基于轨道电路的ATC系统概述

基于轨道电路的ATC系统概述
姓名：王晓玲学号：10050104
摘要：城市轨道交通信号设备是城市轨道的主要技术，它担负着指挥列车运行、保证行车安全、提高运输效率的重要任务，城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统（ATC）和车辆段信号控制系统两大部分组成。

为了使更多的人了解轨道交通ATC系统，本文将从轨道交通信号的发展史、城市轨道交通信号在城市轨道交通运输中的作用、基于轨道电路ATC的系统组成及每部分的作用等方面对基于轨道电路的ATC系统进行阐述，并通过对西屋ATC系统的组成及功能介绍加深对基于轨道电路的ATC系统的认识。

1、轨道交通信号的发展史
1.1、世界轨道交通信号发展历程
1863年世界上第一条地下铁道于1月10日在伦敦建成，由蒸汽机车作为
牵引动力。

随着英国工业革命的不断发展和传播，自此各国相继开始了自己的
轨道交通的建设，轨道交通信号随之也有了相应的发展。

轨道交通信号最早起源于英国。

最早的列车指挥是由一位戴绅士礼帽、穿
黑大衣和白裤子的铁路员工骑马在前引导运行的，他边跑边以各种手势发出信
号指挥列车的前进和停止。

随着人们慢慢意识到人工指挥的危险性，人们开始研究使用固定的信号设备：用一块长方形的板子，横向线路是停车信号，顺向线路是行车信号。

实际
上顺向线路很难观察，故又在顶端加块圆板，当必须在夜间行车时，就以红色
灯光表示停车信号，白色灯光表示行车信号。

1841年，英国人戈里高利提出用
长方形臂板作为信号显示，装设在伦敦车站，这就是铁路上首次臂板信号机的
出现。

臂板信号机结构如下图。

随后，色灯信号机的出现代替了臂板信号机，使得信号系统的发展更进了
一步。

色灯信号机以其灯光的颜色、数目和亮灯状态来表示信号，通常有三显
示和四显示信号机，以“红、黄、绿”三色为主要灯光颜色来表示不同的信号，同时辅以蓝色、月白色来完成各种任务命令的下达。

在轨道交通线路中，由于站间距小、运营线路条件差，仅以信号机信号显示、由司机来控制机车难以达到大密度运营，因此，列车自动控制系统（ATC）的应用大大解决了这个问题，尤其在线路条件不好、气候条件不好的情况下，
车载信号的作用是不可估量的。

1.2、我国轨道交通信号发展历程
就我国而言，轨道交通信号的发展大致经历了三个阶段：初期阶段、过渡
阶段和发展阶段。

1.2.1、初期阶段
我国地铁信号系统是随北京地铁的兴建而起步的。

1965年7月1日，我国建成第一条地下铁道——北京地铁一期工程动工兴建，1971年通车。

当时信号项目主要为复线自动闭塞（包括机车信号和自动停车）、调度集中、列车自动驾驶和继电联锁，从而实现列车集中调度、集中监控和列车运行自动化。

自动闭塞采用的是我国自行开发并首次应用的由电子元器件制成的移频轨道电路，采用的是“红、红、黄、绿”的双红灯带保护区段的三显示方式，按照90s行车间隔设计；调度集中系统采用的我国自行开发的直流脉冲制调度集中系统；由于国内各种器件供应困难，加上当时车辆性能不够完全和稳定，列车自动驾驶从1969年10月起在北京地铁一期线路上试运行达4年之久，但未被全面采用和推广。

1.2.2、过渡阶段
早期的自主开发的行车指挥和列车运行自动化系统（ATC）由两部分组成，一部分是行车指挥自动化系统，也就是ATS系统，由控制计算机系统和调度集中子系统组成，继电联锁为其终端执行设备；另一部分是列车运行自动化系统。

此时的ATC系统主要应用于北京地铁二期的环线，设备大多采用国产设备。

同时，北京地铁对环线调度集中进行绿技术改造，研制“微机调度集中系统”，并于1993年开通使用。

该系统的主要功能有：辅助行车调度员调整运行计划；计划运行图和实迹运行图的显示和打印；显示全线线路和设备状况；车次追踪与显示；故障报警与检测；调度操作自动记录；系统自检；在线机故障自动复零启动。

1998年对北京地铁的车载设备进行改造，新型的ATP车载系统于2000年在北京环线投入批量使用。

由于我国地铁建设速度缓慢，使得国产信号设备技术水平较低，不能提供一体化的完整系统，随着经济的发展和城市人口的膨胀，在建设地铁时由于技术和资金的需求不得不向外国引进先进的地铁信号设备。

此次革新，使得中国地铁的整个技术水平上升绿一个台阶，实现了2min的运行间隔，大大提高了地铁列车的运行效率和运输能力。

1 .2.3、发展阶段
从1994年至今，我国轨道交通建设进入了飞速发展时期，伴之而来的是大规模的信号设备的引进。

广州、上海、深圳、重庆和南京等轨道交通项目的信号系统先后采用了德国西门子公司、美国US&S公司、法国阿尔斯通公司和日本信号公司等各具特色的ATC系统，采用这些引进设备后，大大缩短了运行间隔，
提高了安全程度和通过能力。

然而引进的设备也存在很多问题，造价昂贵、返修渠道不畅、制式混杂等也给我国轨道交通带来了不利，因此，我国必须提高自主研发信号设备的技术能力，才能保证轨道交通的正常发展。

2、城市轨道交通信号的作用
城市轨道交通信号能够保证列车运行安全，防止追尾和冲突。

信号作为列车运行过程中能否通行、停车、速度提示以及调车作业等操作进行的依据，没有相关轨道交通信号的收集与反馈，列车的运行将无法正常进行，前车不知道何时该通过，何时该停车，后车也无法知道前车的运行状况，在轨道车辆高速运行的条件下，这将是一件非常危险的事。

城市轨道交通信号能够使列车运行效率提高，在保证安全的前提下，缩短行车间隔。

当车站的客流量很大时，为解决这一问题的最佳办法便是缩短行车间隔，在单位时间内尽可能多的加大发车密度，从而提高列车的运送能力。

此时，轨道交通信号的作用显得尤为重要，行车调度人员通过调度中心相关行车信息的分析，可以清楚的掌握现行条件下线路的输送能力、列车实际运行状况、实际发车密度等，在特殊情况下，就可以做适当的调整以缩短行车间隔，实现快速优化运行方案。

城市轨道交通信号能实现行车指挥和列车运行自动化。

ATC系统将机车信号作为主体信号，传递给列车的信号是具体的速度或距离信息，列车按调度人员设置的时刻表，实现自动运行、自动折返、自动调整停站时分，以及运用程序定位实现列车在车站的停车控制，在没有信号指示时，列车的运行安全完全由调度员、值班员、司机来保证。

列车必须严格的按照信号的指示运行，否则会导致严重的后果，例如：挤岔、正面冲突、追尾、翻车、脱轨等。

3、基于轨道电路ATC系统的组成及工作原理
3.1、轨道电路的组成与基本原理概述
轨道电路是以铁路的两根钢轨作为导体，两端加以机械绝缘（或电器绝缘），接上送电和受电设备构成的电路。

轨道电路由钢轨、轨道绝缘、轨端接
续线、引接线、送电设备及受电设备等主要元件组成。

最简单的轨道电路如下
图所示。

轨道电路一方面用来监督线路的占用情况，一方面则将列车的运行于信号
显示联系起来，即通过轨道电路向列车传递行车信息。

当轨道电路空闲且设备良好时，电流从轨道正极经过钢轨进入轨道继电器，再经另一钢轨回到电源负极，这时因轨道继电器衔铁吸起，接通绿灯回路，信
号机显示绿灯。

当轨道电路在任何一点被列车占用时，由于机车车辆轮对的电阻很低，轨
道电路被短路，轨道继电器衔铁落下，接通红灯回路，信号机显示红灯。

轨道电路就是通过这种衔铁的不断吸起与释放来传递该路段是否空闲的信息，为开放信号、建立进路或构成闭塞提供依据，同时通过轨道电路传送的行
车信息，为ATC系统提供列车运行所需的前车列车位置、运行前方信号机状态
和线路条件等有关信息，以决定列车运行的目标速度，从而实现对列车运行的
控制。

3.2、列车自动控制系统（ATC）的组成与功能
城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统（Automatic Train Control，简称ATC）组成，ATC系统包括三个子系统：列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，简称ATS）、列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，简称ATP）、列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简称ATO）。

三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运
行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

ATP、ATO、ATS 3 个子系统与地面相应配套系统结合，构成列车上的 ATC 环路控制系统。

系统控制如下图。

3.2.1、列车自动监控系统（ATS）
ATS系统由控制中心、车站、车场以及车载设备组成。

ATS系统在ATP系统的支持下完成对列车运行的自动监控，实现以下基本功能：
（1）通过ATS车站设备，能够采集轨旁及车载ATP提供的轨道占用状态、进路状态、列车运行状态以及信号设备故障等控制和监督列车运行的基础信息。

（2）根据联锁表、计划运行图及列车位置，自动生成输出进路控制命令，传送至车站联锁设备，设置列车进路、控制列车停站时分。

（3）列车识别跟踪、传递和显示功能。

系统能自动完成正线区段内列车识别号（服务号、目的地号、车体号）跟踪，列车识别号可由中央ATS自动生成
或调度员人工设定、修改，也可由列车经车—地通信向ATS发送识别号等信息。

（4）列车计划与实迹运行图的比较和计算机辅助调度功能。

能根据列车运行实际的偏离情况，自动生成调整计划供调度员参考或自动调整列车停站时分，控制发车时间。

（5）ATS中央故障情况下的降级处理，由调度员人工介入设置进路，对列
车运行进行调整，由ATS车站完成自动进路或根据列车识别号进行自动信号控制，由车站人工进行进路控制。

（6）在计算机辅助下完成对列车基本运行图的编制及管理，并具有较强的人工介入能力。

通过设在车辆段的终端，向车辆段管理及行车人员提供必要的
信息，以便编制车辆运用计划和行车计划。

（7）列车运行显示屏及调度台显示器，能对轨道区段、道岔、信号机和在线运行列车等进行监视，能在行调工作站上给出设备故障报警及故障源提示。

（8）能在中央专用设备上提供模拟和演示功能，用于培训及参观。

能自动进行运行报表统计，并根据要求进行显示打印。

（9）能在车站控制模式下与计算机联锁设备结合，将部分或所有信号机置于自动模式状态。

（10）向通信无线、广播、旅客向导系统提供必要的信息。

3.2.2、列车自动防护子系统（ATP）
ATP系统由地面设备、车载设备组成，监督列车在安全速度下运行，确保
列车一旦超过规定速度，立即施行制动，主要实现以下功能：
（1）自动连续地对列车位置进行检测，并向列车发送必要的速度、距离、线路条件等信息，以确定列车运行的最大安全速度。

提供列车速度保护，在列
车超速时提供常用制动或紧急制动，保证前行与后续列车之间的安全间隔，满
足正向行车时的设计行车间隔和折返间隔。

对反向运行列车能进行ATP防护。

（2）确保列车进路正确及列车的运行安全。

确保同一径路上的不同列车之间具有足够的安全距离，以及等防止列车侧面冲撞。

（3）防止列车超速运行，保证列车速度不超过线路、道岔、车辆等规定的允许速度。

（4）为列车车门的开启提供安全、可靠的信息。

（5）根据联锁设备提供的进路上轨道区间运行方向，确定相应轨道电路发码方向。

（6）任何车—地通信中断以及列车的非预期移动（含退行）、任何列车完整性电路的中断、列车超速（含临时限速）、车载设备故障等均将产生安全性
制动。

（7）实现与ATS的接口和有关的交换信息。

（8）系统的自诊断、故障报警、记录。

（9）列车的实际速度、推荐速度、目标速度、目标距离等信息的记录和显示。

具有人工或自动轮径磨耗补偿功能。

3.2.3、列车自动驾驶子系统（ATO）
ATO子系统是控制列车自动运行的设备，由车载设备和地面设备组成，在ATP系统的保护下，根据ATS的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。

（1）自动完成对列车的启动、牵引、巡航、惰行和制动的控制，以较高的速度进行追踪运行和折返作业，确保达到设计间隔及旅行速度。

（2）在ATS监控范围的入口及各站停车区域（含折返线、停车线）进行车—地通信，将列车有关信息传送至ATS系统，以便于ATS系统对在线列车进行
监控。

（3）控制列车按照运行图进行运行，达到节能及自动调整列车运行的目的。

（4）ATO自动驾驶时实现车站站台定点停车控制、舒适度控制及节省能源
控制。

（5）能根据停车站台的位置及停车精度，自动地对车门进行控制。

（6）与ATS和ATP结合，实现列车自动驾驶、有人或无人驾驶。

3.3、基于轨道电路的ATC系统工作原理
根据轨道电路的两大功能可知，在基于轨道电路的ATC系统中，轨道电路主要负责对轨道区间进行监控，将列车在区间运行相关参数及时的传递出去，
从而实现对列车运行的指挥。

通常，采用轨道电路的ATC系统都属于连续式ATC系统，该系统包括速度
码系统和距离码系统两种。

不论是距离码系统还是速度码系统，其轨道电路都
被用作双重通道：当轨道电路区段上无车时，轨道电路发送的是轨道电路检测
信号或检测码；当轨道电路有列车驶入时，立即转发速度信号或者有关数据电码。

速度码系统通常使用频分制法，采用的是移频轨道。

即用不同的频率代表
不同的允许速度，由控制中心通过信息传输媒体将列车最大允许速度直接传至
车上。

这类制式在信息传递与信息处理方面比较简单，速度分级是阶梯式的。

距离码系统由于信息电码的多样性和复杂性，所以必须使用时分制数字电
码方式，按协议来组成各种信息。

距离码系统采用编码音频轨道电路，是目前
使用最广泛的ATC，我国大多数城市轨道交通的ATC就是采用这种系统。

由于
该系统传输数据、实时计算以及列车车速控制都是连续的，所以可实现实时、
无极的速度监控，从而达到驾驶平稳与节能的效果。

下面着重介绍一下该系统
的是如何实现对列车监控的。

用数字编码轨道电路实现列车速度监控的系统
R——接收； T——发送； BPc——比特一致校核；
A——轨道电路发码； B——ATP信息发码；s——转换继电器如上图所示，表示数字编码轨道电路实现连续式列车速度控制的系统概况。

当列车进入该轨道区段时，转换继电器落下，一方面向联锁装置给出有车占用
表示，另一方面由转换继电器接点接通列车速度控制系统的发码装置，通过轨
道电路的发送电路将有关列车控制的地面信息送上轨面，这些信息将由位于列
车最前部的车载天线接收。

当列车驶离该轨道区段时，转换继电器吸起，导致
轨道电路发送轨道检测码，使继电器吸起。

4、西屋信号有限公司的基于轨道电路的ATC系统
基于轨道电路的ATC系统，在城市轨道交通中得到大量使用，下面将简单介绍西屋信号有限公司的ATC系统。

西屋信号有限公司(WestinghOUSe Signals Ltd，简称WSL)的ATC，充分利用WSL多模式列车自动防护系统TBSl00的灵活性。

系统具有很强的可维护性，一旦发生故障，修复时间可以尽量缩短。

该公司的ATC主要由TBSl00ATP和AT0系统、FS一2500无绝缘轨道电路、基于WE—STRACE处理器的联锁，以及WESTCAD监控系统组成。

所提供的设备主要为模块式，便于扩大功能或延伸系统。

ATP系统可先按目标距离模式来设计，在此模式下，每列列车被告知它可以安全行驶的目标距离，据此列车确定到达点的安全速度。

在有需要时，TBS100可以升级为移动闭塞。

ATP子系统由现场设备、车载设备及车站联锁设备组成。

地面ATP设备用于向车载设备传送相关的安全信息，轨道电路提供前方线路的状态信息，绝对位置参考应答器为列车提供精确的位置信息；车载ATP设备用于接收轨道电路传送的速度码（最大安全速度MSS/目标速度Ts），当列车速度超过目标速度时向司机报警，提醒减速，如未减速或操作不当，列车超过最大安全速度时，实施紧急制动，实现列车超速防护功能；车站联锁设备主要用于进路的建立与控制信号机的开放。

ATO系统采用与ATP系统同样的基本功能模块，和ATP一样，ATO也储存了轨道布局和坡度信息，能够优化列车控制命令。

ATO子系统包括地面和车载设备两部分。

地面设备给车载ATO提供位置参考，并与车载设备交换信息；车载设备包括ATO控制器和控制附件，这些附件用于速度测量、定位和司机接口；ATO控制器用于控制列车的牵引控制和制动控制，以及保证列车进站停车的准确度。

ATS系统包括控制中心子系统、车站控制子系统、车辆段程序单元和通信网络4部分。

系统经特别设计，可用性强，万一出现故障，恢复能力也很强。

实用性体现在分布式车站控制子系统均采用双处理器结构，控制中心对全线进行监控，也是双处理器结构。

ATS中心由两套互为主、备(热备)的HPA900小型计算机控制，平时中心由主计算机进行控制，备机可进行运行时刻表编制，一旦主计算机故障，可自动转至备用机工作，如转换时备机正在编制时刻表，在转换后并不中断时刻表的编制；车站控制子系统分为两个层级：联锁车站(即有道岔的车站)配备LPU，为所负责的路段提供全面监测和控制，非联锁车站配备一个接口(RTU)，接通信号系统和AT0设备；车辆段程序单元专为车辆段提供ATS车站设备；通信网络用于实现各接口间的通信。

在西屋ATC中，ATP/ATO试车线上安装有一台联锁装置，用来发出轨道电码，并与车辆段控制设备相连。

在试车线上可以模拟各种正常和非正常的情况，并且可以对车载设备进行测试，看其对速度码的灵敏度。

在车辆段存车库线内设有ATP日检测环路，以及在两条维修线上设置了ATP维修环路，在每日列车离开库存车线钱前，通过地面检测环路，检测列车的ATP设备是否正常工作；维修环路主要用于列车大修后，车载ATP系统安装后的试验。

5、结论
本文主要介绍了城市轨道信号的发展史及基于轨道电路的ATC系统的组成、工作原理及ATC系统的重要功能。

随着城市轨道交通的迅速发展，国内的轨道
建设项目越来越多，轨道交通的安全运营越来越重要。

基于轨道电路的列车自
动控制（ATC）系统是城市轨道交通信号系统最重要的组成部分，它实现行车指挥和列车运行自动化，能最大限度地保证列车运行安全，提高运输效率，减轻
运营人员的劳动强度，发挥城市轨道交通的通过能力。

因此，在ATC系统如此
重要的情况下，必须不断提高ATC系统的可靠性与安全性，同时要不断研究新
的技术，以优化现有的ATC系统，使城市轨道交通带来更大的福利。

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