国外列车控制

国外列车控制列车控制系统的目的是保证列车安全可靠和高效率地运行。传统的列车控制系统以车站联锁设备为核心，控制命令从行车调度中心发出，经车站联锁设备检查其正确性，然后排列所需进路，进行安全防护。为实现这种防护，要对道岔进行锁闭，防止侧面行车冲突，排除进路的故障。随后，行车调度员的行车指令以及进路的允许速度由车站联锁设备通过地面信号显示传达给列车。列车司机通过了望，得到从车站联锁设备发出的行车命令。所以，列车运行的安全由车站联锁设备和列车司机共同承担。如果司机不注意地面信号，或当列车高速运行时误认地面信号，就会造成车毁人亡的事故。列车控制系统是列车安全运行的系统。在日本铁路是指“自动列车停止装置ATS”(AutomaticTrainStop)和“自动列车控制装置ATC(AutomaticTrainControl），将ATS与ATC两者分开。但在欧美国家多采用把二者都包含在内的“自动列车防护装置ATP”(AutomaticTrainProtection）和欧洲列车控制系统ETCS(EuropeanTrainControlSystem)。1、欧洲列车控制系统在上世纪80-90年代，欧洲各国铁路纷纷开发出多种不同性能的速度监督系统或列车自动控制系统。欧洲各国铁路采用不同的信号制式，存在多种列车控制系统，过境运输列车必须装备多套设备，在过境运行时切换。这种不兼容的状态，使列车运行速度受到限制，也给司机增加了操作困难，极大地影响了欧洲铁路网的统一。欧盟和欧洲铁路界希望通过标准化的系统，解决欧洲铁路互联互通的运营问题。近十多年来，一个以铁路专用移动通信网GSM-R（英文GlobalSystemMobileDevotedToRailway的缩写）为平台，欧洲点式应答器为列车定位手段的欧洲列车控制系统（英文缩写ETCS，全称EuropeanTrainControlSystem），在各方面的努力下己经取得了决定性进展。一些欧洲国家相继成功地进行了一系列的ETCS试验，为统一的欧洲列车控制系统进入欧洲铁路网做准备。ETCS是欧洲铁路运输管理系统（英文缩写ERTMS,全称EuropeanRailwayTrafficManagementSystem)的核心。ETCS涉及一系列关于可操作的技术文件、标准、规范和概念，范围从地面设备到车载设备，从功能需求到系统需求，从运营到接口，从通信协议到信息码的格式，包括了信号安全和列车控制的各个方面。该系统采用模块化结构，能根据功能需要和运营条件灵活配置系统。欧洲列车控制系列标准分为1-3级。ETCS各级向下兼容，即3级可以用于2级，2级可以用于1级。ETCS还可通过特定传输模块读取现有设备信息，实现与现有列车控制系统的兼容，从而实现了同一列车在不同级别铁路上不停留的跨国运输。1A系统以传统信号设备为主，增加“欧洲标准应答器”（简称应答器），是一种点式传递信息、用车载计算机进行信息处理、最后实现列车超速防护的列车运行控制系统。区间仍按传统原则划分固定闭塞分区，配备轨道电路或电子计轴器。区间地面设置色灯信号机，在信号机旁及在其他关键的场合设置应答器。信号机旁的应答器通过轨旁电子单元与信号机相连，其作用是把地面信号的显示以及区间的地理数据（如坡度、限速情况等）传给机车。车载设备有接收天线、数据处理单元、显示与记录单元以及与列车制动机相连的接口等。轨道上安装的应答器还和地面控制中心相连。列车通过应答器时测出列车位置并将信息传送到控制中心，控制中心为运行列车计算新的运行权限，并将其发回应答器。当列车经过应答器时，列车天线接收检测设备接收到新的运行权限和数据，车载计算机计算运动曲线，确定下一个制动点，并将这些信息显示给司机。1B系统与IA基本相同，只是1B系统增设了“欧洲标准环线”（简称环线）辅助应答器。环线采用单根漏泄同轴电缆，固定在钢轨内外侧。这样把点式数据传输方式变为半连续传输方式，ETCS就可以不完全受地面闭塞分区分割的局限，车载设备可提前收到允许运行的距离，计算出新的制动点，避免频繁制动，提高运输效率。2级系统不采用传统的闭塞设备和地面色灯信号机，但区间线路仍装有轨道电路或其它区间检测设备，按分区逐段检查列车的占用情况。区间的列车运行由无线闭塞中心（英文名缩写为RBC)控制。RBC不断监控各段线路的列车占用，接收中央调度中心传送的指令，控制信号设备工作，并随时把信息发送给运行列车。应答器作为电子公里标志仅用于列车定位。车对地以及地对车的双向数据不间断地传输，通过铁路专用移动通信网GSM-R实现。车载设备主要包括计算机系统、GSM-R接收器和司机一机车接口（液晶屏显示）等设备。如考虑与既有设备兼容的需要，也可保留部分信号机。无线闭塞中心是区间控制中心，通过无线传输从车载设备得到列车速度和位置信息，计算并设定列车的速度权限后以无线方式发送给列车。如果列车速度超过ETCS决定的界限，系统自动发出干预命令，迫使列车减速到限速以下。列车每经过一个应答器，就接收新的位置数据，车载计算机不停地依此确定列车当前实际位置，并根据速度曲线所得距离和实际运行距离的吻合程度，来判断速度的正确性，以确保行车安全。3级系统与ETCS2级系统一样，信息传输采用GSM-R，但不划分闭塞分区，不设信号机和轨道检查设备。列车运行控制功能集中于车上，按照列车的绝对制动距离（加安全距离）控制列车运行，即移动闭塞。地面应答器仅用于修正列车定位，列车位置由列车经无线报告给RBC和调度中心，并由RBC传送至后续列车，实现间隔控制。3级系统的关键性功能是车载设备能通过列车局域网实现列车完整性检查。中央调度中心确定列车进路和列车群运行秩序。车载设备根据与前方列车之间的距离、速度要求等，自动控制列车的运行。从上可以看出，ETCS信号系统逐级减少了地面信号设备，列车定位由轨道电路转向应答器，固定闭塞转向移动闭塞和有线通信转向无线通信的列车控制系统。1级系统由于还是以地面信号系统为主，采用固定闭塞方式运行，适用于中小能力的既有线路使用。从2级系统开始，地面信号和地面设备逐渐减少，适合于新建需要较大能力的铁路使用。采用ETCS技术规范，同一列车能在不同装备水平的干线铁路上跨国运行，从而可大大提高运输效率。目前欧洲铁路确立了采用欧洲列车控制系统（ETCS)的方针，瑞士、奥地利、荷兰、西班牙、德国、比利时和法国等大批欧洲国家已经或准备建立ETCS。ETCS在欧洲的成功得到世界各国铁路的高度重视，亚洲、北美、澳洲和非洲的一些铁路纷纷对采用ETCS系统表示了极大的兴趣，它非常可能成为一个全球性的列车控制标准。2、日本新干线列车控制系统新干线是以ATC系统作为确保列车高速、安全、准点运行的重要保障系统。这个系统是1964年东海道新干线开业以来开始发展的。与汽车相比，列车开始制动到停车位置，需要更长的距离。在新干线，时速260km到停车，制动距离在3km左右，司机不能靠目视信号机来确认制动距离，控制列车速度。为此，新干线不在线路旁设信号机，用在司机室操作台显示容许速度的方式。需要减速时，无需司机操作，由列车自动实施制动。ATC设备由地面设备和车载设备构成，包括列车容许速度的信号从地面送到车上设备。列车接近前方列车时，速度信号如图1所示，横坐标为列车位置，纵坐标为速度信号，各分区长度3km左右。列车与前方列车越近，容许速度越低，列车收到比运行速度低的速度信号，自动实施制动。但这种多段制动控制系统在乘车的舒适度、运输效率等方而存在问题，需要进一步改进。而且，新干线的ATC系统已使用了几十年，需要更新换代，对此，日本铁路边采用新技术，边解决存在的问题，边进行了新ATC系统的研究，开发了应用最新技术的数字传送一段式制动控制系统（图2）。该系统是东日本铁路公司自2002年12月在东北新干线一段、2003年12月在京滨东北既有线一段开始采用数字ATC的列车控制。原来的ATC是以地面设备为主体的列车控制，而新型ATC则是以车载设备为主体的列车速度控制。2.1地面设备主体多段式ATC以往ATC系统是地面为主体的系统。与先行列车的距离或线路条件决定了列车运行速度，表示这个速度的信号由ATC地面装置以模拟形式发送到轨道；列车接收到这个信号后，这个信号表示速度与列车的速度比较，列车实施制动，自动减速到该信号所表示的速度。它是从地上装置经轨道电路发送速度信号，车上装置接收，将列车的速度与该速度信号对照，当超过速度信号时即进行自动制动。由于各信号段分别进行制动、缓解，而且轨道回路的距离由最低减速性能车辆决定，因此控制效率低，到达时间延长，运转间隔增加。由于是多段制动控制，要使列车停止，速度分为几个阶段。表示限速的ATC信号所在区间与列车速度比较，比列车速度低时实施制动。这种阶段的控制，在轨道电路单元中进行，对应各轨道电路制动控制的空走时间，包括了空走距离，延缓了运输时间；制动中多次的制动和缓解冲击，乘坐舒适性不好。2.2车载主体数字一段式ATC在这里，地面装置以数字形式发送列车应停止位置的信息，取代多段式ATC中的速度信号。车上装置基于这个停止位置和列车当前位置，检索车载数据库得到停止位置的速度曲线，由速度曲线和列车位置求出容许速度，与列车速度比较，采取适当的制动措施。这里，具有地上主体系统向车载主体系统的变化，运用了以往系统所没有的车载列车位置检测、速度曲线检索和ATC信号数字传输的技术。车上主体型，容许速度在车上计算，构成容许速度判断的固有数据由地面以ATC信号传送。这样，不同制动性能的列车在走行区间，根据列车的性能能够进行有效的制动。另外，车上主体型，车上形成制动曲线，什么地点开始制动控制，什么地点停止，在车上决定，能采取考虑乘坐舒适性的制动控制。数字ATC，由于车上装置和地上装置的分工及车上装置的自律控制，使地上装置体积减小，成本降低。地面系统数字ATC的地面装置是通过列车轨道电路短路来进行列车在线检测，根据列车检出信息、联锁信号、相邻控制室信息，决定停车所在的轨道电路等，把这些作为ATC电子文本，用数字信号在轨道电路上传送。电子文本包含车辆所在轨道电路的代号、停车轨道电路代号、临界速度信息及附加的CRC代码等。车上系统来自地面装置的ATC电子文本，经过轨道由车上装置接收。根据电子文本的停车轨道代号等信息，从车上的数据库检索出可以在停车轨道电路的末端停车的对照速度曲线。根据这个速度曲线和本列车位置，将本列车速度连续进行查找对比。当列车速度超过速度曲线所显示的列车所在位置的允许速时，则输出常用制动力，直到列车停入停车位置。在车上装置中，预先保存有至停车位置的速度对照曲线数据库，包括了反映坡道、道岔限制速度及制动性能等全部情况的所有速度对照曲线。另外，除常规制动外，也有非常制动的速度查照曲线，还有根据从地面装置送来的临界速度控制信息，可以在到达临界速度开始地点前减速到限制速度以下的速度。数字ATC的控制有干线及站场2种模式。干线ATC通常依据位置进行运作，车站中间用一段制动曲线控制，进站时用二段制动曲线控制，因而有临时速度限制。场内ATC是在站场内用于调车作业的，30km/h以上则用速度对照曲线进行防护。因此，现行ATC是地面为主的系统，数字ATC是在车上产生适合于本车辆性能的制动特性来进行控制，是以车辆为主体的灵活系统。数字ATC与现行ATC相比有以下特点：由于采用一段平滑制动控制和最合适的制动动作，通过对速度限制的校正，制动时间错后，各速度段的空走时间基本消除。可以缩短运转时间；因控制特性搭载在车上，控制可符合车辆性能，车辆性能提高时也不用变更地上设备，由此可缩短运行时间；由于采用缓和制动，制动平稳，乘座舒适度改善；由于采用ATC进行运转调度，安全性提高；装置体积减小，成本降低。3、北美铁路的列车控制系统的发展3.1先进列车控制系统上世纪80年代起，美国铁路开始研究不用轨道电路和路旁信号机，采用无线技术和计算机技术，通过人造卫星和雷达控制铁路行车的先进列车控制系统(ATCS）。由列车本身检测列车所在位置，通过无线通信将列车位置信息送到地面，地面中心根据来自各列车的位置和站内进路状态等信息