城轨交通CBTC关键技术_列车自动防护车载_ATP_子系统
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轨旁A T P设备（Z C区域控制 器）根据线路实际情况和列车运行 时刻表计算出每列车的安全停车点 （距离），并通过车地安全通信通 道以移动授权的形式发送给车载设 备。车载设备根据移动授权内描述 的安全路径和安全停车点，结合线 路地图中存储的线路情况（如土建 限速、坡度等）计算出列车应遵循 的速度曲线。并且根据此速度曲线 监视列车运行速度，一旦发现列车 超速，将触发紧急制动。
与基于点式通信下的速度曲线 不同的是，连续式通信下的速度曲 线是动态的。前车的移动或者前方线 路的占用或解锁都会影响到移动授权 的内容，进而影响到速度曲线。
（2）I T C模式下的速度监督。
图2 ITC模式ATP速度控制曲线图
点式通信条件下，Z C区域控制器的 移动授权仅可以通过与主信号机相 关的可变应答器（主信号应答器或 填充应答器）传输给车载设备。速 度控制曲线如图2所示。
转速传感器在列车发生空转或 打滑下会出现较大的测量误差，测 速雷达存在低速下测量不精确的问 题。测速单元处理板将根据特定的 数学模型对以上两者测得的数据进 行综合优化处理，综合得出准确的 列车速度信息。
测速模块包含的2个测速单元处 理板组成2个物理独立的通道，分别 给A T P同系的核心处理单元的2块处 理板提供速度信息。 2.3 输入、输出模块
(2）后溜防护。车载A T P单元 通过测速、测距设备监督列车运行 方向。监测到列车后溜超出预定范 围后，车载A T P将触发紧急制动直 到列车停止后溜。
（3）车门防护。列车运行过程 中，列车车门锁闭信号丢失后，车 载A T P单元将触发紧急制动，停车 以后车门锁闭信号恢复或司机通过 开关或按钮手动确认车门旁路后， 紧急制动撤销。
随着信号控制和通信技术的快 速发展与融合，基于无线通信的列 车控制系统C B T C在城市轨道交通 行业得到了广泛的应用并成为主流 制式。
C B T C系统技术先进性最直接 体现的就是对列车定位精度、运 行速度控制精准性的提升。V O B C （Vehicle On-Board Controller） 车载子系统充当了这一过程决策者 和执行者的双重角色。A T P列车自 动防护单元则是VOBC的核心安全控 制部件，直接关系着决策和执行的 安全与效率。重点研究A T P系统的 功能需求以及硬件、软件架构是自 主研发CBTC系统成功与否的关键。
技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ备
城轨交通CBTC关键技术 ——列车自动防护车载（ATP）子系统
郜洪民 段晨宁 尹逊政
摘 要：重点围绕城市轨道交通基于通信的列车控制系统(CBTC)技术 需求，详细描述了车载子系统核心安全部件—车载AT P列车自动防护 单元关键功能（列车状态监督、列车速度曲线生成与监督、列车运行 状态报告生成）的工作原理和功能，重点分析了AT P核心硬件设计(核 心处理模块、测速模块、应答器通信模块)和软件架构设计，并结合 CBTC车载子系统整体技术方案进行了研究与探讨。 关键词： 城市轨道交通； 基于通信的列车控制； 列车自动防护
2.2 测速模块 测速模块具有列车速度测量
功能。该模块由2个测速单元处理 板、1个测速雷达和2个转速传感器 组成。转速传感器安装于列车轮对 上，检测到列车轮对转动会输出相 应的脉冲信号。测速单元处理板检 测该脉冲信号以获取列车轮对转动 信息。基于多普勒频移工作原理的 测速雷达依靠向轨面辐射电磁波以 非物理接触方式获取列车前行的速 度和距离，并使用通信方式传递给 测速单元处理板。
处理单元；输出单元接收来自核心处理 单元的输出控制指令，通过驱动接口继 电器，安全地驱动车辆接口设备。
输入、输出模块与核心处理单 元的通信接口协议采用安全通信协 议，通过正反码校核、双重C R C校 核、时间戳校验等措施确保控制指 令数据安全。输入部分自身可提供 采集电源，对外界提供的接点状态 进行采集。输出部分使用独立的安 全电源驱动电路与安全或非安全继 电器，提供给车辆控制系统独立的 继电器接点。A T P主、备双套系统 使用独立的输入、输出模块。
车载A T P核心处理单元采用2乘 2取2冗余架构，由2套互为备份系 统组成，每套系统则由并行校核的 2取2双系组成。每套系统硬件设 计为2乘2取2软件平台的实现提供 了丰富的接口资源。首先，为了 实现同系双C P U间大量的数据交 换，在双C P U间设计了大容量双 端口RAM, 双CPU可独立对双口 R A M寻址，其次，为了实现系间 的同步与状态转换，主、备系间提 供了高速串口和以太网通道，用于 实现乘2冗余。基于双端口RAM， 编制了双C P U同步、仲裁和校核 逻辑，双系比较不通过，系统将切 断输出，导向安全侧，并在不影响 系统外部功能前提下，通过系间高 速串口和继电器状态指示接口，启 动主备系切换过程，确保系统功能 安全可控。
于使列车尽可能的停在信号机2的前 方，以便收到下个点式移动授权。 在区间内，距离信号机2一定距离安 装有填充应答器，其发送授权报文 与主信号应答器2完全一致，可以使 列车提前获取前方进路开放信息， 以较高速度通过信号机2，进入下一 区段。
如果列车经过可变应答器1上方 后，如果没有收到移动授权（如收 到红灯报文、默认报文或未收到报 文）车载A T P将触发紧急制动。列 车启动后只能以人工模式（最高限 速为25 k m/h）通过信号机1和信号 机2之间的区段。 1.3 列车运行状态报告
(4）轨旁A T S系统。连续式通 信条件下，车载A T P单元向轨旁 A T S列车自动调度监督设备发送列 车的位置、速度、列车自身参数、 列车运行参数（到站、离站、跳 停、紧制及其原因等信息）。这些 信息将在控制中心显示，并且作为 调整运行时刻表和自动排列进路的 依据。
(5）车载T I U单元。运行过程 中，车载A T P单元向车辆接口单元 （TIU，Train Interface Unit）提 供包括自身工况，速度、里程、定 位等必要信息，同时通过TIU与车辆 其他系统通信接口，获取有关车辆 状态信息，例如：T I M S车辆信息系 统、PIS旅客向导系统等。
释放速度（25 km/h）
信号机1 主信号应答器1
道旁电子单元1
推荐速度曲线 填充应答器
保护速度曲线
主信号 应答器2
信号机 2
道旁电子单元2
列车完成定位后，将自身的状
地面连锁系统
态信息通过车地无线通信通道周期 性地发送给轨旁Z C区域控制器。同 时，Z C区域控制器根据线路占用情 况和前方列车的位置向列车发送移 动授权。该授权的起点为本列车尾 端，终点为前车的尾端或线路固有 的安全停车点。列车根据移动授权 生成当前的保护速度曲线和推荐速 度曲线。“前车的尾端”在CBTC系 统中的定义并不等同于列车物理意 义上的车尾，而是前车车载A T P在 综合考虑了各种最不利的因素（轮 径值误差、定位计算误差、应答器 读取误差等）后报告给地面A T P设 备的一个更有利于的绝对安全的位 置，其含义是，即使在最不利的情 况下列车的实际位置也会在绝对安 全位置的前方（相对于列车运行方 向）。
1 ATP功能描述
1.1 列车状态监督 V O B C子系统中的A T P单元负
责处理与行车安全相关的任务。通 过安全输入输出模块对列车状态进 行监督，并输出安全控制指令。其 监督内容如下。
(1）列车完整性。列车控制系 统给出列车完整性表示，车载A T P 单元实时监测列车完整性信号。一 旦该信号丢失,将输出紧急停车指 令，直到完整性信号恢复。
车载ATP单元负责维护列车的状 态信息，并把状态信息提供给其他系 统使用，主要包括以下几个方面。
(1）D M I人机接口。车载信号 系统提供1块液晶显示屏，向司机提 供信号系统信息，其中A T P子系统 负责维护其中的列车速度、当前安 全限速、当前推荐速度、目标距离
释放速度（25 km/h）
推荐速度曲线
全限速、列车前方停车点的位置、
8 MODERN URBAN TRANSIT 5 / 2011 现 代 城 市 轨 道 交 通
城轨交通CBTC关键技术——列车自动防护车载（ATP）子系统 郜洪民等
技术装备
ATO发车条件是否具备等信息。 (3）轨旁A T P设备。连续式通
信条件下，车载A T P单元向轨旁 Z C区域控制器发送列车的位置、速 度、列车自身参数、屏蔽门开启授 权等信息。Z C区域控制器据此计算 并发布后车的移动授权；在列车停 站期间，执行当前列车的开、关屏 蔽门命令。
列车运行至信号机1前方，A T P 系统判断车速和距信号机距离满 足技术要求，则通过D M I（D r i v e r M a c h i n e I n t e r f a c e）人机接口给 出“速度释放”图标提示，司机人 工确认信号机开放后，通过按压图 标，给车载A T P单元发出速度释放 信号。列车在A T P监督下前进，此 时的保护速度为释放速度（限速为 25 k m/h）。列车经过主信号应答 器1上方后，将收到新的移动授权。 该移动授权起点为主信号应答器1， 终点为信号机2的保护区段终点。车 载A T P将根据线路地图中存储的线 路状况和该移动授权生成保护速度 曲线和推荐速度曲线。保护速度曲 线目的在于确保列车不会越过移动 授权的终点。推荐速度曲线目的在
配置，彼此通过贯通列车线（含通 信线缆和车辆接口I/O线缆）连接， 完成必要的数据校换。无线通信单 元（T R U）、应答器处理单元、定 位传感器、车地通信单元（L C U, Local Communication Unit）、测 速雷达等外围基础性设备采用头尾 冗余配置，V O B C（含A T P）硬件 架构如图3所示。 2.1 核心处理模块
郜洪民：中国铁道科学研究院通信信号研究所城市轨道交通事业部，副主任，副研究员，北京 100081
7 现 代 城 市 轨 道 交 通 5 / 2011 MODERN URBAN TRANSIT
技术装备
城轨交通CBTC关键技术——列车自动防护车载（ATP）子系统 郜洪民等
模式。
(1）C T C模式下的速度监督。 连续通信模式下，车载A T P设备与 轨旁Z C区域控制器之间可以建立连 续的无线通信，实现真正意义上的 移动闭塞。速度曲线如图1所示。
信号机1
保护速度曲线 列车位置不确定性
信号机 2
等运营信息。并且会通过图标显示 A T P子系统出发的紧急制动及紧急 制动的原因。
AP车地无线接入点
DCS数据通信骨干网 地面ATP设备
(2）车载A T O子系统。车载 A T P单元负责向A T O单元提供自动 驾驶所需要的信息，包括列车当前安
图1 CTC模式ATP速度控制曲线图
输入、输出模块主要由智能安 全采集驱动单元和继电器组成。通过 安全数据通道与核心处理单元交换信 息。输入单元通过采集接口电路，采 集车辆接口的状态信息，发送给核心
图3 车载VOBC设备硬件架构图
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技术装备
城轨交通CBTC关键技术——列车自动防护车载（ATP）子系统 郜洪民等
列车停站后，车载A T P根据 自身计算的列车位置信息与线路地 图中存储的站台停车点信息进行对 比。判断列车确实停在预设的停车 窗内后，给出允许开门信号，司机 或ATO（Auto Train Operation） 子系统根据此信号开启正确一侧的车 门。列车发车前，车载ATP确认车门 关好且锁闭后，给出允许发车信号。 1.2 列车速度曲线生成与监督
2 硬件架构
V O B C车载系统主要由A T P、 A T O、无线通信（T R U,T r a i n Radio Unit）、人机接口(DMI)、 车辆接口(T I U)等单元组件构成。其 中车载A T P单元是V O B C的安全等 级最高的核心部件，主要由A T P核 心处理模块、测速模块、输入输出 模块和应答器通信模块组成。系统 整体采用标准的分层的19英寸机箱 结构，机架式安装。在列车每端头 司机室安装一套V O B C系统，单端 的A T P核心设备按照2乘2取2冗余
根据车地安全通信通道的不 同，C B T C列车控制模式分为连续 式通信（CTC，Continuous Train C o n t r o l）和点式通信（I T C， Intermittent Train Control）2种模 式。其中C T C模式为系统常规应 用模式，I T C模式为系统降级运行
与基于点式通信下的速度曲线 不同的是，连续式通信下的速度曲 线是动态的。前车的移动或者前方线 路的占用或解锁都会影响到移动授权 的内容，进而影响到速度曲线。
（2）I T C模式下的速度监督。
图2 ITC模式ATP速度控制曲线图
点式通信条件下，Z C区域控制器的 移动授权仅可以通过与主信号机相 关的可变应答器（主信号应答器或 填充应答器）传输给车载设备。速 度控制曲线如图2所示。
转速传感器在列车发生空转或 打滑下会出现较大的测量误差，测 速雷达存在低速下测量不精确的问 题。测速单元处理板将根据特定的 数学模型对以上两者测得的数据进 行综合优化处理，综合得出准确的 列车速度信息。
测速模块包含的2个测速单元处 理板组成2个物理独立的通道，分别 给A T P同系的核心处理单元的2块处 理板提供速度信息。 2.3 输入、输出模块
(2）后溜防护。车载A T P单元 通过测速、测距设备监督列车运行 方向。监测到列车后溜超出预定范 围后，车载A T P将触发紧急制动直 到列车停止后溜。
（3）车门防护。列车运行过程 中，列车车门锁闭信号丢失后，车 载A T P单元将触发紧急制动，停车 以后车门锁闭信号恢复或司机通过 开关或按钮手动确认车门旁路后， 紧急制动撤销。
随着信号控制和通信技术的快 速发展与融合，基于无线通信的列 车控制系统C B T C在城市轨道交通 行业得到了广泛的应用并成为主流 制式。
C B T C系统技术先进性最直接 体现的就是对列车定位精度、运 行速度控制精准性的提升。V O B C （Vehicle On-Board Controller） 车载子系统充当了这一过程决策者 和执行者的双重角色。A T P列车自 动防护单元则是VOBC的核心安全控 制部件，直接关系着决策和执行的 安全与效率。重点研究A T P系统的 功能需求以及硬件、软件架构是自 主研发CBTC系统成功与否的关键。
技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ备
城轨交通CBTC关键技术 ——列车自动防护车载（ATP）子系统
郜洪民 段晨宁 尹逊政
摘 要：重点围绕城市轨道交通基于通信的列车控制系统(CBTC)技术 需求，详细描述了车载子系统核心安全部件—车载AT P列车自动防护 单元关键功能（列车状态监督、列车速度曲线生成与监督、列车运行 状态报告生成）的工作原理和功能，重点分析了AT P核心硬件设计(核 心处理模块、测速模块、应答器通信模块)和软件架构设计，并结合 CBTC车载子系统整体技术方案进行了研究与探讨。 关键词： 城市轨道交通； 基于通信的列车控制； 列车自动防护
2.2 测速模块 测速模块具有列车速度测量
功能。该模块由2个测速单元处理 板、1个测速雷达和2个转速传感器 组成。转速传感器安装于列车轮对 上，检测到列车轮对转动会输出相 应的脉冲信号。测速单元处理板检 测该脉冲信号以获取列车轮对转动 信息。基于多普勒频移工作原理的 测速雷达依靠向轨面辐射电磁波以 非物理接触方式获取列车前行的速 度和距离，并使用通信方式传递给 测速单元处理板。
处理单元；输出单元接收来自核心处理 单元的输出控制指令，通过驱动接口继 电器，安全地驱动车辆接口设备。
输入、输出模块与核心处理单 元的通信接口协议采用安全通信协 议，通过正反码校核、双重C R C校 核、时间戳校验等措施确保控制指 令数据安全。输入部分自身可提供 采集电源，对外界提供的接点状态 进行采集。输出部分使用独立的安 全电源驱动电路与安全或非安全继 电器，提供给车辆控制系统独立的 继电器接点。A T P主、备双套系统 使用独立的输入、输出模块。
车载A T P核心处理单元采用2乘 2取2冗余架构，由2套互为备份系 统组成，每套系统则由并行校核的 2取2双系组成。每套系统硬件设 计为2乘2取2软件平台的实现提供 了丰富的接口资源。首先，为了 实现同系双C P U间大量的数据交 换，在双C P U间设计了大容量双 端口RAM, 双CPU可独立对双口 R A M寻址，其次，为了实现系间 的同步与状态转换，主、备系间提 供了高速串口和以太网通道，用于 实现乘2冗余。基于双端口RAM， 编制了双C P U同步、仲裁和校核 逻辑，双系比较不通过，系统将切 断输出，导向安全侧，并在不影响 系统外部功能前提下，通过系间高 速串口和继电器状态指示接口，启 动主备系切换过程，确保系统功能 安全可控。
于使列车尽可能的停在信号机2的前 方，以便收到下个点式移动授权。 在区间内，距离信号机2一定距离安 装有填充应答器，其发送授权报文 与主信号应答器2完全一致，可以使 列车提前获取前方进路开放信息， 以较高速度通过信号机2，进入下一 区段。
如果列车经过可变应答器1上方 后，如果没有收到移动授权（如收 到红灯报文、默认报文或未收到报 文）车载A T P将触发紧急制动。列 车启动后只能以人工模式（最高限 速为25 k m/h）通过信号机1和信号 机2之间的区段。 1.3 列车运行状态报告
(4）轨旁A T S系统。连续式通 信条件下，车载A T P单元向轨旁 A T S列车自动调度监督设备发送列 车的位置、速度、列车自身参数、 列车运行参数（到站、离站、跳 停、紧制及其原因等信息）。这些 信息将在控制中心显示，并且作为 调整运行时刻表和自动排列进路的 依据。
(5）车载T I U单元。运行过程 中，车载A T P单元向车辆接口单元 （TIU，Train Interface Unit）提 供包括自身工况，速度、里程、定 位等必要信息，同时通过TIU与车辆 其他系统通信接口，获取有关车辆 状态信息，例如：T I M S车辆信息系 统、PIS旅客向导系统等。
释放速度（25 km/h）
信号机1 主信号应答器1
道旁电子单元1
推荐速度曲线 填充应答器
保护速度曲线
主信号 应答器2
信号机 2
道旁电子单元2
列车完成定位后，将自身的状
地面连锁系统
态信息通过车地无线通信通道周期 性地发送给轨旁Z C区域控制器。同 时，Z C区域控制器根据线路占用情 况和前方列车的位置向列车发送移 动授权。该授权的起点为本列车尾 端，终点为前车的尾端或线路固有 的安全停车点。列车根据移动授权 生成当前的保护速度曲线和推荐速 度曲线。“前车的尾端”在CBTC系 统中的定义并不等同于列车物理意 义上的车尾，而是前车车载A T P在 综合考虑了各种最不利的因素（轮 径值误差、定位计算误差、应答器 读取误差等）后报告给地面A T P设 备的一个更有利于的绝对安全的位 置，其含义是，即使在最不利的情 况下列车的实际位置也会在绝对安 全位置的前方（相对于列车运行方 向）。
1 ATP功能描述
1.1 列车状态监督 V O B C子系统中的A T P单元负
责处理与行车安全相关的任务。通 过安全输入输出模块对列车状态进 行监督，并输出安全控制指令。其 监督内容如下。
(1）列车完整性。列车控制系 统给出列车完整性表示，车载A T P 单元实时监测列车完整性信号。一 旦该信号丢失,将输出紧急停车指 令，直到完整性信号恢复。
车载ATP单元负责维护列车的状 态信息，并把状态信息提供给其他系 统使用，主要包括以下几个方面。
(1）D M I人机接口。车载信号 系统提供1块液晶显示屏，向司机提 供信号系统信息，其中A T P子系统 负责维护其中的列车速度、当前安 全限速、当前推荐速度、目标距离
释放速度（25 km/h）
推荐速度曲线
全限速、列车前方停车点的位置、
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城轨交通CBTC关键技术——列车自动防护车载（ATP）子系统 郜洪民等
技术装备
ATO发车条件是否具备等信息。 (3）轨旁A T P设备。连续式通
信条件下，车载A T P单元向轨旁 Z C区域控制器发送列车的位置、速 度、列车自身参数、屏蔽门开启授 权等信息。Z C区域控制器据此计算 并发布后车的移动授权；在列车停 站期间，执行当前列车的开、关屏 蔽门命令。
列车运行至信号机1前方，A T P 系统判断车速和距信号机距离满 足技术要求，则通过D M I（D r i v e r M a c h i n e I n t e r f a c e）人机接口给 出“速度释放”图标提示，司机人 工确认信号机开放后，通过按压图 标，给车载A T P单元发出速度释放 信号。列车在A T P监督下前进，此 时的保护速度为释放速度（限速为 25 k m/h）。列车经过主信号应答 器1上方后，将收到新的移动授权。 该移动授权起点为主信号应答器1， 终点为信号机2的保护区段终点。车 载A T P将根据线路地图中存储的线 路状况和该移动授权生成保护速度 曲线和推荐速度曲线。保护速度曲 线目的在于确保列车不会越过移动 授权的终点。推荐速度曲线目的在
配置，彼此通过贯通列车线（含通 信线缆和车辆接口I/O线缆）连接， 完成必要的数据校换。无线通信单 元（T R U）、应答器处理单元、定 位传感器、车地通信单元（L C U, Local Communication Unit）、测 速雷达等外围基础性设备采用头尾 冗余配置，V O B C（含A T P）硬件 架构如图3所示。 2.1 核心处理模块
郜洪民：中国铁道科学研究院通信信号研究所城市轨道交通事业部，副主任，副研究员，北京 100081
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城轨交通CBTC关键技术——列车自动防护车载（ATP）子系统 郜洪民等
模式。
(1）C T C模式下的速度监督。 连续通信模式下，车载A T P设备与 轨旁Z C区域控制器之间可以建立连 续的无线通信，实现真正意义上的 移动闭塞。速度曲线如图1所示。
信号机1
保护速度曲线 列车位置不确定性
信号机 2
等运营信息。并且会通过图标显示 A T P子系统出发的紧急制动及紧急 制动的原因。
AP车地无线接入点
DCS数据通信骨干网 地面ATP设备
(2）车载A T O子系统。车载 A T P单元负责向A T O单元提供自动 驾驶所需要的信息，包括列车当前安
图1 CTC模式ATP速度控制曲线图
输入、输出模块主要由智能安 全采集驱动单元和继电器组成。通过 安全数据通道与核心处理单元交换信 息。输入单元通过采集接口电路，采 集车辆接口的状态信息，发送给核心
图3 车载VOBC设备硬件架构图
9 现 代 城 市 轨 道 交 通 5 / 2011 MODERN URBAN TRANSIT
技术装备
城轨交通CBTC关键技术——列车自动防护车载（ATP）子系统 郜洪民等
列车停站后，车载A T P根据 自身计算的列车位置信息与线路地 图中存储的站台停车点信息进行对 比。判断列车确实停在预设的停车 窗内后，给出允许开门信号，司机 或ATO（Auto Train Operation） 子系统根据此信号开启正确一侧的车 门。列车发车前，车载ATP确认车门 关好且锁闭后，给出允许发车信号。 1.2 列车速度曲线生成与监督
2 硬件架构
V O B C车载系统主要由A T P、 A T O、无线通信（T R U,T r a i n Radio Unit）、人机接口(DMI)、 车辆接口(T I U)等单元组件构成。其 中车载A T P单元是V O B C的安全等 级最高的核心部件，主要由A T P核 心处理模块、测速模块、输入输出 模块和应答器通信模块组成。系统 整体采用标准的分层的19英寸机箱 结构，机架式安装。在列车每端头 司机室安装一套V O B C系统，单端 的A T P核心设备按照2乘2取2冗余
根据车地安全通信通道的不 同，C B T C列车控制模式分为连续 式通信（CTC，Continuous Train C o n t r o l）和点式通信（I T C， Intermittent Train Control）2种模 式。其中C T C模式为系统常规应 用模式，I T C模式为系统降级运行