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关于高速列车你知多少(七)
    时间:2011-10-16     点击率:30304

 

关于高速列车你知多少(七)




        现在来谈谈高速列车的运行控制问题。
        汽车追尾事故,并不少见。然而,我们极少听到高速列车追尾事故的消息,(今年的温州动车组追尾事故确是个特别的事件!),那么,秘密在哪里呢?
        原因在于,火车是在轨道上行驶的,铁路从一开始就有一套保障行车安全的设备和措施,这就是铁路信号系统。铁路信号系统用规定的信号显示来指示司机行车,铁路信号系统靠闭塞方法保证列车安全。
        所谓闭塞, 就是将一段线路(区间)封闭起来,暂时不允许其他列车进入。闭塞的方法有时间间隔法和空间间隔法。
        铁路诞生初期,为了不让前后列车发生追尾事故,人们首先想到的是用时间间隔法来保证行车安全,即前一列列车开出车站进入区间后,等待一定时间——如等待10分钟后,再向该区间发出下一次列车。这个方法看似合理,其实却潜藏着很大的安全隐患。例如,前面的列车因某种原因中途停车或者是晚点运行了,后面的列车就很容易追尾。事实上,当时也确实发生过不少的列车追尾事故。



    图1   时间间隔法示意图


        1842年,英国人库克提出了空间间隔法,即让列车间保持一定空间距离的运行方法。这个想法与人们驾驶汽车相似,汽车司机通过目视,与前车保持一定的距离而不至于追尾。不过,由于列车制动距离太长而人的视觉范围有限,火车司机不可能像汽车司机一样通过目视来保证与前面列车的距离。于是,人们把一条完整的线路分成若干个适当长度的区间,每个区间称为一个闭塞区间或一个闭塞分区。假如某列列车进入了某个闭塞区间,那么该区间就被占用,不会再允许其他列车进入该区间了。换言之,同一时间、同一闭塞区间内决不允许有两列以上的列车存在一一这是保证列车安全运行最可靠的基本原则!
        空间间隔法分为基本闭塞法和代用闭塞法。基本闭塞法采用自动闭塞、半自动闭塞两种,代用闭塞法采用电话闭塞法。
        但是,如何才能知道某个闭塞区间是否已被占用了呢?这个问题是靠轨道电路来解决的,如图2所示。我们知道,钢轨是可以导电的,将一段一段闭塞区间的钢轨彼此绝缘,然后利用闭塞区间内的左右两根钢轨就可以构成一个独立的电气回路,这个回路就称为轨道电路。信号电流在轨道电路上流动,一旦有列车进入闭塞区间,信号电流就被车轮和车轴短路,该闭塞区间列车的后方就形成无电流的状态,设在闭塞区间的入口处的常闭的继电器断开,与继电器相连的信号灯即显示红灯,向后续列车司机昭示:这个闭塞区间已被占用了,严禁进入该区间!这只是最简单的直流轨道电路的原理。



   
 图2   空间间隔法的基本轨道电路原理图


        读者可能会想,万一因为某种原因,轨道出现破损、继电器甚至信号的电源出现故障,那常闭的继电器不同样会断开,后面的列车不也进入不了该区间了吗?的确如此,虽然系统一时做出了该区间有列车的误判,但这样的误判不会影响列车运行的安全!就是说,即便出现故障,宁可影响行车,也不能影响安全。
        由图3我们来看一下闭塞技术与三显示信号机是如何协调工作的。如果某一闭塞区间已被某一先行列车占用,其区间入口处的信号机显示红灯(停车信号),告诉司机:你驾驶的列车必须得在此信号机前停车!与被占用闭塞区间相邻的闭塞区间入口处的信号机显示黄灯(警惕信号),提醒司机需要提高警惕,小心驾驶,因为下一个信号机显示的是红灯。与黄灯显示相邻的闭塞区间入口处的信号机显示绿灯(行车信号),告诉司机可以放心进入下一闭塞区间。这里举的是三显示信号方式,在实际应用中,还有2显示,4显示,7显示等多种方式。
 


   
 图3   三显示自动显示闭塞原理图


        高速铁路的列车运行控制
        前面说的是对普通铁路列车运行的控制,它把信号灯安装在各个闭塞区间的入口处,通过信号灯信号向司机发出下一区间是否可进入的指令。但对高速铁路来说,即使设置了信号灯也没有实际的意义。试想,如果高速铁路的闭塞区间长度约为1.2-1.5公里,当列车以时速200公里通过一个1.2公里长的闭塞区间时,通过时间还不到22秒! 如果司机依靠地面信号驾驶,那每隔20秒左右就需确认一次信号,实在太辛苦了,而且信号灯是一闪而过,司机极容易辨认错误。因此,为了减轻司机负担和防止司机失误,高速铁路在列车从最高速度到停车之间划分为若干中间速度信号,并把这些中间速度分配给相应的闭塞区间,然后通过地面设备将信号命令传送到车上,并将信号直接显示在司机驾驶台上以控制列车的速度。
        图4就是以日本新干线的ATC系统为例,来看看高速列车控制系统是如何保证列车行车安全的。(ATC为英文Automatic Traim Control的缩写,意为“列车自动控制”)



    图4   新干线列车阶梯式速度控制图


        新干线列车的最高运营速度为270公里/小时。 如图4中所示,假如前方列车(前车)已进入闭塞区间1,后方列车(后车)正位于闭塞区间8外,我们来看ATC系统是如何控制后方列车速度的。
        首先,ATC系统需要知道前方列车目前所在的位置,即占用着哪个区间,这通过前面讲到的轨道电路来实现。新干线采用有绝缘音频(AF)轨道电路,信号电流从轨道电路发送端发出,由于闭塞区间l被先行列车占用,因此,信号电流被车轴和车轮短路,轨道电路受电端的接收器就无法收到信号电流了,这样,ATC地面装置就检测出区间1已被占用了。地面设备检测到列车的位置后,根据与前方列车或者速度限制区的距离,从既定的速度信号中选出合适的信号数值,赋予后续的闭塞区间。在本例中,先行列车后面的闭塞区间2至9的速度信号依次为30,120,170,170,230,230,270,270。如闭塞区间6的速度信号为230,意思就是,该区间的限制速度为230公里/小时。
        后续列车只要进入某一闭塞区间的入口,车头下边的感应器与钢轨内信号电流通过电磁感应,就在车上检测出地面信号电流传输的信息,其中包含了该区间的限制速度信息,检测出的限制速度信息会显示在司机台上。假如后续列车进入闭塞区间6,车载信号就会显示当前限制速度为230公里/小时,如果此时列车实际速度超过230公里川、时,列车制动装置就会自动介入,让列车减速,当实际速度低于230公里/小时的限制速度后,制动装置将自动缓解。列车进入前方5、4、3闭塞区间时的动作与此完全相同。
        当列车进入闭塞区间2,速度自动减速到30公里/小时,此时司机才有机会介入制动操作。司机按下确认按钮,于是制动缓解,列车以低于30公里/小时的速度继续前行,列车前行到距离先行列车闭塞区间入口处150米的P点时,地面装置向列车发出制动命令,制动装置自动动作使列车停车。万一司机忘记了按下确认按钮呢?不用担心,这种情况下ATC装置会认为司机出现了意外情况,制动作用会直到列车停车为止。
        可以看出,后方列车速度的变化,就像下阶梯式的逐级降低,直至停车为止——这就是阶梯式速度控制模式的由来。
        ATC方式为新干线的安全运行做出了不可磨灭的贡献,迄今为止从未发生过一起乘客伤亡事故。但阶梯式速度控制模式也有一些令人遗憾的地方。
    ——由于后方列车的制动减速是呈阶梯状的,制动系统需要多次重复制动和缓解,而且列车控制系统不调节制动力的大小,列车减速度变化大,这两个原因将导致乘坐舒适性差。
    ——闭塞分区的限制速度,只能按性能最差的列车制动距离来设定限速,这对性能好的列车来说是个遗憾,影响其性能的发挥,使其运行时间延长。
    ——阶梯式速度控制增加了列车追踪的间隔,限制了列车运输效率的进一步提高。
    21世纪初开发推出了新的“目标一距离模式曲线防护” 高速列车控制系统,并将这种新的系统称为“数字ATC”,如图5所示。



    图5 目标一距离模式曲线控制示意图


        这种控制方式是如何实现的呢?
        首先,后方列车实时计算出自己所处位置距前方目标点的距离,所谓目标点是指限速点、前方列车或其他障碍点。这个距离是这样算出来的:ATC地面控制中心通过数字轨道电路将前车和后车所在位置向车上发送,轨道电路向车上发送的信息包括闭塞分区(轨道电路)编号、前方开通闭塞分区数和临时限速等。这样,后车就可以计算出自己距离目标点的距离了。
        其次,后车根据预先存储在车载计算机里的线路条件(曲线半径、坡度等参数)、列车性能参数以及距离目标点的距离,计算出反映列车允许速度与目标点距离之间的关系曲线,即一次性制动曲线,获取列车当前的允许速度,来监督列车运行。
        从目标一距离模式曲线控制示意图中我们可以直观地看出,后方列车的制动减速不再是呈阶梯式的下降了,而是一条平滑的一次性制动曲线,成功地克服了阶梯式速度控制模式下诸多不足之处。
        以上只是对普通列车和高速列车的运行控制作了一般原理的介绍,实际上各国具体使用的控制系统不尽相同。法国高速列车控制系统也是从阶梯式速度控制模式开始的,称为TVM300系统。后来开始使用新一代的TVM430分级曲线速度控制系统。德国LZB高速列车控系统不用轨道电路,而是用铺设于两根钢轨之间的交叉电缆环线来实现列车定位和车地之间的双向通信。我国京津城际高铁使用的是采用有源应答器实现列车与地面的通信的CTCS-3D列车运行控制系统。详细情况不在此一一介绍了。读者可以阅读《漫话高速列车》一书得到更丰富的内容。


    (连载完,文驹根据杨中平的《漫谈高速列车》一书摘编)