軌道交通信號系統(tǒng)的創(chuàng)新研究與實踐

FundamentalsofRailwaySignaling軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心袁磊Office:機械樓-東1003E_mail:LYUAN@參考書:

高繼祥，《鐵路信號運營基礎》，鐵道出版社,

1998趙志熙，《車站信號控制系統(tǒng)》，鐵道出版社，1993何文卿，《6502電氣集中電路》，鐵道出版社，1997

郭進，《鐵路信號基礎》，鐵道出版社，2010教材:

課程介紹基礎設備、器材信號機道岔（轉轍機）軌道電路鐵路信號的作用保證行車安全提高運輸效率改善勞動條件提升運營管理水平鐵路信號組成信號系統(tǒng)組成聯(lián)鎖區(qū)間閉塞列車運行控制行車調(diào)度指揮系統(tǒng)……鐵路信號組成鐵路信號的作用眼睛中樞神經(jīng)手楊莊事故事故原因：值乘司機和副司機睡覺，列車冒進信號，與正在進站通過的87次旅客列車側面相撞。

促使鐵路推廣使用機車三大件：機車信號、自動停車、無線列調(diào)。

1978年12月16日凌晨位于鄭州鐵路局屬下的楊莊火車站發(fā)生一起特大鐵路事故。南京開往西寧的87次在隴海線楊莊車站與西安開往徐州的368次攔腰相撞，造成旅客死亡106人，重傷47人，輕傷171人。

安全事故案例分析At9:19amonApril25in2005,anEMUfromtheFukuchiyamaLineof

JRWestderailednearOsakakilling106passengersandinjuring562.Atapreviousstation,thetrainoverranby70meterscausingaoneminutedelay.Thedriverwasexplainingtotheconductoratthetimewhenthetrainenteredthe304-meter-radiuscurveat116km/h,againsta70km/hspeedlimit.Thefirstcartiltedtotheleft,causingderailment.安全事故案例分析92006年9月22日德國高速磁懸浮撞車事故

2006年9月22日德國高速磁浮試驗線，一列磁浮列車與一輛維修車相撞，事故中死亡人數(shù)為23人。事故原因：信號系統(tǒng)不完善！違反操作規(guī)程，未安裝運行控制車在設備的列車駛入有磁浮車的線路。

安全事故案例分析10“4.28”列車特別重大事故

2008年4月28日4時38分，濟南鐵路局管內(nèi)膠濟下行線王村至周村東間290公里800米處發(fā)生特別重大事故，造成導致72人死亡，416人受傷。安全事故案例分析11“4.28”事故發(fā)生在膠濟線周村至王村區(qū)間呈“S”形臨時施工便線，其限速為每小時80公里。事故發(fā)生時，北京至青島的T195次列車下行通過時達到每小時131公里，超速60%，最終釀成慘劇。反思：目前廣泛使用的監(jiān)控裝置存在安全隱患！安全事故案例分析“4.28”列車特別重大事故美國聯(lián)邦運輸安全委員會稱，錯過紅燈信號的客運列車司機桑切斯的確在事故發(fā)生當天收發(fā)手機短信。2008年美國總統(tǒng)簽署“鐵路安全改善法案”，要求2015年前所有貨車及客車均安裝PTC系統(tǒng)。12

美國南加州一列載有225人的通勤列車，當?shù)貢r間12日下午在洛杉磯市中心西北約50公里的查茨沃思附近，與一列貨運列車發(fā)生對撞，造成25人死亡，130多人受傷的重大事故。安全事故案例分析2008年9月美國鐵路事故13

2009年6月22日下午，美國華盛頓哥倫比亞特區(qū)發(fā)生地鐵相撞事故，造成至少9人死亡75人受傷。

調(diào)查人員透露，地鐵相撞時，列車正處于自動駕駛模式。但是，兩列地鐵接近時，地面信號卻沒有正常發(fā)揮作用。安全事故案例分析2009年6月22日美國華盛頓地鐵事故

2011年7月23日20:30:05從永嘉站開往溫州南站的D301次列車在溫州南站下行3接近K583+831處（此處是甌江大橋），與前行的D3115次列車發(fā)生追尾，釀成特別重大鐵路交通事故?！?.23”甬溫特別重大鐵路交通事故事故造成40人死亡，192人受傷，中斷行車32小時35分，直接經(jīng)濟損失19371.65萬元。經(jīng)調(diào)查認定，“7·23”甬溫線特別重大鐵路交通事故是一起因列控中心設備存在嚴重設計缺陷、上道使用審查把關不嚴、雷擊導致設備故障后應急處置不力等因素造成的責任事故。給予鐵道部、通信信號集團公司、通信信號研究設計院、上海鐵路局等單位54名責任人員黨紀政紀處分，其中：鐵道部：15人通號公司：12人上海局：27人調(diào)查報告認定三大“人禍”導致事故值得深思的問題（1）到底問題在哪里？（2）高速鐵路運行控制為什么“難”？

“7.23”事故是全世界第一例由于列控技術原因，釀成的高速鐵路重大事故。

警示和思考安全理念、方法落后。安全管理缺失保障全生命周期的安全2011年9月27日14時30分左右，上海地鐵十號線由于新天地站信號故障，上海地鐵10號線采用人工調(diào)度，出現(xiàn)錯誤導致豫園路站兩輛列車相撞?！?.27”

上海地鐵列車追尾事故警示：先進的列控系統(tǒng)運行下，作為人工控制的后備系統(tǒng)依然要保障安全。

信號系統(tǒng)功能:保證行車安全，提高運輸效率。20RAMS

Reliability

Availability

Maintainability

Safety“故障導向安全”原則安全臂板信號機22運營需求引導軌道交通速度不斷提高運行密度不斷提高促使信號技術不斷發(fā)展，以滿足需求保證安全。效率23信號基本理念“故障導向安全”、安全苛求系統(tǒng)信號系統(tǒng)基本原理系統(tǒng)構成、關鍵裝備、原理、技術手段和方法等研究與實踐參觀實驗室、開放性實驗主要內(nèi)容24基礎設備

繼電器

信號機

轉轍機

軌道電路信號系統(tǒng)

聯(lián)鎖系統(tǒng)

閉塞系統(tǒng)

編組站自動化

微機監(jiān)測列控系統(tǒng)

機車信號

列車運行監(jiān)控記錄裝置LKJ

CTCS列控系統(tǒng)列車調(diào)度指揮系統(tǒng)

調(diào)度集中其它

防雷和接地裝置信號系統(tǒng)原理第一章概述鐵路信號的作用鐵路信號系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展鐵路信號的組成與鐵路信號技術密切相關的信息技術鐵路信號的發(fā)展趨勢與特征1.1鐵路信號的作用

軌道交通的特點：

以機車、車輛為移動設備

線路（軌道、橋梁、隧道等）為固定設備運行特點：速度快、質(zhì)量重、制動距離長、不能自行導向軌道交通的基本任務

鐵路運輸?shù)幕救蝿帐沁\送旅客，運輸貨物，同時保障鐵路運輸安全。因此，運輸?shù)陌踩沁\輸業(yè)中永恒的主題。鐵路信號的作用主要包括：統(tǒng)一調(diào)度指揮列車運行、保證列車安全、提高運輸效率、改善勞動強度。

鐵路信號的任務包括：按照運輸計劃與運輸方案指揮行車，進行進路控制，速度控制，實現(xiàn)列車安全運行，提高列車運行速度和密度；提供車列編組與解體的自動化手段，提高列車編組、解體作業(yè)效率，縮短車輛周轉時間。在鐵路信號技術接近200年的發(fā)展歷史中：信號系統(tǒng)是計算機、現(xiàn)代通信和控制技術在鐵路運輸生產(chǎn)過程中的具體應用，是鐵路信息技術的標志；信號系統(tǒng)是保證行車安全、提高運輸效率、改善勞動條件和運營管理水平的重要設備；鐵路信號的發(fā)展水平已成為鐵路現(xiàn)代化的重要標志之一。1.2鐵路信號系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展鐵路信號發(fā)展歷程1825年，英國人持信號旗騎馬前行,引導列車前進；1832年，美國球形固定信號裝置；1841年，英國鐵路出現(xiàn)了臂板信號機；1851年，英國鐵路用電報機實行閉塞；1856年，J.薩克斯貝發(fā)明機械聯(lián)鎖機；1872年，美國人W.魯賓遜發(fā)明了閉路式軌道電路；1923年，美國鐵路研制了車內(nèi)信號；1927年，美國鐵路采用了調(diào)度集中控制裝置。中國的鐵路信號1876年，中國第一條鐵路，英國資本集團采取欺騙手段擅筑的吳淞鐵路，1877被清政府贖回拆除了;清政府洋務派于1881年開始修建唐山至胥各莊鐵路，全長9.7公里。1894年中日甲午戰(zhàn)爭前夕，僅修建約400多公里鐵路；中國鐵路1907年裝設臂板信號機，1924年使用色燈信號機，1949年后鐵路信號有了較快的發(fā)展；繼電聯(lián)鎖有組合式、組匣式及插接組合式繼電聯(lián)鎖,按型號有6026型、6031型、6032型、6512型、6501型及6502型等；20世紀80年代開發(fā)第一臺計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)；90年代推廣計算機聯(lián)鎖系統(tǒng);

2006年國有鐵路營業(yè)線路總延展里程135360.9公里，自動閉塞25630.3公里，半自動閉塞39144.8公里。計算機聯(lián)鎖車站1299個。列車控制技術的發(fā)展閉塞技術的發(fā)展1851年英國鐵路用電報機實行閉塞制度，區(qū)間信號技術經(jīng)歷了電話、電氣路簽、電氣路牌閉塞，到后來的半自動閉塞、自動閉塞的發(fā)展歷程，并正向移動閉塞技術發(fā)展。聯(lián)鎖技術的發(fā)展1856年，J.薩克斯貝發(fā)明機械聯(lián)鎖機開始，聯(lián)鎖技術經(jīng)歷了機械技術、機電技術、繼電技術時代，當前計算機聯(lián)鎖正逐漸取代繼電聯(lián)鎖。編組站調(diào)車控制系統(tǒng)的發(fā)展1825年~1876年，平面調(diào)車階段；1876年~1924年，簡易駝峰階段；1924年~1948年，機械化駝峰階段；1948年~至今，半自動和自動化駝峰階段。調(diào)度指揮系統(tǒng)的發(fā)展從傳統(tǒng)調(diào)度集中→分布式調(diào)度集中→綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)的發(fā)展階段。現(xiàn)在調(diào)度指揮系統(tǒng)已集成了計算機、通信、自動控制等先進信息技術，成為鐵路現(xiàn)代化運輸組織和運營管理的核心系統(tǒng)。20世紀90年代中期，鐵道部提出了建設集信號、計算機、網(wǎng)絡、通信技術為一體的鐵路運輸調(diào)度指揮管理系統(tǒng)TDCS(DMIS)，系統(tǒng)構成為部、局、車站三級網(wǎng)絡結構，使各級調(diào)度人員能夠準確地制定運輸調(diào)度計劃，科學有序地指揮列車群的安全運行。2003年11月26日，青藏鐵路公司在西哈段（西寧至哈爾蓋）建成了世界先進的分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC），對提高我國鐵路調(diào)度指揮效率，提高鐵路管理現(xiàn)代化水平具有積極的作用。鐵路信號系統(tǒng)發(fā)展歷程1.3鐵路信號的組成

鐵路信號是保證行車安全，提高區(qū)間和車站通過能力以及編組站編解能力的自動控制及遠程控制技術的總稱。

鐵路信號主要功能是保證行車安全，提高運輸效率。鐵路信號實現(xiàn)鐵路各種行車信息的傳輸和行車設備的控制。鐵路信號包括信號系統(tǒng)和信號設備、器材兩個層次。

閉塞系統(tǒng)信號系統(tǒng)信號系統(tǒng)包括車站聯(lián)鎖、區(qū)間閉塞、列車運行控制、行車調(diào)度指揮控制、駝峰調(diào)車控制、道口信號、信號微機監(jiān)測等系統(tǒng)。車站聯(lián)鎖車站聯(lián)鎖用來控制和監(jiān)督車站道岔、進路和信號，并實現(xiàn)它們之間的聯(lián)鎖關系，操縱道岔和信號機。目前聯(lián)鎖系統(tǒng)主要有繼電集中聯(lián)鎖和計算機聯(lián)鎖。

區(qū)間閉塞為保證區(qū)間行車安全，要求按照一定的方法組織列車在區(qū)間的運行，稱為行車閉塞法，簡稱閉塞。區(qū)間閉塞是保證區(qū)間行車安全、提高運輸效率的系統(tǒng)。按閉塞方式的不同，閉塞設備主要有半自動閉塞、自動站間閉塞和自動閉塞。

列車運行控制機車信號、列車運行監(jiān)控記錄裝置和列車運行超速防護系統(tǒng)都屬于列車運行控制系統(tǒng)。列車運行控制系統(tǒng)自動控制列車運行，保證行車安全，并以最佳運行速度駕駛列車。機車信號能夠自動復示列車運行前方地面信號顯示，為機車提供運行速度信息。

列車運行超速防護系統(tǒng)，采用目標距離模式監(jiān)控列車安全運行。行車調(diào)度指揮控制行車調(diào)度指揮控制系統(tǒng)包括列車調(diào)度指揮系統(tǒng)和調(diào)度集中。列車調(diào)度指揮系統(tǒng)（TDCS）為調(diào)度人員提供先進的調(diào)度指揮和處理手段，及時提供豐富、可靠的信息和決策依據(jù)，提高其應變能力，提高行車指揮的技術水平。調(diào)度集中（CTC）除了TDCS的功能外，主要完成遙控功能，即自動或由行車調(diào)度員在調(diào)度所遠距離地集中控制本區(qū)段內(nèi)各站的信號機和道岔，辦理接、發(fā)車進路。駝峰調(diào)車控制編組站（以及區(qū)段站）裝備現(xiàn)代化信號設備，是提高解編能力的最有效手段，實現(xiàn)駝峰調(diào)車自動化，主要包括駝峰推峰機車速度自動控制、溜放車輛進路自動控制、溜放車輛速度自動控制。道口信號道口信號是指示道路上的車輛、行人通過或禁止通過道口的視覺和聽覺信號。道口信號是保證道口安全的重要設備。在無人看守道口，它向道路方向顯示能否通過道口。在有人看守的道口，它自動通知看守人員列車的接近。信號微機檢測

信號微機檢測是運用計算機等技術檢測并記錄信號設備的主要運行狀態(tài)，為電務部分掌握設備的運用質(zhì)量和故障分析提供科學依據(jù)。信號微機檢測系統(tǒng)是保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監(jiān)測鐵路信號設備運用質(zhì)量的重要行車設備。信號設備、器材信號設備、器材包括繼電器、控制臺、電源屏、信號機、軌道電路、轉轍機等。各種信號系統(tǒng)、設備的關系鐵路信號的組成和相互關系1.4與鐵路信號技術密切相關的信息技術鐵路信號技術的發(fā)展，從一開始就與相關的科技發(fā)展密切聯(lián)系，如機械信號系統(tǒng)是建立在物理學與機械學基礎之上的。進入電氣信號發(fā)展階段，則進一步利用了電機、繼電和通信等新的技術成果。

如今的電子信號系統(tǒng)，則又涉及到諸多新的信息學科技術，包括現(xiàn)代通信技術，計算機控制，安全性與可靠性技術，數(shù)字信號處理技術等?，F(xiàn)代通信技術

通信網(wǎng)為鐵路信號系統(tǒng)高效交換信息提供了有力支持。近年來廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)被廣泛應用于鐵路信號系統(tǒng)中，如：調(diào)度指揮系統(tǒng)、區(qū)域聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號監(jiān)測系統(tǒng)等方面?，F(xiàn)代通信技術已成為現(xiàn)代鐵路信號系統(tǒng)網(wǎng)絡化發(fā)展的基礎。無線通信技術的發(fā)展，鐵路信號系統(tǒng)中利用數(shù)據(jù)無線通信技術，解決列車控制問題已成為發(fā)展趨勢，如：北美的ATCS、ARES、法國的ASTREE、德國的FZB、日本的CARAT系統(tǒng)、及我國的CTCS-3等。計算機技術

計算機技術在鐵路信號的各領域廣泛應用，促進了鐵路信號技術的大發(fā)展，具有很多優(yōu)勢。安全性與可靠性技術保證鐵路運輸?shù)陌踩?，要求鐵路信號系統(tǒng)具有高可靠性和高安全性。安全評估理論的建立與推廣為定量評估鐵路信號系統(tǒng)的可靠性和安全性提供了重要手段。在故障—安全理論的發(fā)展上，國際電工委員會（IEC）制定的安全相關系統(tǒng)的設計和評估標準IEC61508，提出了安全相關系統(tǒng)的綜合評估指標“安全完善度等級”的概念。隨后歐洲和日本相應地以IEC61508標準為基礎，制定了相關的信號系統(tǒng)的設計評估標準以及安全認證體系。歐洲電工標準委員會（CENELEC）基于IEC61508標準為基礎，附加列車安全控制系統(tǒng)的技術條件制定了一些安全相關系統(tǒng)開發(fā)和評估的參考標準：EN50126鐵路應用：可信性、可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS）規(guī)范和說明；EN50129鐵路應用：信號領域的安全相關電子系統(tǒng)；EN50128鐵路應用：鐵路控制和防護系統(tǒng)的軟件；EN50159-1鐵路應用在封閉傳輸系統(tǒng)中的安全通信；EN50159-2鐵路應用在開放傳輸系統(tǒng)中的安全通信。1996年3月，日本鐵道綜合技術研究所頒布了“列車安全控制系統(tǒng)的安全性技術指南”，該標準也是以IEC61508為基礎，并吸收了日本計算機控制的鐵道信號系統(tǒng)的經(jīng)驗而制訂的?！肮收稀踩奔翱煽啃约夹g的提高鐵路信號系統(tǒng)的發(fā)展打下堅實的基礎。數(shù)字信號處理技術基于分立元器件和模擬信號處理技術的傳統(tǒng)鐵路信號設備越來越滿足不了鐵路運輸安全性和實時性的要求。數(shù)字信號處理技術（DSP）的出現(xiàn)為鐵路信號信息處理提供了很好的解決方法。目前，我國的軌道電路的信號發(fā)送、接收以及機車信號的接收普通采用了數(shù)字信號處理技術，日本的數(shù)字ATC和法國UM2000數(shù)字編碼軌道電路也都采用了數(shù)字信號處理技術。安全計算機技術地面設備及車載設備均由安全計算