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列车运行自动控制技术重点笔记
根据《城市轨道交通信号系统安全功能原理》整理。术语中“连锁”在信号专业中通常写作“联锁”，下文统一使用“联锁”。
1. 信号系统的核心功能
信号系统的本质任务是在保证安全的前提下提高线路运能。课程中把核心功能概括为：
- 避免列车相撞，包括追尾、迎面冲突和侧冲。
- 避免列车超速，通过 ATP 对速度、目标距离和制动曲线进行监督。
- 与司机或运营人员进行信息交互，包括轨旁信号、司机室信号、ATS界面等。
- 在安全保证下提高自动化运行水平，从而提高线路通过能力。
实现这些功能时，信号系统通常要检查轨道区段是否空闲、确认道岔锁闭在正确位置、锁闭敌对进路，并控制列车之间的安全间隔。
2. 道岔与转辙机
2.1 道岔的概念
道岔是使列车从一条线路转入另一条线路的转辙设备，由基本轨、尖轨、辙叉、护轨、连接部分和转辙机械等组成。它既是线路设备，也是信号系统重点控制对象。
2.2 常见道岔类型
| 类型 | 特点 | 适用与注意点 |
|---|---|---|
| 单开道岔 | 主线为直线，侧线向左或右岔出，分左开、右开 | 使用最广，结构相对简单 |
| 对称道岔 | 主线向两侧分为两条线路，两侧曲线半径相同 | 有利于增大导曲线半径、缩短站场长度 |
| 三开道岔 | 一个道岔嵌入另一个道岔，连接多条线路 | 长度短，但尖轨削弱多，维护和运行速度受限 |
| 交分道岔 | 相当于两个道岔组合，占地短 | 构造复杂、零件多，维修难度较大 |
| 菱形道岔/交叉渡线 | 两条轨道交叉形成，交叉角较小时可设可动岔尖 | 用于交叉或渡线区域，需注意有害空间与侧冲风险 |
还应区分：
- 对向道岔：列车驶向道岔时面对尖轨，风险更高，防护要求更严。
- 顺向道岔：列车驶向道岔时面对辙叉。
2.3 转辙机的功能
转辙机是控制道岔可动部分的执行设备，主要功能包括：
- 转换：驱动尖轨或可动辙叉从定位转到反位，或从反位转回定位。
- 锁闭：道岔到位后保持尖轨密贴，防止列车通过时尖轨移动。
- 表示/监督：向联锁、ZC或车载控制器反馈道岔当前位置、锁闭状态和故障状态。
- 安全防护：进路锁闭期间、列车占用道岔区段期间禁止道岔被转换。
- 联动控制：大号码道岔或长柔性尖轨道岔可能配置多个转辙机，由同一转辙命令联动控制。
2.4 道岔转动过程
典型道岔转换过程可分为三个阶段：
- 解锁阶段：原来密贴并锁闭的尖轨先解除锁闭，未密贴尖轨开始动作。
- 移动阶段：两根尖轨按机构约束共同移动，完成从一个开通方向到另一个开通方向的转换。
- 锁闭阶段：新的密贴尖轨到位并与基本轨密贴，锁闭装置重新锁闭，表示电路确认位置正确后，联锁才允许进路开放。
安全要点：
- 信号开放前，进路内所有道岔和脱轨器必须处于规定位置并被锁闭。
- 列车占用道岔区段时，道岔不得转换。
- 道岔锁闭既靠联锁逻辑防止误操作，也靠机械锁闭防止尖轨在列车通过时移动。
3. 闭塞类型与原理
闭塞的目标是保证前后列车之间具有足够安全间隔。课程从三种理论原则说明闭塞。
| 闭塞原则 | 基本原理 | 优点 | 局限 |
|---|---|---|---|
| 相对制动距离 | 安全间隔等于前后车制动距离差加安全余量，并加前车长度 | 理论线路能力最大 | 前车突发事故时后车可能无法停车；道岔区需要恢复完整制动距离，城市轨道很少采用 |
| 绝对制动距离 | 后车与前车之间至少保持后车完整制动距离、安全余量和前车长度 | 安全性好，是移动闭塞基础 | 需要精确定位、连续通信和列车完整性检查 |
| 固定闭塞距离 | 线路划分为固定闭塞分区，一个区段原则上一次只允许一列车占用 | 技术成熟，易与轨旁信号、轨道电路结合 | 安全间隔包含闭塞分区长度，能力通常低于移动闭塞 |
3.1 固定闭塞
固定闭塞将线路划分成连续闭塞区段。后车进入某一区段前，通常需满足：
- 前车已经出清该闭塞区段。
- 如设置保护区段，前车还要出清下一个信号机后的保护区段。
- 前车后方已有停车信号或等效防护。
- 双向运行线路还要锁闭运行方向，防止对向列车进入。
固定闭塞可由轨旁信号实现，也可在司机室信号系统中以虚拟闭塞方式实现。虚拟闭塞的闭塞区段存在于控制系统数据库中，不一定有对应的现场分界设备。
3.2 移动闭塞
移动闭塞基于绝对制动距离。系统不再依赖固定闭塞分区作为列车间隔边界，而是根据前车实时位置、完整性和后车制动能力动态计算后车的目标点或移动授权终点。
移动闭塞需要：
- 精确车载定位。
- 高频率车地通信。
- 列车完整性检查。
- 连续更新目标距离或移动授权。
- 对向运行锁闭和方向控制。
移动闭塞可以缩短固定闭塞区段带来的额外间隔，但线路能力提升还受停站时间、进路办理、保护区段、列车性能差异等因素限制。
3.3 人工闭塞、半自动闭塞、自动闭塞
| 类型 | 原理 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 人工闭塞 | 调度员或车站值班员通过电话、无线电、闭塞仪表和记录确认区段空闲后授权列车进入 | 低密度、低速度或降级运营 |
| 电气/半自动闭塞 | 车站间通过电气闭塞仪表或继电电路实现信号锁闭；列车进入后自动或人工锁闭，出清后由出口侧确认并释放 | 传统区间闭塞 |
| 自动闭塞 | 闭塞区段配备轨道电路或计轴等自动出清检测设备，信号机按区段占用、保护区段和方向锁闭状态自动显示 | 常规铁路和城市轨道固定闭塞 |
4. 电化闭塞/电气闭塞原理
课程中相关内容主要对应“电气闭塞”和“电气化线路上的轨道电路闭塞”两层含义。
4.1 电气闭塞
电气闭塞通过相邻车站之间的闭塞线路、闭塞仪表或继电电路来交换闭塞状态：
- 入口侧开放信号，允许列车进入闭塞区段。
- 列车进入后，入口侧信号恢复停止并被闭塞仪表锁住。
- 出口侧确认列车完整到达并离开区段后，操作闭塞仪表释放闭塞。
- 入口侧闭塞释放后，才允许下一列车取得进入该区段的授权。
双向线路还要设置方向锁闭。只有当前方向的闭塞关系释放并确认无车后，才允许改变运行方向。
4.2 电气化线路轨道电路
轨道电路利用钢轨构成电路。区段空闲时，检测设备能收到电流；列车占用时，轮轴短路轨道电路，检测设备失电或信号变化，系统判定区段占用。其故障导向安全思想是：电流中断按占用处理。
电气化线路中钢轨还承担牵引回流通道，因此要处理牵引电流与轨道电路的兼容：
- 短区段可采用单轨轨道电路和共轨方式。
- 长区段通常采用双轨轨道电路和阻抗连接器，使牵引回流通过而不分流轨道电路信号。
- 也可采用数字编码轨道电路、音频轨道电路或无缝轨道电路传递检测或速度码信息。
轨道电路的局限包括长度受两轨电阻影响、锈蚀或污垢可能影响检测、非调车车辆可能不能可靠短路轨道。
5. 连续式信号与连续通过信号
这里可把“连续通过信号”理解为连续式信号系统或连续式车载信号对列车运行的连续授权。
连续式信号系统通过轨道电路、无线、波导或感应环线等方式，连续或高频率向列车传输前方线路状态、目标速度、目标距离和移动授权。与点式系统相比，它不只在应答器或信号机处更新信息，而是能实时修正速度监督曲线。
特点：
- 列车可以连续获得前方线路状态变化信息。
- ATP可连续监督速度和制动曲线。
- 司机室信号通常优先于轨旁信号。
- 在CBTC中，连续式控制级别是正常控制方式，基于移动闭塞和连续速度曲线。
联锁区域内还有“非连续联锁信号”和“连续联锁信号”的区别：非连续方式只授权列车从一个闭塞分区进入下一个闭塞分区；连续方式可覆盖站内股道，支持发车、停车、通过道岔和站内运行。
6. 联锁功能分析
联锁系统负责保证进路、道岔、信号机、轨道区段之间满足安全约束。其核心原则是：条件不满足，信号不得开放；信号开放后，相关设备不得被错误改变。
主要功能：
- 进路办理：按运营命令建立列车或调车进路。
- 道岔控制：将进路内及侧防相关道岔转换到规定位置。
- 道岔锁闭：进路锁闭或列车占用期间禁止道岔动作。
- 信号开放：只有进路空闲、道岔正确并锁闭、敌对进路未建立、保护区段满足条件时才开放。
- 敌对进路防护：禁止可能发生追尾、迎面冲突、侧冲的进路同时建立。
- 接近锁闭：列车接近信号后，即使信号关闭，也不能立即解锁进路，避免列车来不及停车。
- 进路解锁：列车通过并出清相关区段后，按顺序或条件解锁。
- 侧面防护：通过侧防道岔、脱轨器、保护区段等防止侧向侵入。
- 故障降级处理：当信号不开放时，需区分进路被拒绝、进路未正确锁闭、闭塞系统关闭出站信号等原因。
联锁表是联锁逻辑的重要表达方式，通常列明每条进路需要的道岔位置、敌对进路、锁闭区段、信号开放条件和解锁条件。
7. 轮速里程法
轮速里程法也称轮轴测速测距或轮径积分定位，是车载列车定位的重要方法之一。课程材料中列车设备包含轮轴转速传感器、多普勒雷达、应答器等，移动闭塞定位也要求多传感器组合。
7.1 原理
- 轮轴转速传感器测得车轮角速度。
- 根据车轮直径或轮径校准值计算线速度。
- 对速度随时间积分，得到列车运行里程增量。
- 结合固定应答器位置进行绝对位置校正。
- 与雷达、加速度计等传感器进行融合，提高测速测距可靠性。
简化公式：
v = omega * r
s = integral(v dt)
其中 omega 为角速度，r 为车轮半径，s 为累计里程。
7.2 优点
- 设备简单，成本低，易于车载安装。
- 数据连续，可用于实时速度和位移估计。
- 不依赖轨旁连续检测设备，适合CBTC车载主动定位。
- 与应答器校正结合后，可满足较高定位精度需求。
7.3 缺点
- 轮径磨耗会引入系统误差。
- 空转、滑行、湿轨、低黏着会导致测速测距偏差。
- 积分误差会累积，必须定期用应答器或其他绝对定位信息校正。
- 列车微小移动也可能影响记忆定位，课程中提到唤醒后微移可能导致里程计变化并引发记忆定位丢失。
8. 转换区段/转换轨
转换区段是列车在不同控制区域、不同控制级别或不同驾驶模式之间切换的过渡区段。课程材料中常以“转换轨”或“模式转换区（牵出线）”描述。
典型场景：
- CBTC区域覆盖正线、转换轨和线路联络线。
- 车辆段/停车场通常为非CBTC区域或仅联锁控制级别，出入段需要在转换轨完成模式转换。
- 出车辆段/停车场时，列车可在转换轨处不停车转换为CM或AM。
- 回车辆段/停车场时，列车在转换轨处停车，车载设备经司机确认后转换为RM。
- 无人驾驶车辆基地中，ATC控制区域与非ATC控制区域之间通过模式转换区完成FAM、RM或EUM切换。
9. 移动授权
移动授权（Movement Authority，MA）是信号系统授予列车在特定路径上安全运行到某一目标点的许可。它回答的是：列车可以沿哪条路径运行、最多运行到哪里、以什么速度约束运行。
移动授权通常包含：
- 授权路径或进路。
- 目标点/目标距离。
- 速度限制和线路条件。
- 保护区段或安全余量。
- 道岔、区段、站台门、紧急停车等安全条件。
在不同系统中，移动授权的形成方式不同：
- 固定闭塞：授权通常受信号机和固定区段限制，目标距离在固定位置更新。
- 点式控制：通过应答器向车载设备发送点式移动授权。
- 连续式CBTC：地面ATP/ZC根据列车位置连续计算移动授权，经无线发送给车载ATP/ATO。
- 车车通信型CBTC/TACS：后车可根据前车位置在车载侧计算移动授权和制动曲线。
10. CBTC系统
CBTC是基于通信的列车自动控制系统。课程中将其定义为基于大容量、连续车地双向通信、列车定位与控制技术的连续式列车自动控制系统，是城市轨道交通主流制式。
10.1 CBTC系统特点
- 支持移动闭塞，是提高城市轨道交通能力的重要制式。
- 采用连续车地双向通信，常见承载包括无线、波导、感应环线、轨道电路等。
- 采用列车主动定位，不完全依赖轨旁列车占用检测设备。
- 通过车载和地面安全处理器执行ATP/ATO/联锁相关安全功能。
- 支持连续式、点式、联锁三种控制级别。
- 可支持不同运行控制级别列车混跑。
- 正线通常要求较小追踪间隔，课程中给出设计追踪间隔不大于90s的要求。
- 安全相关ATP、CI、计轴等需达到高安全完整性等级。
10.2 典型CBTC逻辑子系统
| 子系统 | 主要功能 |
|---|---|
| ATP | 速度-距离曲线监督，防止超速，保证列车间隔；包括地面ATP和车载ATP |
| ATO | 在ATP保护下自动驾驶、自动调整区间运行、节能控制 |
| CI | 控制道岔转辙机和信号机，建立进路，保证区段、道岔、信号机联锁关系 |
| ATS | 运营监控、控制命令、自动调整、记录回放和培训 |
| DCS | 提供子系统间通信通道，包括骨干网和车地无线网 |
| MSS | 维护监测和远程报警，通常只监不控 |
10.3 控制级别对比
| 控制级别 | 闭塞原理 | 移动授权来源 | 主要驾驶模式 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 连续式列车控制级别 | 移动闭塞 | 地面ATP/ZC连续计算并通过无线发送 | AM、CM、RM | 正常控制方式，实时速度曲线监督 |
| 点式列车控制级别 | 固定闭塞 | CI通过可变应答器发送点式移动授权 | 点式AM、点式CM、RM | 降级方式，信息在应答器处更新 |
| 联锁控制级别 | 固定闭塞 | 无连续或点式移动授权，司机按轨旁信号运行 | RM为主 | 降级方式，依赖CI和轨旁信号 |
控制级别转换要点：
- 无定位且无法传输移动授权时，系统降级到联锁控制级别。
- 建立定位并获得点式或连续式移动授权后，可由联锁级别升级。
- 点式级别在取得连续式移动授权后可升级为连续式级别。
- 驾驶模式从低到高可不停车转换；从高到低通常需停车后转换。
11. 区域控制器/ZC功能
传统CBTC中，区域控制器（ZC，也常与地面ATP功能对应）是轨旁核心安全控制设备之一。
主要功能：
- 接收ATS进路请求和CI/轨旁设备状态。
- 接收车载控制器上报的列车位置、速度、方向、完整性等信息。
- 根据前车位置、进路状态、道岔状态、区段占用和保护区段计算移动授权。
- 将移动授权通过DCS/无线网络发送给车载ATP/ATO。
- 与相邻区域ZC或地面ATP交换列车状态和移动授权边界，支持跨区域运行。
- 处理计轴故障、非通信车包络、ZC安全封锁、overlap解锁等安全逻辑。
- 配合CI实现进路办理、进路解锁/取消和列车位置校核。
一句话记忆：ZC负责“看列车位置、看线路资源、算移动授权、发给车载”。
12. 车载控制器功能
车载控制器通常指车载ATP/ATO或VOBC/CC等设备，是列车侧的核心控制单元。
传统CBTC下主要功能：
- 计算列车速度和位置，融合轮速、雷达、加速度计、应答器等信息。
- 接收地面ATP/ZC或CI发送的移动授权。
- 根据移动授权、线路数据和列车性能计算速度-距离制动曲线。
- 实施超速防护、退行/倒溜防护、停车点防护和紧急制动输出。
- 在ATO模式下控制牵引、制动、停站、开关门、折返等自动驾驶动作。
- 向ATS、ZC和MSS上报列车状态、位置、报警和自检结果。
- 在无人驾驶中执行唤醒、自检、发车测试、自动休眠、车门/站台门联动等接口功能。
车车通信型CBTC/TACS中，更多传统轨旁功能转移到车载：
- 车载保存与联锁有关的数据，如联锁表和道岔资源信息。
- 车载向对象控制器请求道岔状态监督和控制。
- 根据进路信息直接参与道岔控制、资源释放、移动授权计算。
- 后车直接获取前车位置信息，自行计算移动授权和制动曲线。
13. ATS功能
ATS（Automatic Train Supervision）是自动列车监控系统，面向运营调度。
主要功能：
- 显示全线轨旁设备、车载设备状态和报警。
- 提供全线轨旁和车载设备控制命令。
- 支持列车运行自动调整、运行计划和时刻表执行。
- 下发或辅助下发进路请求、运行任务、目的地码和工况命令。
- 记录运营过程，支持回放和培训。
- 控制中心ATS正常监控全线；控制中心故障时，车站ATS可监控本区域设备。
无人驾驶场景下ATS功能更突出：
- 自动匹配当日运营计划。
- 自动唤醒列车并接收自检结果。
- 向FAM列车下发运营计划和“待命”等工况。
- 支持远程休眠、扣车、跳停、提前发车、清客、折返、出入库计划等。
- 显示驾驶模式、运行状态、早晚点、车门和站台门状态。
注意：ATS偏运营组织与监督控制，不是列车安全间隔防护的最终安全执行核心。
14. MSS子系统功能
MSS是维护支持/维护监测系统，面向维护人员。
主要功能：
- 就地监测设备状态。
- 远程报警和故障信息汇总。
- 采集轨旁、车载、车辆段/停车场等设备的状态和报警。
- 为维护中心提供全线维护信息。
- 与DCS网络通常相互独立，原因是维护信息数据量较大。
层级分工：
| 组成 | 采集范围 |
|---|---|
| 维修中心MSS | 汇总全线轨旁和车载设备状态、报警 |
| 车站MSS | 收集本区域轨旁设备状态、报警 |
| 车辆段/停车场MSS | 监督和采集车辆段/停车场设备状态、报警 |
| 车载MSS | 收集所在列车车载设备状态、报警 |
关键记忆：MSS“只监不控”，不直接控制列车运行和轨旁设备。
15. 无人驾驶信号系统
无人驾驶信号系统是更高自动化等级的CBTC系统。按IEC 62290自动化等级，GOA3和GOA4属于无人驾驶范畴。
| 等级 | 典型称呼 | 特征 |
|---|---|---|
| GOA3 | DTO，无人驾驶 | 列车两端通常有驾驶室，车上有值守人员监督前方障碍和异常 |
| GOA4 | UTO，无人值守 | 列车上无工作人员，系统需承担更多乘客与环境安全防护 |
15.1 主要特征
- 自动唤醒、自动自检、联合自检。
- 自动出库、自动匹配运营计划、自动发车。
- FAM模式运行，列车根据任务自动运行。
- 自动精确停车，停车偏差可通过JOG等方式调整。
- 自动开关车门和站台门，并监督门关闭锁闭状态。
- 自动折返、自动换端、自动入库、自动休眠。
- 支持远程清客、远程紧急制动复位、远程车门/逃生门等功能。
- 与车辆、通信、综合监控、站台门、PIS、PA、CCTV、气象站、地震仪、道岔浸水传感器等接口更紧密。
- 严格区分有人区和无人区，人员进入ATC控制区域需SPKS等安全防护。
15.2 无人驾驶新增安全关注
- 障碍物检测。
- 站台门与车门间隙人员检测。
- 客室火灾、水浸等自动检测。
- 乘客与中央调度员的紧急通信。
- 通信系统可靠性要求提高，CCTV、PA、PIS、车载广播、无线对讲等故障会直接影响救援和疏散。
16. 信号系统之间的功能差异
不同信号系统的差异主要体现在以下维度：
| 维度 | 可能实现方式 | 理解要点 |
|---|---|---|
| 移动权限 | 基于距离的目标停车点；基于速度码/目标速度 | 距离型更适合速度-距离曲线和移动授权，速度码型常见于传统连续ATP |
| 速度和位置确定 | 轮速传感器、多普勒雷达、加速度计、应答器 | 移动闭塞要求更精确定位，通常多传感器融合 |
| 车地通信 | 无线、波导、感应环线、轨道电路 | CBTC强调连续双向通信 |
| 冗余架构 | 2oo2、2oo3、热备 | 用于实现安全性和可用性 |
| 地图数据 | 轨旁按需传输；车载ATP/ATO保存 | 影响系统接口、数据维护和升级方式 |
| 控制方式 | 轨旁信号、司机室信号、点式控制、连续式控制 | 控制方式决定目标距离更新频率和列车依赖对象 |
| 自动化等级 | RM、CM、AM、FAM/DTO/UTO | 自动化越高，系统承担的人机接口、故障处理和环境防护越多 |
17. 高频考试答题模板
17.1 论述CBTC
CBTC是基于通信的列车自动控制系统，依靠连续车地双向通信、列车主动定位和安全处理器实现列车速度控制与移动授权管理。它以ATP为安全核心，ATO实现自动驾驶，CI保证进路和道岔信号联锁，ATS负责运营监控与调整，DCS提供通信通道，MSS负责维护监测。CBTC正常采用连续式控制级别和移动闭塞原理，能够缩短追踪间隔、提高自动化程度和线路能力。
17.2 论述联锁
联锁是保证进路、道岔、信号机、区段之间满足安全制约关系的系统。办理进路时，联锁检查区段空闲、道岔位置、敌对进路、侧防和保护区段等条件；条件满足后锁闭进路和道岔并开放信号；列车通过后按条件解锁。其核心是防止错误开放信号、防止道岔在列车通过时转换、防止敌对进路同时建立。
17.3 论述移动闭塞
移动闭塞以绝对制动距离为基础，系统根据列车实时位置、完整性、制动性能、前方线路资源和前车位置动态计算后车移动授权。它取消固定闭塞分区对列车间隔的限制，线路在前车后方持续释放。移动闭塞需要精确定位、连续通信、列车完整性检查和移动授权连续更新，是CBTC提高通过能力的重要技术基础。
17.4 论述轮速里程法
轮速里程法通过轮轴转速传感器测量车轮角速度，结合轮径计算列车速度，并对速度积分得到运行里程。其优点是连续、简单、成本低，适合车载主动定位；缺点是受轮径磨耗、空转滑行、湿轨低黏着影响，误差会累积，必须结合应答器、多普勒雷达、加速度计等进行校正和融合。