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。

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。

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。

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。

2.1北京地铁1号线ATO系统

1.ATO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。

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。

2.2上海地铁1号线ATO系统[3]

1.ATO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ATPTWC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。

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(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。超级秘书网

3.2ATO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。

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

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5黄良骥.地铁列车自动驾驶(ATO)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