列车的自动防护和自动驾驶技术

列车的自动防护和自动驾驶技术The Automatic Train Protection&Automatic Train Operation Technology南京电子技术研究所(南京210013) 蔡铭军 【摘要】　介绍在城市轨道交通中应用的先进列车自动防护系统和列车自动驾驶系统技术。

关键词:列车自动防护,列车自动驾驶,轨旁,车载,轨道电路【Abstract】　T his article intr oduces advanced autom atic train pr otectio n&autom atic train oper ation system technolog y applied in m ass transit.Key words:ATP,ATO,wayside,carborne, track circuit1　引言随着工业化程度的提高,市区人口急剧膨胀,城市交通压力越来越大,轨道交通是解决现代城市交通拥挤的有效手段。

为提高经济效益和社会效益,对城市轨道交通的运营能力(安全性和载客能力)也提出了越来越高的要求。

提高载客能力,有两种方法:一是增加列车的车辆数目和车辆的空间容量;二是缩短行车间隔,即缩短每两列列车的发车间隔时间,以在同样的线路、同样的车辆数目条件下使载客能力相应提高。

在考虑到同样载客能力情况下,方法二可使运营的经济成本降低。

正是基于这种考虑,世界上一些著名的轨道交通方面的大公司,如法国的阿尔斯通(ALST OM)、德国的西门子(SIEM ENS)、美国的联合道岔与信号公司(US&S)等相继推出了各自的先进列车自动控制系统(ATC),通过ATC系统来达到减少列车运行间隔时间的目的。

列车自动控制系统在技术上日臻完善,已成为城市轨道交通的一个重要环节。

列车自动控制系统(AT C)包括三个子系统:列车自动防护(AT P)系统——负责列车的安全运行;列车自动驾驶(ATO)系统——负责列车的全部牵引/制动控制,控制列车的站间运行和站内停车;列车自动监督(ATS)系统——负责列车的运行监督、控制及管理。

本文主要介绍列车自动防护系统和列车自动驾驶系统。

2　系统的组成及原理在列车自动控制系统中,轨旁与车载之间信息传输的方式可分为点式传输和连续式传输两种。

点式传输是在线路固定位置上放置一些信息传感器,即信标式地面应答器。

列车驶过地面应答器上方时接收应答器事先存储的地面信息,由车载计算机计算出在收到下一应答器信息之前的运行曲线。

这种传输方式成本低,容易实现,但不能进行实时连续控制。

连续式传输是通过沿线敷设的电缆交叉环或多信息轨道电路或无线电台来实现地面与车上的通信。

显然,连续式信息传输方式可实现信息的及时更新,车载计算机可实时地计算出运行曲线,比点式传输控制性能更佳,但成本比点式传输方式要高得多。

由于连续式传输更适应时代的发展,所以现各大公司基本上均采用以无绝缘音频轨道电路为媒介的连续式信息传输。

利用数字编码的无绝缘音频轨道电路作为信息传输通道的列车自动控制系统由车载设备、轨旁设备和控制中心设备三大部分组成,如图1所示。

其中,控制中心主要实现A TS的功能,而AT P/ATO的功能则由车载和轨旁部分共同实现。

轨旁AT P系统将线路参数以及其它数据一起通过轨道电路传输给车载AT P系统,车载ATP系统根据线路参数和列车状况计算出列车的最大允许速度曲线,并将此最大允许速度与来自测距脉冲发生器的列车此时刻的实际速度相比较,若超过最大允许速度,则列车报警且启动制动装置。

在司机驾驶台上给出了一系列必要的显示,如最大允许速度、・30・图1　A T C系统简易框图实际速度、目标距离、目标速度、驾驶模式、列车折返、开相应侧的车门、关门指令、发车指令、车辆段显示、紧急制动启动、ATP/AT O故障等。

需要强调的是数字编码的无绝缘音频轨道电路,它不仅可检测轨道状态(空闲或占用)并将结果送给联锁系统,而且还可把AT P报文传输给车载AT P系统。

这类轨道电路的组成如图2所示。

轨道电路发射器连续发送AT P报文,当轨道电路空闲时,轨道电路接收器的接收信号为高电平,检测轨道状态为空闲;当列车驶入该轨道区段时,轨道电路接收器因列车轮对分路使接收信号为低电平,检测轨道状态为占用,同时车载ATP系统开始接收AT P 报文。

3　列车自动防护系统(ATP)城市轨道交通的最大特点就是运营密度大、列车行车间隔时间短。

目前,各大城市的地铁和轻轨在规划与设计中都提出了行车间隔时间设计为90s,实际运行时间为120s的要求。

在如此短的行车间隔时间条件下,作为确保行车安全的信号系统,已不能以传统的地面信号显示作为控制行车的主要依据,而必须采用高度可靠、连续不断的速度显示和行车监督、防护的多信息系统。

ATP系统在城市轨道交通中承担确保列车行车安全的重要职任,它是ATC 系统中的最重要的一环。

在评价ATP系统时,总把其安全性和可靠性放在第一位。

3.1　工作原理AT P功能是由车载ATP系统和轨旁A TP系统共同实现的。

在ATP计算机内,储存了必要的线路固定工程数据,如区间的线路布置、坡度、轨道电路长度、限速等等。

AT P计算机根据已有的数据和当时的线路运行状况,按照一定的算法计算列车的最大允许曲线,如图3所示。

前行列车A的位置或危险点经轨道电路传递给运行在线路区间的后续列车B(图3),对列车B 而言,列车A的位置就是危险点,列车B计算出到危险点的最大允许速度。

列车A向前运动,则列车B的安全停车点(车站停车点不属于安全停车点)也随之变化,列车B实时计算到停车点的速度—距离曲线,如果列车实际速度高于最大允许速度,那就应先报警,若在规定时间内未将速度降到允许速度以下,则实施紧急制动。

3.2　ATP系统的功能1)安全性停车点防护・31・图2　轨道电路原理图图3　A T P 工作原理 安全停车点是基于危险点定义的,危险点是丝毫不能超越的点,如果超越,就可能发生危险,因此对危险点要定义一个安全区段。

安全区段的长度由运行条件和列车性能所决定,必须保证列车最迟能够在安全区段的末段(危险点之前)停下来。

带有安全情况的停车点是安全区段的起始点,由ATP 监督,AT P 计算出到安全性停车点的速度—距离曲线,以使列车在该点停下,在安全区内停车能保证安全。

2)速度监督和超速防护在城市轨道交通中,速度限制分为两种:一种是固定速度限制,如取决于线路参数的区间最大允许速度、线路设计的停车点以及列车自身性能的最大允许速度;另一种是临时限制速度,如线路维修时的临时限制速度和由运行环境所造成的临时限速等。

AT P 一直监督列车不可超越这些限制速度,一旦超速,列车会先行告警,若在规定时间内未将速度降到允许的速度以下,便会实施紧急制动,并加以记录。

3)测距与测速通过连续地测定行驶距离,ATP 系统能够随时准确地确定列车的位置。

AT P 系统利用装在轮轴上的测距脉冲发生器进行距离和速度测量。

AT P 系统根据轨道电路来和同步环线进行距离同步。

列车每通过一个轨道电路的分界,距离测量值就被粗略同步,在车站和折返线,通过同步环线,可使列车的停车精度达到±0.5m 。

4)门控列车的车门控制是重要的安全措施之一。

车载AT P 设备防止列车在站外开门和站内开错门。

另外,它还防止列车在开门状态下起动。

只有在下列条件满足时,车载AT P 才给出开门命令:·轨旁AT P 设备允许开门;·列车停在车站上(在停车范围内);·列车是静止的。

只有在AT P 系统检查了所有安全条件且均已满足时,才允许车门打开。

以上是AT P 系统的主要功能,它还具有一些其它功能;例如:·紧急停车功能:在特殊紧急情况下,按压车站的紧急停车按纽,就可通过轨道电路将停车信息传递给在区间行驶的列车,启动紧急制动,使列车停止运行;·列车异常情况控制:当车—地通信中断或出现异常移动时,启动紧急制动;·无人自动折返:ATP 负责监督和保证列车折返的操作安全;·通信功能:向驾驶员显示信息,向ATO 系统传输数据。

4　列车自动驾驶系统(ATO )列车自动驾驶系统可实现无人自动驾驶,自动执行列车的全部牵引/制动控制、列车的站间运行和站内停车功能。

在选择自动驾驶时,ATO 系统控制列车的牵引制动设备,自动地实现列车的启动、加速、巡航、滑行以及制动等驾驶功能。

在驾驶过程中,・32・AT P 一直执行其速度监督和超速防护,负责列车的运行安全。

图4中的3种曲线分别表示了由ATP 和AT O 算出的速度-距离曲线。

曲线1为列车的紧急制动曲线,它由A TP 系统计算及监督,对应于列车的最大制动率。

一旦启用紧急制动,一定要在列车停稳后才能重新启动,不能中途释放制动,并且将之记录下来,因此这是一种非正常的运行状态,应尽量避免。

曲线2表示由ATP 系统算出并在驾驶室内显示出来的最大允许速度的速度-距离曲线。

当列车速度达到该曲线时,AT P 系统向驾驶员报警,要求采取措施,进行制动。

显然,曲线2对应的制动率小于曲线1的制动率,一般取最大常用制动率。

曲线3则是AT O 系统动态计算出的制动曲线,即实际正常运行情况下停车的速度-距离曲线,它采用适当的制动率,使制动曲线更加平滑,列车能平稳地停车,增加了乘客的舒适度。

图4　系统的不同速度—距离曲线ATO 有以下主要功能:1)站间自动驾驶这是AT O 系统的最主要功能。

它可生成牵引和制动控制信号,使列车根据速度—距离曲线控制行车速度。

ATO 根据站间距离和站间运行时间自动计算出速度—距离曲线。

在高峰期间,按照最大允许速度驾驶列车,在低峰期间,按照最节能的方式驾驶列车。

2)调整管理列车旅行期间,A TO 按照时刻表内的站间运行时间在站间控制列车运行。

为了按照时刻表运行,AT O 可对较小的异常情况进行调整。

列车按时刻表和最大可能的节能原则进行速度调整。

3)程控停车AT O 系统采用适当的制动率使列车准确、平稳地停在规定的停车点上,通过列车定位系统,可使停车位置的误差达到±0.5m 。

4)打开车门AT P 系统检查完开门条件,允许开门并给出命令后,ATO 自动打开车门。

5)自动折返列车自动折返可以由AT O 控制并受AT P 的监督。

无人驾驶的列车自动地从站台线驶入折返线并停下,在换端之后列车转回车站进入另一站台线。

5　结束语在ATC 系统中,AT P 系统是城市轨道交通的安全保障,而ATO 系统则是提高列车运行效率的技术措施(准点、平稳、节能),它们都是现代列车自动控制系统的重要环节。

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