控制线原理及其在ATC系统中的应用

控制线原理及其在ATC系统中的应用学号：0207456姓名：樊超摘要：介绍了控制线的基本概念和组成，并结合津滨轻轨信号工程实际论述了其在城市轨道交通列车自动控制系统中的应用。关键词：控制线；列车自动控制；速度；距离．Abstract:ThispaperpresentedthebasicconceptandprincipleofcontrollineanddescribeditsapplicationinurbanmasstransitincombinationwiththepracticalengineeringofTianjin-Binhaimasstransitproject．Keywords:controlline；AutomaticTrainControl(ATC)；Speed；Distance．控制线(Controlline)理论是信号系统实现对列车精确速度控制和间隔控制的核心技术。目前国内对于控制线理论的研究和工程应用尚处于起步阶段，本文基于津滨(天津一塘沽)轻轨信号系统工程实践在这方面进行探讨。1、控制线的基本概念轨旁ATP子系统不但需要采集控制范围内的相关动态信息，包括运行方向、所有轨道电路状态(占用或出清)、信号开放条件及相应道岔位置，还需要采集其他与运行有关的静态信息，如线路信息(坡度、限速等)、车辆牵引制动性能参数等。轨旁系统将根据所采集到的数据信息，遵照一定的控车模式，生成控制范围内的所有轨道区段上所允许的与运行有关的数据(包括线路速度、目标距离、目标速度等)，并以钢轨作为传输通道，经过数字编码调制，按照划分区段实时发送数据。当列车运行至任一区段时，都可以由列车上的接收线圈接收到在这个区段轨道电路上的数据。车载ATP子系统将在车内连续显示容许的速度信号，实现列车精确的速度和间隔控制。不同区段发送的控制线数据存在一定的联锁逻辑关系，由轨旁子系统的控制计算机集中运算和控制。1.1控制线分类按照控车模式，控制线可以简单划分为阶梯式控制线和模式曲线控制线2类。假定前提条件：列车初始速度为50km/h；闭塞分区长度为500m。在采用阶梯式控制线的系统中，轨道区段只能按照制动性能最差的列车的最大安全制动距离划分闭塞分区。由于采用的是模拟轨道电路，因此在每个分区范围内，传输给车载ATP子系统的信息只有本区段的速度等级(与轨旁色灯信号机显示相对应)，在列车追踪间隔中还需要预留保护区段。列车速度控制只能采用简单的阶梯方式，列车运行间隔及运行舒适度均受到限制，无法满足轨道交通的运行需要。目前我国国铁信号系统中多采用该种方式，与国际先进水平有较大差距。在采用模式曲线控制线的系统中，由于采用了数字编码轨道电路，轨旁ATP子系统向车载ATP子系统提供的信息量成倍增加，列车之间的安全间隔是基于目标速度、目标距离、制动曲线和列车所在线路段信息而实时动态计算出来的。由于列车定位精度得到提高，后续列车可以根据该线路段允许速度最大限度地靠近先行列车，因此可以满足城市轨道交通高精度、小间隔的运行需要，得到广泛应用。但这类信号系统目前均由国外厂商提供。我们对控制线的研究就是基于这种控制方式展开的。控制线的最终用途在于实现对列车速度的连续、精确、实时控制。模式曲线的生成是由车载ATP子系统基于轨旁ATP子系统控制线所提供的动态数据，结合事先固化在车载ROM存储器中的线路固定数据而动态生成的。讨论列车速度控制的数学模型，可以加深对控制线作用的认识。1.2基本信息如图１所示，假定列车距目标点的距离为S，列车的减速度为b，目标点的允许速度为cV，列车的允许速度为zV，列车运行到目标点的时间为T，则满足以下运动方程。212czzVVbTSVbT（1）消去变量后：22zcVbSV（2）在cV=0时：2zVbS（3）根据公式（３）即可以生成列车的速度控制曲线，当然这只是在理想条件下得到的。在工程实践中还要考虑线路限速、坡度、车辆阻力、牵引制动性能等因素的影响，这些因素都会转化为加权因子引人到列车速度控制方程中，但基本原理一致。控制线包含的动态信息通过数字编码轨道电路进行传输，由车载信号接收传感器感应至车载ATP子系统进行处理。在津滨轻轨信号工程中，采用美国USS公司提供的MICROLOKⅡ信号控制系统，包括AF904数字编码轨道电路，可以向车载ATP子系统不间断发送总计35bit的有效控制线信息。有效信信息定义如表：其中直接或间接与控制线相关的信息位(粗体表示)占到29bit。这些信息位均采用二进制编码实现，并且以数据库文件形式固化在程序ROM中，直接通过数据指针进行调用。AF904数字编码轨道电路系统代表了国际同类系统的先进水平，具备网络化、冗余化、数字化的典型技术特征。任一区段的发送、接收单元都可视为一个网络节点，通过内部网络安全通信获取控制计算机发送的控制线信息。2、控制线的内容及编制逻辑在已建立并锁闭运行方向的情况下，列车运行需要的控制线基本内容如图１所示。2.1线路速度列车在当前区段运行时所允许的最高速度为线路速度。由于不同区段、不同情况下线路限速不尽相同，故限速可以分为２种。1.线路限速包括：站台限速，即列车在站台运行时的最高速度；弯道限速，即为防止列车在弯道处脱轨而设置的最高速度；坡道限速，即列车在上下坡道，特别是比较陡的下坡道的最高速度；道岔区限速，即列车在经过道岔区段时所允许的最高速度。线路限速是固化的，与某个区段相关联，不会随着外部环境的改变而改变。2.人工限速可以根据需要人为地对某一个区域，可以包含２个及２个以上区段，或者单独１个区段设置限速。由于人工限速是人为设置，因此可以在不需要限速时，通过系统人机接口取消限速。当某１个区段同时存在多种限速时，则应当以数值最小的速度作为本区段的线路速度。2.2目标速度根据某个区段前方运行条件计算得出的在本区段运行的列车到达目标点时的速度值为目标速度。前方运行条件就是前方列车的位置、进路条件及道岔位置、限速等。目标速度的计算方法如下：１.缺省情况下，车站间区段发送的控制线信息中的目标速度为0，表示当前列车速度到目标停车点时，将降为0。２.当位于列车前方某1个区段的线路速度(例如:站台或道岔区域)存在小于本区段线路速度的限速，则目标速度为前方区段的限速。表明列车到达前方限速区人口时，速度应当低于该限速。３.当列车前方几个区段处有列车占用，而且距离足够远，能满足该列车的安全制动，则目标速度为本区段的线路速度。表示当前列车可以按照线路最大允许速度行驶。2.3目标距离列车运行到达前方目标速度位置的距离为目标距离，这个数值包括列车当前占用区段的长度。如果目标速度为0或者小于本区段的线路速度，则目标距离为从这个区段至前方目标速度位置的距离；如果目标速度为本区段的线路速度，则目标距离为最大值，津滨信号系统工程实践中，此条件下目标距离显示为2900m。该数值仅用于指示给司机参考，不代表物理上实际距离，表示当前列车可以按照线路最大允许运行速度行驶。2.4下区段载频为了减小相邻2个区段内信号的相互干扰，通常来说，信号系统设计可以保证任何相邻２个区段的信号载频分配都是不同的，因此轨旁信号系统也需要向列车发送相关的载频信息。１．如果列车前方第1个区段有列车占用，或者信号没有开放，则下一区段载频为本区段的载频，车载ATP子系统一旦接收到该类型控制线信息后，将实施紧急制动。该类型控制线信息在系统中具有最高优先等级。２．如果前方第1个区段没有列车占用，或者信号已经开放，则下一载频为前方第１个区段的载频。需要说明，线路速度指的是本区段所允许的最高运行速度，它不会因为目标速度和目标距离的改变而改变。而列车实际运行所允许的最高速度与目标速度和目标距离有关，如图１所示的实曲线，车载信号系统会自动持续地计算在当前位置按照正常制动可以安全地到达目标速度位置的当前最高允许速度，并将其显示在司机操作台上。当列车处于自动驾驶模式下，车载子系统可以保证运行速度不超过这个最高允许速度；当列车处于人工驾驶模式下，一旦列车超过了这个最高允许速度，则列车会向司机发出警告，如司机未及时做出正确反应，车载ATP子系统将自动实施制动，避免发生危险。关于目标距离，虽然轨旁系统向某个区段发送的目标距离在数值上不会有变化，但是列车一旦开始占用这段轨道电路，车载信号系统就会自动计算目标距离减去车轮走过的距离，并以此做为在司机显控终端上显示的数值。因此，列车上显示的目标距离就是列车头部距离目标速度位置的实际长度。当目标距离显示为最大值时，其数值不会随列车的前进而变化，直到目标速度小于线路速度，车载信号系统才开始计算，并将随时变化的实际目标距离数值，显示在司机显控终端上。3、控制线的特殊控制逻辑以上讨论的是正常条件下，控制线的基本控制逻辑。除此之外，在一些特定条件下，控制线的控制逻辑有必要做出特殊处理。1．如果故障条件下，某个或某些区段的运行方向没有锁闭，则轨旁系统向区段发送的线路速度、目标速度和目标距离的数值都为0，下一载频为当前区段频率。2．对于一些特定条件，如果前方区段的线路速度大于后方区段的线路速度，但是列车尾部还没出清限速区段(例如：道岔区段和站台区段)时，从安全角度出发，必须考虑列车尾部防护，如图2所示：目标速度和目标距离考虑方式与前述一致，但轨旁子系统发送当前区段的线路速度，也就是运行中的列车正在接收的线路速度，必须为列车后方限速区段的线路速度，直至列车尾部完全出清限速区域为止。从而实现列车尾部的超速防护。4、控制线的设计流程控制线文件的编制是城市轨道交通信号系统设计工作中的重要环节，可以划分为以下步骤：①线路基本参数的最终确立；②闭塞设计；③控制线设计；④控制线文件的数据库软件生成与固化；⑤现场测试与校核；⑥系统最终交付。津滨轻轨信号工程中采用AF904数字编码轨道电路系统软件，采用系统程序和应用程序2级分层结构。控制线数据以数据库的形式存储在用户应用程序中，并提供了基于MicrosoftWord软件编程的人机接口程序，可以根据现场实际，方便进行修改，并固化下载到控制计算机CPU板中。基于控制线原理的移动闭塞技术是城市轨道交通信号控制系统技术发展的方向和趋势。以西门子、阿尔卡特、阿尔斯通等为代表的国外厂家都各自推出了类似系统，并得到了日益广泛的工程实际应用。而国产技术在该领域尚处于起步研究阶段，现实的市场需求呼唤国产技术装备的早日出现。研究并掌握控制线理论，对于开发具有我国自主知识产权的新一代城市轨道交通ATC系统具有一定借鉴意义。参考文献[1]吴坟麒．城市轨道交通信号与通信系统[M]北京：中国铁道出版社，2000，8。[2]USSI公司．AF904轨道电路现场维护手册〔R〕2003，7。