控制線原理及其在ATC系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、控制線原理及其在ATC系統(tǒng)中的應(yīng)用學(xué)號(hào)：0207456 姓名：樊超摘要：介紹了控制線的基本概念和組成，并結(jié)合津?yàn)I輕軌信號(hào)工程實(shí)際論述了其在城市軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：控制線；列車自動(dòng)控制；速度；距離Abstract: This paper presented the basic concept and principle of control line and described its application in urban mass transit in combination with the practical engineering of Tianjin-Binh

2、ai mass transit projectKey words: control line；Automatic Train Control (ATC)；Speed；Distance控制線(Control line)理論是信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車精確速度控制和間隔控制的核心技術(shù)。目前國內(nèi)對(duì)于控制線理論的研究和工程應(yīng)用尚處于起步階段，本文基于津?yàn)I(天津一塘沽)輕軌信號(hào)系統(tǒng)工程實(shí)踐在這方面進(jìn)行探討。1、控制線的基本概念軌旁ATP子系統(tǒng)不但需要采集控制范圍內(nèi)的相關(guān)動(dòng)態(tài)信息，包括運(yùn)行方向、所有軌道電路狀態(tài)(占用或出清)、信號(hào)開放條件及相應(yīng)道岔位置，還需要采集其他與運(yùn)行有關(guān)的靜態(tài)信息，如線路信息(坡度、限速等

3、)、車輛牽引制動(dòng)性能參數(shù)等。軌旁系統(tǒng)將根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)信息，遵照一定的控車模式，生成控制范圍內(nèi)的所有軌道區(qū)段上所允許的與運(yùn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)(包括線路速度、目標(biāo)距離、目標(biāo)速度等)，并以鋼軌作為傳輸通道，經(jīng)過數(shù)字編碼調(diào)制，按照劃分區(qū)段實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)列車運(yùn)行至任一區(qū)段時(shí)，都可以由列車上的接收線圈接收到在這個(gè)區(qū)段軌道電路上的數(shù)據(jù)。車載ATP子系統(tǒng)將在車內(nèi)連續(xù)顯示容許的速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)列車精確的速度和間隔控制。不同區(qū)段發(fā)送的控制線數(shù)據(jù)存在一定的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系，由軌旁子系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)集中運(yùn)算和控制。1.1控制線分類按照控車模式，控制線可以簡單劃分為階梯式控制線和模式曲線控制線2類。假定前提條件：列車初始速度

4、為50km/h；閉塞分區(qū)長度為500m。在采用階梯式控制線的系統(tǒng)中，軌道區(qū)段只能按照制動(dòng)性能最差的列車的最大安全制動(dòng)距離劃分閉塞分區(qū)。由于采用的是模擬軌道電路，因此在每個(gè)分區(qū)范圍內(nèi)，傳輸給車載ATP子系統(tǒng)的信息只有本區(qū)段的速度等級(jí)(與軌旁色燈信號(hào)機(jī)顯示相對(duì)應(yīng))，在列車追蹤間隔中還需要預(yù)留保護(hù)區(qū)段。列車速度控制只能采用簡單的階梯方式，列車運(yùn)行間隔及運(yùn)行舒適度均受到限制，無法滿足軌道交通的運(yùn)行需要。目前我國國鐵信號(hào)系統(tǒng)中多采用該種方式，與國際先進(jìn)水平有較大差距。在采用模式曲線控制線的系統(tǒng)中，由于采用了數(shù)字編碼軌道電路，軌旁ATP子系統(tǒng)向車載ATP子系統(tǒng)提供的信息量成倍增加，列車之間的安全間隔是基于

5、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、制動(dòng)曲線和列車所在線路段信息而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算出來的。由于列車定位精度得到提高，后續(xù)列車可以根據(jù)該線路段允許速度最大限度地靠近先行列車，因此可以滿足城市軌道交通高精度、小間隔的運(yùn)行需要，得到廣泛應(yīng)用。但這類信號(hào)系統(tǒng)目前均由國外廠商提供。我們對(duì)控制線的研究就是基于這種控制方式展開的?？刂凭€的最終用途在于實(shí)現(xiàn)對(duì)列車速度的連續(xù)、精確、實(shí)時(shí)控制。模式曲線的生成是由車載ATP子系統(tǒng)基于軌旁ATP子系統(tǒng)控制線所提供的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合事先固化在車載ROM存儲(chǔ)器中的線路固定數(shù)據(jù)而動(dòng)態(tài)生成的。討論列車速度控制的數(shù)學(xué)模型，可以加深對(duì)控制線作用的認(rèn)識(shí)。1.2基本信息如圖所示，假定列車距目標(biāo)點(diǎn)的距離為S

6、，列車的減速度為b，目標(biāo)點(diǎn)的允許速度為，列車的允許速度為，列車運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)間為T，則滿足以下運(yùn)動(dòng)方程。 （1）消去變量后： （2）在=0時(shí)： （3）根據(jù)公式（）即可以生成列車的速度控制曲線，當(dāng)然這只是在理想條件下得到的。在工程實(shí)踐中還要考慮線路限速、坡度、車輛阻力、牽引制動(dòng)性能等因素的影響，這些因素都會(huì)轉(zhuǎn)化為加權(quán)因子引人到列車速度控制方程中，但基本原理一致?？刂凭€包含的動(dòng)態(tài)信息通過數(shù)字編碼軌道電路進(jìn)行傳輸，由車載信號(hào)接收傳感器感應(yīng)至車載ATP子系統(tǒng)進(jìn)行處理。在津?yàn)I輕軌信號(hào)工程中，采用美國USS公司提供的MICROLOK信號(hào)控制系統(tǒng)，包括AF904數(shù)字編碼軌道電路，可以向車載ATP子系統(tǒng)不間

7、斷發(fā)送總計(jì)35bit的有效控制線信息。有效信信息定義如表：其中直接或間接與控制線相關(guān)的信息位(粗體表示)占到29bit。這些信息位均采用二進(jìn)制編碼實(shí)現(xiàn)，并且以數(shù)據(jù)庫文件形式固化在程序ROM中，直接通過數(shù)據(jù)指針進(jìn)行調(diào)用。AF904數(shù)字編碼軌道電路系統(tǒng)代表了國際同類系統(tǒng)的先進(jìn)水平，具備網(wǎng)絡(luò)化、冗余化、數(shù)字化的典型技術(shù)特征。任一區(qū)段的發(fā)送、接收單元都可視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全通信獲取控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制線信息。2、控制線的內(nèi)容及編制邏輯在已建立并鎖閉運(yùn)行方向的情況下，列車運(yùn)行需要的控制線基本內(nèi)容如圖所示。2.1線路速度列車在當(dāng)前區(qū)段運(yùn)行時(shí)所允許的最高速度為線路速度。由于不同區(qū)段、不同情況下

8、線路限速不盡相同，故限速可以分為種。1.線路限速包括：站臺(tái)限速，即列車在站臺(tái)運(yùn)行時(shí)的最高速度；彎道限速，即為防止列車在彎道處脫軌而設(shè)置的最高速度；坡道限速，即列車在上下坡道，特別是比較陡的下坡道的最高速度；道岔區(qū)限速，即列車在經(jīng)過道岔區(qū)段時(shí)所允許的最高速度。線路限速是固化的，與某個(gè)區(qū)段相關(guān)聯(lián)，不會(huì)隨著外部環(huán)境的改變而改變。2.人工限速可以根據(jù)需要人為地對(duì)某一個(gè)區(qū)域，可以包含個(gè)及個(gè)以上區(qū)段，或者單獨(dú)個(gè)區(qū)段設(shè)置限速。由于人工限速是人為設(shè)置，因此可以在不需要限速時(shí)，通過系統(tǒng)人機(jī)接口取消限速。當(dāng)某個(gè)區(qū)段同時(shí)存在多種限速時(shí)，則應(yīng)當(dāng)以數(shù)值最小的速度作為本區(qū)段的線路速度。2.2目標(biāo)速度根據(jù)某個(gè)區(qū)段前方運(yùn)行條

9、件計(jì)算得出的在本區(qū)段運(yùn)行的列車到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)的速度值為目標(biāo)速度。前方運(yùn)行條件就是前方列車的位置、進(jìn)路條件及道岔位置、限速等。目標(biāo)速度的計(jì)算方法如下：.缺省情況下，車站間區(qū)段發(fā)送的控制線信息中的目標(biāo)速度為0，表示當(dāng)前列車速度到目標(biāo)停車點(diǎn)時(shí)，將降為0。.當(dāng)位于列車前方某1個(gè)區(qū)段的線路速度(例如:站臺(tái)或道岔區(qū)域)存在小于本區(qū)段線路速度的限速，則目標(biāo)速度為前方區(qū)段的限速。表明列車到達(dá)前方限速區(qū)人口時(shí)，速度應(yīng)當(dāng)?shù)陀谠撓匏佟?當(dāng)列車前方幾個(gè)區(qū)段處有列車占用，而且距離足夠遠(yuǎn)，能滿足該列車的安全制動(dòng)，則目標(biāo)速度為本區(qū)段的線路速度。表示當(dāng)前列車可以按照線路最大允許速度行駛。2.3目標(biāo)距離列車運(yùn)行到達(dá)前方目標(biāo)速度位

10、置的距離為目標(biāo)距離，這個(gè)數(shù)值包括列車當(dāng)前占用區(qū)段的長度。如果目標(biāo)速度為0或者小于本區(qū)段的線路速度，則目標(biāo)距離為從這個(gè)區(qū)段至前方目標(biāo)速度位置的距離；如果目標(biāo)速度為本區(qū)段的線路速度，則目標(biāo)距離為最大值，津?yàn)I信號(hào)系統(tǒng)工程實(shí)踐中，此條件下目標(biāo)距離顯示為2900m。該數(shù)值僅用于指示給司機(jī)參考，不代表物理上實(shí)際距離，表示當(dāng)前列車可以按照線路最大允許運(yùn)行速度行駛。2.4下區(qū)段載頻為了減小相鄰2個(gè)區(qū)段內(nèi)信號(hào)的相互干擾，通常來說，信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以保證任何相鄰個(gè)區(qū)段的信號(hào)載頻分配都是不同的，因此軌旁信號(hào)系統(tǒng)也需要向列車發(fā)送相關(guān)的載頻信息。如果列車前方第1個(gè)區(qū)段有列車占用，或者信號(hào)沒有開放，則下一區(qū)段載頻為本區(qū)段的

11、載頻，車載ATP子系統(tǒng)一旦接收到該類型控制線信息后，將實(shí)施緊急制動(dòng)。該類型控制線信息在系統(tǒng)中具有最高優(yōu)先等級(jí)。如果前方第1個(gè)區(qū)段沒有列車占用，或者信號(hào)已經(jīng)開放，則下一載頻為前方第個(gè)區(qū)段的載頻。需要說明，線路速度指的是本區(qū)段所允許的最高運(yùn)行速度，它不會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)速度和目標(biāo)距離的改變而改變。而列車實(shí)際運(yùn)行所允許的最高速度與目標(biāo)速度和目標(biāo)距離有關(guān)，如圖所示的實(shí)曲線，車載信號(hào)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)持續(xù)地計(jì)算在當(dāng)前位置按照正常制動(dòng)可以安全地到達(dá)目標(biāo)速度位置的當(dāng)前最高允許速度，并將其顯示在司機(jī)操作臺(tái)上。當(dāng)列車處于自動(dòng)駕駛模式下，車載子系統(tǒng)可以保證運(yùn)行速度不超過這個(gè)最高允許速度；當(dāng)列車處于人工駕駛模式下，一旦列車超過了這

12、個(gè)最高允許速度，則列車會(huì)向司機(jī)發(fā)出警告，如司機(jī)未及時(shí)做出正確反應(yīng)，車載ATP子系統(tǒng)將自動(dòng)實(shí)施制動(dòng)，避免發(fā)生危險(xiǎn)。關(guān)于目標(biāo)距離，雖然軌旁系統(tǒng)向某個(gè)區(qū)段發(fā)送的目標(biāo)距離在數(shù)值上不會(huì)有變化，但是列車一旦開始占用這段軌道電路，車載信號(hào)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算目標(biāo)距離減去車輪走過的距離，并以此做為在司機(jī)顯控終端上顯示的數(shù)值。因此，列車上顯示的目標(biāo)距離就是列車頭部距離目標(biāo)速度位置的實(shí)際長度。當(dāng)目標(biāo)距離顯示為最大值時(shí)，其數(shù)值不會(huì)隨列車的前進(jìn)而變化，直到目標(biāo)速度小于線路速度，車載信號(hào)系統(tǒng)才開始計(jì)算，并將隨時(shí)變化的實(shí)際目標(biāo)距離數(shù)值，顯示在司機(jī)顯控終端上。3、控制線的特殊控制邏輯以上討論的是正常條件下，控制線的基本控制邏輯

13、。除此之外，在一些特定條件下，控制線的控制邏輯有必要做出特殊處理。1如果故障條件下，某個(gè)或某些區(qū)段的運(yùn)行方向沒有鎖閉，則軌旁系統(tǒng)向區(qū)段發(fā)送的線路速度、目標(biāo)速度和目標(biāo)距離的數(shù)值都為0，下一載頻為當(dāng)前區(qū)段頻率。2對(duì)于一些特定條件，如果前方區(qū)段的線路速度大于后方區(qū)段的線路速度，但是列車尾部還沒出清限速區(qū)段(例如：道岔區(qū)段和站臺(tái)區(qū)段)時(shí)，從安全角度出發(fā)，必須考慮列車尾部防護(hù)，如圖2所示：目標(biāo)速度和目標(biāo)距離考慮方式與前述一致，但軌旁子系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前區(qū)段的線路速度，也就是運(yùn)行中的列車正在接收的線路速度，必須為列車后方限速區(qū)段的線路速度，直至列車尾部完全出清限速區(qū)域?yàn)橹?。從而?shí)現(xiàn)列車尾部的超速防護(hù)。4、控制線的設(shè)計(jì)流程控制線文件的編制是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中的重要環(huán)節(jié)，可以劃分為以下步驟：線路基本參數(shù)的最終確立；閉塞設(shè)計(jì)；控制線設(shè)計(jì)；控制線文件的數(shù)據(jù)庫軟件生成與固化；現(xiàn)場測(cè)試與校核；系統(tǒng)最終交付。津?yàn)I輕軌信號(hào)工程中采用AF904數(shù)字編碼軌道電路系統(tǒng)軟件，采用系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序2級(jí)分層結(jié)構(gòu)?？刂凭€數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)在用戶應(yīng)用程序中，并提供了基于Microsoft Word軟件編程的人機(jī)接口程序，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，方便進(jìn)行修改，并固化下載到控制計(jì)算機(jī)CPU板中。基于控制線原理的移動(dòng)閉塞技術(shù)是城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的方向和