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1、地铁列车自动运行系统的分析与设计的论文摘 要 对我国现有的北京、上海、广州的地铁列车自动运行系统进行分析、比较，并指出了国产化列车自动运行系统的设计思路。关键词 地铁，列车自动控制系统，列车自动运行系统，国产化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(a tc)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(a to)能模拟有经验的司机完成驾驶列车的任务。a to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 a to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
2、将对比分析三套a to系统技术特点。1 a tc与a to简介a tc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。a tc系统包括三个子系统：列车自动监控系统(a ts)，列车自动保护系统(a tp)和列车自动运行系统(a to)。a ts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。a tp子系统具有超速防护、零速度检测和车门限制等功能。a tp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
3、打开车门前,a tp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。a to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。a to从a ts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a to，并显示相关信息。a to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,a to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。a ts根据列车信息，把运行信息传给车载 a to o a to的工作原理图如图1
4、 。图1 ato工作原理图2 a to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a to设 备(未使用);上海地铁1号线的a to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a to设备，在1999年6月正 式运营。由于他们的 a to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a to设备、a to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a to的设 备国产化。2. 1北京地铁1号线a to系统1. a to设备车载设备：
5、由设在列车每一端司机室内的a to控制器及安装在列车每一端司机室车体下的两个a to接收天线和两个 a to发送天线组成。地面设备：在各车站设备室内设有站台a to通信器pac(platform a to communicator) 。pac内存有至下两个车站的线路信息，并通过与l pu或rtu接口，得到来自a ts子系统的控制命令。在各车站上下彳T站台以及进行a to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。2. a to需求数据与传输通道在a to数据获取白过程中，车载a tp接收安全信息。安全信息由列车当前运
6、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a tp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a to接收来自车载a tp、twc的信息和标志线圈的信息。3. 控制策略速度调节：a to根据从a tp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
7、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 ,a tp设 备报警；当超过最大允许速度时,a tp实施紧急制动。车站停车：在车站的定位彳车是通过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,a ts将给出控制命令，如惰行控制、扣车、下一车站通过等命令，由a to执行。4. 2上海地铁1号线a to系统3 1. a to设备车载设备：主要包括a to主控制器
8、，以及车底的a tp/ 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a tc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. a to需求数据与传输通道在a to数据获取白过程中，车载a tp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a tp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，
9、车载a to接收来自车载a tp、twc的信息和标志线圈的信息。3. 控制策略速度调节:a to与a tp配合调节速度。a tp共设6个速度命令，即20、30、45、55、 65、80 km/ h 。 a tc系统具有4个a ts运行等级，对应于a tp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a tp速度命令、a ts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。 a to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. 97 m
10、/ s2启动常用制动。a to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 350 m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 150 m、25 m处的地面标志器时，它离 开最后
11、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。2. 3广州地铁1号线ato系统4 1. ato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。地面设备：包括车站交叉环线和 pti环线。2. ato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
12、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、速度值工计算列车要求的运行速度。ato按照时刻表和
13、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2定点停车交叉环线atp车载设备能接收到这些
14、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。4. 4系统分析比较以上三套系统中，以广州地铁1号
15、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
16、，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在车站给出的惰彳T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。5. ato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
17、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。3. 1 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
18、(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。3. 2 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；11、12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
19、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3 atp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运行系统。参考文献1当代中国铁路信号 编辑委员会.当代中国铁路信号.北京：中国铁道出版社，1997. 4134432 吴汶麒.城市轨道交通信号与通信系统.北京：中国铁道出版社，1998. 126 -1413 李晓月.上海地铁一号线的车载信号系统.铁道运营技术，1998 ,4 (4) :1721774 孙晓炜，陈永生.预测控制在 a to仿真系统中的应用.城市轨道交通研究,2001 , (4) :445 黄良骥.地铁列车自动驾驶(a to)系统分析与算法研究学位论文.北京:北方交通 大学电子信息工程学院，2000