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简单的谈一下关于日系以及欧系的信号保安系统

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发表于 2009-11-1 17:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 komachi 于 2009-11-1 18:26 编辑

这里的话就对日系及欧系的信号保安系统做个简单的介绍及对比。首先作为最基本的闭塞保安装置也就是欧系的ATP(自动列车防护装置 Automatic Train Protection)以及日系的ATS(自动列车停止装置 Automatic Train Stop 请与欧系的ATS自动监控子系统做区分,包括后面谈到的ATC)相对来说作为欧系的ATP系统从功能上要比日系的ATS系统要先进。在线路硬件条件合适的情况下(外围设备支持),可以做到类似于日系ATC(列车自动控制系统,或称之为列车自动减速系统)设备的部分功能。比如监控限速,提前预告下一个限速点以及信号机,做到信号的车内显示(色灯信号)等等,有些比较晋级的设备集成了列车综合情报管理单元(日系的独立单元为TIMS,可以监测列车的健康状态,智能分配动力以及制动单元等,相对日系设备较为简易)。但是基本功能依旧与日系的ATS一样,在列车速度高于通过信号机所定义的速度时列车将被强制停车。

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台铁的东急产DR2700光华号的ATP设备

说到一半顺便插一下关于列车的ATP确认,这是一个可以作为独立单元的模块也就是AWS装置(自动列车警报装置 Automatic Warning System)。(这里补充说一下,AWS属于ATP的前身,ATP可以看做是AWS的升级版或者是继承关系,但ATP依旧包含该模块,只不过在ATP中的模式与单独AWS模式中的操作是不一样的)运作过程是当列车通过轨道上信号机联动的感应线圈时,如果这一闭塞信号是开放的(绿灯)。车内将会响铃提示,并且有一个专用显示器(美国以及英国铁路有装备,法国和欧洲其他国家采用显示屏以及其他装置显示)将会显示黑色。列车可以正常通过。而如果通过时显示的是警告信号(黄灯)以及闭塞被关闭(红灯),专用显示器会显示成一个黑黄相间的“向日葵”,同时铃声大作,此时需要按确认按钮解除警报,表示你已经了解需要警戒或停车。如果在几秒内不采取确认操作,列车将被紧急停车。

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英国铁路Class 37牵引机车上的AWS专用显示器

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英国铁路Class 87牵引机车上的AWS专用显示器

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AWS专用显示器,在英国以及美国铁路上很常见

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回到主题,既然说了AWS那就要说一下日系的ATS装置,对比“包装华丽”的欧系ATP来说,日系的ATS显得相对简易以及有针对性。顺便扯一下,ATS的起源是因为2场比较有代表性的事故即樱木町事故以及三河岛事故,2次事故让人们知道仅仅依靠人为来确保安全是无法避免其中的无法预知的因素,比如疲劳驾驶,或者没有看到或看清信号等。而通过一些机械设备就可以避免其中的一些错误的操作以及疏漏。回到正题,ATS目前有几种类型,如ATS-S、ATS-SW、ATS-P、ATS-PN等等,ATS-S为基本型,动作过程与AWS类似,当列车通过与信号机联动的感应线圈时,如果是绿灯,列车将会正常通过。而如果是红灯时,列车通过感应线圈(信号冒进),接收到感应线圈发出的信号后便会激活警报装置,警铃大作,此时与AWS一样,需要做ATS确认,否则列车将被紧急停车。但问题与AWS一样,如果做了确认以后司机没有做任何操作,该保安装置将起不到任何保安作用。而作为此设备的升级版ATS-P增加距离计算功能,通过一系列的感应线圈测定列车当前的速度,在经过制动曲线的类比解算后,能够在停止信号之前(红灯)一段距离就给予驾驶警告信息,要求做确认以及适当的操作,如果未经操作系统也能将列车紧急停止在安全范围内。根据设置的定义不同,有些在进站前的场内信号显示为警戒信号时也需做ATS确认。对比ATS-S来说较为智能。

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日系列车所装置的ATS状态表示灯

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JR东日本的201系所装设的ATS状态表示灯

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图中的ATS表示灯处在报警状态

日系的ATS系统与欧系“华丽”的ATP比起来可谓是“暗淡”许多。但是作为基本功能来说一样不少(闭塞防护)。(日系的ATS与欧系的ATP准确的说并不是一个时代诞生的东西)作为ATS的晋级型的信号设备(准确的说ATS设备与ATC设备没有继承关系,为全新的系统),一种相对较高规格的全封闭信号系统ATC(自动列车控制装置 Automatic Train Control 或者称之为列车自动减速装置)诞生,最早该系统服务于新干线(1964年开通的东京至大阪的东海道新干线)。该系统取消了原有的外部色灯式信号机,取而代之的是导入了车内信号显示,原因很简单,在高速情况下通常驾驶员对颜色的分辨比较困难,同时保安系统的动作无法做到精确控制,车内显示将原先每个闭塞所使用的笼统的灯式信号改为更为直观且精确的速度定义(给予速度码指示)。运用过程,当列车通过闭塞时,与该闭塞所联动的AP装置(或感应线圈)会给予所进入的该闭塞区段的速度码。如果当列车获取的新的速度码值高于列车当前的速度以及速度码,保安系统将会将新的速度码作为当前区段的速度上限,直至下一个闭塞联络点获取下一个新的速度值。如果下一个获取的速度值与当前的相同,保安系统将不做任何操作。如果获取的速度码低于当前运转中的速度码时,保安系统将会自动激活制动装置,将列车速度以一种合理的方式减速到该速度码所提供的数值下并将该数值作为该闭塞区段的限速上限。如果加速中列车越过限速上限,系统会也会激活制动装置将列车减速回该上限并缓解。如山阳新干线500系在接近车站前5KM就开始分阶段性的自动减速。如在300KM/H分别会减速至285 275 250 220 170 120 70直至30。在30KM/H时需要进行一次ATC确认,然后手动将列车停止至合适的停止位置。如果不做确认的话列车将会继续减速直至完全停下,由于各种种别的列车的编组以及停止位置都是不同的,那样就无法准确的停止到位了。在看到ATC系统高效且安全的运营的后,JR将ATC系统投入了在来线(除新干线外的普通铁道,或称“既有线”)。玩过电车GO山手线和京浜东北线的应该都知道ATC是一个什么样的系统,与游戏不同的是实际当中闭塞段的减速是由自动完成的,当然进站停车不像新干线那样会有如此“限制”的。不过也有与较为细分的ATC系统,如东急。东急就将ATC系统划分的相当细。对进站停车操作也类似于新干线的模式,当然了,停车操作还是需要在ATC制动动作前减速到合适速度,等ATC来“善后”通常就意味着停止位置过走了… 虽然做了非常细分的划分,但是由于东急与新干线一样,依然有不同种别不同编组长度的列车运转,所以ATC系统在最终减速仅仅是做保安来使用的(防止冒进以及避免误操作)。不过这样做也有个优点,可以尽可能的缩短列车的间距。

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JR东日本的200系新干线所装设的ATC车内信号表示器

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JR东海的300X系新干线高速试验电车所装设的ATC车内信号表示器

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JR东日本209系的ATC车内信号表示器,绿色的箭头表明为目前闭塞的最高速度上限

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东急5080系的ATC车内信号表示器,红色箭头表明为目前闭塞的最高速度上限

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补一张东京地铁10000系列车的驾驶室,驾驶台操作杆三菱LOGO左侧的钥匙锁孔便是所属公司的保安装置选择(在对应的区间设置对应的保安装置,东武以及东京地铁),右下角有一个带着箭头的手柄便是模式选择开关(在对应的区间选择使用ATC装置、ATS装置或场内模式等)。绿圈内的列车健康状态系统可以单独进行工作,在任意装置失效的情况下不会相互影响。

回到欧洲的系统上来,与日系ATC完全独立、全新的设计不同,欧系对应类似功能的系统选择了在ATP设备上增加子模块(即在ATP设备下增加子模块而获得附加功能)的形式。由于继承关系等特点,可以得到不错的兼容性(相对日系需要安装2套或者3套独立的保安系统不同),同时这也是很大的缺陷。第一段就提出过,一些新型号的ATP将车辆情报管理单元或健康管理系统纳入到ATP的麾下,导致ATP系统的管理过于冗余,由于子模块无法单独拆分使用。一旦发生车辆系统事故,需要切除整套保安装置(假设列车车门出现无法处理的事故,而保安装置认定车门损坏危及行车安全而强制锁定了列车,由于问题不解决无法解除锁定中的列车,就需要切除含父模块在内的全部保安措施,这就意味着这列列车在切除后将失去所有的基本保安措施,包括最基本的闭塞冒进防护)。而这样做一旦驾驶在出现任何细小的偏差将会危及其他运营中的车辆。而日系设备选择了将之独立后的模块如TIMS(比如ATS-P+TIMS这样的组合)。在发生事故后可以尽可能的将影响降之最低。在扯性能,如采用了叠加在ATP设备上的ATPM系统,一种类似于日系ATC功能的模块。对于此模块来说仅仅是原有ATP系统的车内显示的升级版本。如类似于ATC系统,获取闭塞的速度码并给予一个让你行车的目标以及行车的最高速度上限。与ATC不同,ATPM仍旧保留了传统ATP的全部特性。在速度超过ATPM所给予的最高上限时列车将被强制停车,减速操作中如驾驶没有在减速提示所规定的时间内完成减速操作将列车减速到指定速度上限,列车同样将被强制停车。除了追加了全车内的速度信号指示外其他功能与ATP完全一样。(其实说白了就是欧系ATP是加入了其他单元组件的类似于日系ATS的装置,而日系的ATS是作为纯负责信号操作的装置)

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法国TGV列车,红圈内左边为AWS装置,右边为色灯式车内信号表示器

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法国TGV列车,车内信号表示器工作时状态

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法国BB9316牵引机车,左边为AWS装置,右边为ATP色灯式车内信号表示器

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法国BB26227牵引机车,上边为ATP色灯式车内信号表示器,下边为AWS装置

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上海地铁的ATP车内信号表示器,类似于日系的同类装置
 楼主| 发表于 2009-11-1 17:28 | 显示全部楼层
最后在说一下此几个系统下的一些子模块以及附加功能。首先是ATO,相信这个大家不会陌生。欧系的ATO与日系的ATO一样,都称为自动列车运行装置(Automatic Train Operation)。先说一下日系的ATO装置,该装置是属于ATC装置下的全自动产品。之前我们知道了ATC装置的种种特性(在ATC下,驾驶要做的就是加速,定速,抑速以及手动停车),ATO就是将ATC设备的手动操作部分自动化。在来看欧系的ATO,该ATO与日系一样,属于子模块类型。不同的是欧系的ATO是构建在ATP系统之上的产品,不过改进相对较大。增加了全新的牵引及制动曲线计算(与CBTC类似,由于ATP的局限性,该计算主要由CTC侧来完成,后面会提到)。但是该模式依然属于“兼容”模式。与ATPM一样,依然带有许多ATP系统的特性(如雨雪天车轮空转或打滑,列车的制动范围越过了制动曲线计算所规定的范围并冒进信号,列车将被强制制动停车)。另外还有类似的托管模式(即与信号装置的有限联动)。华盛顿地铁撞车事故应该就是类似的装置。

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带有ATO(ATP)功能的香港SP1950列车

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日系的ATO(ATC)模式中的列车

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左边为ATO系统的轨间感应线圈,右边为ATO模式按钮

顺带说一下所谓的浮动闭塞信号,如欧系的CBTC(Communication-based Train Control)与日系的ATACS(Advanced Train Administration and Communications System)以及伪浮动的D-ATC(Digital ATC)。欧系的CBTC与ATO一样,依然是构建在ATP至上的一套系统,该系统与欧系的ATO一样,区别在于原先系统采用的传统闭塞式更改为浮动闭塞式(原先的闭塞分界为色灯信号以及其连动的轨间感应线圈)。新系统采用了记轴器、AP测量、感应线圈测量、GPS测量(未来欧洲高铁将主要采用的系统)以及类似于航空领域的惯性导航装置的测量(先通过感应线圈等装置测定你的实际位置,在此之后通过列车的状态、车速等信息配合之前的得到的点来计算位置,但由于车轮空转等因素会出现误差)等方式来确定列车现在的实时位置。然后通过CTC调度系统的计算,智能分配列车的间距。该系统的问题也比较明显,列车运行需要对轨道的硬件系统有很强的依赖性。由于放弃了传统的固定闭塞式的类比间距计算。将这一部分的负担全部抛给了CTC的调度计算机。导致计算压力过大,CTC系统需要实时的对各列车下达指令让其保证在合理的间距范围内。这样做系统反过来对列车的可靠性也有很大的要求。一旦其中部分列车的运行超过CTC调度计算机的可处理范围。也会导致CTC系统的崩溃。日系的一个低成本的解决方案也就是D-ATC,就是所谓的智能ATC系统,其的原理就是缩短原先的固定闭塞的间距,由传统的类比式计算追加电脑进行计算。这样便可做到实时控制。同时可以降低CTC的计算压力。目前山手线以及台湾高铁等线路在采用此设备。虽为伪浮动闭塞,但可靠性以及维护性要好于CBTC。ATACS为日系的JR东日本在JR西日本福知山事故后决定新导入(首次导入)的信号装置,该装置将会整合目前所有的保安装置的特性,同时将会将轨道本身的状态也一并纳入到整体保安措施中(包括轨道目前的状态,道口的状态等)。对于测定列车位置的方式与CBTC类似,但会更加智能。由于尚未投入使用。暂不加以评论。

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来张旧类比时代的CTC管制中心的图

PS:暂时先写到这里,最近一段时间比较忙,脑子也昏昏沉沉的。写的比较仓促,将就着看吧
发表于 2009-11-1 19:09 | 显示全部楼层
哈灵哈详细~~~绝对支持~~~
发表于 2009-11-1 22:49 | 显示全部楼层
顶一下
发表于 2009-11-2 10:08 | 显示全部楼层
技术贴的顶起~~~个人还是偏好日系的信号系统。比起欧系的华丽,日系的更实用
不过日本实行ATO的线路实在少之又少。很多还是色灯+ATS。
这个和日本轨道的发展也很有关系。很多经典线路都已经有百年历史了,老线老车全面升级信号系统的成本过大,为了新系统和老系统兼容也就出现了独立的模块,有新的东西只要叠加即可不需求全面改造。像东急东横线一部分用ATS,一部分用ATC(PSP-TS东急中,不知现在是否全线ATC)
貌似近年日本最大的信号系统升级就是JR首都圈的无线信号系统升级了,不过只是改变了信号接入的方式,更方便管理,底层东西没有变,依然是叠加上去。
发表于 2009-11-3 20:53 | 显示全部楼层
楼主是不是混在JR或者东京交通局的呀。。。这么了解这方面的知识~~
发表于 2009-11-9 08:43 | 显示全部楼层
崇拜一级~~~~
发表于 2014-4-12 14:15 | 显示全部楼层
好深奥的文章
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