入速度称为入口速度，驶离速度称为出口速度。
超前速度控制方式又称为出口速度控制方式，给出列车的出口速度值，控制列车不超过出口速度。
日本ATC采取超前式速度控制方式，采用设备控制优先的方法。
如图2.1上图所示，阶梯式实线为超前式速度控制线，粗虚线为列车实际减速运行线，从最高速至零速的列车实际减速运行线为分段曲线组成的一条不连贯曲线组合。
因为列车驶出每一个闭塞分区前必须把速度降至超前式速度控制线以下，不然设备自动引发紧急制动，所以超前对出口速度进行了控制，不会冒出闭塞分区。
滞后速度控制方式又称为入口速度控制方式，给出列车的入口速度值，监控列车在本闭塞分区不超过给定的入口速度值，采取人控优先的的方法，控制列车不超过下一闭塞分区入口速度值。
法国TVM-300列控系统采用人控优先的方法，进行滞后速度控制。
因为在每一个闭塞分区列车速度只要不超过给定的入口速度值，就不会碰滞后式速度控制线，考虑万一列车失控，在本闭塞分区的出口即下一闭塞分区的入口处的速度超过了给定的入口速度值，碰撞了滞后式速度控制线，即所谓撞墙，此时触发设备自动引发紧急制动，此时列车必然会越过第一红灯进入下一闭塞分区，如此必须要增加一个闭塞分区作为安全防护区段，俗称双红灯防护。
如图2.1下图所示，粗虚线为列车实际减速运行线，从最高速至零速的列车实际减速运行线为分段曲线组成的一条不连贯曲线组合；细虚线为撞墙后的紧急制动曲线。
图2.1阶梯式分级速度控制
从上述可知，阶梯式分级速度控制，只是对每一个闭塞分区的入口速度或出口速度进行控制，对列车速度控制的不是连续的，因此地对车载所需要的信息量是较少的，TVM-300系统地对车实时传输18个信息，设备相应简单些。
②曲线式分级速度控制
曲线式分级速度控制根据列车运行的速度分级，每一个闭塞分区给出一段速度控制曲线，对列车运行进行速度控制。
法国TVM430系统采取曲线式分级速度控制方式。
如图2.2所示，粗实线为曲线式分级速度控制线，从最高速至零速的列车控制减速线为分段曲线组成的一条不连贯曲线组合，列车实际减速运行线只要在控制线以下就可以了，万一超速碰撞了速度控制线，设备自动引发紧急制动，因为速度控制是连续的，所以不会超速太多，紧急制动的停车点不会冒出闭塞分区，可以不需增加一个闭塞分区作为安全防护区段，设计时当然要考虑留有适当的安全距离。
列控设备给出的分段的制动速度控制曲线是根据每一个闭塞分区的线路参数和列车自身的性能计算而定，闭塞分区的线路参数可以通过地对车信息实时传输，也可以事先在车载信号设备中存储通过核对取得。
因为制动速度控制曲线是分段给予出的，每次只需一个闭塞分区线路参数，TVM430系统就是通过地对车信息实时传输的，其信息量为27bit。
图2.2分段曲线式分级速度控制
分段曲线式分级速度控制一般制动速度控制曲线是不连贯和不光滑的，如图2.2所示，也可以是利用计算机技术做成连贯和光滑的如图2.3中粗虚线所示。
但粗虚线所示的制动速度控制曲线实际上是各闭塞分区入口速度控制值的连接线，该制动速度控制曲线是不随列车性能和线路参数的变化而变动的，具有唯一性，与目标距离连续式一次速度控制模式曲线不同，所以其本质上还归属分级速度控制范围。
图2.3连续曲线式分级速度控制
2.2目标距离速度控制
目标距离速度控制其采取的制动模式为连续式一次制动速度控制的方式，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，不设定每个闭塞分区速度等级。
连续式一次速度控制模式若以前方列车占用的闭塞分区入口为追踪目标点，则为准移动闭塞；若以前方列车的尾部为追踪目标点，则为移动闭塞。
移动闭塞在城交轨道交通中有运用，铁路系统中尚无运用实例，以下所述的目标距离速度控制方式主要是指准移动闭塞，例如，欧洲ETCS1~2级、日本I-ATC和中国CTCS1~3级列控系统。
如图2.4所示，粗实线为目标距离速度控制线，从最高速至零速的列车控制减速线为一条连贯和光滑的曲线，列车实际减速运行线只要在控制线以下就可以了，万一超速碰撞了速度控制线，设备自动引发紧急制动，因为速度控制是连续的，所以不会超速太多，紧急制动的停车点不会冒出闭塞分区，可以不需增加一个闭塞分区作为安全防护区段，设计时当然要考虑留有适当的安全距离。
图2.4目标距离速度控制
列控设备给出的一次连续的制动速度控制曲线是根据目标距离、线路参数和列车自身的性能计算而定，线路参数可以通过地对车信息实时传输，也可以事先在车载信号设备中存储通过核对取得。
因为给出的制动速度控制曲线是一次连续的，需要一个制动距离内所有的线路参数，地对车信息传输的信息量相当大，可以通过无线通信、数字轨道电路、轨道电缆、应答器等地对车信息传输系统传输。
目标距离速度控制的列车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，比较适用于各种不同性能和速度列车的混合运行，其追踪运行间隔要比分级速度控制小，减速比较平稳，旅客的适舒度也要好些。
2.3控制模式简表
列控系统各种控制模式归纳成下表:
控制模式
分级速度（速差式）
目标距离
制动模式
台阶式
分段曲线式
一次连续式
闭塞制式
固定闭塞
准移动闭塞
移动闭塞
虚拟闭塞
车地信息传输
多信息轨道电路+点式设备
数字轨道电路;
或多信息轨道电路+点式设备
无线通信;
或数字轨道电路;
或轨道电缆;
或多信息轨道电路+点式设备
无线通信
无线通信
轨道占用检查
轨道电路
轨道电路
轨道电路或计轴设备
无线定位
应答器
无线定位
应答器
制动模式图示
列车运行间隔
双红灯防护
X+1L
设为对照值
XL
一次连续制动始点可变
小于XL
一次连续制动始点可变
小于XL
移动闭塞
更小于XL
第三讲列控系统的系统构成与分级
3．列控系统的系统构成
我国正在编制中国列车运行控制系统（简称CTCS）的技术规范，着手全力发展和装备列车运行控制系统。
CTCS技术规范是参照欧洲列车运行控制系统（简称ETCS）编制的。
以下的介绍将以CTCS为主。
CTCS系统两个子系统，即车载子系统和地面子系统。
地面子系统可由以下部分组成：
应答器、轨道电路、无线通信网络（GSM-R）、列车控制中心（TCT）/无线闭塞中心（RBC）。
其中GSM-R不属于CTCS设备，但是重要组成部分。
应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。
轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能，应采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。
无线通信网络（GSM-R）是用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息传输的车地通信系统。
列车控制中心是基于安全计算机的控制系统，它根据地面子系统或来自外部地面系统的信息，如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令，并通过车地信息传输系统传输给车载子系统，保证列车控制中心管辖内列车的运行安全。
车载子系统可由以下部分组成：
CTCS车载设备、无线系统车载模块。
CTCS车载设备是基于安全计算机的控制系统，通过与地面子系统交换信息来控制列车运行。
无线系统车载模块用于车载子系统和列车控制中心进行双向信息交换。
见图3.1CTCS系统结构示意图。
图3.1CTCS系统结构示意图
4.CTCS应用等级
CTCS根据功能要求和设备配置划分应用等级分，分为0~4级。
CTCS应用等级0（以下简称L0）：
由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。
CTCS应用等级1（以下简称L1）：
由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。
CTCS应用等级2（以下简称L2）：
是基于轨道传输信息并采用车-地一体化系统设计的列车运行控制系统。
可实现行指-联锁-列控一体化、区间-车站一体化、通信-信号一体化和机电一体化。
CTCS应用等级3（以下简称L3）：
是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。
点式设备主要传送定位信息。
CTCS应用等级4（以下简称L4）：
是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。
地面可取消轨道电路，由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查，实现虚拟闭塞或移动闭塞。
同条线路上可以实现多种应用级别，L2、L3和L4可向下兼容。
4.1CTCS0级
为了规范的一致性，将目前干线铁路应用的地面信号设备和车载设备定义为0级。
0级由通用机车信号+列车运行监控装置组成，对这一定义，业内尚有不同的看法。
0级到底是在等级内还是在等级外不够明确，目前的通用机车信号尚未能成为主体机车信号，列车运行监控装置尚未能被公认为安全系统，所以称列车运行控制系统还是不够格的，但目前确实在运用，并起着保证安全的作用。
0级的控制模式也是目标距离式，它在既有地面信号设备的基础上，采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。
如能在每个进出站口增加点式设备，加强核对地址，就能大大减少逻辑推断地址产生错误的可能性。
日本的数字列车运行控制系统I-ATC就是采取车载信号设备贮存电子电图，通过每一轨道区段的地址编码来调取所需的线路数据，这种方式可以使地-车信息传输的信息的需求量减少。
在欧洲列车控制系统ETCS规范中也不排斥车载信号设备贮存线路数据的方式。
正因为0级尚未成为安全系统，适用于列车最高运行速度为160km/h及以下，一般自动闭塞设计仍按固定闭塞方式进行，采用四显示自动闭塞，信号显示具有分级速度控制的概念，其目标距离式制动曲线可作为参考。
应该说这是一个过渡阶段。
4.2 CTCS1级
CTCS1级由主体机车信号+加强型运行监控装置组成，面向160km/h及以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。
利用轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息。
1级的控制模式为目标距离式，采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。
在车站附近增加点式信息设备，传输定位信息，以减少逻辑推断地址产生错误的可能性。
1级与0级的差别在于全面提高了系统的安全性，是对0级的全面加强，可称为线路数据全部贮存在车载设备上的列车运行控制系统。
4.3 CTCS2级
CTCS2级是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控制系统，面向
提速干线和高速新线，适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机。
是一种点-连式
列车运行控制系统，功能比较齐全和适合国情。
轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息；点式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速成和停车信息。
CTCS2级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，不设定每个闭塞分区速度等级，采用一次制动方式。
CTCS2级采取闭塞方式称为准移动闭塞方式，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，留有一定的安全距离，而后行列车从最高速开始一次制动曲线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。
4.4 CTCS3级
CTCS3级是基于无线通信（如GSM-R）的列车运行控制系统，它可以叠加在既
有干线信号系统上。
轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。
无线通信系统实现地-车间连续、双向的信息传输，行车许可由地面列控中心产生，通过无线通信系统传送到车上。
CTCS3级与2级一样，采取目标距离控制模式（又称连续式一次速度控制）和准移动闭塞方式。
由于其实现了地-车间连续、双向的信息传输，所以功能更丰富些，实时性更强些。
4.5 CTCS4级
CTCS4级是完全基于无线通信（如GSM-R）的列车运行控制系统。
由地面无线闭塞中心（RBC）和车载设备完成列车占用检测及完整性检查，点式信息设备提供列车用于测距修正的定位基准信息。
CTCS4级采取目标距离控制模式，列车按移动闭塞或虚拟闭塞方式运行。
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，采取无线定位方式来实现列车定位和占
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