城市轨道交通信号系统.docx
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城市轨道交通信号系统
城市轨道交通信号系统
城市轨道交通信号系统
目录
一、概述
二、列车自动控制系统（ATC系统）分类
三、列车自动控制系统的基本功能
四、列车自动控制系统的监控运行模式
五、基于无线通信的列车自动控制系统（CBTC）
六、影响列车运行能力的因素
一、概述
城市轨道交通信号系统是整个轨道交通自动化控制系统中的重要组成部分，其作用：
1.保障列车运营安全；
2.提高运输能力；
3.实现快速、有序、高密度行车调度指挥。
由于城市轨道交通运营安全、准点率要求高，行车密度大，信号系统一般均采用列车自动控制系统（ATC），包括：
1.列车自监控系统（ATS）
2.列车自动防护系统（ATP）
3.列车自动运行系统（ATO）
二、列车自动控制系统（ATC）分类
1.按列车控制方式可分为：
台阶式和曲线式，台阶式→曲线式；
2.按闭塞方式可分为：
固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞，固定闭塞→准移动闭塞→移动闭塞。
3.按信息传输方式可分为：
点式和连续式，点式→连续式。
按上述列车速度控制方式、闭塞方式、信息传输方式的不同搭配组合，可组成：
1.点式ATC系统（点状的曲线式固定闭塞ATC系统）
2.固定闭塞ATC系统（连续的台阶式固定闭塞ATC系统）
3.准移动闭塞ATC系统（连续的曲线式固定闭塞ATC系统）
4.移动闭塞ATC系统（连续的曲线式移动闭塞ATC系统）
5.各种闭塞制式列车运行能力
固定闭塞ATC系统必须要有一段完整的闭塞分区，用作列车追踪运行的安全保护距离。
准移动闭塞ATC系统列车追踪运行的最小安全间隔为一个距停车点的安全保护距离。
移动闭塞ATC系统列车追踪运行的最小安全行车间隔，仅为后续列车指令停车点至前行列车尾部确认位置之间的安全保护距离。
三、列车自动控制系统的基本功能
（一）ATS系统
1.信息采集
通过ATS车站设备，采集轨旁及车载ATP/ATO提供的列车占用状态、进路状态、列车识别号、列车运行状态以及信号设备故障等控制和监督列车运行的基础信息。
2.列车运行自动描述
能对正线控制区段内列车识别号（服务号、目的号）进行自动追踪，从列车占用转换轨时开始，至终到站或返回车辆基地离开转换轨结束。
列车识别号可由中央自动生成或调度员人工设定，也可由驾驶员在列车上人工输入。
标识号能随着列车的走行，从一个车次窗向另一个车次窗移位显示。
3.自动设置列车进路
平时中央计算机根据指定运行图及列车位置，自动生成、输出进路控制命令，传送至车站联锁设备设置列车进路。
需要时：
1）中央人工控制
由控制中心调度员在调度大厅工作站进行进路和信号机控制；
2）车站人工控制
由车站值班员在车站控制室操作工作站上进行进路和信号机控制；
3）车站自动控制
当中央ATS设备（含通道）故障时，可由车站ATS设备根据计划运行图、时刻表或列车识别号自动进行进路和信号机控制；
4.运行图编制和管理
由调度员输入基本数据（各区间运行时间、车站停站时间）、运行间隔、起始和终到站等，由计算机辅助编制完成列车时刻表和运行图。
基本运行图编制完成后，按不同种类（包括平日、节假日、特殊情况等）存入数据库内，以备调度员随时调用。
在调度员工作站上，能将当前的实施运行图、实迹运行图用不同颜色在一个画面上显示和打印。
5.培训和演示
能在专用培训/演示工作站上提供离线培训和演示功能，用于培训及参观显示。
6.自动调整列车运行
能够根据列车实际运行的偏离情况，自动生成调整计划供调度员参考。
当偏离时间在一定范围内时，系统能对单列车或多列车进行自动调整；而当偏离时间超过规定的自动调整范围后，以起始或终到站为基点，对所有列车自动按等间隔运行的原则生成调整计划，经调度员确认后对全线列车进行调整。
自动调整或人工调整列车运行需与ATO系统结合进行，主要手段有：
1）调整列车区间走行时间；
2）调整列车停站时分，控制列车出发时刻；
3）在车站“扣车”与“放行”；
4）取消或增加列车。
7.列车运行监视和报警
通过中央调度大厅显示屏及调度台工作站，能对车站及区间轨道区段、道岔、信号机和在线运行列车、车辆基地线路等进行监视。
当列车运行或信号设备发生异常时，控制中心计算机能自动将有关信息在调度员工作站上给出报警及故障源提示。
8.故障情况下的降级处理
1）中心设备故障
（1）由车站ATS设备按自动进路方式控制列车；
（2）联锁设备按自动追踪进路方式控制列车；
（3）由车站人工进行进路控制。
2）车站设备故障
（1）联锁设备按自动追踪进路方式控制列车；
（2）由车站人工进行进路控制。
9.终端备
通过设在车辆段（停车场）的终端设备，向车辆管理及行车人员提供必要信息，便于车辆管理人员编制车辆运用计划和派班作业，信号楼行车人员为进出段（停车场）列车设置进路。
10.事件报告
能自动进行运行统计，包括列车运行报告、计划报告、偏移时刻表报告等，并根据需要进行显示和打印。
11.在操作工作站上，能对不同的操作人员赋予相应的职责、权限，以确保对设备的正确控制。
12.车站ATS设备能实现对站台列车发车表示器的控制。
（二）ATP系统
ATP系统是保证列车运行的安全系统，提供列车追踪间隔保护和超速防护，必须符合故障——安全原则。
1.列车运行间隔
能连续地对列车位置进行检测，并根据列车位置、线路条件、限制速度、列车进路等信息确定列车运行的移动授权和最大安全运行速度，保证前行与后续追踪列车之间的安全间隔。
2.超速防护
通过无绝缘轨道电路或无线设备等，能连续地对列车位置进行检测，并向列车连续地发送必要的速度、距离、线路条件等信息，确定列车运行的最大安全运行速度，实时监督列车的运行速度，在列车超速时提供常用制动或紧急制动控制。
3.车门控制
只有列车停在站台区域规定的停车范围内，才允许向列车发送开门命令；车门均已关闭后，才允许启动列车。
允许开左或右门需符合站台的位置和列车的运行方向。
4.列车移动
当列车停车误差超出ATP停车窗时（±500mm），允许列车前进或后退，一般后退速度不得大于5km/h，最大后退距离不得大于5m。
5.紧急关闭按钮
当按下车站控制室或站台上的紧急关闭按钮，将切断接近区段、离去区段和站台区域速度命令，并须经人工确认后才能恢复；如有地面信号机，还应切断信号开放电路。
6.车载ATP设备驾驶模式
1）ATP监督下的人工驾驶模式
2）ATP限速下的人工驾驶模式
7.车载ATP设备具有的主要功能
1）列车超速防护及报警；
2）设备故障时实施紧急制动；
3）列车非正常移动的检测并实施紧急制动；
4）监督车门的开启和关闭；
5）向车载ATO传送列车实际速度和目标速度等信息；
6）设备的自诊断、故障报警、记录；列车运行的实际速度、最大允许速度、目标速度、目标距离等信息存储记录；
7）具有人工或自动轮径磨耗补偿；
8.联锁备
1）联锁设备是保证道岔、信号机、区段正确联锁关系的关键设备，必须满足故障——安全原则。
2）在对正常进路防护的同时，能根据安全要求自动建立列车进路的保护区段并予以防护，以及能防止侧面列车冲撞。
3）能在操作工作站上对道岔实行单独操作和单独锁闭，对列车开放引导进路，还能对道岔、信号机、区段等信号控制元素实施封锁，禁止通过该元素排列进路。
4）能利用操作工作站对轨道和道岔区段设置临时限速。
5）向ATP提供信号机状态、列车进路的设置情况、保护区段的建立、区段临时限速以及区间运行方向等信息。
6）与车站ATS设备结合，能根据车站值班员和中央调度员的指令，实现车站和中央的两级控制权的转换。
在特殊情况下，车站可进行强行站控。
根据运营需要，可实现自动或人工控制模式办理进路。
7）中央或车站可设置整个联锁区的所有或部分信号机处于自动控制模式状态，并具有自动选择折返进路的功能（对多条折返线）。
（三）ATO系统
1.自动驾驶
在ATP的保护下，根据ATS的指令实现列车的自动驾驶，能够自动完成对列车的启动、牵引、匀速、惰行和制动的控制。
2.自动调整
可根据ATS的调整指令无级或有级改变区间走行时间。
3.自动折返
与ATP/ATS结合，实现折返站列车有人或无人驾驶自动折返。
4.停车误差
ATO自动驾驶时的车站程序停车误差不大于±300mm。
5.车门监控
能根据停车站台的位置及停车精度对车门进行监控，自动或人工开启车门。
车门的关闭通常经人工操作。
四、列车自动控制系统的监控运行模式
（一）控制中心调度指挥模式
正常情况下列车的运行处于中央自动监控状态。
列车在ATP的安全保护下自动驾驶和自动调整，调度员仅监督列车运行及设备的状况，当运行秩序被打乱或特殊情况时，可人工介入。
1.ATS自动监控模式
在每天开始运营前，调用相应的基本运行图或时刻表，经确认后，作为当天的计划运行图或时刻表自动控制列车运行。
自动监控模式情况下，中央计算机完成以下主要工作：
1）根据计划运行图或时刻表及列车位置自动生成进路控制命令，传送到车站联锁设备设置列车进路。
2）自动完成正线区段内列车标识号（服务号、目的地号等）的跟踪。
3）系统具有列车计划与实迹运行的比较功能和计算机辅助自动调度功能，即在发生列车运行偏差时，自动产生调整后的修改运行图，直接或经调度员确认后，作为下一时段的计划运行图自动控制调整列车运行。
列车运行自动调整包括：
（1）通过运行等级控制，对单个或多个列车的区间走行时分进行调整。
（2）对车站的列车出发及停站时分进行控制。
2.调度员人工介入模式
调度员可在中央人工发出有关命令，对全线的列车运行进行人工干预。
1）调度员人工调整列车运行
列车的实际运行与实施的计划运行图之间发生严重偏差，控制中心调度员可在行调工作站上给出有关命令，对列车运行进行人工调整。
调度员人工介入的列车运行调整包括：
（1）通过运行等级控制，对单个或多个列车的区间走行时分进行调整。
（2）对列车在车站的出发及停站时分进行控制。
（3）对计划运行图进行在线修改，包括“时间平移”，增加或取消列车、改变列车的始发点及始发时间、调整列车的出入段（场）时间等。
2）人工进路控制
行车调度人员根据需要，可在ATS行车调度工作站上对车站计算机联锁设备发送进路控制命令，设置列车进路。
3）人工设定列车的标识号
在车辆段（停车场）转换轨、车站股道及折返线上，列车向中央ATS发送识别号，当识别号与中央ATS计算机中的识别号不一致时，产生报警信息，行调人员通过行调工作站可对该列车的识别号进行重新设定、修正、删除等作业。
（二）列车出入段/场的调度模式
车辆段（停车场）车辆调度员室根据收到的当日计划运行图，可编制车辆运用和行车计划，进行派班作业。
车辆段（停车场）信号值班员根据车辆运行计划及列车计划运行图设置相应的进路，指挥列车出入段（停车场）及库内停车作业。
列车在车辆段（停车场）外侧转换轨处“登记”进入ATC监控区。
对于出段（场）列车，司机在停车库内上车后首先输入车组号和司机号，驶入“转换轨”停下时，通过车—地通信自动将车组号和司机号传送到中央，中央赋予相应的服务号，此列车便可进入ATC监控区。
列车也可在折返线、存车线按上述方式登记进入ATC监控区。
（三）车站现地控制模式
除联锁设备集中站以外，其他车站不直接参与运营控制。
车站联锁设备与ATS系统结合，实现车站和中央两级控制权的转换。
在中央ATS系统故障或经车站值班员申请，中央行调人员同意后，车站ATS、联锁系统可改由车站现地控制。
在需要的情况下车站值班员可强行取得控制权操纵联锁设备，此时列车在区间的运行时分和停站时分可依据预先储存的运营时刻表进行。
1.车站自动控制模式
1）ATS正常情况下的自动控制模式
在该控制模式下，值班员可在车站的操作工作站上将部分或所有信号机置于自动状态，车站联锁和ATS设备可根据运行图自动排列进路，而其他联锁操作则由值班员人工操作。
2）ATS故障情况下的自动控制模式
在中央ATS故障情况下，利用车站一级的ATS设备储存的当日计划运行图及接收到的列车目的地号，自动排列进路。
2.车站人工控制模式
1）联锁设备的人工控制
车站值班员在车站的操作工作站上选用人工进路模式，通过鼠标、键盘等设备排列进路，并可对联锁控制范围内的信号机、道岔和区段作特殊的设置或操纵。
在人工控制的模式下，车站值班员可将常用的正向进路设定为自动追踪状态，当列车进入防护该进路的信号机所定义的接近区段时，将会自动排出一条固定的列车进路。
2）现地控制盘（LCP）的操纵
在车站值班员认为必要的情况下，可通过按压现地控制盘上的有关按钮，对停于车站股道上的列车实施“扣车”/“放行”操作。
3）紧急关闭按钮的操纵
车站控制室和每侧站台均设有紧急关闭按钮，一旦车站股道上发生突发事件，按压此按钮后将对进出站列车实施紧急制动。
故障排除后，车站值班员可操作现地控制盘上恢复按钮恢复。
4）对信号元素的封锁及轨道区段临时限速的设置
在车站操作工作站上，值班员可对信号机、道岔、区段等信号控制元素实施封锁，以阻止列车通过该元素。
车站值班员可在操作工作站上对要求的限速区段，设置单一的或多种不同的临时低速区。
（四）列车运行模式
列车运行模式有列车驾驶和列车折返两种模式。
1.列车驾驶模式
列车驾驶模式有列车自动驾驶（ATO）、ATP监督下的人工驾驶、限制人工驾驶和非限制人工驾驶四种模式；通常采用自动驾驶（ATO）模式，需要时可改为ATP监督下的人工驾驶模式，这两种模式均为正常的运营模式。
1）列车自动驾驶（ATO）模式
车载ATO根据接收到的ATP/ATO数据信息，自动的控制列车加速、匀速、惰行、制动，控制列车在安全停车点前和规定的站台停车区域停车；人工或自动控制车门的开启，车门的关闭通常由司机根据发车时间及旅客上下车情况人工完成。
2）ATP监督下的人工驾驶模式
列车在ATP保护下的司机人工驾驶，司机室的显示面板上给出列车的实际速度、限制速度、目标速度以及目标距离等信息。
当列车速度接近ATP限制速度时，系统给报警信号提请驾驶员注意。
当速度达到“制动触发曲线”，ATP将对列车实施制动。
3）限制人工驾驶模式
司机根据地面信号显示驾驶列车通常以不超过20km/h限制速度运行，一旦列车运行速度超过ATP限制速度则产生制动。
4）非限制人工驾驶模式
非限制人工驾驶模式为切除ATP模式，不受ATP保护的模式，驾驶员必须使用特殊的钥匙开关才能进入核模式。
2.列车折返模式
列车折返模式有无人驾驶自动折返、ATO模式折返和ATP模式折返三种。
1）无人驾驶自动折返
在ATO驾驶模式下，司机在站台端部按压自动折返按钮，列车可在无人驾驶的情况下从到达站台自动驶进和驶出折返线，最后进入发车股道。
在整个折返过程中无需司机在车上对列车进行监视和操作。
2）ATO模式折返
当列车进入折返线停车时，驾驶员需人工转换列车运行方向。
其站后折返过程包括：
（1）旅客下车完毕后，司机关好车门，启动列车以ATO自动驾驶方式进入折返线并停车；
（2）司机关闭本驾驶端信号设备，启动反向驾驶端信号设备；
（3）反向端驾驶员启动列车，列车按ATO自动驾驶方式进入发车股道并停车。
3）ATP监督下的人工驾驶模式折返
ATP监督下的人工驾驶模式折返整个过程与ATO模式折返基本一样，所不同的是列车进入折返线和从折返线出来至站台区停车需司机人工驾驶。
五、基于无线通信的列车自动控制系统（CBTC）
基于无线通信的连续式列车自动控制方式属于移动闭塞原理的列控系统，其采用了先进的通信和计算机技术，可连续控制、监测列车运行，代表了目前信号系统的最高技术水平和技术发展方向，近几年来已在国内外城市轨道交通中大量应用。
其主要技术特点：
1.实现车-地间连续、双向、高速、大容量的数据通信及实时跟随的速度控制。
2.具有较高的列车定位分辨率，通过准确定位，实时更新列车的移动授权，列车最小追踪运行间隔根据在线追踪列车的运行位置动态确定，能提供更大的线路通过能力。
3.不另增加地面设备实现线路双向列车运行，有利于线路故障或特殊需要时的反向列车运行控制。
4.轨旁设备大幅度减少，建设周期可相应缩短，日常维修工作量减少，系统全生命周期内运营成本降低。
5.列车运行控制更加精细、平稳性更好，易实现节能控制，提高了乘车的舒适性。
6.摆脱了传统的依靠钢轨传输信息的方式，可免受牵引回流的干扰。
7.无线传播采用重叠覆盖技术，任意单点无线设备的故障不影响系统的正常工作。
无线局域网产品符合IEEE802.11标准，便于备品、备件采购以及降低系统成本。
图7CBTC系统架构示意图
（一）车-地无线通信传输媒介
目前城市轨道交通CBTC车-无线通信的传输媒介主要有无线天线、裂缝波导和漏泄电缆三种，根据现场条件（如城市景观、高架/地面区段和隧道结构等）可单独使用也可三者结合使用。
1.无线天线方式
1）空间波传播特性：
空气自然传播，衰耗相对较大。
2）选用频点及布置：
一般选用2.4GHz频段；隧道内约200米左右设置一套AP（接入点）及无线天线，高架及地
面线约400米设置一套无线AP及天线。
3）安装及维护：
轨旁设备安装比较简单，维护工作量较小。
4）工程投资：
价格相对便宜。
图8无线天线方式示意图
2.裂缝波导方式
1）空间波传播特性：
波导传输衰耗小，衰耗均匀，无反射波、邻频干扰等。
2）选用频点及布置：
一般选用2.4GHz频段，波导管沿线贯通敷设，安装于线路一侧或隧道顶部，最大传输距离可达到1600m，沿线线无线场强覆盖均匀。
3）安装及维护：
轨旁波导与车载天线之间的距离和位置有严格要求，安装精度要求相对较高；波导管具有链路可靠、维护工作量小。
4）工程投资：
波导价格较贵。
图9裂缝波导方式示意图
3.漏泄电缆方式
1）空间波传播特性：
漏缆方式传输衰耗较小，传输衰耗均匀。
2）选用频点及布置：
可选用200MHz～2.4GHz的任意频段，漏泄电缆沿线贯通敷设，安装于隧道侧壁或顶部，最大传输距离达到600m，场强覆盖效果均匀。
3）安装及维修：
沿线敷设漏缆，维修工作量较小。
4）工程投资：
漏缆价格较贵，工程投资较大。
图10漏泄电缆方式示意图
（二）基于无线通信的列车自动控制系统的降级控制系统
1.设置降级控制系统的主要原因
1）建设工期安排偏紧，CBTC系统无法一次开通投运，需分功能开通投入试运营；
2）运营阶段，CBTC车-地无线通信设备或轨旁ATP设备故障，将导致CBTC-ATP功能的丧失，需维持一定密度的列车安全运营。
3）保障未装备车载信号设备的工程车上线作业的进路安全保护。
2.降级控制系统列车位置检测方式
检查轨道占用/空闲设备主要有：
无绝缘轨道电路和计轴轨道电路两种方式。
1）无绝缘轨道电路
室内外设备较多，区段长度受限，设备工作稳定性受道床参数、轨道牵引回流及轨面清洁度影响，需经常调整、维护工作量相对较大。
2）计轴轨道电路
室内外设备相对简单，不受区段长度限制，维护工作量小。
故移动闭塞系统均选择计轴设备作降级控制系统轨道占用/空闲检查设备。
3.降级控制系统的运行模式
降级控制系统运行模式按固定闭塞方式进行间隔控制，列车运行以地面信号显示为行车凭证，可采用信号机至信号机的进路行车控制方式。
1）点式ATP/ATO运行方式
适用于地面设备故障、车载设备完好情况下的行车控制。
通过在线路上特定地点设置的点式设备（应答器）向车载ATP/ATO设备发送基于地面信号显示的运行权限信息，结合列车自身存储的线路数据信息控制列车按照ATP/ATO方式行车。
2）仅基于联锁级的运行方式
适用于地面设备故障或车载设备故障情况下，或未装备ATP车载设备列车运行的行车控制。
司机在无ATP的安全防护下采用人工驾驶模式。
图11点式ATP/ATO信息传输示意图
（三）正线信号机显示方式
CBTC系统的列车控制等级分为：
连续列车控制等级（CTC级）、点式列车控制等级（ITC级）及联锁列车控制等级（ILC级）三种。
其中CTC为系统常用列车控制等级，ITC和ILC为降级列车控制等级。
CTC等级下车载信号为主体信号，降级等级下以地面信号为主体信号。
地面信号机常态显示可采取灭灯和亮灯两种方式。
1.亮灯方式
一旦开放信号故障，按照故障导向——安全原则，将按照禁止信号处理。
但在CTC等级下列车应按照车载信号指示行车，地面信号不具体参与指示列车运行，而地面信号的故障却造成了列车降级运行，即非主体信号故障影响了主体信号。
2.灭灯方式
正常情况下，灭灯方式不影响CTC等级下的列车运行，但一旦地面设备故障或车载设备故障，需转为ITC或ILC等级降级运行时，列车运行需以地面信号为主体信号。
由于灭灯方式平时信号机状况得不到有效的检查，此时若信号机出现故障无法开放信号，将对降级运行带来一定的影响。
因此，亮灯和灭灯方式均存在一些问题，灭灯方式对CTC等级影响小，亮灯方式对ITC或ILC等级影响小。
（四）无线通信抗干扰措施
鉴于当前终端用户对通信需求的不断增长，尤其3G的广泛应用，城市无线网络、便携式Wi-Fi设备也均采用2.4GHz频段。
使无线CBTC系统工作环境发生恶化，造成同频干扰。
已发生多起地铁列车因无线信号干扰紧急停车，如2012年11月上旬，深圳地铁发生多起列车逼停事故，经调查是由于信号系统车-地无线通信受到乘客所使用的便携式3G无线路由器干扰所致。
CBTC系统无线干扰问题已经成为必须解决的问题。
1.系统内的抗干扰措施
轨道交通项目内同频干扰主要考虑信号系统和PIS系统的干扰，信号系统和PIS系统各自采用不同的频段（2.4G或5.8G），或两者在2.4G频段下采用不同的信道，相互干扰可有效避免。
图12国内定义信道划分图
如上图所示，信道1、6和11是完全隔离的，信号可采用1、11信道，PIS采用6信道。
2.开放空间的抗干扰措施
无线干扰通常包括带内干扰和带外干扰（即“同频干扰”和“谐波干扰”）。
带内干扰是影响无线系统工作的主要因素。
1）干扰源分析
带内干扰源主要是Wi-Fi，Wi-Fi干扰源主要有：
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