城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)研究

西安交通工程學(xué)院 李 歡

信號(hào)系統(tǒng)在城市軌道交通中發(fā)揮著重要作用，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行合理控制使列車按照規(guī)定線路高效有序運(yùn)行。信號(hào)系統(tǒng)的核心是ATC系統(tǒng)，它為列車的自動(dòng)化運(yùn)行提供全線控制功能，使人員的工作強(qiáng)度降低，減少了由于人員因素導(dǎo)致事故發(fā)生的概率，提高了運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)有多種控制方式，每種控制方式都有各自的特點(diǎn)，通過對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行研究，為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的控制方式在不同場(chǎng)合的應(yīng)用提供有效參考。

城市化現(xiàn)象導(dǎo)致城市道路出現(xiàn)擁擠，已有的交通工具無法滿足居民的出行需求。城市軌道交通單向每小時(shí)輸送乘客數(shù)量可以達(dá)到上萬人，且速度快、占用土地面積較小，可以有效緩解市民出行壓力，解決交通擁擠問題，同時(shí)其專用軌道也避免了與地面交通相混合，很大程度降低了交通事故的發(fā)生率，因此近年來我國(guó)大力支持發(fā)展城市軌道交通。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是指揮列車安全運(yùn)行，提供列車運(yùn)行信息的重要系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)設(shè)備采取合理的控制方式是保障城市軌道交通高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行自動(dòng)化的重要手段。

1 城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)

信號(hào)系統(tǒng)不僅肩負(fù)著城市軌道交通安全運(yùn)行的重?fù)?dān)，也是運(yùn)營(yíng)調(diào)度指揮中心的中樞神經(jīng)。對(duì)信號(hào)設(shè)備的控制方式關(guān)乎著列車運(yùn)行速度、運(yùn)輸效率和行車安全等重要指標(biāo)，如果信號(hào)設(shè)備出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)控制中心指令無法下達(dá)，影響列車正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)列車脫軌、追尾、火災(zāi)等重大事故。城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)可以為控制中心與信號(hào)設(shè)備建立高效的連接紐帶，不僅為信號(hào)設(shè)備與控制中心傳輸信息，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣在設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)不正常時(shí)可以及時(shí)處理，避免了重大事故的發(fā)生，在提高行車效率方面發(fā)揮著重要作用。

2 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的組成

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的重要組成部分是列車自動(dòng)控制系統(tǒng)ATC和聯(lián)鎖系統(tǒng)。聯(lián)鎖系統(tǒng)讓信號(hào)、進(jìn)路及道岔三者之間實(shí)現(xiàn)了相互制約的關(guān)系，通過信號(hào)設(shè)備計(jì)軸器或軌道電路可以檢測(cè)進(jìn)路的狀態(tài)，若進(jìn)路處于空閑狀態(tài)，信號(hào)機(jī)是正常通行狀態(tài)，則轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)尖軌打開道岔；反之若信號(hào)機(jī)關(guān)閉，則道岔鎖閉。在聯(lián)鎖方式上，由于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖相比于早期的繼電集中聯(lián)鎖具有安全可靠性高、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛采用。聯(lián)鎖系統(tǒng)使設(shè)備之間即互相制約又相互關(guān)聯(lián)，提高了列車運(yùn)行的安全保障。

ATC是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的控制核心，它由ATO、ATP和ATS三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)互相支撐，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備與車載設(shè)備相結(jié)合的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.1 列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)ATO

ATO依據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃，實(shí)時(shí)計(jì)算列車在目標(biāo)點(diǎn)需要達(dá)到的速度值，根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的速度值對(duì)列車發(fā)出速度控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的自動(dòng)駕駛。ATO是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要功能是實(shí)現(xiàn)列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)對(duì)速度的精準(zhǔn)控制以及列車到站的精確停車。

2.1.1 列車區(qū)間運(yùn)行速度的控制

ATO在接收到ATP發(fā)出的控制命令后，向列車牽引系統(tǒng)或制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出加速或減速的指令。在ATO模式下，由于列車運(yùn)行速度受線路影響，所以實(shí)際運(yùn)行速度曲線在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，且列車的運(yùn)行速度受ATP規(guī)定的速度限制，因此實(shí)際速度曲線位于ATP速度曲線之下，當(dāng)實(shí)際速度接近ATP的最大允許速度時(shí)，列車的運(yùn)行效率得到顯著提升，通過閉環(huán)控制方式自動(dòng)控制列車速度，減少了列車在運(yùn)行時(shí)切換牽引和制動(dòng)狀態(tài)的頻率，使列車能夠平穩(wěn)運(yùn)行，為旅客提供良好的乘車體驗(yàn)。

2.1.2 列車到站精確停車

列車在站臺(tái)區(qū)規(guī)定位置精確停車并與安全門的位置對(duì)準(zhǔn)，方便乘客上下車，該功能是ATO系統(tǒng)的重要功能。該功能需要ATO中的車載模塊實(shí)時(shí)采集列車速度并與目標(biāo)點(diǎn)速度比較，并及時(shí)發(fā)出速度控制指令，通過對(duì)速度實(shí)時(shí)追蹤，實(shí)現(xiàn)列車到站精確停車。精確停車為乘客提供寬敞的乘車通道，避免上下車過程發(fā)生擁擠，節(jié)約了乘車時(shí)間。

2.2 列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)ATP

ATP在信號(hào)控制系統(tǒng)中有著重要作用，它的實(shí)現(xiàn)很大程度提升了列車的運(yùn)行效率。如果沒有ATP當(dāng)列車司機(jī)長(zhǎng)時(shí)間駕駛處于疲勞時(shí)，可能對(duì)突發(fā)情況不能及對(duì)反應(yīng)，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。ATP對(duì)列車在不同線路運(yùn)行時(shí)的速度做出限制，在運(yùn)行速度大于限制速度，或危及到行車安全的突發(fā)事件時(shí)，ATP系統(tǒng)會(huì)對(duì)列車采取制動(dòng)措施。

2.3 列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)ATS

ATS系統(tǒng)具有根據(jù)列車運(yùn)行圖監(jiān)控全線列車運(yùn)行的功能，也可以在特殊情況優(yōu)化或修改列車運(yùn)行圖，通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)列車實(shí)時(shí)追蹤。中央級(jí)和車站級(jí)實(shí)現(xiàn)了ATS的兩級(jí)監(jiān)控功能。中央級(jí)是通過控制中心對(duì)全線運(yùn)行的列車和設(shè)備進(jìn)行控制，在車站擁有控制權(quán)時(shí)可以對(duì)本站范圍內(nèi)的列車和設(shè)備進(jìn)行控制。中央級(jí)是最高級(jí)的監(jiān)控系統(tǒng)，它的控制中心有最高權(quán)限，可以將權(quán)限下方給它的下一級(jí)車站，車站值班員也可以向控制中心申請(qǐng)獲得本站的控制權(quán)。

3 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的控制方式

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的控制方式分為對(duì)列車速度的控制方式、閉塞方式和車地信息傳輸方式三方面。

3.1 列車速度的控制方式

信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車速度的控制方式主要有兩種，分別是按階梯式速度曲線控制和按速度距離模式曲線控制。

階梯式速度曲線是對(duì)列車運(yùn)行線路進(jìn)行多區(qū)段的劃分，如圖1所示，在每個(gè)區(qū)段都設(shè)置了最大行駛速度，當(dāng)運(yùn)行速度超過該區(qū)段的最大值時(shí)，ATP發(fā)出制動(dòng)命令，制動(dòng)系統(tǒng)使列車運(yùn)行速度在規(guī)定時(shí)間內(nèi)降至允許速度，若在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)無法使列車速度降至允許值，則在超過規(guī)定時(shí)間后ATP對(duì)列車采取緊急制動(dòng)措施，使列車盡快停車，避免了事故的發(fā)生。

圖1 階梯式速度曲線

速度距離模式曲線是一條平滑的曲線，如圖2所示，曲線是由多個(gè)點(diǎn)連接而成，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)速度值，表示該點(diǎn)允許的最大速度，如果列車速度超過該點(diǎn)的最大速度，ATP系統(tǒng)對(duì)列車發(fā)出制動(dòng)命令，使運(yùn)行速度降至曲線的下方。若列車運(yùn)行速度持續(xù)在曲線上方，則施加緊急制動(dòng)使列車緊急停車。速度距離曲線控制方式相比階梯式速度控制方式，列車減速過程較平滑，可以提高乘客的舒適度。

圖2 速度距離模式曲線

3.2 閉塞方式

按照閉塞方式劃分信號(hào)系統(tǒng)可以分為三種。第一種是固定閉塞，線路被固定劃分為多個(gè)閉塞分區(qū)且有相應(yīng)的速度限制，速度控制模式采用階梯式。通過信號(hào)設(shè)備軌道電路或計(jì)軸器劃分區(qū)間并進(jìn)行線路狀態(tài)的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到軌道線路處于占用狀態(tài)時(shí)，按照當(dāng)前區(qū)段設(shè)置的速度值對(duì)列車施加制動(dòng)力，使速度降至規(guī)定速度范圍內(nèi)；準(zhǔn)移動(dòng)閉塞雖然也將線路劃分了若干個(gè)閉塞區(qū)間，但它和固定閉塞不同的是，每個(gè)分區(qū)沒有設(shè)速度限制，準(zhǔn)移動(dòng)閉塞計(jì)算制動(dòng)距離的兩個(gè)端點(diǎn)中的追蹤目標(biāo)點(diǎn)是以前方列車閉塞分區(qū)的始端為基準(zhǔn)是固定點(diǎn)，而制動(dòng)點(diǎn)根據(jù)后方列車的性能計(jì)算是非固定點(diǎn)，其控制模式采用速度距離曲線模式；移動(dòng)閉塞是行車效率最高的一種閉塞方式，取消了固定閉塞區(qū)間的劃分，追蹤目標(biāo)點(diǎn)和制動(dòng)點(diǎn)都是非固定點(diǎn)，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)車地雙向通信確定前方列車位置，再依據(jù)后方列車自身性能動(dòng)態(tài)計(jì)算列車制動(dòng)距離，由于前后列車都處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行中，所以列車制動(dòng)距離也處于動(dòng)態(tài)變化中，這種閉塞方式?jīng)]有固定的間隔距離，極大地縮短了行車間隔時(shí)間，為行車效率提升了保障。

3.3 車地信息傳輸方式

在信號(hào)系統(tǒng)中，車地之間信息的傳輸方式主要有點(diǎn)式和連續(xù)式兩種，點(diǎn)式傳輸是指在線路的固定點(diǎn)利用車地之間的電磁耦合作用傳遞列車運(yùn)行信息，如在進(jìn)站信號(hào)機(jī)外方400m處向列車傳遞減速信息，這種方式只在固定點(diǎn)顯示信息，無法保證列車在全線的安全運(yùn)行。連續(xù)式車地信息傳輸方式可以持續(xù)反映列車在全線的運(yùn)行狀態(tài)和條件，被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)閉塞中。

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是軌道交通信息傳遞，列車安全運(yùn)行的重要保障。將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等多學(xué)科進(jìn)行融合，為未來提出智能化的信號(hào)控制系統(tǒng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。通過研究信號(hào)系統(tǒng)的控制方式為提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量，提升運(yùn)營(yíng)效益等有重要作用。對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行多方面分析，提出合理意見，為今后研究信號(hào)系統(tǒng)的控制方式奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)提出更加完善合理的信號(hào)控制系統(tǒng)提供參考依據(jù)。