城市軌道交通列車運行自動控制系統(tǒng)的分析與研討

李巍

摘要：在城市軌道交通線網(wǎng)密度日趨復雜、行車速度持續(xù)提高的今天，發(fā)展安全可靠、經濟實用的信號系統(tǒng)越來越具有研究意義。列車運行自動控制系統(tǒng)（ATC）是保證行車安全、提高運行效率的關鍵技術。本文主要就列車運行自動控制系統(tǒng)及其各個子系統(tǒng)的功能和特點展開分析與研討，并對未來我國城市軌道交通列車運行自動控制技術的發(fā)展做了展望。

關鍵詞：列車自動控制；列車自動監(jiān)控； 列車自動防護；列車自動駕駛

中圖分類號： C913 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2016）05（c）-0000-00

近年來，隨著當今社會發(fā)展水平的持續(xù)進步以及科學技術的快速發(fā)展，促使我國城市軌道交通業(yè)邁入了跨越式發(fā)展的階段。而城市軌道交通業(yè)的健康發(fā)展直接影響到整個城市交通事業(yè)的進步，關系到廣大人民群眾的日常出行與生產生活。因此，為了促進城市軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，應致力于不斷開發(fā)并研究城市軌道交通新產品和新技術。

在確保行車安全的前提下，為了實現(xiàn)列車快速和高密度運行，必須縮短列車運行的空間間隔，并將列車自動運行和運營管理有機結合起來，進一步提高運輸能力和服務質量，其關鍵就是發(fā)展列車自動控制技術。

1 列車自動控制系統(tǒng)（ATC）

ATC系統(tǒng)包括列車自動防護（ATP）、列車自動監(jiān)控（ATS）、與列車自動運行（ATO）三個子系統(tǒng)，三個子系統(tǒng)既相互獨立又相互聯(lián)系，構成了一個以安全設備為基礎，集行車指揮、運行調整及列車自動化等功能于一體的自動控制系統(tǒng) [1]。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示[2]。

2 列車自動防護系統(tǒng)（ATP）

ATP系統(tǒng)是保證列車運行安全、提高行車效率、防止速度升級和進行超速防護的重要設備，也是實現(xiàn)ATC系統(tǒng)功能的核心環(huán)節(jié)，必須滿足故障—安全原則。ATP系統(tǒng)功能細分如下：

（1）速度監(jiān)督，ATP系統(tǒng)需實時將列車實際運行速度與限制速度進行比較，一旦當列車實際運行速度超過系統(tǒng)限制速度時，系統(tǒng)首先提出警告，然后發(fā)出制動命令，啟動制動器控制列車進行制動，保證列車安全地在允許速度下行駛。

（2）超速防護，超速防護能保證列車安全、高效地在系統(tǒng)限制速度下運行。一般城市軌道交通的限制速度有臨時限速、固定限速等多種類型。固定限速信息如列車最大允許運行速度、區(qū)間最大允許速度等，一般在設置于系統(tǒng)的設計階段；而臨時限速是指在一些特殊情況下，如施工現(xiàn)場、臨時性危險點等，此時列車的運行速度可以被適當?shù)亟档汀?/p>

（3）測速、測距，該功能主要用于實現(xiàn)對列車實際運行速度以及距前方目標點距離的測定，是ATP系統(tǒng)車載設備的重要功能。ATP系統(tǒng)一般采用車載設備自測和系統(tǒng)測量兩種測速方法來完成列車即時速度的測定。其中車載設備自測有路程脈沖發(fā)生器、測速發(fā)電機等方法，系統(tǒng)測量有雷達測速、衛(wèi)星測速等方法[3]。

ATP系統(tǒng)的測距是通過測速和輪徑配合完成的，首先通過測速設備獲取車輪旋轉的次數(shù)，結合列車的運行方向和車輪直徑來計算走行距離，必須不斷地對車輪輪徑進行修訂。

（4）車門、站臺安全門控制，ATP系統(tǒng)的車門和站臺安全門控制是保證安全的重要措施之一，必須對車門開閉的安全條件進行嚴格的監(jiān)督和控制。只有當列車停在站臺的預定停車區(qū)域內并且距離停車點的誤差在規(guī)定的允許范圍之內時，ATP的地面設備向車載設備發(fā)出開啟車門的命令，車載設備才會允許開啟車門的操作。當發(fā)出車門開啟命令后，ATP的軌旁設備向站臺的定位接收器發(fā)送開啟屏蔽門的命令，收到此信號后同時控制與列車車門對應的站臺屏蔽門開啟。

當列車到達停站時間后，停止發(fā)送車門開啟信號，此時司機人工控制車門關閉，站臺的安全門也同時關閉。

（5）停車點防護，城市軌道交通中的停車點有時即是危險點，列車能否在預定停車區(qū)域內準確停車，直接影響著列車運行安全，因此，ATP系統(tǒng)必須對停車點進行防護。ATP系統(tǒng)根據(jù)列車至停車點的距離、列車的制動性能以及前方線路的速度信息等，計算出一條制動曲線，使列車按照一定的制動率實施定點制動。

（6）司機的人機接口（MMI），MMI是ATP系統(tǒng)與司機交換各種指令信息的窗口，可以使司機按照ATP系統(tǒng)下發(fā)的命令控制列車運行。MMI通過司控室里的顯示屏向司機提供包括列車最大允許速度、實際速度、前方路況等信息在內的列車運行所需的所有信息，以及列車在實際運行過程中的重要故障信息，并在需要時發(fā)出響鈴等報警提示。

（7）折返、改換駕駛室，城市軌道交通車輛在兩端都設置有司控室，列車在進行折返作業(yè)時，需要司機改換駕駛室。改換駕駛室后會引起列車前、后部的互換，因此ATP的車載設備必須做出相應的調整。

3列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）

ATO系統(tǒng)可以代替司機操縱列車運行，能根據(jù)控制中心下發(fā)的命令自動控制列車進行啟動、加速、勻速惰行和制動，同時發(fā)出車門和站臺安全門的開關信號，達到使列車安全、正點、平穩(wěn)運行的目的。ATO系統(tǒng)功能細分如下。

（1）列車自動駕駛，①列車運行速度的自動調整 ATO系統(tǒng)的車載控制器能將列車的即時運行速度與列車最大允許運行速度和目標速度進行實時比較，自動完成列車在線運行速度的實時調整，從而使列車在限制速度下安全運行，并盡量較少惰行、牽引與制動之間地相互轉換。②車站自動發(fā)車ATO系統(tǒng)檢查發(fā)車的安全條件符合時，向司機發(fā)出啟動列車的命令，司機確認該命令后，按下司控臺上的列車啟動按鈕，控制列車轉入牽引驅動狀態(tài)，隨即列車開始加速。列車出發(fā)后，可以根據(jù)ATO系統(tǒng)預設的允許速度等信息，使列車平穩(wěn)安全地運行。③停車點目標制動當ATO系統(tǒng)接收到停車命令以后，會將站臺停車點作為其停車制動的目標點，結合系統(tǒng)預設的制動率、列車行車速度與距停車點的距離計算出列車的制動曲線，從而控制列車安全、準確、平穩(wěn)地在預定停車區(qū)域停車。

④區(qū)間內臨時停車，在某些特殊情況下需要列車在區(qū)間內實施臨時停車時，ATP系統(tǒng)能根據(jù)目標點位置信息、列車實際運行速度等信息，計算出列車實施臨時制動的速度曲線，ATO車載設備收到該制動命令后，啟動列車按照給定的制動率控制列車制動，使列車平穩(wěn)、準確停在給定目標點。⑤限速區(qū)間，限速區(qū)間可分為臨時性限速區(qū)間和長期性限速區(qū)間兩種。臨時性限速區(qū)間的限速命令可先經由軌旁設備傳送給ATP的車載設備，再經由ATP車載設備將該減速命令經ATO系統(tǒng)傳送至列車驅動與制動的控制設備，從而控制列車按照限速命令的要求開始減速；長期性限速區(qū)間的限速信息可以預先輸入到ATO系統(tǒng)中，列車經過該限速區(qū)間時系統(tǒng)會自動加以考慮。

（2）列車無人自動折返，無人自動折返是ATO系統(tǒng)一種特殊的駕駛模式，當工作于此種模式時，列車上所有控制臺都將轉入鎖閉狀態(tài)，整個過程無需司機參與。

（3）車門自動開閉控制，當列車到達指定停車點時，由ATO系統(tǒng)向ATP系統(tǒng)發(fā)送停車信號，此時ATP系統(tǒng)需先檢查是否符合開啟車門的控制條件，如果符合將發(fā)出開啟車門的命令，ATO車載設備接收到該命令后控制車門自動開啟，也可以由司機人工開啟車門。但是ATO系統(tǒng)關閉車門不能自動完成，必須由司機人工操縱。

4列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）

ATS系統(tǒng)在ATP和ATO系統(tǒng)的支持下，完成對列車全線運行的自動監(jiān)控，并對道岔、進路和信號等基礎設備進行集中監(jiān)督和控制，輔助行車調度人員完成對全線列車的運行管理[3]。其功能細分如下：

（1）時刻表處理，時刻表系統(tǒng)是實現(xiàn)時刻表的存儲、安裝、修改，以及列車運行圖的顯示、繪制和打印的重要設備，同時還可向其它系統(tǒng)提供時刻表的相關數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)中儲存著多套列車運行圖，能夠滿足列車不同運行情況下的需要。

（2）列車監(jiān)視與跟蹤，列車監(jiān)視與跟蹤主要實現(xiàn)對列車的監(jiān)視、車次號的初始化、車次號移動、運行識別和集中顯示等功能。

（3）列車進路的自動選排，ATS系統(tǒng)的控制中心能實現(xiàn)對室外道岔、進路和信號機的集中控制，可以根據(jù)當日當次的列車計劃運行圖自動建立進路，并且自動完成對列車運行的控制。

ATS系統(tǒng)能形成轉換道岔所處位置的命令，并將該命令經由傳輸通道發(fā)送向聯(lián)鎖信號系統(tǒng)，進而實現(xiàn)自動建立進路的功能。

（4）列車運行自動調整，當列車實際運行偏離計劃運行圖時，必須對列車運行情況進行調整。系統(tǒng)需實時對列車實際時刻表和計劃時刻表進行比較，一旦出現(xiàn)偏離時，必須使列車恢復到按原計劃時刻表運行，并以此為基礎，自動形成列車的發(fā)車時間。列車運行調整要遵循所有列車調整時間最短、總延遲最短的原則，爭取盡快使列車運行恢復到計劃運行狀態(tài)。

（5）運行報告，ATS系統(tǒng)能對列車運行中產生的大量數(shù)據(jù)進行記錄、分析和存儲，同時提供數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復功能；工作人員在需要時，可對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行查詢和回放；還可提供多種運行報告和統(tǒng)計功能，輔助行車調度員了解列車的實際運行情況與整個系統(tǒng)的工作情況。

（6）仿真與演示，ATS的培訓與演示系統(tǒng)是通過現(xiàn)代信息技術等手段，仿真模擬整個ATS系統(tǒng)的實際運行情況，借助于該系統(tǒng)，工作人員可以用于系統(tǒng)演示、調試與員工培訓等。

（7）監(jiān)測與警報，為了使列車能安全、平穩(wěn)地運行，ATS系統(tǒng)需要對各種設備的實際運行狀態(tài)進行實時監(jiān)督和檢測，并對整個過程加以記錄，而且整個監(jiān)測過程不會影響到被監(jiān)測對象的正常工作。一旦被監(jiān)測對象出現(xiàn)異常情況時，應能及時給出報警提示，同時確定故障的范圍和位置并加以診斷，直到設備恢復到正常情況為止。

5我國城市軌道交通列車運行自動控制技術的發(fā)展與展望

列車運行自動控制系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，其性能可靠與否直接影響到列車的運行安全和行車效率，對于列車自動控制技術的研究是非常具有現(xiàn)實意義的。列車整個運行過程中的智能自動控制，涉及到諸多基礎理論的實踐研究。隨著研究的深入開展，將會為新一代列車運行自動控制技術的開發(fā)提供理論支持和實驗對比，為列車運行控制系統(tǒng)的工業(yè)實現(xiàn)打下堅實基礎。隨著我國社會經濟水平的不斷提高與城市軌道交通建設籌資的多樣性，必須優(yōu)先采用我國自主研發(fā)的技術，在必要時引進國外先進技術設備，盡量避免全套以及重復引進[4]。

當前，我國列車運行自動控制系統(tǒng)正處于快速發(fā)展的階段，隨著社會經濟和科學技術的不斷發(fā)展，在國家統(tǒng)一規(guī)劃和部署下，我國列車運行控制系統(tǒng)的技術水平會在不斷應用和發(fā)展中逐步提高，在將來的發(fā)展中一定會形成符合我國國情、自主研發(fā)及制造、具有世界先進技術水平以及自主知識產權的通用化、國有化的列車運行自動控制系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 吳金洪，張瑾. 城市軌道交通列車運行控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014

[2] 瞿莉麗. 淺談列車自動控制系統(tǒng)ATC[J]. 計算機與網(wǎng)絡，2007

[3] 魏長軍. 基于UML的列車自動監(jiān)控系統(tǒng)分析研究[J].鐵路計算機應用，2009

[4] 楊 燕. 列車自動控制系統(tǒng)的分析與研究[J]. 科技信息，2009