盧德培

簡要介紹中國鐵速鐵路信號系統(tǒng)的發(fā)展,重點(diǎn)介紹高速鐵路信號系統(tǒng)的基本組成,高速鐵路信號系統(tǒng)的調(diào)度控制中心、車站聯(lián)鎖及車載設(shè)備間控制原理,狀態(tài)信息的傳送原理等,為從事高速鐵路信號工作做些基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

信號;信息控制;系統(tǒng)功能;技術(shù)應(yīng)用

信號系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備,是鐵路運(yùn)行控制的神經(jīng)中樞系統(tǒng),高速鐵路信號控制系統(tǒng)在保證高速鐵路行車安全、提高運(yùn)輸效率中起著關(guān)鍵性的作用。了解、掌握高速鐵路信號控制原理和控制過程,使信號控制系統(tǒng)正常發(fā)揮效用,是高速鐵路安全、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行的重要保障。

1.信號與信息控制技術(shù)

進(jìn)入20世紀(jì)60年代,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備和電子器件開始引入鐵路信號控制系統(tǒng)。車站聯(lián)鎖由電氣集中向電子設(shè)備集中轉(zhuǎn)化,區(qū)間設(shè)備也由半自動閉塞向移頻(FSK)自動閉塞、相鍵(PSK)自動閉塞和調(diào)幅(ASK)自動閉塞等制式發(fā)展,由于電子系統(tǒng)動作速度加快,可靠性提高,并且信息量大,為高速鐵路的信號控制系統(tǒng)的電子化、信息化奠定了基礎(chǔ)。

70年代初世界第一代微處理聯(lián)鎖機(jī)的問世,使鐵路信號控制的微電子控制時代迎來生機(jī),在微機(jī)信號控制系統(tǒng)中,顯著的特點(diǎn)是信息的容錯技術(shù)得到了提高,所謂容錯控制技術(shù)(Fault-Tol-erance Control),是指通過系統(tǒng)設(shè)計方式,使得在控制系統(tǒng)元器件、甚至是模塊故障情況下,系統(tǒng)通過冗余控制技術(shù),將故障部件信息覆蓋或屏蔽,輸出正常狀態(tài)的工作信息,即在局部設(shè)備故障的情況下,系統(tǒng)仍能維輸出滿足需要的工作信息,維持系統(tǒng)的工作效用,保證系統(tǒng)正常工作。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,在信息運(yùn)用技術(shù)、信息自動化、信息優(yōu)化與信息智能化等四個方面的發(fā)展。

信息化技術(shù)是把客觀的物理概念進(jìn)行數(shù)字化處理,輸入到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,按照優(yōu)化技術(shù)生成某種預(yù)定的技術(shù)指標(biāo),在一定約束條件下求得最優(yōu)解;信息智能化是信息處理的最高境界,包括信息的理解、推理、分析、判斷等方面。信息智能化的重要標(biāo)志是信息對知識的表述和應(yīng)用。

2.高速鐵路信號技術(shù)的應(yīng)用

鐵路信號控制系統(tǒng)原以繼電器為主件的分散控制技術(shù),如電氣集中聯(lián)鎖,區(qū)間半自動繼電器閉塞等,稱為信號系統(tǒng)的聯(lián)鎖、閉塞技術(shù)。信號聯(lián)鎖和閉塞技術(shù)通過信息的邏輯處理,最終以地面信號機(jī)給出三種基本顏色——紅、黃、綠(進(jìn)站、出站可以是黃綠組合)的信號顯示指揮列車運(yùn)行。

高速鐵路的信號控制技術(shù),是以電子器件或微電子器件的集中處理、分散控制,即所謂集散式控制方法,實(shí)現(xiàn)車站、區(qū)間信息變換、傳遞和處理的控制方式,信號控制系統(tǒng)分為行車指揮自動化與列車運(yùn)行自動化兩個方面,控制列車運(yùn)行的信號顯示以車載機(jī)車自動信號為主,地面信號為輔的運(yùn)行方式。由于列車運(yùn)行速度高、密度大,區(qū)間信號機(jī)采用——紅、黃、黃綠、綠顯示,通過數(shù)字軌道電路傳遞列車運(yùn)行信息,后續(xù)列車運(yùn)行過程中實(shí)時了解前行列車的目標(biāo)距離、目標(biāo)速度,及安全停車位置信息,并通過列車車載自動控制系統(tǒng)實(shí)行列車的正常制動、非常制動,實(shí)現(xiàn)列車自動停車控制。

3.高速鐵路信號控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

分散控制、集中管理的大規(guī)模綜合列車運(yùn)行自動控制,信息顯示的綜合運(yùn)用系統(tǒng)。

較高的容錯控制技術(shù)及安全控制能力,調(diào)度中心發(fā)布控制命令、監(jiān)督信號系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和列車位置信息等,是信號控制和信息管理的上層機(jī)構(gòu),命令的下達(dá)和執(zhí)行還要通過車站、區(qū)間的執(zhí)行設(shè)備才能完成,如果調(diào)度中心的計算機(jī)故障,可改由人工控制,通過區(qū)域信號控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)建立進(jìn)路、解鎖進(jìn)路、區(qū)間閉塞等功能。車站的聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備通過驅(qū)動設(shè)備實(shí)現(xiàn)就地安全控制。

較強(qiáng)的信息處理能力,較強(qiáng)的系統(tǒng)運(yùn)用靈活性,能夠?qū)崿F(xiàn)行車調(diào)度指揮、運(yùn)行控制和列車運(yùn)行信息管理的綜合控制。

人機(jī)控制,通過調(diào)度員輸入的控制程序或調(diào)度員、車站值班員在控制臺的人工控制,運(yùn)用(帶有冗余的)計算機(jī)硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)自動、人工邏輯控制。

以上控制特點(diǎn)可以描述為高速鐵路列車控制的C4I系統(tǒng)(即計算機(jī)、控制、指揮、通信與信息等控制系統(tǒng))。

4.高速鐵路信號系統(tǒng)的組成及功能

世界各國采用的高速鐵路信號控制系統(tǒng)都稱為列車自動控制系統(tǒng)(ATCS-Automatic Train Conrol System),列車自動控制系統(tǒng)(ATCS)包括行車指揮自動化子系統(tǒng)或稱列車自動控制與監(jiān)視(ATS)子系統(tǒng)、列車自動防護(hù)(ATP)子系統(tǒng)和列車自動駕駛(ATO)子系統(tǒng)。

行車指揮自動化(ATS)系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)行圖計劃及列車控制信息,通過控制中心計算機(jī)實(shí)行輸入列車運(yùn)行程序,實(shí)時控制、調(diào)整列車運(yùn)行狀態(tài),指揮列車運(yùn)行。各站的控制計算機(jī)實(shí)行車站區(qū)域進(jìn)路排列、道岔轉(zhuǎn)換、信號開放等。根據(jù)列車的運(yùn)行情況,中心計算機(jī)實(shí)時采集相關(guān)數(shù)據(jù),在顯示屏上集中顯示出全線信號設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和列車位置信息,列車編號等信息,并將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、打印,匯成編制報表等。

列車自動防護(hù)(ATP)系統(tǒng)。列車自動防護(hù)系統(tǒng)是保證列車按照設(shè)定速度安全運(yùn)行,防止列車超速運(yùn)行,并能防護(hù)列車迎面沖突和追尾沖突的系統(tǒng),系統(tǒng)具有故障一安全技術(shù)的特點(diǎn),主要功能是檢測列車當(dāng)前運(yùn)行速度和位置信息,并將速度信息實(shí)時與區(qū)域設(shè)定速度比較,決定是否實(shí)行制動;通過檢測列車位置信息,并發(fā)送至控制中心,控制后續(xù)列車的運(yùn)行速度,保證后續(xù)列車安全進(jìn)入指定區(qū)域,保證列車安全運(yùn)行和一定的制動距離。

列車自動駕駛(ATO)系統(tǒng)。通過數(shù)字軌道電路或應(yīng)答器等軌旁設(shè)備將調(diào)度中心或車站的控制命令傳輸給車載系統(tǒng),車載系統(tǒng)接收到控制信息后,經(jīng)過運(yùn)算、比較,結(jié)合列車自身的控制、制動條件,給出安全、合理的運(yùn)行速度,列車的運(yùn)行信息、狀態(tài)信息、制動性能等技術(shù)指標(biāo)均可在調(diào)度中心顯示出來,以便對運(yùn)行的列車實(shí)時控制,實(shí)現(xiàn)列車的安全、自動駕駛運(yùn)行?？梢栽O(shè)備控制的人工介入,并取得優(yōu)選擇權(quán),實(shí)現(xiàn)司機(jī)監(jiān)督、按照設(shè)定的速度曲線自動運(yùn)行,保證進(jìn)站后定點(diǎn)停車,并可根據(jù)調(diào)度中心的指令實(shí)時調(diào)整列車速度,確保列車的最小追蹤間隔,提高列車的運(yùn)行效率。

列車運(yùn)行自動化ATS、ATP、ATO系統(tǒng)的控制關(guān)系如圖1。

5.信號系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)

行車指揮自動化(ATS)系統(tǒng):

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與任務(wù)。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和信息化技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提高,目前,以鐵路局、鐵道部為行車運(yùn)營指揮中心的行車自動化體系已經(jīng)建立,為高速鐵路的運(yùn)行提供了良好的行車自動化指揮平臺。

高速鐵路列車指揮系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2。

控制中心計算機(jī)是高速鐵路指揮控制系統(tǒng)的核心,目前一般采用三取二的冗余系統(tǒng),三臺計算機(jī)中有兩臺計算機(jī)用于重要操作,采用交叉比較輸出,第三臺計算機(jī)用于熱備份,如圖3。

控制中心還具有數(shù)據(jù)傳輸、處理系統(tǒng),即用一臺高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備進(jìn)行信息處理與傳遞,與管線車站、區(qū)間、列車等進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)全線調(diào)度監(jiān)控等。

調(diào)度集中采用全線連續(xù)自動列車控制,調(diào)度中心計算機(jī)中固定存有被控制區(qū)域的各種數(shù)據(jù),如線路坡度、曲線限速數(shù)據(jù)等;還有軌道電路運(yùn)用狀態(tài)、信號機(jī)位置、顯示等信息,應(yīng)答器設(shè)置位置及工作狀態(tài)等;運(yùn)行列車的車輛信息、運(yùn)行速度、制動效果等都將通過各站計算機(jī)傳送到中心計算機(jī)。

控制中心計算機(jī)根據(jù)各種數(shù)據(jù)運(yùn)算出指揮行車的控制命令,通過數(shù)傳設(shè)備和軌旁單元傳送到車載計算機(jī)中,通過車載計算機(jī)算出運(yùn)行列車的目標(biāo)速度、到達(dá)下一停車點(diǎn)的目標(biāo)距離、車載計算機(jī)限速運(yùn)行曲線、實(shí)際行駛速度曲線、制動曲線編號等,根據(jù)最大允許速度實(shí)行自動駕駛(圖4)。

高速鐵路行車指揮系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn):減少分散安裝在線路旁邊的地面信號機(jī),加裝應(yīng)答器等裝置,實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心對管內(nèi)信號設(shè)備的集中控制與監(jiān)督。調(diào)度中心計算機(jī)在調(diào)整列車運(yùn)行過程中,向車站各分機(jī)分區(qū)、分時地下達(dá)列車運(yùn)行計劃。各站的控制分機(jī)根據(jù)中心計算機(jī)的運(yùn)行計劃,直接控制現(xiàn)場的有關(guān)聯(lián)鎖設(shè)備與進(jìn)路。調(diào)度中心計算機(jī)自動跟蹤列車運(yùn)行并向列車傳遞運(yùn)行計劃與控制命令,調(diào)度員監(jiān)督計算機(jī)工作狀態(tài)并給予必要運(yùn)行輔助調(diào)整。利用有線、無線的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為調(diào)度中心與列車之間進(jìn)行雙向信息傳遞。實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心與列車車載信息的互動,控制指揮列車運(yùn)行,并能實(shí)時了解列車運(yùn)行狀態(tài),車載計算機(jī)能夠輔助司機(jī)進(jìn)行人工操縱作。

微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)。隨著微電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,用電子器件及微電子器件代替繼電器實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能,控制信息量大、成本低、提高了系統(tǒng)安全性、可靠性,提高了設(shè)備靠性。

微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由控制臺、監(jiān)視器、聯(lián)鎖邏輯處理機(jī)、控制驅(qū)動電路和現(xiàn)場設(shè)備等組成,如圖5所示。

微機(jī)聯(lián)鎖是一個閉環(huán)系統(tǒng),安全控制信息輸出和信息輸入的局部,以及微機(jī)內(nèi)部的邏輯處理過程,都是按照閉環(huán)控制原理設(shè)計的,控制監(jiān)視機(jī)與聯(lián)鎖處理機(jī)的聯(lián)系也都遵循閉合工作原理,只要閉環(huán)系統(tǒng)中的任何一部分發(fā)生故障,系統(tǒng)就能立即診斷出來并采取措施,進(jìn)行記錄報警,直至切斷控制輸出電源,以便確保安全。

微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的冗余技術(shù)。為了提高微機(jī)聯(lián)鎖關(guān)系的安全性、可靠性和可維護(hù)性,目前廣泛采用的主要冗余技術(shù)有:

硬件冗余:硬件冗余為三取二的三重冗余系統(tǒng)和二重冗余系統(tǒng);軟件冗余系統(tǒng)有雙通道冗余、雙套軟件冗余,信息長度冗余和時間冗余等提高系統(tǒng)安全性;運(yùn)用容錯技術(shù)、避錯技術(shù),提高系統(tǒng)可靠性;運(yùn)用檢測技術(shù),診斷系統(tǒng)故障,進(jìn)行周期檢測,及時報警,系統(tǒng)中設(shè)有故障切斷器,實(shí)時切斷控制輸出電源或使局部系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)輸入、輸出接口采用固態(tài)元件構(gòu)成的安全控制電路,確保故障導(dǎo)向安全;信息通道采用編碼傳輸技術(shù)和閉環(huán)信道,加大海明電碼距離,提高誤碼檢出率。采用嚴(yán)密的組織手段、先進(jìn)的檢測方法和計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng),提高硬件的可靠性和軟件的可信性。

微機(jī)化列車自動控制設(shè)備。車載計算機(jī)同樣要采用三取二的結(jié)構(gòu)來保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。完整的車載連續(xù)式列車自動控制系統(tǒng)如圖6所示。

列車收到運(yùn)行信息后,由車載計算機(jī)算出列車位置和駕駛信息,經(jīng)過處理后由列車控制設(shè)備執(zhí)行速度控制,進(jìn)行必要的啟動、制動控制。列車速度信息、位置信息等回傳給軌旁設(shè)備,進(jìn)而輸送至控制中心及車站分機(jī),報告列車位置、列車車次,列車長度及實(shí)際行車速度等,信息的傳遞是通過應(yīng)答器和無線通道實(shí)現(xiàn)的。

控制中心計算機(jī)通過自動控制系統(tǒng)能收到所管范圍內(nèi)每列車的行車特性、線路地形等與列車有關(guān)的信息,在行車自動化過程中,可以使得兩列車按最小時分或安全間隔運(yùn)行。

地面處理機(jī)向前面和后面兩個軌道電路銜接點(diǎn)的兩端發(fā)送信號,所利用的是3kHz的載頻頻率(在途中分別用f1至f4表示)。處理機(jī)在銜接點(diǎn)處接收各點(diǎn)多測試的電流和電壓,用所測的電壓值除以電流值就求出了由列車車軸分路后軌道電路上鋼軌的阻抗。根據(jù)求得的鋼軌阻抗可以算出從銜接點(diǎn)到列車的舉例。如果鋼軌電路上沒有列車時,則所測的鋼軌阻抗將大于相當(dāng)于軌道電路長度的鋼軌阻抗。這樣,地面處理機(jī)就能確定出在這個軌道電路上沒有列車。

地面處理機(jī)首先計算機(jī)從銜接點(diǎn)到后面軌道電路上后續(xù)列車的舉例(L2),當(dāng)和后面軌道電路上沒有列車時,這個距離就等于軌道電路的長度(L2)。其次,地面處理機(jī)計算銜接點(diǎn)到前面軌道電路上列車尾部的舉例(L2),當(dāng)前面的軌道電路上沒有列車時,則這段距離的長度由前方的地面處理機(jī)傳來。求出這兩段距離之和(L1+L2),系統(tǒng)就能連續(xù)第確定亮列車之間的運(yùn)行距離。

機(jī)車上的處理機(jī)通過安裝在機(jī)車前部的天線接收由鋼軌傳來的數(shù)據(jù)流。天線由兩個感應(yīng)線圈組成。機(jī)車上的處理機(jī)根據(jù)機(jī)車制動性能確定其制動模式,控制列車速度。機(jī)車上的處理機(jī)連續(xù)檢測前方列車的尾端距離,所以能做到列車以極短的間隔運(yùn)行,同時可以避免不恰當(dāng)?shù)牧熊嚰铀俸蜏p速操作,從而達(dá)到節(jié)省能源和使旅客舒適的目的。

當(dāng)兩列列車同時運(yùn)行在一個軌道電路上時,由于前行列車車軸分路了軌道電路,后續(xù)列車將接收不到地面處理機(jī)的控制數(shù)據(jù)。在這種情況下,后續(xù)列車的機(jī)車處理機(jī)保存它剛剛進(jìn)入軌道電路前的有關(guān)數(shù)據(jù),通過對這些數(shù)據(jù)和機(jī)車上的測速機(jī)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可檢測出它自己的位置和它與前面列車的間隔距離。當(dāng)前面列車駛出該軌道后,后續(xù)的列車就能接收到地面處理機(jī)傳來的信息,列車運(yùn)行的控制就可恢復(fù)正常。

6.列車自動防護(hù)(ATP)系統(tǒng)、行車指揮自動化(ATS)系統(tǒng)、列車自動駕駛(ATO)系統(tǒng)ATO三才之間控制關(guān)系

ATP為整個ATC系統(tǒng)的安全核心,是列車運(yùn)行時必不可少的安全保障。ATS為ATC系統(tǒng)的上層管理部分,是ATC的指揮中樞。ATO是采用ATCS的最優(yōu)體現(xiàn)。一個完整的ATC系統(tǒng)依靠各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作共同完成,三者之間互有聯(lián)系、密不可分,其關(guān)系見圖7。

ATO需在已裝備ATP子系統(tǒng)的條件下才能使用,并不斷接受ATP的監(jiān)視,ATO通過ATP從ATS處得到列車運(yùn)行命令;ATO獲得信息后,結(jié)合線路情況計算合適的運(yùn)行速度,得到控制量,執(zhí)行控制命令,同時顯示有關(guān)信息。到站后,經(jīng)ATP檢查開門條件滿足后,ATO給出開門信息,同時,列車ATO通過列車位置識別系統(tǒng)(PTI)天線,將列車信息傳送給地面通信器,然后傳送到ATS,ATS根據(jù)此列車信息確定列車的新任務(wù)后再次通過軌道電路傳送給ATO,在區(qū)間運(yùn)行時,每進(jìn)入新的軌道區(qū)段,ATO便接收新的地面信息,以便進(jìn)行速度調(diào)整,在運(yùn)行過程符合條件時,可以靈活地進(jìn)入ATO模式。

7.結(jié)束語

高速鐵路信號系統(tǒng)是一項先進(jìn)的控制技術(shù),隨著高速鐵路的發(fā)展,高鐵信號系統(tǒng)還將承擔(dān)著更艱巨的重任,為了保證高速鐵路的安全,高效運(yùn)營,鐵路信號控制技術(shù)需要在功能、控制手段方面不斷改進(jìn),相信在信號工作者的不斷努力下,一定能夠開辟出中國高速鐵路信號控制技術(shù)的嶄新局面。

[1]錢仲侯.高速鐵道概論.北京:中國鐵道出版社,2006

[2]吳汶麒.城市軌道交通信號與通信系統(tǒng).北京:中國鐵道出版社,1998

[3]趙志熙.車站信號控制系統(tǒng).北京:中國鐵道出版社,1997