列车运行超速防护系统

第四章机车信号和列车运行超速防护系统第一节通用机车信号第二节列车运行超速防护系统第二节列车运行超速防护系统主要内容：从列车自动停车到列车超速防护ATP概述TVM300带速度监督的机车信号TVM430超速防护系统LSK型列车速度控制系统点连式列车运行控制系统一、从列车自动停车到列车超速防护1980年后，我国铁路推广列车自动停车装置，并且从ZTL-1发展到ZTL-3型，在我国铁路迅速普及，起到一定的作用。列车自动停车装置功能简单，没有与列车运行速度联系起来，一旦司机按压警惕按钮，即解除了自动停车功能，使它不能在红灯前连续地起作用，仍然存在着冒进信号的可能。为了有效地控制列车运行，减少列车冒进、超速行驶引起的事故，必须加速研制列车运行超速防护(一度称机车速度监督)。在京广线郑武电化改造工程中，引进U-T系统，其中TVM300是带速度监督的机车信号，具有列车运行超速防护的功能，但其用滞后的大台阶方式，必须设双红灯防护，且采用紧急制动方式，在客货混运区段，尚存在较多问题。在广深准高速工程中，采用具有UM71与移频制式兼容功能的ZLSK型准高速客车速度分级控制系统。它将列车速度进行分级，如准高速列车速度分为160、145、120、90、0km/h五级，一般客车分为120、90、0km/h三级，货物列车分为80、60、0km/h三级。设备监督区段的入口速度，给出出口速度显示，要求列车到出口处将速度降至低于规定的出口速度以下，否则将因超速而自动制动。系统为双机热备，常用制动和紧急制动分用。LCF超速防护系统是“八五”国家重点科技攻关项目，它采用多微机结构，速度距离模式曲线控制方式，常用制动，在常用制动失效时才采用紧急制动，无须设置重复防护区段。它在防止“两冒一超”方面具有较强功能。曾在京九线商阜段试验。在川黔线还引进瑞典ABB公司的查询应答式ATP进行过试验。2003年在秦沈客运专线上采用TVM430列车运行控制系统，由UM2000轨道电路提供地面信息，实现模式曲线方式控制列车运行。目前,研制或引进已投入运营或进行试验的超速防护系统有：(1)京广线郑武段投入运营的TVM300系统；(2)广深线投入运营的ZLSK和LSK系统；(3)京九线商阜段试验的LCF系统；(4)通过北京环行铁道试验线试验的为秦沈客运专线研的点连式LSK-2000和LCF-200系统。(5)在秦沈客运专线投入运营的TVM430系统。但是，就全国铁路而言，还没有建立起完整的列车运行控制系统。在此期间，有多家研制成列车运行监控记录装置(简称运器)，1995年由株洲电力机车研究所牵头，研制成LKJ-93型，通过部技术鉴定，迅速在全路普及，后又改进为LKJ-2000型，运器的功能是监控列车速度，在司机欠清醒或失控的情况下，对列车实施紧急制动，并且可记录运行情况，了解机车运用质量和司机操作水平，对保证列车运行安全，改善对司机、机车的管理发挥了积极作用。运器从达不到主体信号要求的机车信号中提取信息，其本身硬、软件达不到故障—安全要求，所需地面数据不是由地面实时传递，而是储存在机车上，按列车坐标提取，一旦发生差错将危及行车安全，其监控部分不符合超速防护所要求的故障—安全原则，只能作为一种过渡设备使用。列车超速防护系统是当今世界各国普遍采用的安全技术设备。我国已具备发展列车运行控制系统（CTCS）基础，在铁路跨越式发展的进程中，应结合既有线提速、客运专线和高速铁路建设，进行总体规划，系统设计，分步实施，积极发展,逐步建成集DMIS、CTC、CTCS为一体的列车运行控制中心对列车的安全控制，实现行车指挥的综合现代化。CTCS分为5级：0级，为既有线现状，由通用机车信号和运器组成；1级，由主体化机车信号、点式设备和运器组成；2级，基于轨道电路（模拟或数字轨道电路），与点式设备和车载ATP设备构成；3级，基于轨道电路和GSM-R,与点式设备和车载ATP设备构成；4级，完全基于GSM-R的ATP系统。1.ATP的基本概念ATP，即列车运行超速防护或列车速度监督系统。一般采用轨道电路或查询—应答器来检查列车是否占用本区段，并构成后方信号电流的控制条件。机车上设有接收器。当列车速度超过ATP装置所指示的速度时，ATP的车上设备就发出制动命令，使列车自动地制动；当列车速度降至ATP所指示的速度以下时，便自动缓解。而运行操作仍由司机完成。例如，可直接利用轨道电路传递信息，在钢轨中流通的是不同等级限速的信号电流。列车上的接收线圈接收信号电流后，经车内信号接收器译解，获得允许的限制速度；根据车轴上的速度传感器控制速度监督器以获得列车运行的实际速度；将两速度送入微机系统进行比较，如实际速度超过限制速度，则动作制动设备。如实际速度低于限制速度，制动设备缓解。2.ATP的功能ATP的功能主要有：(1)停车点防护；(2)超速防护；(3)列车间隔控制(移动闭塞时)；(4)测速测距；(5)车门控制。3.点式和连续式ATPATP按地面信息的传输方式分为点式和连续式两种。(1)点式ATP系统由车上设备和地面设备组成。车上设备接收信号点或标志点的应答器信息，还接收列车速度和制动压力信息，输出控制命令和向司机显示。地面应答器向列车传送每一信号点的允许速度、目标速度、目标距离、线路坡度、信号机号码等信息。应答器本身无源，接收查询器发射的能量，供内部电路与回答发送用。点式ATP难以胜任列车密度大的情况，如后续列车驶过地面应答器时，因前方区段有车，它算出的速度曲线是一条制动曲线。后续列车驶过后，尽管前行列车已驶离，但后续列车因得不到新的信息只能减速运行，直到抵达运行前方的地面应答器，才能加速。(2)连续式ATP连续式ATP包括轨道电路、轨间电缆和无线等传输方式。①轨道电路方式采用轨道电路传输列车控制信息是最普遍的方式。此时轨道电路既作为检测列车的设备，又发送列车控制信息。如法国的TGV铁路采用UM71无绝缘移频轨道电路为基础的列车控制系统，日本新干线ATC采用音频轨道电路单边带调制方式。②轨间电缆方式利用轨间铺设的电缆传输信息。控制中心储存线路的固定数据：区间线路坡度、弯道、缓行区段的位置及长度等。经联锁设备，将沿线的信号显示、道岔位置等信息传送至控制中心。列车将其数据：如载重量、车长、制动率、所在位置、实际速度经电缆传给控制中心。控制中心的计算机根据这些数据计算出该时刻的列车允许速度。此速度值经电缆传送给运行在线路上的相应列车。列车获得此速度值，一方面显示出来，一方面对列车速度进行监控。这种方式统一指挥全部列车运行，遇有发生行车晚点或其它障碍，可极迅速地将行车命令传给列车。但控制中心故障则全线瘫痪。因此采用另一种控制方式，控制中心将有关信息(线路坡度、缓行区段位置、目标距离或目标速度等)通过电缆送至机车，由车载计算机计算其允许速度。如德国铁路的LZB系统就采用轨道电缆，既用于传输信息，又用于列车定位。1978年在汉堡-不来梅区段正式投入运用，每天控制74次200km/h的特快列车。③无线方式利用无线通信的方式传输信息。地面编码器生成编码信息，通过轨道天线向车上发送。信号显示控制接口负责检测要发送的信号显示，并从已编程的数据中选出有用数据送编码器，同时选出与限制速度、坡度、距离等有关的轨道数据。编码器用高安全度的代码将这些数据编码，经过载波调制，馈送至轨道天线向机车发送。轨道天线可用轨道本身，也可采用环线。车上接收设备接收限制速度、坡度、距离后，由车载计算机计算出目标速度，对机车进行监控。美国自1984年以来利用全球定位系统(GPS)。对列车进行跟踪、定位和测速，定位误差20～50m，测速误差±1.6km/h。用静止卫星定位，精度可达2～7m，在卫星定位的基础上开发无线列车控制系统。4.分级制动和一级制动列车制动控制模式分为分级制动模式和一级制动模式。(1)分级制动分级制动是以闭塞分区为单元，根据与前行列车的运行距离来调整列车速度，各闭塞分区采用不同的低频频率调制，指示不同的速度等级，在此基础上确定限速值。分级制动模式又分为阶梯型和曲线型。阶梯型分级制动模式俗称大台阶型。它将一个列车全制动距离划分为3～4个闭塞分区，每一闭塞分区根据与前行列车距离确定限速值。以广深线为例说明，广深准高速铁路是一条客货混运线路，准高速列车最高速度160km/h，一般旅客列车最高120km/h，货车最高80km/h。自动闭塞为四显示，带有防护区，当闭塞分区被列车占用时其前方两架信号机均显示红灯，然后依次为黄灯、绿黄灯和绿灯。准高速列车速度等级为160-145-120-90-0，一般客车120-90-0，货车80-60-0。对于160km/h以下，检查值高于标定值10km/h；对于0km/h，留有35km/h开口。当列车速度高于检查值时，列车自动制动。其为滞后监督方式，即在闭塞分区出口才监督是否超速，所以为确保安全，必须设有“保护区段”。准高速列车制动曲线如图4-11所示。图4-11准高速列车制动曲线列车运行在LC、AT闭塞分区，当列车速度超过160km/h时，设备报警，提示司机减速。列车速度超过165km/h时，发出机车卸载命令。列车速度超过170km/h时，发生动力制动或小减压量空气制动。列车速度低于160km/h时，发出可缓解的语音提示。当列车从AT分区进入145分区时，设备先报警，提示司机信号降级，并在出口处检查列车速度，当列车速度超过155km/h时设备发出制动命令，采用较大常用制动。当列车进入120分区、90分区，均给出报警，提示司机信号降级，出口处分别检查列车速度是否超过130km/h和100km/h，超速时发出制动命令，采用最大常用制动。当列车进入01分区时，设备报警并提示司机，运行前方为停车信号。当列车出口速度超过25km/h时发出制动命令，列车速度大于50km/h时采用紧急制动，小于50km/h时采用常用制动。列车冒进第一个红灯后，设备报警并连续检查列车速度，列车速度超过25km/h时发出制动命令。列车超速时实施制动必须有效，否则将产生危险后果。因此系统对制动实现闭环检查。当检查常用制动失效时，自动投入电空紧急制动。当电空紧急制动失效后，打开紧急放风阀使列车管直通大气进行紧急制动。阶梯型分级速度控制方法虽然构成较为简单，但具有较多缺点：①设有防护区段，会影响通过能力；②列车接近前方列车时遇到两次红灯，司机难以区分哪一个闭塞分区有车占用，容易造成混乱；③由于其在闭塞分区出口处才给出下一闭塞分区的允许入口速度，司机有时会措手不及；④列车在进站信号机前停车或进站停车时，司机怕“撞墙”引起紧急制动，往往要压低速度运行，影响运输效率。所以，日本和法国在其新建高速铁路的ATP系统中，改为速度—距离模式曲线控制方式。模式曲线是根据该闭塞分区提供的允许速度值以及列车参数和线路常数由车载计算机计算出来的(或将各种制动模式曲线储存调用)。(2)一级制动一级制动是按目标距离制动的。根据距前行列车的距离或距运行前方停车站的距离，由控制中心根据目标距离、列车参数和线路参数计算出列车制动模式曲线，或由车载计算机予以计算，按制动模式曲线控制列车运行。信息传输有数字编码轨道电路传输和无线传输两种方式。无论何种方式，传输的信息必须包括线路允许速度、目标速度、目标距离。一级制动方式最能合理地控制列车运行速度，是列车自动控制技术的发展方向。5.测速和测距(1)测速列车运行速度的测量非常重要，列车实际运行速度是速度控制的依据。该速度值的准确和精度直接影响调速效果。测速有车载设备自测和系统测量两种方法，车载设备自测有测速发电机、路程脉冲发生器、光电式传感器和霍尔式脉冲转速传感器等方法。系统测量有卫星测速和雷达测速等方法。①测速发电机早期采用测速发电机测速。测速发电机安装在车轮轴头上，它发出的电压与车速成正比，该电压经处理后产生模拟量和数字量两个输出，分别用来驱动速度表和进入车上主机用于速度比较。测速发电机简单，但在低