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            地鐵信號系統是干嘛的? - 非連續式ATP

            更新時間:2020-09-02 點擊數:121

            地鐵信號系統是干嘛的? - 非連續式ATP

            上次從一位普通乘客的角度講了下信號系統的雛形,應大家提議,需要再局部展開下,我試下。為什么說試下呢,因為我不想讓該講述淪為學術copy,我仍舊堅持我的兩個原則,一是用我自己的語言,二是站在外行的角度。要做到這兩個原則并非易事,當然如果從學術文件或技術文檔里copy/paste相對容易,但大家沒有興趣看也看不懂的,同時也倒置了我寫這個專欄的目的。閑話不說了,開始吧。(注,不是所有信號系統都是完全符合我下述功能實現的,這里只介紹一般典型的或常見的一類,請勿對號入座。

            《基礎篇》里我介紹了信號系統的最低控制級別,聯鎖級的基本控制原理。即操作員人為排列進路,聯鎖系統根據進路表進行安全邏輯判斷后執行道岔任務再按信號機指示是否許可,然后司機看著信號燈行車。這種方式肯定不是目前地鐵運營的方式,只是信號系統的最低后備控制模式。其中提到了司機看著信號機指示行車。其實,對于坐地鐵的乘客而言,他能看到的只有列車。所以他去理解地鐵信號系統也不由自主的從列車的角度。那我們也從這個角度來展開吧。

             地鐵列車車頭沒有前后之分,兩邊各有一套司機室,列車朝哪個方向開車頭就是哪個。當然信號系統很重要的一部分,車載單元(業內叫OBCU,OnBoard Controlling Unit,或TBU,TrainBoard Unit),就坐落在司機座位和乘客之間的機柜里。既然需要司機看信號燈行車是一種安全運營模式,那能否讓機器幫司機做這個事情呢。當然可以,司機看著信號燈來觀察當時情景來判斷下一步操作,這些代有機器來完成,這就是一種稍高級的模式,點式(這不是所有信號系統都有的一種半高級模式,西門子的系統稱為ITC,Intermittent Train Controlling)。這種模式其實就是讓機器代替司機看信號機燈位行車,要實現這個其實不難,但必須要在列車上以及信號機旁安裝檢測設備來實現。這一方面先打住,后面再一并展開。

            其實,如果僅僅依靠列車前方的信號機指示來行車,雖然信號燈指示由負責進路安全的聯鎖來體現,但每條單位進路是由兩架信號機作為基礎的,所有以進路作為單位來運營效率是很低的。試想下,一條地鐵全線20公里,得裝多少信號機啊,再說再高的密度最起碼也得數百米一個吧。更重要的是一條單位進路內的列車該怎么走才能安全并高效呢,開多快,哪里開快些,哪里開慢些,哪里是上坡得加速,哪里有轉彎需要限速防止脫軌,列車出現危及安全的險情需要立即停車等等。我們能想象到,對于上述這些要求,聯鎖系統是無能為力了,聯鎖一系列操作和判斷后指示完信號機紅綠燈后,等列車進入到一個單位進路里面后,就“推卸責任”了。那誰來接手這個重大責任呢。答案是列車自動防護系統(業內稱ATP,Automatic Train Protection)。ATP來決定列車該怎么走等一系列問題,他和聯鎖是好基友,一起來保障列車的安全。

            ATP和列車密切相關,因為我們知道在一條單位進路外能不能進來是聯鎖說了算,但單位進路內列車怎么走是ATP說了算。ATP來決定車怎么走,他就必須得獲得起碼的必要信息,如列車當前位置和速度,這個完全可以理解。那ATP是通過哪些檢測設備來獲得所需信息的呢。讓我們逐個介紹。

            首先這里我不得不給大家展開一點,介紹個設備,它叫應答器(業內叫balise,最早發源于歐洲,所以也叫歐式應答器)。這是個高科技玩意,它是一塊2cm厚A3紙大小的黃色模塊,不怕風吹雨淋,因為它是密封的。被澆筑在中心的是一塊煙盒大小的電路板,很靈敏,能接受電磁波信號。把它安裝在軌道中間某個位置,提前用特殊的編程器用電磁波信號為其編程,燒入位置ID信息。另外列車頭底部也安裝一套與之匹配的應答器天線,它負責加載電磁波并檢測反饋信號。軌道上的應答器一般處于沒電沉睡中,列車通過時加一電磁波信號,為其充電,其開始工作并迅速把器位置ID信息反饋電磁波給列車,整個過程在幾十毫秒時間內完成,然后繼續沉睡。高科技吧,據說造價還不高。如果在進路里面裝上一些應答器,列車上也安裝有與其配套的應答器天線,列車在經過應答器時就能收到位置ID信號,這樣列車的準確位置信息就有了,而且還很精確,因為應答器可以被很精確的安裝(最高精度+/-2cm)。

             另外還有一種由此延伸的應答器,叫可變應答器,大體相同,區別是尾部有根線。干嘛有線呢。這就要回到剛才提到的讓機器幫司機看信號機燈位的問題。

            既然要看信號機燈位,就必須要有一套設備來檢測信號機燈位,叫軌旁電子單元(LEU,Lineside Electronic Unit),原理很簡單(主要是串聯進信號機的電燈電路里,用電流互感原理來檢測電流來判斷信號燈是否點亮),它與可變應答器尾部那根線連接。即LEU讀取信號機燈位狀態,發給可變應答器,列車通過可變應答器時再發給列車的ATP。這樣,我們就已經解決了ATP幫司機看信號機燈位的問題。

            截止現在,ATP已經拿到了列車的位置ID信息和信號機燈位信息(此處不宜展開太多,如實際ATP有軌道數據庫,即TDB,其中存有全線所有應答器、信號機、道岔位置以及線路坡度、彎道等線路信息)。但這還不夠,ATP需要速度和距離信息。

            首先是測速電機(業內叫OPG),它安裝在列車輪子上,每轉一圈會脈沖計數一次,一個脈沖就是一個車輪周長,相乘脈沖數就是走了多遠,貌似簡單實用,但有缺陷,假如剎車時輪子打滑,。。。。那怎么辦。然后又引入一個高科技玩意,即雷達,安裝于車頭,其原理簡單,多普勒測速原理。這玩意是通過發送信號和遇障礙后反射回信號的頻率差來計算速度和距離的,原理高大上,但也有缺陷。如果下雨時流動的雨滴會誤導它,所以雨天效果不好。但如果測速電機和雷達結合起來,perfect!完美。就這樣吧。

            好,總結一下。ATP收集到信號燈燈位信息(業內及系統內部叫移動授權,moving authority),宏觀方向上得以把握。進入單位進路內,通過測速電機、雷達和應答器得以列車準確速度位置信息,然后呢。這些信息會歸結于ATP的安全計算機內,結合內建的軌道數據庫信息,計算后給出列車安全保障和高效運行建議。

            到此,我已經從列車的角度講述了一種典型的非連續式ATP的基本原理和架構。很明顯,這比上篇提到的聯鎖級更有安全保障,也體現了引入ATP的目的,即對于列車安全的防護,這是整個信號系統的關鍵部件,也是各家信號供應商的技術核心。但上述通篇講到的只是基礎ATP的一種形式,也算是典型的一種,這種形式的ATP只發揮了小小的能量。其實,涉及到整個區域的所有列車之間的安全防護和運籌帷幄才是ATP的用武之地,這就是連續式或準連續式ATP的內容了。我們下次再展開。

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