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城市轨道交通第7章信号系统

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信号系统( 第七章 信号系统(ATC) ) Automatic Train Control
第一节 概述 第二节 信号系统的轨旁基础设施 第三节 ATC的系统结构和基本功能 的系统结构和基本功能

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第一节 概述
一、城市轨道交通信号的作用
1、用于指挥和控制列车运行,保证行车安全。 用于指挥和控制列车运行,保证行车安全。 尽管其投资额在整个工程中所占的比例甚低( 尽管其投资额在整个工程中所占的比例甚低(通 常在3 以下),但对于提高列车通过能力、 ),但对于提高列车通过能力 常在 %以下),但对于提高列车通过能力、提高 运能、保证行车安全却有着至关重要的作用。 运能、保证行车安全却有着至关重要的作用。

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2、提高运行效率
单线自动闭塞系统,在组织追踪运行的条件下, 单线自动闭塞系统,在组织追踪运行的条件下, 可提高通过能力25%-30%; 可提高通过能力 ; 复线自动闭塞系统,可提高通过能力1-2倍 复线自动闭塞系统,可提高通过能力 倍; 采用ATS(自动监控)子系统,在不增加车站到发 采用 (自动监控)子系统, 线的情况下,可提高通过能力12%-24%; 线的情况下,可提高通过能力12%-24%;

3、是现代化信息技术综合应用的集中体现
自动控制技术——车载信号、超速防护、定位停车 车载信号、超速防护、 自动控制技术 车载信号 计算机技术 数据通信技术——数字编码轨道电路、无线通信 数字编码轨道电路、 数据通信技术 数字编码轨道电路

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二、城市轨道交通信号的特点
1、车载信号是“主体信号” 车载信号是“主体信号” 城市轨道交通线路短、站间距小、运营密度大、 城市轨道交通线路短、站间距小、运营密度大、运营 线路条件差(隧道、弯道多), ),不能完全套用大铁路 线路条件差(隧道、弯道多),不能完全套用大铁路 信号的概念、设施和手段; 信号的概念、设施和手段;信号系统要根据这些特点 加以改进、更新和发展。 加以改进、更新和发展。 除正线道岔外,一般不设地面信号机。 除正线道岔外,一般不设地面信号机。 2、车载信号的内容是具体的目标速度或目标距离 目标速度:列车进入某一区段时, 目标速度:列车进入某一区段时,接受到列车离开该 区段时的控制速度; 区段时的控制速度;速度等级根据与先行列车之间的 距离来设定。 距离来设定。 目标距离:该区段的长度。 目标距离:该区段的长度。

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3、自动调整列车运行间隔,实现超速防护 自动调整列车运行间隔, 正线列车运行的最小时间间隔, 正线列车运行的最小时间间隔,可达到 1.5-2min; ; 如果列车“晚点”,ATC系统可通过缩 如果列车“晚点” 系统可通过缩 短列车在站时间或提高列车在区间的运 行速度等级来自动完成调整。 行速度等级来自动完成调整。 CBTC(基于无线通信的列车运行自动控 ( 制系统) 制系统)可实现车地信息交换不间断进 行。 当列车速度超过目标速度时,车载ATP 当列车速度超过目标速度时,车载 子系统自动启动超速防护, 子系统自动启动超速防护,确保列车安 高速运行。 全、高速运行。

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第二节 信号子系统的轨旁基础设备
一、轨道交通信号的组成
轨道交通信号是

“信号(显示)、 联锁、闭塞”的总称。 的总称。

是由各类信号显示、轨道电路、 是由各类信号显示、轨道电路、道岔转 辙装置等主体设备及其他有关附属设施 构成的一个完整的体系。 构成的一个完整的体系。

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1、信号(显示) 信号(显示) (1)早期信号
信号的起源也来源于英国。 信号的起源也来源于英国。最早的列车指挥 是由一位带绅士礼帽、 是由一位带绅士礼帽、穿黑大衣和白裤子的 铁路员工骑马在前引导运行的, 铁路员工骑马在前引导运行的,他边跑边以 各种手势发出信号指挥列车的前进和停止。 各种手势发出信号指挥列车的前进和停止。 显而见之, 显而见之,随着列车数量的增加和列车速度 超过马速度的情况下, 超过马速度的情况下,这种信号就不起作用 了。

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a、臂板信号的出现 、
为了确保安全, 为了确保安全,人们开始研究固定的信号 设备:用一块长方形的板子, 设备:用一块长方形的板子,横向线路是 停车信号,顺向线路是进行信号。 停车信号,顺向线路是进行信号。可是顺 向线路的板子实际上很难看见, 向线路的板子实际上很难看见,所以又在 顶端加块圆板。当必须在晚间开车时, 顶端加块圆板。当必须在晚间开车时,就 以红色灯光表示停车信号, 以红色灯光表示停车信号,白色灯光表示 进行信号。 进行信号。 1841年英国人戈里高利提出用长方形臂板 1841年英国人戈里高利提出用长方形臂板 作为信号显示,装设在伦敦桥车站, 作为信号显示,装设在伦敦桥车站,这是 铁路上首次使用的臂板式信号机。 铁路上首次使用的臂板式信号机。

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臂 板 信 号 机

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巴黎地铁的壁板信号

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b、色灯信号机:二显示和三显示 色灯信号机:

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(2)车载信号 )
如果有办法可以将地面信号传递给机车, 如果有办法可以将地面信号传递给机车,在司 机操作台上显示,这就是车载信号。 机操作台上显示,这就是车载信号。对于线路 条件不好、 条件不好、气候条件不好的情况下机车信号的 作用是不可估量的。 作用是不可估量的。 在轨道交通线路中,由于站间距小 站间距小、 在轨道交通线路中,由于站间距小、运营线路 条件差,仅仅靠车载信号显示、 条件差,仅仅靠车载信号显示、由司机来控制 机车是很难做到大密度运营的。 机车是很难做到大密度运营的。 较为先进的轨道交通系统已摈弃“ 较为先进的轨道交通系统已摈弃“用信号显示 来指挥列车”的旧有概念了,引进了系统, 来指挥列车”的旧有概念了,引进了系统,操 作台上显示的是反映列车运营的状态。 作台上显示的是反映列车运营的状态。

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2、闭塞概念的提出 、
轨道交通的安全问题是至关重要的。 轨道交通的安全问题是至关重要的。 安全问题是至关重要的 确定列车在线路的确切位置是保证安全的关键。 确切位置是保证安全的关键 确定列车在线路的确切位置是保证安全的关键。 最简单的方法是划分一定长度的“ 最简单的方法是划分一定长度的“区段”,在此区 段内只容许一列车占有(运行、停放)。 )。这就是 段内只容许一列车占有(运行、停放)。这就是 闭塞”概念——为保证行车安全 为保证行车安全, “闭塞”概念——为保证行车安全,而将列车正在 运行、停放的线路区段予以“封闭” 运行、停放的线路区段予以“封闭”,不允许其他 列车进入此区段,以防止对向列车、后续列车的正 列车进入此区段,以防止对向列车、 面冲突或追尾事故的发生。 面冲突或追尾事故的发生。

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(1)闭塞区段的划分 )
早期阶段, 早期阶段,闭塞区段均 作为划分依据; 以车站作为划分依据;
以车站值班员“眼见为实” 作为判断标准; 以车站值班员“眼见为实” 作为判断标准; 以站间电报、 以站间电报、电话多次确定作为允许列车通行的先决 条件; 条件; 以各种形式的信号指挥列车运行。 以各种形式的信号指挥列车运行。——人工闭塞 人工闭塞

随着轨道电路的发展、完善,闭塞区段逐渐改为 随着轨道电路的发展、完善, 轨道电路作为闭塞区段 作为闭塞区段。 以轨道电路作为闭塞区段。 城市轨道交通的闭塞则开始取消固定“闭塞区段” 城市轨道交通的闭塞则开始取消固定“闭塞区段” 的概念,从固定闭塞向移动闭塞方向发展。 移动闭塞方向发展 的概念,从固定闭塞向移动闭塞方向发展。

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人工闭塞的实现
采用路签或路牌作 为列车占用区段的凭证, 由接车站值班员检查区 间是否空闲。单路签闭 塞是早期使用的一种人 工闭塞方式,后来发展 为电话、电报人工闭塞。

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人工闭塞
——人工开启信号,关闭信号,依靠路 签、路牌、路票或电话、电报使用线路

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(2)轨道电路的出现 )
钢轨是导体,左右两根钢轨可以用来形成回路, 钢轨是导体,左右两根钢轨可以用来形成回路, 组成电路,用来检查列车占用钢轨线路状态, 组成电路,用来检查列车占用钢轨线路状态, 这就是轨道电路。 这就是轨道电路。 作用:检测列车是否占用区段; 作用:检测列车是否占用区段;通过轨道电路 向列车传递实时信息。 向列车传递实时信息。 它的出现代表铁路自动信号的诞生。 它的出现代表铁路自动信号的诞生。美国人鲁 宾逊1870年发明了开路式轨道电路,1872年研 年发明了开路式轨道电路, 宾逊 年发明了开路式轨道电路 年研 制成功了闭路式轨道电路。 制成功了闭路式轨道电路。但真正实际应用于 轨道交通中是二十世纪三十年代的事。 轨道交通中是二十世纪三十年代的事。 分为有绝缘接头的轨道电路和无绝缘轨道电路

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A、有绝缘接头的轨道电路 、

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工作原理 没有列车进入的轨道电路

中继变压器 变压器

发送端 轨道继电器

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没有列车进入的GJ动作 没有列车进入的 动作

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没有列车进入的轨道电路

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列车进入后的轨道电路

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列车进入的GJ动作 列车进入的 动作

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列车进入后的轨道电路

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半自动闭塞
——人工开启信号,列车经过后,自动关闭信号的闭塞 方式 ——在进站和出站处各安装一个轨道电路,就可实现半 自动闭塞。

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自动闭塞
如果全线分段都铺设轨道电路, 如果全线分段都铺设轨道电路,每段轨道电路 前都架设信号机,在列车占有该轨道电路线路, 前都架设信号机,在列车占有该轨道电路线路, 信号自动显示红灯; 信号自动显示红灯;前一段线路信号自动显示 黄灯;再前一段线路信号自动显示绿灯。 黄灯;再前一段线路信号自动显示绿灯。 闭塞区段则突破了“车站”的限制,1.3 km一 闭塞区段则突破了“车站”的限制, 一 段轨道电路,理论上可以同时有三列车。 段轨道电路,理论上可以同时有三列车。

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自动闭塞

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有绝缘接头轨道电路的缺点
有绝缘轨道电路其优点是传输距离长、信息量 大。但随着无缝线路的出现,有绝缘轨道电路在 运营中其轨端绝缘节是最薄弱的环节,故障率比 较高,逐步暴露出其在自动闭塞系统中的不适应 性,因此需要将有绝缘轨道电路进行无绝缘改造。

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B、无绝缘轨道电路 、

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无绝缘轨道电路示意

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无绝缘轨道电路示意

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无绝缘轨道电路示意
轨道电路中再并联一个同样的电路则可以在 这个电路中产生振荡信号,这就是接收端。 这个电路中产生振荡信号,这就是接收端。

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无绝缘轨道电路示意
列车进入则产生短路(车轴短路),振荡信号 列车进入则产生短路(车轴短路),振荡信号 ), 消失,发出另一种信号。 消失,发出另一种信号。 在相连的轨道电路中, 在相连的轨道电路中,使用不同的信号加以区 分,可以不互相干扰。 可以不互相干扰。 可以区分不同的轨道交通线路区段, 可以区分不同的轨道交通线路区段,进而可以 将控制信息通过轨道电路传送到机车上。 将控制信息通过轨道电路传送到机车上。

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无绝缘轨道电路的应用

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实际使用的无 绝缘轨道电路 的电气绝缘设 备:S-Bond S形连接线 形连接线

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3、联锁的概念 、
联锁的概念是在线路中引进了道岔、 联锁的概念是在线路中引进了道岔、线路*面由 一维”变为“两维”后产生的。 “一维”变为“两维”后产生的。 为了确定车辆在线路*面中的位置, 为了确定车辆在线路*面中的位置,必须首先确 定列车走那条线路,既确定“进路” 定列车走那条线路,既确定“进路”; 要让列车可以进入这条线路, 要让列车可以进入这条线路,则必须扳动相关的 道岔; 道岔; 扳动道岔后,不能让其他人再扳动这组道岔, 扳动道岔后,不能让其他人再扳动这组道岔,则 必须“锁定”道岔。 必须“锁定”道岔。 要让司机知道走这条道,则相应给出明确的信号; 要让司机知道走这条道,则相应给出明确的信号;

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联锁示意---联锁示意
走直道时的信号显示

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联锁定义
“联锁”—— 是指为保证行车安全,而将轨道交 联锁” 是指为保证行车安全, 联锁 通线路中的所有信号机、 通线路中的所有信号机、轨道电路及道岔等相 对独立的信号设备构成一种相互制约、 对独立的信号设备构成一种相互制约、互为控 制的连带环扣关系, 联锁”关系。 制的连带环扣关系,即“联锁”关系。

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微机联锁
利用微型电子计算机对车站值班员的操作 命令及现场设备表示信息进行逻辑计算, 命令及现场设备表示信息进行逻辑计算,以实 现对信号机、 现对信号机、轨道电路及道岔转辙机等设备进 行集中控制的车站联锁设备。 行集中控制的车站联锁设备。

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微 机 联 锁

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第三节 ATC系统结构和基本功能 系统结构和基本功能
一、系统组成 列车自动控制(ATC)系统。—— 列车自动控制(ATC)系统。 Automatic Train Control
列车自动防护(ATP)子系统—— Automatic 列车自动防护(ATP)子系统 Train Protection; 列车自动监控(ATS)子系统——Automatic 列车自动监控(ATS)子系统 Automatic Train Supervision ; 列车自动运行(ATO)子系统—— Automatic 列车自动运行(ATO)子系统 Train Operation:

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ATC系统的定义 二、ATC系统的定义
根据与先行列车之间的距离和进路条件,在车 根据与先行列车之间的距离和进路条件, 内连续地显示出容许的速度信息, 内连续地显示出容许的速度信息,或按设定的运 行条件达到该容许速度的距离信息, 行条件达到该容许速度的距离信息,根据上述信 列车自动地控制运行速度, 息,列车自动地控制运行速度,进行超速

防护,以达到自动调整行车间隔的目的, 防护,以达到自动调整行车间隔的目的, 并实现列车在车站的程序定位停车。 并实现列车在车站的程序定位停车。

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ATC系统的设备 三、ATC系统的设备
ATC 系 统 的 设 备 分 布 于 控 制 中 心 (central control )、车站信号 设备 室及轨旁(wayside) 车载(Vehicle) 室及轨旁(wayside)、车载(Vehicle)。
指挥列车运行的控制中心,设有作为ATC ATC系统中枢的 指挥列车运行的控制中心,设有作为ATC系统中枢的 系统控制服务器及其用于调度控制的工作站; 系统控制服务器及其用于调度控制的工作站; 现场的列车在线信息, 车次号信息以及道岔、 现场的列车在线信息 , 车次号信息以及道岔 、 信号 状态信息等, 传送至控制中心, 状态信息等 , 传送至控制中心 , 通过显示屏及调度 员工作站的CRT显示。 CRT显示 员工作站的CRT显示。 列车上车载设备, 列车上车载设备 , 接收并解译地面送来的调度指令 ATP速度命令或距离信息 实现列车的自动运行; 速度命令或距离信息, 和ATP速度命令或距离信息,实现列车的自动运行; 并将列车的运行状态和设备状态信息, 并将列车的运行状态和设备状态信息 , 经车站服务 器传送给控制中心。 器传送给控制中心。

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四、ATO
ATO子系统主要用于实现“地对车控制”,即 子系统主要用于实现“地对车控制” 子系统主要用于实现 用地面信息实现对列车驱动、制动的控制。 用地面信息实现对列车驱动、制动的控制。由 于使用ATO子系统后,可以使列车经常处于最 子系统后, 于使用 子系统后 佳运行状态,避免了不必要的、 佳运行状态,避免了不必要的、过于剧烈的加 速和减速,因此明显提高了旅客的舒适度, 速和减速,因此明显提高了旅客的舒适度,提 高列车准点率及减少轮轨磨损, 高列车准点率及减少轮轨磨损,与列车的再生 制动相配合,可以节省电能的消耗。 制动相配合,可以节省电能的消耗。

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五、ATS
ATS子系统主要是实现对列车运行的监督 子系统主要是实现对列车运行的监督 和控制, 和控制,辅助行车调度人员对全线列车运 行进行管理。 行进行管理。它给行车调度人员显示出全 线列车的运行状态, 线列车的运行状态,监督和记录运行图的 执行情况, 执行情况,在列车因故偏离运行图时及时 做出反应( 做出反应(提出调整建议或者自动修整运 行图,通过ATO的接口,向旅客提供运行信 的接口, 行图,通过 的接口 息通报。例如:列车到达、出发时间, 息通报。例如:列车到达、出发时间,运 行方向,中途停靠站名……)。 行方向,中途停靠站名 )。

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六、ATP
ATP子系统是安全地实现地铁列车高密度高速 子系统是安全地实现地铁列车高密度高速 度运行所必备的车上信号设备,也是ATC系统 度运行所必备的车上信号设备,也是 系统 的核心。 的核心。 轨旁ATP发送和接收各种行车命令,确保列车 发送和接收各种行车命令, 轨旁 发送和接收各种行车命令 的运行安全,完成列车运行进路控制、速度控 的运行安全,完成列车运行进路控制、 制和实现列车间隔控制,车载ATP接受轨旁 制和实现列车间隔控制,车载 接受轨旁 ATP设备传递的指令信息,进行列车运行的超 设备传递的指令信息, 设备传递的指令信息 速防护, 配合, 速防护,与ATO配合,实现列车的自动控制和 配合 定位停车。 定位停车。

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中央控制计 算机

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车载ATC 列车地面通信系统 车载

TWC:列车与地面信息交换系统 :

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七、传送控制信号方式
目前我国已建成的地铁、轻轨,基 本上都采用轨道电路向车传递控制信息 的方式。 除采用钢轨或设环线来连续地传递 信息外,也可以通过设于运行线路的点 式传感器向车上传递点式信息。(上海 5号线) 现在大多采用无线通信的方式CBTC。

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上海地铁采用的ATC制式 上海地铁采用的ATC制式 ATC
1号线:采用美国GRS的ATC系统(模拟); 号线:采用美国GRS的ATC系统(模拟) GRS 系统 建于80年代末 当时模拟技术仍占主导地位, 年代末、 建于 年代末、当时模拟技术仍占主导地位,选用了基于 模拟音频无绝缘轨道电路的 音频无绝缘轨道电路的ATC系统,信息量小而且是不 系统, 模拟音频无绝缘轨道电路的 系统 连续的。 连续的。 号线:采用美国US ATC系统 US的 系统; 2号线:采用美国US的ATC系统; 上海地铁二号线建设时 数字技术走向成熟应用阶段, 上海地铁二号线建设时,数字技术走向成熟应用阶段,选 择了基于数字编码轨道电路的ATC系统,控制中心向列车 数字编码轨道电路的 系统, 择了基于数字编码轨道电路的 系统 连续发送“目标速度” 连续发送“目标速度” 。 号线:采用法国ALSTOM公司的ATC系统; ALSTOM公司的ATC系统 3、4号线:采用法国ALSTOM公司的ATC系统; 向列车传送的信息内容是“进路地图” 目标距离” 向列车传送的信息内容是“进路地图”的“目标距离”, 由车载计算机自己决定运行速度。 由车载计算机自己决定运行速度。 号线:采用点式ATC系统;由于其运量及其车辆性能等原因。 ATC系统 5号线:采用点式ATC系统;由于其运量及其车辆性能等原因。 号线:采用基于无线通信CBTC系统。 CBTC系统 8号线:采用基于无线通信CBTC系统。

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八、定位停车的实现 车地多次交换信息保证停车位置准确
当列车进入站台区域, 当列车进入站台区域,站台区段轨道电 路的ATP接收器,检测到列车到达车站, ATP接收器 路的ATP接收器,检测到列车到达车站, 列车到达停车点,经列车ATO系统确认, ATO系统确认 列车到达停车点,经列车ATO系统确认, 保证列车的制动。 保证列车的制动。当检测到列车的速度 为零,列车向地面送出列车停站信号, 为零,列车向地面送出列车停站信号, 列车收到开门信息, 列车收到开门信息,使相应的门控继电 器动作, 器动作,司机按压与门控继电器相对应 的门控按钮后,才可打开列车车门。 的门控按钮后,才可打开列车车门。

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定 位 标

地 铁 一 号 线 停 车 标 记 和

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地铁一号线停车标记和定位标记

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地铁二号线停车标记和定位标记

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地 铁 三 号 线 停 车 标 记 和 定 位 标 记

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九、移动闭塞的概念
列车运行间隔自动调整亦称移动闭塞。 列车运行间隔自动调整亦称移动闭塞。 移动闭塞 不需要将区间划分成若干固定的闭塞分区, 不需要将区间划分成若干固定的闭塞分区, 而是在两个列车之间自动的调整运行间隔, 而是在两个列车之间自动的调整运行间隔, 使之保持一定的安全距离。 使之保持一定的安全距离。使两列车之间 的间隔最小, 的间隔最小,从而提高了区间内的行车密 大大提高区段的通过能力。 度,大大提高区段的通过能力。

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移 动 闭 塞

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十、CBTC—Communication Based Train Control
CBTC使用的是无线移动闭塞技术,靠移动列车间的通信 来实现控制,从而缩短了列车间的安全制动距离。CBTC技 术所需要的沿线硬件设备少。

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CBTC
由于这种特殊闭塞装置具有安全可靠、维修量小、 由于这种特殊闭塞装置具有安全可靠、维修量小、 成本低、节省人力、办理闭塞速度快、效率高, 成本低、节省人力、办理闭塞速度快、效率高, 还可避免因线路中断而引起闭塞失效等一系列突 出优点,因此从1983年开始,迅速在日本、美 年开始, 出优点,因此从 年开始 迅速在日本、 加拿大、英国、 国、加拿大、英国、原联邦德国和瑞典等发达国 家的一些小运量的单线区段得到了推广应用。 家的一些小运量的单线区段得到了推广应用。武 汉是国内第一个采用CBTC技术建造城市轨道交 汉是国内第一个采用 技术建造城市轨道交 通系统的城市,上海地铁8 通系统的城市,上海地铁8号线也准备采用这种 闭塞形式。 闭塞形式。




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