应用于无绝缘轨道电路的新干线数字ATC的开发

时间：2024-07-28

福田光芳横田伦一

（日本铁道综合技术研究所）

1 前言

信号设备是为保证行车安全而设置的设备，列车根据信号设备提供的行车许可和允许速度等信息运行。信号设备指示的内容称为“信号显示”，信号机点灯（最近比较常见的是LED）称为“显示信号”。大多数既有线上都是由线路沿线的信号机和A TS（列车自动监督系统）共同作用，但在高速运行的新干线上，由于用肉眼观察信号机行车非常困难，所以在驾驶台的显示器上显示信号，一旦超过允许速度，A TC（列车自动控制系统）将会自动进行制动。

本文在介绍应用于新干线的各种A TC的基础上，以东北新干线和上越新干线上应用的数字ATC为例介绍最新的ATC技术。

2 新干线ATC

在列车实际运行速度一旦超过允许速度的情况下，ATC将对列车实行自动制动。实现这种自动控制的系统，其控制方式大致分为两种。一种是上述在驾驶台显示信号的“车载信号方式”，另一种是与A TS类似的在线路沿线使用信号机的“地面信号方式”。在新干线和使用A TC的主要既有线上采用车载信号方式，在地铁等方面采用地面信号方式。

无论采用哪种方式，都从地面向车上连续不断地传送允许速度等信息，实时确认实际运行速度和允许速度，保证高安全性。在传送允许速度方面，主要采取以轨道作为传送媒介的方式，但传送信息是根据列车在线路上的位置、站场内的进路和道岔的状态等来决定。检测列车在线路上的位置是通过轨道电路实现的。轨道电路是把轨道作为电路的一个组成部分的列车检测装置，给轨道通上电流，如果电流传到接在对面的接收机，则可以判断区间空闲。列车如果占用区间，轮对压在轨道上会引起短路，电流无法传到接收机，则可以判断列车占用区间。

如果在第一轮对前方设置接收天线，由于轨道上通有电流，接收天线的输出电压会发生变化，可以检测轨道上的电流大小和频率等。通过在轨道电流上加入信息，可以实现地面向列车传送信息。

在新干线A TC的初期，通过在轨道电流上加入信息，采用了一种AM调制（振幅调制）方式。AM调制能改变电流振幅的大小，在收音机上也广泛应用。某一频率反复改变振幅大小时，这个频率称为调制频率。在新干线A TC中，通过与210 km/h、160 km/h……30 km/h等允许速度和调制频率的对应从而实现信息的传送。例如，调制频率为10 Hz时，列车允许速度为210 km/h。

3 数字ATC

随着技术的进步，信息量（调制频率的种类）和允许速度的种类也随之增加，使用上述的方式传送信息受到限制。在速度控制方面，使用AM调制虽无问题，但为了用大量信息安全并且更加高效地实行控制，开发了通过M SK调制（M in im um Sh ift Key ing）的传送数字信号的数字ATC。MSK调制是让轨道电路的电流从中心频率（fc）变化为一定的频率（Δf），通过fc+Δf和fc-Δf两种频率，传送“0”、“1”位列。轨道电路的ID和目标停止位置相关的信息预先转换成“0”、“1”位列，再把这个位列转换成fc+Δf和fc-Δf的频率接入轨道。

在独立行政法人铁道建设运输施设整备支援机构（简称“铁道·运输机构”）和JR（Jap an Railw ay日本铁道集团）的协助下，日本铁道综合技术研究所开发了数字ATC。通过在新干线和既有线等各种条件下进行试验，确认了使用轨道传送数字信号和使用车载数据库控制的可能性。

4 应用于无绝缘轨道电路的DS-ATC的开发

东北新干线引进的数字ATC称为 DS-ATC。

为进一步降低成本，从八户到新青森的东北新干线的延伸区间，铁道综合技术研究所、铁道·运输机构与东日本旅客铁道株式会社共同开发了“应用于无绝缘轨道电路的DS-ATC”。

通常情况下，轨道两端使用电气绝缘，与相邻区间明确区分。如图1所示，无绝缘轨道电路中，轨道没有采用绝缘。从中间的发送机②③出来的电流流向接收机②和接收机③。由此可见，一个发送机向两个轨道电路传送信息是可能的，这种方式称为“中间发送两端接收方式”。由于轨道上没有明确的区间划分，电流会流向区间外，即使列车在区间外也会被错误判断为区间占用。但是列车将检测范围向外延伸，不存在安全问题。这种检测范围的偏差称为“分界偏差”。采用这种方式会减少轨道绝缘和绝缘处所需的变压器等机器以及电缆等设备的数量，以降低初期成本。

作为无绝缘轨道电路，在轨道电路的分界处设置共振电路，在区间外设置无法通过电流的装置，简化设备结构，如图1所示。

由于ATC传送信息的电流（简称ATC波）需要在位于列车前方车辆的接收线圈处接收信息，所以必须从列车运行方向导入轨道电路的信号，按照图1构成的无绝缘轨道电路无法顺利工作。例如，轨道电路②、③的其中任意一方将会成为逆向电流。这种情况下，可以分别向轨道导入检测列车的电流和传送信息的电流来解决问题。用于检测列车的发送机、接收机如图1所示进行配置，用于A TC的发送机配置在各轨道电路分界处。接收机、发送机的数量会增加，但是轨道电路分界处所需的左右两侧的轨道电路接收机（2种）和用于ATC的发送机安装在一个单元上，所以没有问题。在绝缘轨道电路上，一般是在轨道上导入A TC波；无绝缘轨道电路由于有可能向其他的列车传送载有信息的电流，所以只能在列车占用的轨道电路中导入A TC波。由于这种方式是列车前方在正好进入下一轨道电路的时间传送ATC波，所以称为“进入发送方式”。

以绝缘区分轨道的“粘接轨道绝缘”、区分信号电流和回程电流的阻抗连接器以及一些电缆连接点，构成了绝缘轨道电路的现场设备。无绝缘轨道电路不需要粘接轨道和阻抗连接器。无绝缘轨道电路检测列车时使用中间发送两端接收的方式，由于ATC采用了进入发送方式，电缆连接点变少。无绝缘轨道电路与绝缘轨道电路相比，由于现场设备较少，所以施工性能优良，维护性能卓越。

5 仿真器的讨论与现场试验

开发过程中，首先进行了计算机仿真，讨论了满足以下两方面的电气规格：①充分确保A TC波；②充分确保检测列车电流（简称TD波）的列车检测特性。如果变更ATC波的频率，必须修改DS-ATC的车载设备，才能统一ATC的频率、报文格式与DS-ATC一致。由于TD波和ATC波必须同时导入轨道，所以需要与ATC波的频率不同。至青森的区间内出现积雪时，用淋灌装置进行融雪作业。但是，仍然有雪糕状的积雪残留在轨道上，左右的轨道之间会慢慢产生短路，轨道电路的电流无法传送到远处。为满足这些制约条件，反复进行模拟仿真，调整传送电路各部分元件的参数，制成了用于试验的装置。

然后在既有的东北新干线（盛冈—八户）岩手沼宫内车站区域内，进行了试验装置的测试。

测试时，先不让列车运行，确认了模拟短路（用人工操作代替列车实现短路）后可以得到与仿真结果相同的特性。通过TD波确认了列车能够检测的范围（分界偏差的大小）、短路时ATC波的电流大小等。

2007年3月，在列车日常运营结束后使用实际运行的列车进行了为期4天的试验。在此基础上，开发了投入实际使用的设备。

6 着眼于实用的综合试验

在现场进行确认试验，在东北新干线（八号—新青森）七户十和田站通信信号机房及八甲田隧道内的上下线22轨道电路上设置新开发的无绝缘轨道电路的实用1号机，通过模拟短路进行了测试，显示与仿真匹配，并且满足A TC波的短路电流值等各项数值。

随后，使用实际运行的列车进行了综合试验。在整备新干线时，移交给业主（JR）前，使用实际运行的列车进行试验，互相确认综合监督检查。在32次的走行试验中，信号安全部门在平时的A TC试验中加入了确认边界偏差和进入发送性能等的试验，综合进行了无绝缘轨道电路的试验。结果证明，列车高速运行时能够正确检测列车状态，ATC波的短路电流也满足设计值，作为无绝缘轨道电路特征的边界偏差和进入发送性能等方面也比较优越。