工程2（2016）380研究轨道交通-文章如何应对列车控制系统中村修二日本大学科学技术学院计算机工程系，日本千叶市船桥274-8501ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年6月30日收到修订表2016年8月19日2016年9月5日接受2016年9月21日在线发布保留字：列车控制系统铁路信号基于通信的列车控制系统列车自动防护和闭塞系统列车控制系统是铁路安全的保障。本文首先对日本和欧洲的典型列车控制系统进行了概述。在此基础上，作者提出了以下问题，对目前的列车控制系统：应该采取什么方法来提高列车控制系统的功能性，安全性和可靠性，并协助在铁路上的商业运营？接下来，作者提供了一个理想的体系结构，很可能有助于开发新的列车控制系统的基础上，目前的信息和通信技术。提出了一种新的统一列车控制系统（UTCS），它能有效地提高列车控制系统的鲁棒性和竞争力。UTCS的最终架构将仅由现场的转辙机和平交道口控制设备等基本元件组成。最后讨论了UTCS的处理方法。© 2016 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CCBY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍迄今为止，已经开发和引入了许多列车控制系统。虽然这种系统是根据国家的铁路要求和铁路线（它们是为这些国家和铁路线开发的）以及根据当时可用的技术而发明的，但是它们具有共同的基本架构。更具体地，这种系统由基本部件制造，包括用于控制在车站之间运行的列车的列车到列车间隔和单轨区段中的交通方向控制的闭塞系统、附属于闭塞系统的自动列车保护（ATP）系统以及用于在车站房屋中执行路线控制的联锁装置这些系统根据它们如何执行列车检测和如何实现ATP而有所不同然而，尽管这些系统的范围从只有自动报警系统（AWS）的低安全性系统到最先进的无线电列车控制系统（基于通信的列车控制（CBTC）系统），但它们的相同之处在于联锁设备负责在车站内运行的列车的路线控制和安全保证目前的列车控制系统，已经通过了康-如上所述的持续改进构成了由许多硬件设备和子系统组成的固体系统。关键问题是：为了提高列车控制系统的功能性、安全性和可靠性，并协助铁路的商业运营，应该采取什么方法？我没有坚持传统的体系结构，而是花了相当多的时间来思考理想的体系结构，这些体系结构可能有助于基于当前信息和通信技术开发新的列车控制系统。在这些体系结构中，我提出了一个新的统一列车控制系统（UTCS），其中所有的安全设备被视为设备的安全列车路径，使列车通过统一的处理通知一个可用的路径由一个共同的处理器放置在中心。下面描述UTCS的背景故事和优点。2. 日本列车控制系统的发展在日本电子邮件地址：nakamura. nihon-u.ac.jphttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.0152095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engH. 中村/工程2（2016）380381制动操作本身是自动化的，有一个系统，以防止由于司机的疏忽而发生火车事故。因此，日本的ATP系统的演变将调查与欧美ATP系统，以检查UTCS的要求。2.1. 从自动报警系统（AWS）到列车自动停车（ATS）在其早期，ATS开始开发AWS，旨在通过通知驾驶员停止信号来防止制动处理中的疏忽。1962年发生的三川岛列车相撞事故是一次大规模事故，事故原因是司机不仅闯停信号，还突破了安全线，导致脱轨、相邻线路受阻，造成160人伤亡。ATS就是为了防止此类事故而开发的。它从地面通知列车停止信号，以便使用警报声（铃声）提醒司机注意，并自动启动紧急制动，除非司机在5s内响应确认操作，而不管发出的警报声如何。该设备被称为S型ATS，可以被视为从AWS演变而来的功能最少的备份日本国家铁路（JNR）决定在所有铁路线上安装这种类型的ATS，并于1966年完成安装。虽然该装置大大减少了事故数量，但ATS远不是一个完美的系统，因为它仍然不能防止在确认操作后因制动延迟处理等原因而导致的事故。（注意，2.2. 运输部的指示和私营部门铁路1967年1月，在JNR报告在所有JNR线路上完成ATS安装的一年后，运输部（现为国土交通省）发布了一份通知（政府通知第11号），要求公共部门/私营部门铁路公司安装ATS系统。与JNR的S型ATS不同的是，这种ATS是在假设确认操作的情况下开发的，它由于这一通知，ATS又向前推进了一步，因为只要执行正常操作，就不会发出警报声，并且只有在速度检查的结果表明存在危险时才启动针对交通运输部的通报，公共部门/私营部门铁路公司根据各自的条件开发并采用了ATS系统。公共部门/私营部门铁路采用的速度检查类型的典型ATS如下[1]：(1) 速度是根据列车通过两个放置在地面上的接地线圈(2) 基于接地线圈信息选择连续速度检查模式，以便连续检查列车速度直到列车停止。(3) 对应于待检查的速度的调制信号被发送到轨道电路，并且对照列车速度进行检查。(4) 轨道电路电流根据待检速度瞬时中断一定时间，以检查运行速度。2.3. 能够提供列车性能的ATS虽然JNR在这种情况下，20世纪70年代初，JNR开始研究如何实现与私营铁路公司使用的ATS功能相同的ATS然而，最困难的任务是开发一种ATS系统，该系统可以普遍应用于从特快列车到货运列车的制动性能差异很大的铁路线，这些列车以高密度运行。相反，在公共部门/私营部门铁路的适用铁路线上运行的列车的制动性能几乎是相同的，因此即使基于统一的速度检查来控制列车也不会引起大问题。为了解决开发可应用于制动性能差异很大的列车同时运行的铁路线路的ATS这一难题，JNR决定提供到停车信号机的距离信息，而不是从地面进行速度控制。这是一个新颖的想法，因为通过对列车上的制动性能进行计数来生成根据距地面的距离信息的速度检查模式该系统被命名为P型ATS。由于P型ATS能根据制动性能产生速度检测模式，因此不仅能对每列列车实现最合理的速度检测，而且能避免不必要的制动。此外，由于P型ATS使用应答器，该应答器是能够双向发送多项数据的设备，因此它具有如下所列的三个使用P型ATS，可以：• 响应停止信号方面进行保护• 根据限速点通知列车信息进行控制;• 利用列车的通过/停止信息进行详细的平交道口控制此外，P型ATS中采用的概念--即，来自地面的控制信息被给予列车，就像关于简单的运行限制点的信息一样，从而可以通过对存储在列车上的数据进行计数来执行高效的列车控制--极大地影响了随后的列车控制，例如数字ATC。数字ATC和P型ATS的另一个优点是，即使在系统升级之前，如果列车速度提高的话。UTCS开发的一个关键因素是向列车传递什么信息，开发的UTCS需要在 P型ATS和数字ATC的2.4. 列车自动控制（ATC）的产生与发展ATS是一个以人为中心的系统，其中司机主要根据信号操纵列车，在危险情况下制动器被启动。在难以安装地面信号的地铁和新干线列车中，采用了ATC，其完全机械化制动控制以确保安全，而不将其委托给人类决定。第一ATC采用了这样的方法，其中通过车载天线接收流过轨道的速度信号（ATC信号），并且车载ATC装置然后将实际速度与速度信号值进行比较如果实际速度更高，则制动器是自动的。382H. 中村/工程2（2016）380通过电驱动使火车减速到规定的速度。因此，ATC作为一种机器主动系统，通过消除人为操作来解决由于人为错误而导致的安全问题。在ATC中，驾驶室内显示的是表示限速的ATC信号，而不是轨旁信号。ATC也被安装在地铁信号难以看到的区段和常规的高密度铁路线路上，并展示了高水平安全性。然而，由于该方法强制根据ATC信号执行速度检查，因此是不利的 因为需要增加新的信号来提高速度。结果，由于反复动作，例如制动器被致动、释放和再次致动，直到列车停止，乘客舒适度出现问题。作为这些问题的解决方案所采取的措施是通过应用P型ATS的概念来给出关于用于运行停止的限制区段的信息，而不是从地面发送速度信号以进行安全控制。如果根据列车的制动性能等在列车上生成速度检查模式由于这个原因，传输信息从地面传输到火车使用数字电报，导致系统被称为数字ATC。CBTC系统通过无线电波向列车发送控制电报，并从列车获取运行位置，于2011年10月以高级列车管理和通信系统（ATACS）的名称引入仙石线，并显示出稳定的运行[2]。ATACS建立了一个带有平交道口控制器的无线电闭环控制系统，以生成一个模式，仅在确认平交道口门已关闭且没有障碍物后才允许列车通过平交道口。该系统提高了安全性，并实现了关闭时间减少10秒。在考虑UTCS功能时，还需要探索关键挑战的智能解决方案，即检查接口信息和平交道口控制。图1显示了这些ATP系统在日本的演变。2.5. 欧洲列车控制系统的特点欧洲的典型列车控制系统包括法国的变速器语音机（TVM）（TVM-300和TVM-400）、德国的Linienzugbeeinflussung（LZB）和欧洲列车控制系统（ETCS），作为欧洲范围的规范。虽然这些系统在确保现代高速铁路的安全方面很重要，但TVM-300、TVM-400和ETCS（1级和2级）系统的安全控制逻辑是基于传统轨道电路的列车位置检测信息构建的。此外，作为TVM-430，其执行与一种平滑的速度检测模式是在TVM-300的基础上发展起来的，它执行阶梯式的速度检测，速度检测方法的主流方法是使用单一的速度检测模式。ETCS的自动列车保护功能还使用具有平滑速度限制模式的速度检查。表1列出了每个系统的功能。然而，对于日本诸如速度限制以及曲线段和坡度的铁路数据以及诸如列车制动性能的数据被存储在列车上，以在列车上生成合理的速度检查模式。相比之下，许多欧洲系统从地面接收数据，如制动曲线，以便通过车载逻辑实现ATP在考虑未来列车控制系统的形式时，这是需要进一步研究的问题之一，包括车辆倾摆控制和安全数据收集的性能的倾摆控制。3. 统一列车控制系统（UTCS）的建议3.1. UTCS提案的背景列车控制系统的基本功能是闭塞功能和联锁功能。除了路线安排的作用外，这两个功能的最重要任务是避免列车相撞和追尾等事故。因此，ATP的原理，如在图1.一、日本列车自动防护系统（ATP）的发展。AF：音频; ATACS：高级列车管理和通信系统; ATC：自动列车控制; ATS：自动列车停车; AWS：自动报警系统; CARAT：计算机和无线电辅助列车控制系统; JNR：日本国家铁路; MFS：多频移。H. 中村/工程2（2016）380383表1欧洲典型的ATP系统SNCF（1）SNCF（2）SNCF（3）德铁股份公司FSRenfe（法国）（法国）（法国）（德国）（意大利）（西班牙）产品名称TVM-300TVM-300TVM-430LZB-80BACC猫（巴黎-里昂）（陈奕迅）(LGV诺德）（LZB-80）备份鳄鱼--INDUSIASFA 200最大车速（km·h270300300250255270行车间隔（分钟）543353双向操作存在存在存在存在存在存在司机室指示灯存在--存在存在存在限速存在--存在存在存在过载保护无存在--存在无存在存在ATO无存在--存在无存在存在轨道电路绝缘无绝缘--无绝缘无绝缘无绝缘数据传输电码化轨道电路+barise- -环码轨道电路-代码1/18 1/18 27位最多83位1/9最多70位调制FM--FSK50/178 HZ（上午）FSK地面设备故障安全--2取22取2Code-MPU司机室设备故障安全故障安全电路故障安全电路Code-MPU2取3Code-MPU2取3 AM：调幅; ATO：列车自动驾驶; FM：调频; FSK：频移键控; MPU：微处理单元。前一节，已建立在排他性控制的基础上，以消除与另一列车的接触。 在各种ATP的机制中，积累了通过惨痛教训培养的技术--从车辆运输开始以来就通过事故吸取的教训。这一技术进步的历史代表了列车控制系统的现状，换句话说，复杂而完整的现代闭塞系统和联锁装置是以自下而上的方式经过反复改进而发展起来的。通常包括在许多设备中的过程在开发单个设备的过程中激增，而随着系统的发展，总有一天会消失的过程也被揭示出来。此外，为了解决问题，包括预防平交道口事故，一些系统应该进行根本性的和创新性的改变，以便有效。在现有的信号系统中，虽然列车控制是通过信号、标志和指示器传输的，但列车运行本身是基于关于路线和闭塞信号的信息以及根据诸如速度限制的补充其中，关于进路和闭塞信号的信息以与信号显示和ATC信号相同的信息格式传输到列车;因此，可以标准化处理基于这种思路，我提出了UTCSUTCS不仅包括路径分配处理，而且还包括路径分配所需的转辙机和平交道口控制功能。3.2. UTCS的体系结构图 2显示了UTCS的系统架构。UTCS是一个分层的列车控制系统，由位于中心的中央处理器（功能层）、位于现场的接口到设备单元（终端层）和用于它们之间的信息交换的传输单元（网络层）组成。在UTCS中，联锁设备、闭塞系统和ATP等设备的逻辑处理在功能层的中央处理器中聚合和因此，进程-放置在现场的传感器被消除。此外，由于UTCS中的流程被统一，因此目前在多个设备中包括的类似功能（例如列车跟踪功能）也被统一，并且逻辑可以被简化。3.3. UTCS流程在UTCS中，引入了列车“路径”（图3中标记为“授权路线”）的概念，路径是指为此，统一处理器的列车处理通过列车跟踪、路径搜索（或“路线搜索”）以及由路线搜索过程启动的控制过程来实现，当确定列车（图3中的列车k和列车j）的路径时，还生成具有路径中的附加速度限制信息的运行命令（授权命令k/j），并将其发送到终端层的相应终端设备路径搜索创建对列车运动方向上可能运行的极限点（路径）的搜索。然而，在站驻地的情况下，根据从功能层上的行驶控制装置（或“交通控制系统”）获取的预定行驶路径进行搜索此时的路径以运行路径的终端为基础，由可能的先行列车之间和尾部位置的转辙机状态（包括安全裕度）决定。另一方面，在车站之间的中间点的情况下，前一列车的尾部位置或现有平交道口的状态（在图3中标记为“状态”）与路径的确定相关联。如果平交道口由相关列车控制并且状态指示“允许通过”，这意味着虽然车载设备负责车载安全处理，但根据模式进行连续的速度检查，384H. 中村/工程2（2016）380图二、统一列车控制系统（UTCS）的架构。图三. UTCS流程的概述。CBTC：基于通信的列车控制。在火车上，无论如何。此外，在CBTC的情况下，可以通过在列车上安装终端设备来实现高级速度检查功能，而不是在地面上提供ATP4. 负责网络层在UTCS的实现中，网络层起着重要的作用。互联网协议（IP）网络被用作UTCS的网络。IP网络的性能要求因使用的铁路段而由于需要在高密度铁路区段中以快速和高度可靠的方式保证信息传输时间段，因此需要专门为列车控制设计的性能集中的网络另一方面，对于低密度铁路段，在控制引入和维护成本的同时需要高可靠性，因此有必要考虑使用以成本为中心的通用网络。此外，即使在高密度铁路区段和低密度的铁路路段连接，由于IP网络之间的连接，可以轻松连接。4.1. 一种适用于高密度铁路线路的一种用于高密度铁路线路的IP网络，通过光线路将专为列车控制开发的传输节点环连然后，每个设备和传输节点通过以太网线路连接该IP网络还可以保证传输节点之间的通信时间和在等于或小于中继时间段的1/10的短时间段内的最长通信时间结果，每个设备可以实现具有等于或高于中继接口的响应性的处理，而无需意识到设备到设备的物理距离。虽然IP网络基本上是以单一配置的形式构建的，但是可以冗余地配置两个或更多个IP网络，以便增强可用性因素。由于各个IP网络完全相互独立，形成并行双配置，中央处理器和H. 中村/工程2（2016）380385终端设备可以自由地选择用于通信的路由。由于IP网络的可用性因素与系统可用性因素直接相关，因此还必须注意可靠性。传输节点的硬件正在开发中，遵循信号局域网（LAN）技术，该技术实际上已用于许多系统，包括东海道新干线列车。4.2. 地方铁路由于引入和维护成本在当地铁路线段很重要，例如，手机线路可以用作IP网络。虽然手机线路可以降低高的电缆布线成本、设施成本和维护成本，但是必须考虑不能保证的通信时间的约束以及通信成本。当在当地铁路使用手机线路时，连续通信变得困难。然而，即使与中心执行信息交换的点被限制在单个线路区段中的车站房屋的邻居，也可以实现具有超出当前水平的功能的列车控制系统。这一点已通过列车自动保护和闭塞（ATPB）系统的开发得到证明[3]。5. UTCS作为一个先进的系统UTCS不仅可以低成本实现CBTC，而且可以以简单的方式实现现有的信号系统，如数字ATC。因此，在UTCS下暂时实现数字ATC，然后有一天切换到CBTC的先进策略是可行的。5.1. UTCS实现数字ATC向基于通信的列车控制（CBTC）的到目前为止，为了实现数字ATC，需要在现场准备机房，在机房中配备大型数字ATC地面设备，并通过网络连接机房。为了随后将数字ATC发展为CBTC，CBTC的逻辑单元将单独安装，并通过无线电波与车载设备如果是这种情况，大多数数字ATC地面设备（包括机房的逻辑单元）和联锁设备（包括数字ATC的接口）将被淘汰。另一方面，对于考虑到未来向CBTC过渡的设计，将具有模式化安全控制处理功能的车载设备标准化是适当换句话说，这样的车载设备可以通常用于处理数据，无论是来自电力接收器的数字ATC电报还是来自车载无线电设备的电报相反，在UTCS的情况下，作为中央处理器在中心处的统一处理的结果，生成用于列车的运行命令。如果在UTCS下实现数字化ATC，ATC终端单元应根据中央处理器下发的列车运行命令放大ATC电报并传送到轨道电路，同时进行列车位置检测。为了在这些条件下从数字ATC向CBTC的未来过渡，连接到IP网络的地面无线电单元将通过安装在列车上的终端设备与车载设备进行无线电通信，并将发送和接收来自功能层的运行命令和列车位置信息因此，终端单元除了ATC终端单元之外，将被淘汰的仅限于每个轨道电路的放大器（AMP）和列车检测（TD）。5.2. 采用统一贸易控制制度的影响由于UTCS允许大量设备的减少，因此不仅可以降低列车控制系统所需的设备成本和运行成本，而且还可以提高可维护性、可靠性和安全性由于逻辑单元的集合虽然可以在UTCS下保持当前信号保护设备的控制配置，但是通过将终端设备放置在列车上，向例如CBTC的转换变得容易由UTCS实现的CBTC是一个在线路轨旁没有基站控制设备的系统，因此基站控制器之间的列车切换（切换处理）变得不必要。简而言之，UTCS也可作为引入下一代CBTC的策略，并可获得CBTC的全部优势。例如，为了实现在现有信号体制下既能在轨道上运行又能在公路上运行的双模式车辆（DMV）和轨道客车的概念，需要通过轮轴夹轨的方式将UTCS与轨道电路方法相协调。此外，为了实现可在新干线和传统铁路线上自由行驶的自由轨距列车，也必须通过轨道电路进行稳定的列车检测UTCS成为一个不依赖于轨道电路的安全系统，同时消除了这些限制，并允许对DMV和轨道客车进行实际讨论。此外，为了提高使用现行信号系统的行车密度和行车速度，需要划分区间、增加信号显示、改变显示系统、改变平交道口控制器的位置等但是，以目前的状况，这种提高是不可能的，这对提高铁路与汽车运输等的竞争力构成了障碍。幸运的是，基于列车的位置检测和不依赖轨道电路的机车信号的实现，以及平交道口的无线电控制，将同时消除这些困难，导致自由提高速度和运行密度，并且将容易地实现交通系统的性能增强。由于UTCS在列车上实现了自动化，因此它包括车载连续位置检测作为一个基本要素。通过使用这种基本技术，商用车辆的轨道诊断信息收集成为可能，为现代化的维护工作开辟了道路[4，5]。与现有的列车控制系统相比，UTCS减少了现场设施;例如，取消了车站内的此外，接口减少是先进的，如块系统和ATP的集成和消除组件之间的接口单元，如信号设备和ATP。这样的设备此外，由于降低了接口处人为错误导致故障的概率，因此预期具有安全优势。因此，UTCS将有助于铁路系统的稳健性。UTCS的最终架构将仅由现场的转辙机和平交道口控制装置等基本元件组成。这种方法是总结-386H. 中村/工程2（2016）380在“基本控制”的概念下应用这一概念将有助于提高可靠性、安全性和可维护性，并能够以低成本建造铁路系统。6. 结论本文提出了一种新的列车控制系统UTCS，它采用功能层、网络层和终端层的分层结构来实现列车控制系统，并讨论了其处理方法。已经证明，现有的信号系统可以灵活地演变成理想的CBTC，没有一个基点控制器。虽然CBTC将以最小系统的形式为地方铁路线启动ATP闭塞系统，但为了证明其优势，我将努力尽快实现这一提议，因为它将有效提高铁路系统的鲁棒性和竞争力。ATP闭塞系统是实现基本控制概念的一个很好的例子确认本文作者对京山电机制造株式会社和日本大学的工作人员共同开发和研究UTCS表示感谢。引用[1] 秋田K编辑铁路信号。东京：日本铁道电气工程协会; 2015. 日本人[2] 山崎I内田D.开始使用ATACS平交道口控制功能。JREA 2015;58（8）：22-5。日本人[3] 中村湾“ATP Block系统”测试完成通知京山集团cular 2015;66（1）：8-9. 日本人[4] [10]张文辉，张文辉，张文辉.探测列车上信号设备的车载测量方法。In：AllanJ ， Brebbia CA ， Rumsey AF ， Scuitto G ， Sone S， Goodman CJ ， editorsComputers in Railways X ： Computer System Design and Operation inRailway and Other Transit Systems.Ashurst：WIT Press; 2006. p. 945 - 54。[5] 中村湾 日本信号系统的进步和下一代列车控制系统的展望[报告]。第三届亚太控制指挥和信号（CCS）研讨会; 2014年10月22日至23日;日本东京。2014.
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