浅谈城市轨道交通信号控制系统.docx

1、浅谈城市轨道交通信号控制系统浅谈城市轨道交通信号控制系统学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 摘 要城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运输效率的关键系统设备。城市轨道交通信号系统是城市轨道，交通自动化系统中的关键部分，是保证列车和乘客安全，实现列车运行高效、指挥管理有序的自动控制系统。其核心是列车自动控制系统，它由列车自动监控子系统、列车自动防护子系统、计算机联锁子系统和列车自动驾驶子系统组成。ATC系统自上世纪7O年代投入运用至今，经历了三十年的发展，技术日趋成熟，为使列车控制技术经济指标更加合理，世界各国纷纷开发了先进的AT

2、C系统， ATC系统按闭塞方式分类有三种类型：固定闭塞方式的ATC系统、准移动闭塞式的ATC系统、移动闭塞式的ATC系统。城轨通信系统与信号系统共同完成行车调度指挥，并为城轨的其它各子系统提供信息传输通道和时标信号。此外，通信系统是城轨交通内部公务联络的主要通道，使构成城轨交通内部的各个子系统能够紧密联系，以提高整个系统的运行效率。当然，通信系统也是城轨交通内、外联系的通道。 城轨通信系统在发生灾害、事故或恐怖活动的情况下，是进行应急处理、抢险救灾和反恐的主要手段。城市轨道交通越是在发生事故、灾害或恐怖活动时，越是需要通信联系，但若在常规通信系统之外再设置一套防灾救护通信系统，势必要增加技资，

3、而且长期不使用的设备亦难以保持良好的运行状态。所以，在正常情况下，通信系统能为运营管理、指挥、监控等提供通信联络的手段，为乘客提供周密的服务；在突发灾害、事故或恐怖活动的情况下，能够集中通信资源，保证有足够的容量以满足应急处理、抢险救灾的特殊通信需求。城市轨道交通包括了地铁，轻轨和城市铁路等不同形式具有运量大，速度快，安全准点。平稳舒适，污染小等优点。 本文主要阐述城市轨道交通信号控制系统的主要组成。随着我国城市轨道交通的迅猛发展，信号系统作为控制运行安全的核心设备，对其安全、可靠性的分析评价显得尤为重要，本文从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等方案的主要方面对描述了城巾轨道交通中信号

4、系统的安全策略及可靠性分析。信号系统作为城市轨道交通工程中重要的组成部分,对行车的安全、正点、高效的运行起着至关重要的作用,但由于其中的设计标准不全面,给系统设计方案造成了一定的随意性。本文就其中的系统构成、设计行车间隔和ATP 信息传输方式等方案进行了探讨。关键词：城市轨道；信号系统；控制系统；行车信号安全引 言城轨交通的信号系统担当着控制和指挥列车运行的任务,是影响整个城轨交通系统运营安全控制和效益的关键点。信号系统的水平也成为城市快速轨道交通现代化的重要标志。设计出一个优秀的系统方案不仅有利于保证行车安全,提高运输能力,实现迅速、及时、准确的行车调度指挥和运输管理现代化,提高服务质量,而

5、且还有利于合理使用工程投资,降低工程造价。为了保障运营系统的安全、高效，配置一套科学、合理的信号系统成为大家关注的核心。对于信号系统设计方案的取舍，注重其功能的实现和价格的高低，而很少甚至没有从安全和可靠性方面进行分析比较，其结果是造成系统性能和用途不协调，投资大小和投资方向的准确性下降。本文将从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等的安全和可靠，陛方面进行分析，对信号系统的方案进行阐述。1 信号的基本理论1.1 联锁和进路（1）联锁为了保证行车安全，在信号、道岔和进路间必须建立一定的相互制约关系。如防护开放以后道岔不能动，这种相互制约的关系称为联锁。（2）进路列车或调车车列由某指定地点运

6、行至另指定地点所经过的径路称为进路。（3）信号闭塞所谓闭塞就是指利用信号设备把铁路线路人为地划分成若干个物理上或逻辑上的闭塞分区，以满足安全行车间隔和提高运输效率的要求。1.2 信号作用1、保证行车安全2、提高运输能力1.2.1 信号与信号显示1、信号：在行车调车工作中，对乘务人员与行车有关人员指示运行条件而规定的物理特征符号。2、信号显示：是信号的显示方式，显示含义和使用方法的统称。3、信号的分类：视觉信号和听觉信号。1.2.2 信号的分类1、视觉信号：以颜色、形状、位置、显示数目和灯光状态等表达的信号。如信号机、信号灯、信号旗、信号牌、信号表示器、信号标志等。2、听觉信号（音响信号）：以不

7、同器具发出的音响的强度、频率和音响长短时间等表达的信号。如停车信号显示不明或灯光熄灭时，列车停在信号机前用无线调度电话通知运转车长，通知不到时鸣笛一长声，停车等候2分钟，未显示信号时以遇到阻碍能随时停车的速度继续运行不超过20KM/H。图1.1 信号的分类1.3 系统的可靠性分析随着我国城市轨道交通的迅猛发展，运量日益增长，列车运行密度不断加大，为了保障运营系统的安全、高效，配置一套科学、合理的信号系统成为大家关注的核心。目前，对于信号系统设计方案的取舍，注重其功能的实现和价格的高低，而很少甚至没有从安全和可靠性方面进行分析比较，其结果是造成系统性能和用途不协调，投资大小和投资方向的准确性下降

8、，通俗地说不是“大马拉小车”就是“小马拉大车”。本文将从列车检测方式、机车信号选择、设备控制方式等的安全和可靠，陛方面进行分析，希望能够对信号系统的方案设计提供些借鉴。城市轨道交通的信号系统担当着控制和指挥列车运行的任务,是影响整个城轨交通系统运营安全和效益的关键点。信号系统的水平也成为城市快速轨道交通现代化的重要标志。设计出一个优秀的系统方案不仅有利于保证行车安全,提高运输能力,实现迅速、及时、准确的行车调度指挥和运输管理现代化,提高服务质量,而且还有利于合理使用工程投资,降低工程造价。1.3.1 可靠性评估在信号系统的设计时，除了系统安全性外，可靠性评估也是非常重要的，高度的可靠性也是高安

9、全性的一个重要保障。为了能够放心地在实际中运用，设计一个完善的信号系统必须定量地分析出系统的可靠性指标。例如：在国铁规范中，已明确了列车超速防护的车上设备的平均无故障时间(MTBF)不低于104h，地面设备的平均无故障时间不低于105h。1.3.2 ATP系统的正常驾驶模式下在城市轨道交通中由于ATP系统在正常驾驶模式下使用，是惟一能连续控制列车运行，并长期确保列车安全运行的驾驶模式。降级驾驶模式是ATP系统出现故障情况下，在限速条件以人工驾驶来降低列车运行风险所采用的一种驾驶模式。不过，诙漠式并不能避免所有风险，特别是不能保护列车不闯关闭的信号机，所以要求正常驾驶模式必须非常稳定可靠，以尽量

10、减少采用降级驾驶模式。鉴于上述因素，在国外城市轨道交通工程中，提出ATP系统正常驾驶模式的可靠必须高于9999。其中，月为系统可靠性概率；T为系统设计寿命；MTBF为平均无故陶司隔时间。2 城轨信号系统城轨信号系统分正线与车辆段两个部分。一般正线有微机联锁、ATP/ATO轨旁设备、ATP/ATO车载单元设备，以及OCC（运行控制中心）的ATS设备组成；而车辆段主要由6502电气集中组成。2.1 信号标志1、定义：表示地铁线路所在地点的情况和状态，指示行车人员依据标志的要求及时正确地进行相关作业与操作的标志。2.2 信号基础器材2.2.1 信号机车辆段和各联锁站（带有道岔的车站）安装有地面信号机

11、，没有道岔的车站不安装地面信号机，但所有的车站均安装有发车表示器( DTI)，终端站尽头端安有红灯信号机。高柱型、矮柱型单显示、二显示、三显示机构型号含义：X信号；S色灯；G高柱（A矮柱）； HL红绿二显示色灯信号机：用不同颜色来显示信号。透镜式：一组透镜给出一个颜色的灯光。如果显示多种颜色信号灯光时就要有多组透镜一一多灯式。特点：结构简单，合于生产，安全可靠但显示距离有限，安装在曲线上时，不能保证连续显示。探照式：一组透镜能显示出三个颜色 单灯式。特点：节省电能，显示距离远，结构复杂，制造工艺要求严格，维修困难。图2.1 信号器材2.2.2 信号机开放的意义(1)正线红灯禁止；绿灯进路空闲、

12、进路道岔开通直股；黄灯进路空闲、进路道岔开通侧向；黄灯+红灯引导信号（一般60秒不通过就复原）。(2)车辆段（入、出厂信号）黄灯+红灯一引导进车厂；黄灯允许进（出）车厂；月白灯允许调车；红灯禁止。(3)停车库内及联络线（交接线）入口处调车信号机为红色、白色灯光显示，其他信号机为蓝色、白色灯光显示。红、蓝色灯光表示禁止越过，白色灯光表示允许调车。图2.2 号机开放示意图（4）各种信号灯的显示意义防护信号机有三种显示颜色，分别为红、黄、绿。红灯显示意义为禁止列车越过该信号机；黄灯显示意义为进路开通，允许列车进入道岔侧股运行；绿灯显示意义为进路开通，允许列车进入道岔直股运行。阻挡信号机有一种显示颜色

13、，为红灯。红灯显示意义为禁止列车进入该区段或禁止越过该信号机。调车信号机有二种显示颜色，为红灯、白灯。红灯显示禁止调车，白灯显示允许调车。出段信号机与入段信号机的显示意义与防护信号机的显示大似相同。几种主要固定信号的显示图形：图2.3 进站信号图2.4 调车信号图2.5 通过信号图2.6 预告信号图2.7 出站信号2.2.3 转撤机ZD6系列电动转辙机是目前用量最大的转辙机之一，它的用途是改变道岔开通方向，锁闭道岔，反映道岔的位置状态。ZD6系列电动转辙机广泛应用于国家铁路、城市轨道交通、地方铁路，ZD6系列电动转辙机适用于时速120km/h以下的普通单开道岔和复式交分道岔，根据对道岔的保护方

14、式分为可挤和不可挤型两种；根据对道岔的锁闭方式又可分为单锁闭和双锁闭。它可以单机牵引道岔，也可以通过系列中不同型号转辙机的相互匹配实现双机牵引道岔，从而满足不同道岔的需要。在车辆段和联锁站内的每组道岔处都要设置一台电动转撤机，可以转换道岔、锁闭道岔和反映道岔的状态。电动转辙机主要部件工作原理（1）电动机： 电动机是电动转辙机的动力源。要求具有足够的功率，以获得必要的转矩和转速。电动机要有较大的起动转矩，以克服尖轨与滑床板间的静摩擦。道岔需要向定、反位转换要求电动机能够逆转。 ZD6一A型转辙机配用断续工作制直流串激可动电动机。直流电动机的正转和反转可通过改变激磁绕组(定子绕组)中或电枢(转子绕

15、组)中的电流方向来实现。为配合四线制道岔控制电路，采用正转和反转分开定子绕组的方式，如图2.8所示。两个定子绕组通过公共端子分别与转子绕组串联。直流电动机的电气参数如下：额定电压160 V；额定电流2.0A；摩擦电流2.32.9 A； 图2.8 电动机内部接线 （2）减速器 因体积、重量的限制，转辙机所用电动机功率不可能很大，为了得到较大的转矩来带动道岔转换，必须用减速器把转速降下来。ZD6一A型转辙机的减速器由两级组成，第一级为定轴传动外啮合齿轮，即小齿轮带动大齿轮，减速比为103：27，第二级为渐开线内啮合行星传动式减速器，减速比为41：1，于是总减速比为10327411=1564。 行星

16、传动式减速器内齿轮由靠摩擦联结器的摩擦作用“固定”在减速器壳内。内齿轮里装有外齿轮。外齿轮通过滚动轴承装在偏心的轴套上。偏心轴套用键固定在输入轴上。外齿轮上有八个圆孔，每个圆孔内插入一根套有滚套的滚棒。八根滚棒固定在输出轴的输出圆盘上。当外齿轮作摆式旋转时，输出轴就随着旋转。（3）主轴 主轴主要由主轴、主轴套、轴承、止挡栓等组装而成，如图2.9所示，主轴带动锁闭齿轮，通过与齿条块配合完成转换和锁闭道岔。主轴上的止挡栓用来限制主轴的转角，使锁闭齿轮和齿条块达到规定的锁闭角，并保证每次解锁以后都能使两者保持最佳的啮合状态，使整机动作协调。图2.9 主轴的组成（4）转换锁闭装置 转换锁闭装置由锁闭齿

17、轮和齿条块、动作杆组成，用来把旋转运动改变为直线运动以带动道岔尖轨位移，并最后完成内部锁闭。 当道岔在定位或反位，尖轨与基本轨密贴时，锁闭齿轮的圆弧正好与齿条块的削尖齿弧面重合，这时如果尖轨受到外力要使之移动，或列车经过道岔使齿条块受到水平作用力，这些力只能沿锁闭圆弧的半径方向传给锁闭齿轮，它不会转动，齿条块及固定在其圆孔中的动作杆也不能移动，这样就实现了对道岔的锁闭。 电动转辙机每转换一次，锁闭齿轮与齿条块要完成解锁、转换、锁闭三个过程。（5）自动开闭器 自动开闭器用来及时、正确反映道岔尖轨的位置，并完成控制电动机和挤岔表示的功能。在解锁过程中，由自动开闭器接点断开原表示电路，接通准备反转的

18、动作电路；锁闭后，由自动开闭器接点自动断开电动机动作电路，接通表示电路。 自动开闭器由4排静接点、2排动接点、2个速动爪、2个检查柱及速动片等组成。静接点、动接点、速动爪、检查柱对称地分别装于主轴的两侧。表示杆, 电动转辙机的表示杆与道岔的表示过接杆相连随道岔动作，用来检查尖轨是否密贴，以及在定位还是在反位。表示杆由前表示杆、后表示杆及两个检查块组成，两杆通过并紧螺栓和调整螺母固定在一起。前表示杆的前伸端设有连接头，用来和道岔的表示连接杆相连。2.2.4 轨道电路利用铁路的钢轨作为导体，并与其它相关设备一起组成能自动检测区间有无车辆轮对的电路系统。（1）非电码化区段一般使用单轨条式50Hz相敏

19、轨道电路。该轨道电路那传输的信号频率是50HZ，并且轨道电路的接收端列该信号有一定要求，控制GJ（轨道继电器），其核心是轨道接收器（二元轨道继电器）。图2.10 50Hz相敏轨道电路（2）电码化区段一般使用25Hz相敏轨道电路。25HZ轨道电路工作原理 25Hz轨道电路的信号电源是由铁磁分频器供给的25Hz交流电，（以区分50Hz牵引电流），接受器采用二元二位轨道继电器。该继电器的轨道线圈由送电端25Hz轨道电源经轨道传输后供电，局部线圈则由25Hz局部分频器电源供电。轨道继电器工作时，从轨道电路取得较少的功率而大部分功率是通过局部线圈取自局部电源，因而轨道电路的控制距离可以延长，且只有轨道继

20、电器上的轨道线圈电压Ug和局部线圈电压Uj之间的相位角接近或等于90时，转矩最大，是翼片绕轴旋转，带动接点动作，否则，翼片不能旋转，不能带动接点动作。所以，25Hz轨道电路既有对频率的选择性（区别开电力牵引电流）又有相位的选择性。当轨道线圈和局部线圈电源电压满足规定的相位要求时，GJ吸起，轨道电路处于调整状态，即表示轨道电路空闲。 当列车占用时，轨道电路被分路，GJ落下。若频率、相位不对时，GJ也落下。因而，其抗干扰性能较强，广泛应用于交流电力牵引区段。图2.11 轨道电路控制图图2.12 轨道电路工作原理图图2.13 道岔区段轨道电路图2.14带平衡扼流圈的交流轨道电路（3）正线一般使用无绝

21、缘音频轨道电路（FTGS）音频发送端和接受端（一般使用LC组合）除具有一般轨道电路检查轨道空闲/占用外还具有：轨道不需要使用机械绝缘进行分隔，保证列车平稳；在车占用该种轨道电路时，轨旁ATP设备利用该轨道向车上发送有关ATP报表。图2.15 无绝缘音频轨道电路2.2.5 电子计轴器分为室内和室外部分组成。(1)室外：地面传感器，电缆盒、传输电缆(2)室内：信号处理电路及计数处理电路原理：每一轨道区段的两端分别设置计数点，每个计数点设置2个电磁传感器。当轨道无车时控制室内的“入”计数器与“出”计数器同步工作，计数值一致得出区段“空闲”；当列车驶入该轨道区段，“入”计数器计入传感器传来的计数脉冲，

22、破害入、出计数器的同步工作，得出区段“占用”，直到列车全部驶出另一计数器，恢复了同步给出区段“空闲”。2.3 车场线信号车辆段采用成熟的6502电气集中联锁（1号线）和铁科研TYJL-II型微机联锁（2号线），室外设备采用技术成熟的国产ZD6-D型电动转辙机、50HZ相敏轨道电路。联锁设备，用于保证站内行车和调车工作的安全和提高车站的通过能力。闭塞设备，用于保证列车在区间内运行的安全和提高区间的通过能力。在车站上，铺设有许多条线路，线路之间用道岔联结着。2.3.1 联锁设备列车或机车车辆在车站内运行的经路，叫做进路。进路由道岔的开通方向决定。如果道岔开通方向不对，就有可能使两列列车由不同方向开

23、到同一股道上去，或者开到事先已停留车辆的股道上去，从而会引起撞车事故。为了保障行车安全，进路要由信号机防护。道岔位置不对，或者进路上有车，防护着这条进路的信号机就不能开放；信号机不开放，就禁止列车开到进路里去，以保证列车运行的安全。控制上述的道岔、进路和信号并实现这三者之间的联锁的设备，叫做车站联锁设备，简称车站联锁。2.3.2 联锁设备的要求1、当开放某一进路时，必须先将进路上的所有道岔扳到正确位置后，防护这一进路的信号机才能开放。2、当防护某一进路的信号机开放以后，这一进路上的全部道岔应被锁闭，不能再扳动。3、当某一进路的信号机开放以后，与之敌对进路（两条或两条以上的进路，有一部分相互重叠

24、或交叉，有可能发生列车或机车车辆冲突的进路）的信号机应全部被关闭，不能开放。4、主体信号机开放前，预先信号机不能开放；在正线出站信号机开放前，进站信号机不能显示正线通过能力。值班员可以通过控制台上的各种按钮控制现场设备，并通过控制台上的站场表示盘，来监视现场设备的工作状态。图2.16 连锁设备2.4 电气集中把许多道岔、进路和信号，用电气化方法由一个地方集中控制和监督，并实现它们之间的联锁的设备，叫做电气集中联锁设备，简称电气集中。6502电气集中就是继电式电气集中的一种，是我国自己设计的较先进的铁路信号设备之一，已在全路广泛采用。铁科研的TYJL-II型微机联锁是我国自己设计的目前较先进的铁

25、路信号设备，已在全路和各大专用线广泛采用。2.5 故障安全电气集中是实现铁路现代化和自动化的基础设备之一，因此要求它必须更加安全可靠。设备发生故障时，也必须使其后果导向安全侧（例如信号机由绿灯导向黄灯，由黄灯导向红灯，进路由解锁导向锁闭，均为导向安全侧），叫做故障-安全。2.5.1 故障安全原则是电气集中设计时必须遵守的重要原则之一。“故障安全”即为以下两点。1、在设备无故障时，能够精确无误地按预定要求工作。2、在发生故障时（故障是不可预期和不可避免的），不能产生会造成行车危险的结果，即所谓的“故障倒向安全”。结合以上两点即可得出，当发生故障危险时，不能导致行车危险和无故障时，必无误工作。即叫

26、“故障一安全”。2.5.2 主要设备在信号楼或车辆值班员室集中控制信号机和道岔的联锁设备。主要设备：继电器电动转辙机轨道电路控制台2.5.3 6502电气集中的组成6502电气集中分为室内设备和室外设备。信号楼（或行车室）内设有控制台、区段人工解锁按钮盘、继电器组合及组合架、电源屏和分线盘；室外设有色灯信号机、电动转辙机、轨道电路和电缆线路。图2.17 6502电气集中的组成3 信号控制系统在城市轨道交通中的应用3.1 城市轨道交通中使用的信号系统一般称之为ATC系统，大多应用于80km/h以下的轨道交通工程中，ATC系统主要由ATP、ATO、训算机联锁以及ATS四个子系统构成。根据移动闭塞基

27、本原理，线路上的前行列车经ATP车载设备将本车的实际位置，通过通讯系统传送给轨旁的移动闭塞处理器，并将此信处理成后续列车均运权限，传送给后续列车的ATP车载设备。后续列车与前行列车总是保持一个“安全距离”，设安全距离是介于后车目标停车点和确认的前车尾部之间的一个固定距离。在选择该距离时，已充分考虑了在一系列最坏情况下，列车仍能够安全地分隔开来。图3.1 移动闭塞基本原理3.2 城市轨道交通移动闭塞信号系统的通信实现方式1、基于“通信”的移动闭塞信号系统车地通信的主要方式：(1) 感应环方式；(2) 波导方式；(3) 无线或无线扩频方式；(4)漏缆方式。2、缩写释义ISMC-系统管理中心；IVC

28、C -车辆控制中心；ISTC -车站控制器系统；IVOBC -车载控制器系统；ITOD -司机显示盘。3.3 信号控制方式及列车运行模式信号控制方式三级控制：中央控制(ATS)、降级控制(RTU)、现场控制(LOW)、列车运行模式（共5种模式）。ATO模式：列车自动驾驶模式。AR模式：列车自动折返模式(DTRO)。SM模式：ATP监督下的人工驾驶模式。RM模式：限速人工驾驶模式。URM模式：非限速人工驾驶模式。停车库内及东教站联络线（交接线）入口处调车信号机为红色、白色灯光显示，其他调车信号机为监色、白色灯光显示。红色、蓝色灯光表示禁止越过，白色灯光表示允许调车。3.3.1 ATP列车自动保护

29、系统1.ATP的含义ATP: Automatic Train Protection列车自动保护系统。2.ATP系统的组成ATP设备分为车载设备和轨旁设备。ATP车载设备由ATP车载单元、ATP天线和速度脉冲发生器等组成。ATP轨旁设备土耍包括：FTGS轨道电路、ATP定位环线fIIAT PG轨旁单元(LEB#i)和必要的通信线路。3.ATP系统功能ATP系统负责全部的列车运行保护。ATP系统主要完成以下功能：1保持列车追踪运行的安全间隔；2列车运行速度监控，防止列车超速运行；3实现安全连锁联锁；4安全区段和停车点的保护；5限速监控；6列车无人驾驶折返的监控；7紧急制动；8运行方向的监督；9停车

30、状态的监督3.3.2 ATO列车自动驾驶系统l.ATO的含义ATO, Automatic Train Operation列车自动驾驶系统。2.ATO系统的组成ATO设备分为车载设备和轨旁设备。ATO系统的车载设备由ATO车载单元、PTI车载设备、MMI人机接口等组成。ATO系统的轨旁设备主要札PTI多临转换轨旁币儿和环线组成。3.ATO系统功能ATO系统根据ATP系统提供的运行信息和ATS系统提供的运行调整命令，对列车运行进行自动、实时控制。ATO系统具体有以下功能：列车运行工况的选择。实现列车定点停车。车地通信。车门开闭控制。实现无人驾驶折返。为列车自动广播系统提供信息；在中央ATS设备故障

31、时与RTU及ATP系统地而设备配合实现自动排列进路。3.3.3 ATS列车自动监控系统1 ATS的含义ATS: Automatic Train Supervision列车自动监控系统。2 ATS系统的组成ATS系统设备有控制中心设备、车站设备和车辆段设备组成。3.ATS系统功能ATS系统存ATP、ATO系统的支持下完成对列车运行的自动监控。ATS系统的主要功能如下：时刻表编辑。列车运行监督及管理。列车自动调整。完成进路自动设置。控制列车自动运行。远程终端单元功能( RTU)。3.3.4 SICAS微机联锁系统1、SICAS的含义SICAS, SIEMENS Computer Aided两门子计算机辅助信号系统2、SICAS的够成SICAS联锁系统由SICAS联锁计算机、STEKOP计算机、DSTT现场接口模块和LOW工作站组成。3、SICAS功能保证列车运行安全SICAS连锁计算机：实现连锁功能。STEK