2023年中国高速铁路信号系统的发展与应用

2023年中国高速铁路信号系统的发展与应用

高铁学校分享中国高速铁路信号系统的发展与应用，有兴趣的同学一起来看看。信号系统是铁路运输的核心设备，是铁路运行控制的神经中枢系统，高速铁路信号控制系统在保证高速铁路行车安全、提高运输效率中起着关键性的作用。了解、掌握高速铁路信号控制原理和控制过程，使信号控制系统正常发挥效用，是高速铁路安全、准点运行的重要保障。

1. 信号与信息控制技术

进入20世纪60年代，随着电子技术的发展，电子设备和电子器件开始引入铁路信号控制系统。车站联锁由电气集中向电子设备集中转化，区间设备也由半自动闭塞向移频(FSK)自动闭塞、相键(PSK)自动闭塞和调幅(ASK)自动闭塞等制式发展，由于电子系统动作速度加快，可靠性提高，并且信息量大，为高速铁路的信号控制系统的电子化、信息化奠定了基础。

70年代初世界第一代微处理联锁机的问世，使铁路信号控制的微电子控制时代迎来生机，在微机信号控制系统中，显著的特点是信息的容错技术得到了提高，所谓容错控制技术(Fault-Tol-erance Control),是指通过系统设计方式，使得在控制系统元器件、甚至是模块故障情况下，系统通过冗余控制技术，将故障部件信息覆盖或屏蔽，输出正常状态的工作信息，即在局部设备故障的情况下，系统仍能维输出满足需要的工作信息，维持系统的工作效用，保证系统正常工作。

随着信息技术的发展，在信息运用技术、信息自动化、信息优化与信息智能化等四个方面的发展。

信息化技术是把客观的物理概念进行数字化处理，输入到计算机进行数据处理，按照优化技术生成某种预定的技术指标，在一定约束条件下求得最优解;信息智能化是信息处理的最高境界，包括信息的理解、推理、分析、判断等方面。信息智能化的重要标志是信息对知识的表述和应用。

2. 高速铁路信号技术的应用

铁路信号控制系统原以继电器为主件的分散控制技术，如电气集中联锁，区间半自动继电器闭塞等，称为信号系统的联锁、闭塞技术。信号联锁和闭塞技术通过信息的逻辑处理，最终以地面信号机给出三种基本颜色——红、黄、绿(进站、出站可以是黄绿组合)的信号显示指挥列车运行。

高速铁路的信号控制技术，是以电子器件或微电子器件的集中处理、分散控制，即所谓集散式控制方法，实现车站、区间信息变换、传递和处理的控制方式，信号控制系统分为行车指挥自动化与列车运行自动化两个方面，控制列车运行的信号显示以车载机车自动信号为主，地面信号为辅的运行方式。由于列车运行速度高、密度大，区间信号机采用——红、黄、黄绿、绿显示，通过数字轨道电路传递列车运行信息，后续列车运行过程中实时了解前行列车的目标距离、目标速度，及安全停车位置信息，并通过列车车载自动控制系统实行列车的正常制动、非常制动，实现列车自动停车控制。

3.高速铁路信号控制系统的特点

分散控制、集中管理的大规模综合列车运行自动控制，信息显示的综合运用系统。

较高的容错控制技术及安全控制能力，调度中心发布控制命令、监督信号系统的运行状态和列车位置信息等，是信号控制和信息管理的上层机构，命令的下达和执行还要通过车站、区间的执行设备才能完成，如果调度中心的计算机故障，可改由人工控制，通过区域信号控制设备实现建立进路、解锁进路、区间闭塞等功能。车站的联锁、闭塞设备通过驱动设备实现就地安全控制。

较强的信息处理能力，较强的系统运用灵活性，能够实现行车调度指挥、运行控制和列车运行信息管理的综合控制。

人机控制，通过调度员输入的控制程序或调度员、车站值班员在控制台的人工控制，运用(带有冗余的)计算机硬件、软件的实现自动、人工逻辑控制。

以上控制特点可以描述为高速铁路列车控制的C4 I系统(即计算机、控制、指挥、通信与信息等控制系统)。

4 .　高速铁路信号系统的组成及功能

世界各国采用的高速铁路信号控制系统都称为列车自动控制系统(ATCS-Automatic Train Conrol System), 列车自动控制系统(ATCS)包括行车指挥自动化子系统或称列车自动控制与监视(ATS)子系统、列车自动防护(ATP)子系统和列车自动驾驶(ATO)子系统。

行车指挥自动化(ATS)系统。根据运行图计划及列车控制信息，通过控制中心计算机实行输入列车运行程序，实时控制、调整列车运行状态，指挥列车运行。各站的控制计算机实行车站区域进路排列、道岔转换、信号开放等。根据列车的运行情况，中心计算机实时采集相关数据，在显示屏上集中显示出全线信号设备的运行状态和列车位置信息，列车编号等信息，并将各种数据进行统计、打印，汇成编制报表等。

列车自动防护(ATP)系统。列车自动防护系统是保证列车按照设定速度安全运行，防止列车超速运行，并能防护列车迎面冲突和追尾冲突的系统，系统具有故障一安全技术的特点，主要功能是检测列车当前运行速度和位置信息，并将速度信息实时与区域设定速度比较，决定是否实行制动;通过检测列车位置信息，并发送至控制中心，控制后续列车的运行速度，保证后续列车安全进入指定区域，保证列车安全运行和一定的制动距离。

列车自动驾驶(ATO)系统。通过数字轨道电路或应答器等轨旁设备将调度中心或车站的控制命令传输给车载系统，车载系统接收到控制信息后，经过运算、比较，结合列车自身的控制、制动条件，给出安全、合理的运行速度，列车的运行信息、状态信息、制动性能等技术指标均可在调度中心显示出来，以便对运行的列车实时控制，实现列车的安全、自动驾驶运行。可以设备控制的人工介入，并取得优选择权，实现司机监督、按照设定的速度曲线自动运行，保证进站后定点停车，并可根据调度中心的指令实时调整列车速度，确保列车的最小追踪间隔，提高列车的运行效率。

列车运行自动化AT

S、AT

P、ATO系统的控制关系如下图。

5.信号系统控制功能的实现

行车指挥自动化(ATS)系统：

系统的结构与任务。随着计算机应用技术和信息化技术的快速发展，数据通信网络技术的提高，目前，以铁路局、铁道部为行车运营指挥中心的行车自动化体系已经建立，为高速铁路的运行提供了良好的行车自动化指挥平台。

高速铁路列车指挥系统的基本结构如图：

中心计算机

控制中心计算机是高速铁路指挥控制系统的核心，目前一般采用三取二的冗余系统，三台计算机中有两台计算机用于重要操作，采用交叉比较输出，第三台计算机用于热备份，如图：

控制中心还具有数据传输、处理系统，即用一台高速数据传输设备进行信息处理与传递，与管线车站、区间、列车等进行双向数据传输，实现全线调度监控等。

调度集中采用全线连续自动列车控制，调度中心计算机中固定存有被控制区域的各种数据，如线路坡度、曲线限速数据等;还有轨道电路运用状态、信号机位置、显示等信息，应答器设置位置及工作状态等;运行列车的车辆信息、运行速度、制动效果等都将通过各站计算机传送到中心计算机。

控制中心计算机根据各种数据运算出指挥行车的控制命令，通过数传设备和轨旁单元传送到车载计算机中，通过车载计算机算出运行列车的目标速度、到达下一停车点的目标距离、车载计算机限速运行曲线、实际行驶速度曲线、制动曲线编号等，根据最大允许速度实行自动驾驶。

高速铁路行车指挥系统的设备结构特点：减少分散安装在线路旁边的地面信号机，加装应答器等装置，实现调度中心对管内信号设备的集中控制与监督。 调度中心计算机在调整列车运行过程中，向车站各分机分区、分时地下达列车运行计划。各站的控制分机根据中心计算机的运行计划，直接控制现场的有关联锁设备与进路。调度中心计算机自动跟踪列车运行并向列车传递运行计划与控制命令，调度员监督计算机工作状态并给予必要运行辅助调整 。 利用有线、无线的数据传输网络为调度中心与列车之间进行双向信息传递。实现调度中心与列车车载信息的互动，控制指挥列车运行，并能实时了解列车运行状态，车载计算机能够辅助司机进行人工操纵作。

微机联锁系统。 随着微电子技术及计算机技术的发展，用电子器件及微电子器件代替继电器实现联锁功能，控制信息量大、成本低、提高了系统安全性、可靠性，提高了设备靠性。

微机联锁系统的基本结构。 微机联锁系统由控制台、监视器、联锁逻辑处理机、控制驱动电路和现场设备等组成。

微机联锁是一个闭环系统，安全控制信息输出和信息输入的局部，以及微机内部的逻辑处理过程，都是按照闭环控制原理设计的，控制监视机与联锁处理机的联系也都遵循闭合工作原理，只要闭环系统中的任何一部分发生故障，系统就能立即诊断出来并采取措施，进行记录报警，直至切断控制输出电源，以便确保安全。

微机联锁系统的冗余技术。为了提高微机联锁关系的安全性、可靠性和可维护性，目前广泛采用的主要冗余技术有：

硬件冗余：硬件冗余为三取二的三重冗余系统和二重冗余系统;软件冗余系统有双通道冗余、双套软件冗余，信息长度冗余和时间冗余等提高系统安全性;运用容错技术、避错技术，提高系统可靠性;运用检测技术，诊断系统故障，进行周期检测，及时报警，系统中设有故障切断器，实时切断控制输出电源或使局部系统停止工作。系统输入、输出接口采用固态元件构成的安全控制电路，确保故障导向安全;信息通道采用编码传输技术和闭环信道，加大海明电码距离，提高误码检出率。采用严密的组织手段、先进的检测方法和计算机辅助设计系统，提高硬件的可靠性和软件的可信性。

微机化列车自动控制设备。车载计算机同样要采用三取二的结构来保证系统的安全性和可靠性。完整的车载连续式列车自动控制系统如图所示。

列车收到运行信息后，由车载计算机算出列车位置和驾驶信息，经过处理后由列车控制设备执行速度控制,进行必要的启动、制动控制。列车速度信息、位置信息等回传给轨旁设备，进而输送至控制中心及车站分机，报告列车位置、列车车次，列车长度及实际行车速度等，信息的传递是通过应答器和无线通道实现的。

控制中心计算机通过自动控制系统能收到所管范围内每列车的行车特性、线路地形等与列车有关的信息，在行车自动化过程中，可以使得两列车按最小时分或安全间隔运行。

地面处理机向前面和后面两个轨道电路衔接点的两端发送信号，所利用的是3kHz的载频频率(在途中分别用f1至f4表示)。处理机在衔接点处接收各点多测试的电流和电压，用所测的电压值除以电流值就求出了由列车车轴分路后轨道电路上钢轨的阻抗。根据求得的钢轨阻抗可以算出从衔接点到列车的举例。如果钢轨电路上没有列车时，则所测的钢轨阻抗将大于相当于轨道电路长度的钢轨阻抗。这样，地面处理机就能确定出在这个轨道电路上没有列车。

地面处理机首先计算机从衔接点到后面轨道电路上后续列车的举例(L2),当和后面轨道电路上没有列车时，这个距离就等于轨道电路的长度(L2)。其次，地面处理机计算衔接点到前面轨道电路上列车尾部的举例(L2),当前面的轨道电路上没有列车时，则这段距离的长度由前方的地面处理机传来。求出这两段距离之和(L1+L2)，系统就能连续第确定亮列车之间的运行距离。

机车上的处理机通过安装在机车前部的天线接收由钢轨传来的数据流。天线由两个感应线圈组成。机车上的处理机根据机车制动性能确定其制动模式，控制列车速度。机车上的处理机连续检测前方列车的尾端距离，所以能做到列车以极短的间隔运行，同时可以避免不恰当的列车加速和减速操作，从而达到节省能源和使旅客舒适的目的。

当两列列车同时运行在一个轨道电路上时，由于前行列车车轴分路了轨道电路，后续列车将接收不到地面处理机的控制数据。在这种情况下，后续列车的机车处理机保存它刚刚进入轨道电路前的有关数据，通过对这些数据和机车上的测速机的输出数据进行处理，可检测出它自己的位置和它与前面列车的间隔距离。当前面列车驶出该轨道后，后续的列车就能接收到地面处理机传来的信息，列车运行的控制就可恢复正常。

6、列车自动防护(ATP)系统、行车指挥自动化(ATS)系统、列车自动驾驶(ATO)系统ATO三才之间控制关系

ATP为整个ATC系统的安全核心，是列车运行时必不可少的安全保障。ATS为ATC系统的上层管理部分，是ATC的指挥中枢。ATO是采用ATCS的最优体现。一个完整的ATC系统依靠各子系统协调工作共同完成，三者之间互有联系、密不可分。

ATO需在已装备ATP子系统的条件下才能使用，并不断接受ATP的监视，ATO通过ATP从ATS处得到列车运行命令;ATO获得信息后，结合线路情况计算合适的运行速度，得到控制量，执行控制命令，同时显示有关信息。到站后，经ATP检查开门条件满足后，ATO给出开门信息，同时，列车ATO通过列车位置识别系统(PTI)天线，将列车信息传送给地面通信器，然后传送到ATS，ATS根据此列车信息确定列车的新任务后再次通过轨道电路传送给ATO，在区间运行时，每进入新的轨道区段，ATO便接收新的地面信息，以便进行速度调整，在运行过程符合条件时，可以灵活地进入ATO模式。

结束语

高速铁路信号系统是一项先进的控制技术，随着高速铁路的发展，高铁信号系统还将承担着更艰巨的重任，为了保证高速铁路的安全，高效运营，铁路信号控制技术需要在功能、控制手段方面不断改进，相信在信号工的不断努力下，一定能够开辟出中国高速铁路信号控制技术的崭新局面。