地铁车载信号系统浅析

地铁车载信号系统浅析

【摘要】随着我国城市的飞速发展，拥有地铁的城市越来越多，地铁在人们出行中扮演的角色十分重要。地铁车载信号系统是地铁的核心控制部分，关系着地铁的稳定和安全运行。本文先是对于地铁车载信号系统做了简要阐述，然后介绍了信号系统的构成和设备模块，在此基础上说明了该系统的功能和地铁系统的集中运行模式，最后展望了地铁车载信号系统的未来发展趋势。

【关键词】地铁;信号系统;ATP;驾驶

车载信号系统是地铁控制系统的核心部分，对于列车的安全运行有着十分重要的意义。车载信号系统是一个十分复杂的系统，具备多种功能，组成信号系统的模块分工明确，各个设备模块各司其责。从最早期的音频控制到现在的数字电路控制，信号系统的发展经历了多个阶段，未来的发展趋势是通信系统被更加深入地运用到信号系统之中，并且会往无人式ATO方式和更加集成化、综合化方向发展。随着地铁车载信号系统的不断发展和完善，为地铁的长期安全运行提供了更为可靠的保障。

1.地铁车载信号系统概述

作为地铁控制系统的核心部分，地铁车载信号系统的发展之路是从最开始的固定闭塞方式到现在的移动闭塞方式，现今使用最为广泛的是基于数字轨道的ATC系统。ATC子系统分为不同的子模块，负责不同的功能，能够基本满足当今较大的客流量的要求，今后它将朝着更加智能、更加集成化的方向发展。

2.地铁车载信号系统构成和设备模块

2.1 系统组成

以广州地铁为例，其采用的是德国西门子公司的ATC系统，为了节约成本，并非所有设备都从国外采购，有些器材譬如信号机、电缆、中文继电器机柜等设备直接采用国内的优质设备。地铁车载信号系统一般有ATP子系统（自动列车保护系统）、ATO子系统（自动列车驾驶系统）、SICAS系统（西门子计算机辅助信号系统）等。

ATP（Automatic Train Protection）子系统是信号系统的核心部分。其任务为正确接收控制系统发出的限速命令，并通过清晰可靠的显示手段将命令显示出来，显示的同时确保列车运行在命令所固定的速度之下。ATP子系统设置了主模块和副模块来实现超速防护、制动保证以及车门控制等功能，两个模块互为补充。

ATO（Automatic Train Operation）子系统顾名思义可以替代人工进行智能化的地铁驾驶控制，实现驾驶中的平稳加速、车速自动调整和到站停车。

SICAS（SIEMENS Computer-Aided Signaling）是西门子计算机辅助信号系统的简称，是在SIMIMT原则的故障—安全原则之上的安全系统。其运行的结果是一旦系统发生了软件或者硬件的未知故障，系统能够自动进入一种预先已知的安全状态。该系统在经过了广泛验证和成熟运行之后，它的现代化设计和对于安全数字总线的准确使用，使得连锁系统的总量达到最小。

2.2 设备模块

车载ATP设备所采用的结构是三取二式，能够完成车头车尾自动换向功能。每列车的设备模块包含有：

（1）CC机架：在开放的支架盒里安装CC机架，每个CC机架包括ATP/ATO 机箱和连接面板。

（2）应答机读取器：转向架上的应答机读取器自动关联车载控制器，共享诊断信息。

（3）速度传感器：利用数字脉冲硬件计数器来确定周期转数，得到车速。

（4）车载通信网络：移动通信系统和天线是通信网络基本组成部分。

（5）TOD司机操作设备：TOD提供驾驶员和列车控制系统的人机交互界面。

（6）加速度计：加速度计用来检测列车是否发生打滑和空转现象。

ATO系统在车载设备的使用上与ATP系统硬件设备是通用的，没有单独的设备，但是CPU是独立的。车载ATO设备的主备冗余，一旦主ATO单元发生故障，备用ATO自动切换。每列车上有2套CC，一套在头车，另一套在尾车。每一CC包括2个独立的ATO模块（主用/备用），运行CC的主ATO控制动力系统和制动系统。

ATP和ATO软件开发语言为C语言和Pascal，印制在同一块电路板之上。每个CCTE包含ATP、VO、ME和CPL模块各一个。

3.地铁车载信号系统功能

音频轨道是早期地铁系统的运行基础，但是城市的发展使得客流量不断增大，音频技术的信息量、可靠性和抗干扰性无法达到密集人群的使用需求。因此，报文式数字轨道取代了音频轨道，一般而言，报文式数字轨道具备如下系统功能。

3.1 车载ATP功能

ATP功能是强制系统安全工作，保障故障安全。列车的道岔关联、占用情况、行驶速度、追踪间隔、信号灯显示和进路安全等动作都会由ATP系统进行检查

和控制。对于车门的监督、折返的确定等都在ATP功能的范畴之内。

轨旁ATP和车载ATP是两种常见的ATP形式。轨旁ATP的计算机控制系统得到轨道占用情况、最大运行速度等参数之后实时得出安全行车最小间隔，从联锁计算机等其他系统中接收命令参数之后，生成报文通过ATP天线发送出去。报文的内容包括距离速度、轨道停车等保证安全的数据。车载ATP的组成部分则是车载控制器、编码里程计、信标天线等相关外围设备。编码里程计向计算机传送出距离脉冲，车载控制器根据脉冲数据计算出地铁的实际行驶速度，再结合信标天线对接收到的报文数据进行监督，例如紧急停车、停车地点等，再把距离速度等参数送达驾驶室，供驾驶员参考。

3.2 车载ATO功能

车载ATO功能主要是指智能运行、到站停车、折返控制、车门自动开关和掌握停车时间等功能。在现代化技术的发展之下，ATO功能已经和ATP功能在设备上逐渐融合。从概念上理解ATO功能，可以分为轨旁ATO和车载ATO两种。现阶段地铁所采用的ATO功能是对列车的驾驶员行驶进行防护和辅助，列车在得到线路状况等参数之后，根据列车自身的特点和轨道坡度等即时计算得出最高效的运行路线，由驾驶员在该功能下负责启动，在信号设备产生故障时改为人工驾驶。

4.地铁运行模式

信号系统经过的长期的发展，从控制系统角度而言地铁都有着连续列车控制、点式列车控制以及联锁列车控制等不同等级。在实际中，从列车本身而言通常将列车运行状态分为如下几种。

4.1 自动驾驶

自动驾驶模式ATO是正常的操作模式，在该模式下，司机的操作简化为启动和开关车门，同时超速防护系统也会在该模式下启动。列车超速时，ATP子系统会在极短时间内发送指令给ATO系统，随后牵引电流被断开，全制动被启用。

4.2 人工驾驶

人工驾驶模式一般属于ATC系统的备用操作模式。在该模式之下，列车驾驶员在ATP子系统的监护之下完成地铁列车的基本操作如启动、定点停车等。

4.3 后退模式

当方向手柄处于“后退”位置时，列车运行后退模式开始启用。在该模式之下，驾驶员能够手动操作地铁列车后向行驶，超速防护仍然在监控当中，车速一般在5公里/小时之下。