高速铁路信号与控制系统

高速铁路信号与控制系统
高速铁路的信号与控制系统，是高速列车安全、高密度运行的基本保证。

因此，世界各国发展高速铁路，都十分重视行车安全及其相关支持系统的研究和开发。

高速铁路的信号与控制系统是集微机控制与数据传输于一体的综合控制与管理系统，是当代铁路适应高速运营、控制与管理而采用的最新综合性高技术，一般通称为先进列车控制系统(Advanced Train Control Systems)。

如北美的先进列车控制系统(ATCS)和先进铁路电子系统(ARES)，欧洲列车控制系统(ETCS)，法国的实时追踪自动化系统(ASTREE)，日本的计算机和无线列车控制系统(CARAT)，等等。

先进列车控制系统是铁路在技术上的一次突破，它将使铁路和整个国民经济取得巨大的经济效益。

从80年代初开始研究的先进列车控制系统,现仍处于研究、试验与完善之中。

近年来，许多国家为先进列车控制系统研制了多种基础技术设备，如列车自动防护系统、卫星定位系统、车载智能控制系统、列车调度决策支持系统、分散式微机联锁安全系统、列车微机自动监测与诊断系统等。

世界上许多国家如美国、加拿大、日本和西欧各国都将在20世纪末到21世纪初，逐步推广应用这些新技术。

目前一些国家已经开始分层次的实施。

ARES系统是为了提高铁路运输的安全和效率而研制的两种基本控制系统之一。

它采用全球定位卫星接收器和车载计算机，通过无线通信与地面控制中心连接起来，实现对列车的智能控制。

中心计算机根据线路状态信息和机车计算机报告的本身位置和其他列车状态信息等，随时计算出应采取的措施，使列车有秩序地行驶，并能控制列车实现最佳的制动效果。

全球定位卫星系统定位精确，误差不超过1m。

ARES并利用全球定位卫星来绘制实时地图，使司机能在驾驶室的监视器上清楚地了解列车前方的具体情况，从而解决了夜间和雨雾天气时的观察困难。

ATCS，即先进列车控制系统则采用设在地面上的查询应答器(Transponder)，而不用全球定位卫星。

应当指出，ARES和ATCS的功能不限于列车自动驾驶，它们的潜力还很大。

计算机还可以在30S以内，计算出一条铁路线的最佳运行实时计划，以便随时调整列车运行，达到安全效率和节能的最佳综合指标。

除美国研制的ATCS与ARES系统外，其他发展高速铁路的各国也都十分重视行车安全与控制系统的开发研究。

作为世界高速铁路发展较快的“三强”国家，即日本、法国和德国，在地面信号设备中，区间设备都采用了符合本国国情的可靠性高、信息量大、抗干扰能力强的微电子化或微机化的不同形式的自动闭塞制式;车站联锁正向微机集中控制方向发展;为了实现高速铁路道岔转换的安全，转辙装置也向大功率多牵引点方向发展，同时开发研究了道岔装置的安全监测系统。

在车上，世界各国的高速铁路都积极安装了列车超速防护和列车自动控制系统。

首先，日本在东海道新干线采用了ATC系统，法国TGV高速线采用了TVW300
和TVM430系统，德国在ICE高速线上采用了LZB系统。

这些系统的共同点是新系统完全改变了传统的信号控制方式，可以连续、实时监督高速列车的运行速度，自动控制列车的制动系统，实现列车超速防护;另外，通过集中运行控制，系统还可以实现列车群体的速度自动调整，使列车均保持在最优运行状态，在确保列车安全的条件下，最大限度的提高运输效率，进而系统还可以发展为以设备控制全面代替人工操作，实现列车控制全盘自动化。

这些系统的不同点主要体现在控制方式、制动模式及信息传输的结构方面。

德国的LZB连续式列车运行控制系统，其运营速度可达270km/h。

它是目前世界上唯一采用以轨道电缆为连续式信息传输媒体的列车控制系统，可实现地面与移动列车之间的双向信息传输，同时还可利用轨道电缆交叉环实现列车定位功能，控制方式是以人工控制为主。

LZB系统首先将连续式速度模式曲线应用于高速列车的制动控制，打破了过去分段速度控制的传统模式，可以进一步缩短列车运行的时隔时分，因此能更好地发挥硬件设备在提高线路运输效率方面的潜在能力。

法国的TVM300系统是早期产品，TVM430型是在它的基础上进行数字化改造后的列车控制系统，在TGV北方线上采用，列车运行速度可达320km/h。

TVM430系统的地面信息传输设备采用UM71型无绝缘数字式轨道电路，由地面向移动列车之间实现地对车信息的单向传输。

信号编码总长度为27个信息位，其中有效信息为21位。

列车的定位功能也是由轨道电路完成的。

TVM430型系统制动模式采用的是分段连续式速度监督曲线，控制方式以人工控制为主。

只有当司机没有按要求操作时，控制设备才自动完成其应执行的任务。

日本是世界上最早实现高速铁路运营的国家，目前列车时速可达270km/h。

当列车时速一步提高到300km/H以上时，由于模拟式轨道电路由地面向列车的传输的信息量不够，而增设了地面与机车之间的应答器设备做为辅助信息传输装置。

日本ATC系统的安全信息传输媒介采用有绝缘模拟式轨道电路，因此地面与移动列车之间为单向信息传输，信息量较少。

近年来，日本对原有ATC系统进行了数字化改造，使地面向移动列车传输的信息量增加到40,60位bit(比特)数据。

因此使新的日本高速铁路列车运行控制系统能够适应更高的列车运行时速的要求。

日本新干线的信号与控制系统到现在已运营35年，法国TGV东南线运营了10多年，都保持了良好的安全运行纪录，从未发生过一件有关人员伤亡的行车重大事故，在世界高速铁路的发展中展现出一幅美好的前景。

目前，世界高速铁路列车自动控制系统的控制方式主要分为两类。

一类是以设备为主、人控为辅的控制方式。

这种方式以日本为代表。

另一类是人机共用、人控为主的方式，以法国为代表。

法国北部线的列车速度和运行密度更高，需要更先进的列车控制技术。

高速铁路的信号与控制设备，是以电子器件或微电子器件为主的集中管理、分散控制为主的所谓集散式控制方式，分为行车指挥自动化与列车运行自动化两大部分。

信号显示应以机车自动信号为主，车站与区间的地面信号为辅。

由于列车行车速度高，列车密度大，因此区间行车采用四显示——红、黄、黄绿、绿。

从20世纪60年代起，电子设备开始引入铁路信号及控制系统。

例如，大站与小站电子集中及移频自动闭塞等制式，由于这类系统动作速度加快，可靠性提高，为发展高速铁路的信号与控制设备奠定了技术基础。

70年代初期第一代微处理机的问世，使信息与控制技术飞速发展。

高速铁路信号与控制系统的发展也属于其中之一。

在微机控制系统中，容错技术得到了发展。

所谓容错控制(Fault-Tolerance Control)，是指通过设计方法，保证控制系统的基本功能不受元部件故障的影响，即在有故障的情况下，系统仍能维持原定功能或系统性能仍可保持在可接受的范围内。

其次是信息技术沿着信息化、自动化、最优化与智能化等四个层次的发展。

信息化是把客观的物理概念进行数字化，便于计算机处理，这是最初层次;自动化是按某一固定规则进行必须的重复处理，达到预期的目的;最优化是按某种预定指标，在一定约束条件下求得最优解;智能化是信息处理的最高层次，包括理解、推理、分析、判断等步骤。

智能化的标志是知识的表达与应用。

由于新技术及微型计算机的发展及应用，高速铁路信号与控制系统的主要特点是:
(一)管理集中、控制分散的微机综合列车自动控制系统。

(二)具有较高的容错能力及安全性，即使调度中心计算机发生故障，各站微机也能按计划很好地完成各项控制功能。

(三)具有较大的信息处理能力及系统运用上的灵活性，可以构成包括行车指挥、运行控制和运营管理在内的综合控制系统。

(四)人,机关系合理，构成系统的主要设备及计算机的软、硬件都已模块化，功能综合，设备一体化。

综合以上特点用英文缩写的高速铁路列车控制系统为C4I系统(即由微机、控制、指挥、通信与信息五个英文字的第一字母组成)。

这种控制系统不仅使控制范围扩大了，速度加快了，而且还使系统的可靠性与安全性提高了。

例如安全型继电器的可靠性指标为10-7~10-10，而STD总线制的微机控制系统，其可靠性指标可达10-12。

可靠性指标的提高，促使世界各国大力发展和应用新一代的列车自动控制系统。