列车自动控制系统的分析及研究.docx
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列车自动控制系统的分析及研究
列车自动控制系统的分析及研究
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摘要
城市轨道交通系统是城市最为重要的基础设施之一，城市内人员的流动，物质的运输都是依靠城市交通来完成。
城市轨道交通体系直接展示着城市的面貌和活力，体现城市的承载能力，关系着城市的环境，进而影响着城市的可持续发展。
城市轨道交通车辆是城市轨道交通体系中最重要的，也是最关键的设备，它是集多专业先进技术于一体的综合性产品，涉及机械、电气及控制、材料等领域。
而在确保安全的前提下，为了实现列车快速和高密度运行，为了保证列车安全高效的运行，迫切需要装备性能先进，安全可靠的列车自动控制系统。
先进、可靠的自动化控制系统是城市轨道交通系统发展的重要部分。
列车自动控制系统是在列车自动停车基础上发展起来的装置，使列车按地面送来的允许行车速度信息行驶的技术和设备。
它设在机车上，大部分情况下，是装有专用程序的微型计算机及其相应的接口。
装有列车自动控制系统的列车，连续不断地从地面获得允许行车的速度信息，将它与列车实时采集的车速相比较，在超出规定允许的车速时，控制系统根据列车的制动能力、实际载重和前方区间坡道弯道条件等多种因素，求得最佳降速方案进行降速，或在需要时进行制动，以保证行车安全。
本文介绍了城市轨道交通车辆的机械、电气部分，着重介绍了城轨车辆自动控制系统的设备，组成及应用原理。
并以西门子A型列车的自动控制部分举例介绍。
对列车自动控制系统的现状加以分析，对其将来的发展做以展望。
引言
进入21世纪，我国城市轨道交通运输事业正处于方兴未艾的时期，随着我国城市轨道交通的发展，人们对于城市轨道交通需求日益增大，要求越来越高，因此，如何实现列车安全、快捷、高效地运行是目前城市轨道交通亟待解决的问题。
而作为保证行车安全、提高运营效率和乘坐舒适度的列车自动控制系统具有决定性的作用。
熟悉和掌握列车自动控制系统，对列车自动控制系统的设备,功能与应用作以详细的分析，是城市轨道交通系统发展的必要条件，也是维持城市居民工作学习和生活正常秩序的重要保障。
1地铁列车自动运行系统的分析与设计
对于城市轨道交通系统高效率、高密度的要求来说，列车自动控制系统（ATC）是必不可少的。
其中一个重要的子系统列车自动运行（驾驶）系统（ATO）能模拟有经验的司机完成驾驶列车的任务。
ATO子系统利用地面信息实现对列车牵引、制动的控制，使列车经常处于最佳运行状态，提高乘客的舒适度，提高列车准点率，节能能源。
许多国家都在研究ATO系统，且取得了一定的成绩。
我国在此项技术上尚属空白。
本文将对比分析三套ATO系统技术特点。
1.1ATC与ATO简介
ATC是一套以安全和效率为目的、调节列车运行间隔的自动控制设备，通过车载设备、地面设备、车站和控制中心组成的控制系统完成列车运行控制。
ATC系统包括三个子系统:
列车自动监控系统（ATS），列车自动保护系统（ATP）和列车自动运行系统（ATO）。
ATS子系统实现监督、引导列车按预定的时刻表运行，保证地铁运行系统的稳定性。
它通过转换道岔建立发车进路，并向列车提供由控制中心传来的监督命令。
ATP子系统具有超速防护、零速度检测和车门限制等功能。
ATP提供速度限制信息以保持列车间的安全间隔，使列车在符合限制速度的标准下运行。
在打开车门前，ATP先检查各种允许打开车门的条件，检查通过后，才允许打开车门。
ATO子系统能自动调整车速，并能进行站内定点停车，使列车平稳地停在车站的正确位置。
ATO从ATS处得到列车运行任务命令。
其信息是通过轨道电路或轨旁通信器传送到列车上的。
信息经过处理后传给ATO，并显示相关信息。
ATO获得有用信息后，结合线路情况开始计算运行速度，得出控制量，并执行控制命令，同时显示有关信息。
到站后，开门条件允许后，ATO打开车门。
停站期间，列车通过车-地通信系统把列车信息传送给地面通信器，然后传到ATS。
ATS根据列车信息，把运行信息传给车载ATO。
1.2ATO系统技术特点比较
20世纪90年代初，北京地铁1号线部分列车安装了英国Westinghouse公司的ATO设备（未使用）;上海地铁1号线的ATO设备则是从美国GRS公司引进的，并于1996年11月开始在全线试用。
广州地铁1号线引进的是德国Siemens公司的ATO设备，在1999年6月正式运营。
由于他们的ATO系统设计不尽相同，因此有必要对不相同的地方进行比较（主要是ATO设备、ATO需求数据与传输通道和控制策略），然后分析各种设计的特点，以利于ATO的设备国产化。
1.2.1北京地铁1号线ATO系统
①ATO设备
车载设备:
由设在列车每一端司机室内的ATO控制器及安装在列车每一端司机室车体下的两个ATO接收天线和两个ATO发送天线组成。
地面设备:
在各车站设备室内设有站台ATO通信器PAC（PlatformATOCommunicator）。
PAC内存有至下两个车站的线路信息，并通过与LPU或RTU接口，得到来自ATS子系统的控制命令。
在各车站上下行站台以及进行ATO折返的折返线处轨道上，设有Xd或X2环路及Rd环路。
列车在车站停车期间，经联锁电路及轨道电路的有关条件控制向室外环路发送。
②ATO需求数据与传输通道
在ATO数据获取的过程中，车载ATP接收安全信息。
安全信息由列车当前运行区段的AF900轨道电路传送，采用低频脉冲调幅方式，有8种不同的调制频率，6种用于ATP速度命令，2种用于门控命令。
另外，车载TWC系统接收地面TWC信息。
该信息一般是非安全控制功能数据，诸如运行等级、列车号、目的地和跳停等。
该信息采用FSK调制方式，通过地面TWC设备向列车发送。
最后，车载ATO接收来自车载ATP、TWC的信息和标志线圈的信息。
③控制策略
速度调节:
ATO根据从ATP中获取的MSS和TS，计算列车运行速度曲线。
该曲线比较简单，主要计算加速转匀速、匀速转制动的位置点，以保证列车运行时不超过MSS，并且在每个轨道电路区段目标距离处速度不超过目标速度。
控制器根据线路的情况自动控制列车的牵引及制动输出，尽量使列车按运行速度曲线的速度来运行。
当列车速度超过目标速度时，ATP设备报警;当超过最大允许速度时，ATP实施紧急制动。
车站停车:
在车站的定位停车是通过X2和Xd环路实现的。
列车进入车站X2环路范围后，通过地-车之间的感应，得出距停车点的距离，进行第一次位置调整，并使速度尽量贴近预置的停车速度曲线。
在Xd环路处，进行第二次也是最后一次位置调整。
若需要对运行时间进行调整，ATS将给出控制命令，如惰行控制、扣车、下一车站通过等命令，由ATO执行。
1.2.2上海地铁1号线ATO系统
①ATO设备
车载设备:
主要包括ATO主控制器，以及车底的ATP/TWC接收线圈、TWC发送天线（TWC为车-地通信子系统）、对位天线、标志线圈。
地面设备:
包括每个车站ATC设备室内的车站停车模块以及沿每个站台布置的一组地面标志线圈。
②.ATO需求数据与传输通道
在ATO数据获取的过程中，车载ATP接收安全信息。
安全信息由列车当前运行区段的AF900轨道电路传送，采用低频脉冲调幅方式，有8种不同的调制频率，6种用于ATP速度命令，2种用于门控命令。
另外，车载TWC系统接收地面TWC信息。
该信息一般是非安全控制功能数据，诸如运行等级、列车号、目的地和跳停等。
该信息采用FSK调制方式，通过地面TWC设备向列车发送。
最后，车载ATO接收来自车载ATP、TWC的信息和标志线圈的信息。
③控制策略
速度调节:
ATO与ATP配合调节速度。
ATP共设6个速度命令，即20、30、45、55、65、80km/h。
ATC系统具有4个ATS运行等级，对应于ATP的各个速度命令有相应的修正速度。
参考速度就是接收到的ATP速度命令、ATS运行等级的修正速度及定点停车速度曲线三者中最小的速度。
ATO根据轨旁接收的运行等级信息获得运行速度信息，并调节车速、加速度和程序减速度，以符合所接收的运行等级。
在检出限制速度变低并在正常的制动条件下，如果车速大于现在新的速度命令，则以制动减速度0.97m/s2启动常用制动。
ATO子系统利用闭环反馈技术进行调速，即将实际车速与参考速度之差作为误差控制量。
通过牵引/制动线对列车实施一定的牵引力或制动力，使误差控制量为零。
车站停车:
车载ATO系统将修正程序停车曲线，以符合所接受的运行等级。
精确的车站停车是通过应用轨道电路ID和边界的转换以及车站的环线来实现的。
应用轨道电路的ID来确定正确的停车曲线的起点。
列车经过站外350m处的第一对地面标志器时，定点停车曲线便由此启动。
定点停车曲线是建立在一个固定减速率基础上的。
当ATS速度与定点停车曲线速度相同时，列车转入定点停车控制模式。
列车经过150m、25m处的地面标志器时，它离开最后停车点的距离信息被不断更新。
列车经过8m处的有源地面标志器上方，并收到由该标志器发送的信号，列车即刻转为定位停车模式，实施全常用制动，将车停住。
车辆对位天线与地面对位天线对齐。
运行时间的调整:
主要是通过选择不同的运行等级来实现。
惰行模式已经包含在运行等级中。
运行模式的改变:
ATC系统的逻辑要求是必须在列车停下时才可以进行转换，否则将导致一次紧急制动。
1.2.3广州地铁1号线ATO系统
①ATO设备车载设备:
主要包括ATC设备机架、速度表、控制台、ATP接收天线、PTI发送天线。
②ATO需求数据与传输通道
由于广州地铁采用FTGS数字频率轨道电路，因此能传送报文信息。
地面传送给列车的数据全部经轨道电路由车载ATP接收。
ATO需要的信息主要通过车载ATP获得。
包括经ATP处理过的信息（实际速度、运行方向、实际位置、列车长度、限速命令、制动减速度，附加信息:
下一区段精调、停车位置、车站停车），以及ATS经过ATP传给ATO的信息（门控、到下一站的时间、车站号、车次号、目的地号、轨道电路号）。
报文由所有类型的电码按照一定的次序组成，是由轨道电路循环发送的。
③控制策略
速度调节:
ATO接收到来自ATP的带四个标志点的速度命令信息（包括最大速度、第一限速、第二限速和入口速度的起点、终点、速度值），计算列车要求的运行速度。
ATO按照时刻表和运行需要提供三种模式曲线:
最大允许曲线，常规速度曲线（较最大速度曲线下降10%），节能速度曲线（较最大速度曲线下降20%）;然后根据各种线路情况、车辆信息，计算所需牵引力或制动力，使列车到达要求速度。
列车设定了最大加速率，以便列车平稳运行。
控制算法中有一条警告曲线，总比ATP的最大允许速度曲线低一点。
当超过警告曲线，则报警。
车站停车:
车站内的位置调整点由多交叉的环路提供，如图2。
环路的头和尾是所谓的环路边界。
相对应地车站中间的环线交叉是用来确定距离的，一般的距离是6个枕木间距。
另外还定义一些粗调点，它们间的距离减至3个枕木间距且四个一组。
图1.2.3定点停车交叉环线
ATP车载设备能接收到这些交叉点，并把每个交叉点的处理信号传给ATO。
ATO计算每个交叉点间的距离。
粗调点只有在期望的位置窗口内才能被识别到。
假如识别到粗调点，则下一个交叉点便可用作位置同步。
这些交叉点的位置已预设在ATO中。
巡航/惰行是ATO的一项辅加功能。
时间充裕的话，可以采用巡航/惰行来调整运行时间，节省能源。
正线上改变运行模式:
在列车运行中的任一时刻，司机可以通过移动操纵杆使之脱离零位，从而进行人工驾驶。
在任何时候和任何驾驶阶段，ATO给出可以进行ATO驾驶的显示，司机通过移动操作杆，使之进入零位置并贝压ATO启动键，列车的运行模式变为ATO模式。
1.3系统分析比较
以上三套系统中，以广州地铁1号线ATO系统运行效果最好，上海地铁1号线ATO系统次之。
经过以上的分析比较发现:
从信息获取的角度来讲，北京采用车站ATO通信器，ATO只在站内获得信息，信息的实时性较差;上海地铁1号线通过轨道电路和轨旁TWC，广州地铁1号线通过轨道电路，均使ATO在运行时仍能接收最新信息。
从ATP限速模式来讲，北京地铁1号线与上海地铁1号线采用分级速度控制模式;广州地铁1号线则采用模式曲线速度控制模式。
模式曲线ATP限速模式能使ATO控车更高效，更平稳。
从停车方式来讲，北京地铁1号线与上海地铁1号线采用的是点式模式，在固定位置处有相应的线圈;广州地铁1号线则采用连续模式，在站内铺设连续交叉环线，在定点调整距离的基础上，还能通过交叉环线脉冲跟踪列车的位置。
从运行时间调整来说，北京地铁1号线ATO根据ATS在车站给出的惰行命令来调整，ATO设备本身只是根据各种速度命令来执行操作;上海地铁1号线ATO则是通过ATS由轨旁设备给出运行等级命令，按相应的速度运行来调整运行时间;广州地铁1号线ATO能计算所要采用的运行等级，以便选用不同的牵引百分比实施控制，来调整运行时间。
广州地铁1号线ATO还能计算惰行模式牵引力的切除点，以实现准时运行。
相对来说，广州地铁1号线ATO对准时性的实现与运行时间的调整都比较灵活。
1.4ATO系统车载设备的国产化研究
通过分析比较，对国产化ATO的设计要求如下:
信息可通过轨道电路以报文的形式发送;限速模式可采用模式曲线方式;停车设备可采用铺设连续交叉环线;时间的调整要求能实时计算。
1.5工作原理
以广州地铁1号线ATO系统为基础，结合实际情况，开发ATO系统车载设备。
ATO从ATS处得到列车运行任务命令。
该信息是与地面线路信息一起组成报文，通过轨道电路传送的，由车载ATP统一接收。
ATP将经过处理的对ATO有用的信息传给ATO，并显示相关信息，且不断地监视ATO的工作。
ATO获得有用信息后，根据实际运行速度和ATP的最大允许速度，计算运行速度，得出控制量并执行控制命令。
巡航/惰行模块由独立的控制器来辅助完成。
到站后，ATO通过PTI（车地通信发送天线）向地面发送列车信息，并传到ATS，以便识别列车的位置。
ATS根据此列车信息确定列车的新任务后再次通过轨道电路传送给ATO。
在区间运行时，每进入新的轨道区段，ATO便接收新的地面信息，以便进行速度调整。
在运行过程符合ATO条件时，允许灵活地切换到ATO模式。
ATO车载设备的设计
ATO车载设备是ATO系统的核心部分，是设计的难点。
以下分析一下ATO车载设备的接口。
ATO的车载设备接口如图3。
其中CCU为中央控制单元，通过总线控制着ATO、ATP、显示器间的数据通信;L1、L2为与ATO接口的显示灯;ATO与ATP间有多根信号线直接连接，包括系统激励线、ATO允许等等;E1到E10为与ATP接口的开关、按钮或显示灯，包括司机钥匙、ATO允许等等。
地面信息全部由ATP接收天线接收;PTI为车-地通信发送天线。
图1.6ATP车载设备接口
以上对我国现有的地铁列车自动驾驶系统进行了分析比较，并对列车自动运行系统车载设备设计的国产化工作略作介绍。
相信不久，我国便能拥有自主开发的列车自动系统。
2列车自动控制系统的研究
针对干线铁路和城市轨道交通／地铁，西门子有多种型号的列车运行控制系统。
这里仅介绍应用于城市轨道交通／地铁的列车运行自动控制系统（ATC）的一种方案。
2.1用于地铁的ATC系统
西门子公司为地铁／城市轨道交通提供的安全、可靠、先进的列车自动控制系统（ATC）由三个主要的子系统组成：
·列车自动防护（ATP），包括计算机联锁系统；
·列车自动运行（ATO）；
·列车自动监控（ATS）。
①ATC系统的设备组成
②ATC系统由下列主要设备组成：
·中央和本地操作设备VICOSOC系统；
·连续列车控制系统LZB700M（M表示模块化）ATP／AT0系统；
·故障一安全和高可用性的计算机联锁SICAS系统。
③根据具体功能，在工程实施中，三套子系统设备sICAS／LZB／VICOSOC分为4级：
·集中和分散的操作层分布在运营控制中心、车辆段控制中心和本地控制室。
VICOSOC501系统在中央层实现线路运营管理。
在车站控制室，则由VICOSOCl01系统执行本地控制层功能。
·分布在沿线的地面层由SICAS和LZB700M系统组成，它们一同执行全部的联锁和地面ATP功能。
·轨道层包括信号设备FTGS和PTl，以实现轨道与列车间的双向传输。
·车载层包括LZB700M的车载A，rP／AT0功能。
2.2系统的技术特点
该信号系统设备结构层次清晰、功能分工明确，技术安全、可靠，采用模块化设计和开放设计，便于功能提升。
（1）各子系统的技术特点
VILT）SOC系统在OCC控制中心和各联锁站进行操作。
在正常运行一i青?
gT，列车控制由位于运营控制中心0CC设备完成。
用于OCC的Vl—COSOC501系统可以按照监督／控制的系统规模按比例进行调整。
甚至在OCC出现故障的情况下，线路仍可由设于各联锁站的分散的本地控制台控制。
VICOSOCl01在本地控制台监控相应的联锁区域。
自动操作功能在OCC层和车站控制层实现。
按照车站值班员或0CC操作员发出的指令，操作控制管理能在本地控制台或Ⅸ℃之间实现转换。
作为列车运行监督，列车进入监控区域时，由列车位置识别（PTI）系统识别。
SIcAS（西门子计算机辅助信号系统）是基于故障一安全、高可用性的原理，面向现代科技、面向将来扩展和解决方案的先进设计。
该联锁系统的现代设计和安全数字总线通信的应用可使联锁系统的数量减至最低程度。
SICAS提供处理接车／发车，进出车辆段的接口。
SICAS系统的最大特点在于：
显著地减少了现场测试工作量，因为工厂测试时会对室外设备进行全面模拟。
LZB700M保证了列车的运行安全和优化的线路运营。
配备三取二结构SIMIS微机的地面设备和二取二结构SIMIS微机的车载设备，保证了信号的安全性和高可靠性。
数据通过数字音频轨道电路FTGS以连续的ATP／AT0报文（通过调制方式）传送给列车；同时KFGS还用于轨道空闲
检测，FFGS轨道电路由s型连接棒（S棒）将一个区段划分为若干无绝缘的轨道电路。
s型连接是位于轨道区段两端设于轨道之问的S型电缆。
为了轨道空闲检测，位模式编码的音频信号在轨道区段的一端馈入，在另一端被接收。
接收的位模式被FTGS室内设备评估。
当FTGS接收器接收的信号电平足够高、频率正确且位模式正确，FTGS给出轨道空闲表示；当轨道区段被车轮短路后，信号电平降低，给出轨道占用表示。
在相邻区段采用不同的频率和位模式，以实现系统的安全性。
LZB700M列车控制系统由车载设备和地面设备组成，它是ATC系统用于自动列车防护（ATP）的一个功能强大的子系统，它提高了整个铁路系统的安全性和效率，并节约运营成本。
LZB700M的模块化意味着系统可按照用户的要求调整，并且其功能可扩展，如增加ATO（自动列车运行）、PTI（列车识别）和无人驾驶折返等。
LZB700M自动列车控制系统连续地在驾驶室显示当前驾驶指令，并连续地对列车速度进行监督。
LZB700M的防护区段可保证列车车距，因此运行间隔可以大大的减小。
LZB700M连续式列车自动控制系统满足城市轨道交通系统的安全性、可靠性和可用性、大容量、模块化和灵活性等的要求。
（2）严格可靠的技术安全保证
VICOSOC系统以及LZB700MAT0系统是按照德国DIN和VDE标准开发的。
对于故障安全型的联锁SICAS和LZB700MATP，采用了德国铁路部门更为严格的M08004标准。
为了确保连续、顺利的运行，SICAS联锁、LZB700M、VICOS0（2501，以及通信设备和系统都采用冗余设计。
与运营安全有关的计算机采用“三取二”或“二取二”结构，符合故障一安全原则。
所有与安全有关的系统均需要通过德国权威机构认证为“对地铁公共运营安全”。
设备的软件和硬件由独立的权威机关，例如德国铁路当局（EBA）、安全标准机构（wV）以及私人的权威机构进行了安全论证和批准。
信号系统设备具有良好的电磁兼容性，能在1500V13（2、3500A（最大电流）电力牵引的环境下运行。
（3）灵活开放的设计与模块化配置
模块化是西门子信号系统的一个基本的系统设计标准。
因此根据地铁系统的扩展需要，系统可在数据量和功能上进行扩展。
西门子信号系统的模块化系统设计提供了一套中央控制设备。
独立的联锁区域通过通信系统（0TN，OpenTransmitionSystem，以及uN、PR0—FIBus）连接，并根据需要覆盖任意长度或数量的线路。
ATC系统的硬件和软件是使用标准模型设计的，用户数据在工程设计期问被输入到标准模型中。
需要功能修改和系统扩展时，基本的软件和硬件可以重新使用。
每个子系统，例如AU系统、ATP／AT0系统和联锁系统在配置和可扩展性方面具有灵活性。
VICOS是一个用于实现ATS功能的计算机设备网络。
该子系统非常灵活，根据不同的项目要求，可由不同数量的标准计算机组件组成。
为实现高度的可用性，全面采用了冗余技术。
2.3系统功能
ATC系统具有如下功能：
·5个主要功能：
ATS功能、联锁功能、列车检测功能、ATC功能和PTl功能；
·4个ATS子功能：
ARS功能、ATR功能、AH功能和控制中心MMI功能；
·4个联锁子功能：
TCP功能、RC功能、PC功能和SC功能；
·3个ATC子功能：
ATC地面功能、ATC传输功能、ATC车载功能。
（1）列车自动监控（AT$功能
ATS功能可自动和人工控制行车，并向行车调度员和外部系统提供信息。
ATS功能完全由OCC内的设备实现。
其中包括存储有ATS功能需要的所有时刻表信息的时刻表数据库。
时刻表数据库里的信息是由时刻表计算机提供的。
ATS的子功能如下：
·列车自动追踪（AH）功能；
·自动进路设定（ARs）功能；
·列车自动调整（A’rR）功能；
·控制中心人机界面（ccMMI）功能。
（2）联锁功能
联锁功能在始终满足安全准则的前提下，进行进路、道岔和信号的控制，以响应来自ATS功能的命令。
进路、轨道区段、道岔和信号的状态信息提供给ATS和ATC。
联锁功能由分布在沿线地面的设备来实现。
联锁系统子功能如下：
·轨道电路处理功能（TCP），处理列车检测功能的输出信息，以提高列车检测信息的完整性；
·进路控制（Rc）功能，设定、锁闭和开放进路；
·道岔控制（pc）功能，解锁、转换和锁闭道岔；
·信号控制（so）功能，决定地面信号的显示和允许ATC发出进入进路的授权。
（3）列车自动控制（ATC）功能
ATC系统功能负责在联锁功能的约束下，按照ATS功能的要求实现列车运行的控制。
ATC系统的子功能如下：
·ATC地面功能，负责列车间隔和报文生成；
·ATC传输功能，负责生成感应信号，它包括ATC车载设备所需的报文和其他数据；
·ATC车载设备，负责列车的安全运营、列车自动驾驶，且提供信号系统与司机的界面。
（4）列车识别（阳I）功能
PTl功能由车载和地面设备完成。
PTl负责向ATS报告列车识别信息（例如：
车次号、目的地编号、乘务员编号）和确定的列车位置数据（例如：
当前轨道电路识别和测速电机读入）。
ATC车载设备提供的数据被传送给PTl的地面部件，然后数据基本不变地传送给ATS。
PTl的输入包括从ATC车载设备接收的列车识别数据，从ATC地面设备接收的当前轨道电路识别号。
PTl的输出数据与ATS的输入数据基本相同。
（5）列车检测功能
列车检测功能通过轨道电路来实现，并以每个轨道区段是否“空闲”／“占用”的形式给出列车的位置信息。
各轨道电路设备的状态
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