城轨交通CBTC关键技术_列车自动防护车载_ATP_子系统_郜洪民
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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。
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
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
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
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
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。
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பைடு நூலகம்2
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）。
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。
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
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
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。
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 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
(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。
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
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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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。
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
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。
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。
(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。
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
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。
全限速、列车前方停车点的位置、
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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
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
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
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
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。
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பைடு நூலகம்2
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）。
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。
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
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
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。
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 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
(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。
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
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。
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
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。
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。
(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。
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
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。
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。