城市軌道交通列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)用與研究

黃慶

【摘 要】在確保行車(chē)安全的前提下，為了實(shí)現(xiàn)列車(chē)快速和高密度運(yùn)行，必須縮短列車(chē)運(yùn)行的空間間隔，并將列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行和運(yùn)營(yíng)管理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力和服務(wù)質(zhì)量，其關(guān)鍵就是發(fā)展列車(chē)自動(dòng)控制技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】列車(chē)自動(dòng)控制；列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控；列車(chē)自動(dòng)防護(hù)；列車(chē)自動(dòng)駕駛

一 列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）

ATC系統(tǒng)包括列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、與列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）三個(gè)子系統(tǒng)，三個(gè)子系統(tǒng)既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，構(gòu)成了一個(gè)以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車(chē)指揮、運(yùn)行調(diào)整及列車(chē)自動(dòng)化等功能于一體的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

二 列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）

（1）速度監(jiān)督，ATP系統(tǒng)需實(shí)時(shí)將列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度與限制速度進(jìn)行比較，一旦當(dāng)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度超過(guò)系統(tǒng)限制速度時(shí)，系統(tǒng)首先提出警告，然后發(fā)出制動(dòng)命令，啟動(dòng)制動(dòng)器控制列車(chē)進(jìn)行制動(dòng)，保證列車(chē)安全地在允許速度下行駛。

（2）超速防護(hù)，超速防護(hù)能保證列車(chē)安全、高效地在系統(tǒng)限制速度下運(yùn)行。一般城市軌道交通的限制速度有臨時(shí)限速、固定限速等多種類(lèi)型。固定限速信息如列車(chē)最大允許運(yùn)行速度、區(qū)間最大允許速度等，一般在設(shè)置于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段；而臨時(shí)限速是指在一些特殊情況下，如施工現(xiàn)場(chǎng)、臨時(shí)性危險(xiǎn)點(diǎn)等，此時(shí)列車(chē)的運(yùn)行速度可以被適當(dāng)?shù)亟档汀?/p>

（3）測(cè)速、測(cè)距，該功能主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度以及距前方目標(biāo)點(diǎn)距離的測(cè)定，是ATP系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備的重要功能。ATP系統(tǒng)一般采用車(chē)載設(shè)備自測(cè)和系統(tǒng)測(cè)量?jī)煞N測(cè)速方法來(lái)完成列車(chē)即時(shí)速度的測(cè)定。其中車(chē)載設(shè)備自測(cè)有路程脈沖發(fā)生器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等方法，系統(tǒng)測(cè)量有雷達(dá)測(cè)速、衛(wèi)星測(cè)速等方法。

（4）車(chē)門(mén)、站臺(tái)安全門(mén)控制，ATP系統(tǒng)的車(chē)門(mén)和站臺(tái)安全門(mén)控制是保證安全的重要措施之一，必須對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)閉的安全條件進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督和控制。只有當(dāng)列車(chē)停在站臺(tái)的預(yù)定停車(chē)區(qū)域內(nèi)并且距離停車(chē)點(diǎn)的誤差在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)時(shí)，ATP的地面設(shè)備向車(chē)載設(shè)備發(fā)出開(kāi)啟車(chē)門(mén)的命令，車(chē)載設(shè)備才會(huì)允許開(kāi)啟車(chē)門(mén)的操作。當(dāng)發(fā)出車(chē)門(mén)開(kāi)啟命令后，ATP的軌旁設(shè)備向站臺(tái)的定位接收器發(fā)送開(kāi)啟屏蔽門(mén)的命令，收到此信號(hào)后同時(shí)控制與列車(chē)車(chē)門(mén)對(duì)應(yīng)的站臺(tái)屏蔽門(mén)開(kāi)啟。

當(dāng)列車(chē)到達(dá)停站時(shí)間后，停止發(fā)送車(chē)門(mén)開(kāi)啟信號(hào)，此時(shí)司機(jī)人工控制車(chē)門(mén)關(guān)閉，站臺(tái)的安全門(mén)也同時(shí)關(guān)閉。

三 列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）

（1）列車(chē)自動(dòng)駕駛，①列車(chē)運(yùn)行速度的自動(dòng)調(diào)整 ATO系統(tǒng)的車(chē)載控制器能將列車(chē)的即時(shí)運(yùn)行速度與列車(chē)最大允許運(yùn)行速度和目標(biāo)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，自動(dòng)完成列車(chē)在線運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而使列車(chē)在限制速度下安全運(yùn)行，并盡量較少惰行、牽引與制動(dòng)之間地相互轉(zhuǎn)換。②車(chē)站自動(dòng)發(fā)車(chē)ATO系統(tǒng)檢查發(fā)車(chē)的安全條件符合時(shí)，向司機(jī)發(fā)出啟動(dòng)列車(chē)的命令，司機(jī)確認(rèn)該命令后，按下司控臺(tái)上的列車(chē)啟動(dòng)按鈕，控制列車(chē)轉(zhuǎn)入牽引驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，隨即列車(chē)開(kāi)始加速。列車(chē)出發(fā)后，可以根據(jù)ATO系統(tǒng)預(yù)設(shè)的允許速度等信息，使列車(chē)平穩(wěn)安全地運(yùn)行。③停車(chē)點(diǎn)目標(biāo)制動(dòng)當(dāng)ATO系統(tǒng)接收到停車(chē)命令以后，會(huì)將站臺(tái)停車(chē)點(diǎn)作為其停車(chē)制動(dòng)的目標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)預(yù)設(shè)的制動(dòng)率、列車(chē)行車(chē)速度與距停車(chē)點(diǎn)的距離計(jì)算出列車(chē)的制動(dòng)曲線，從而控制列車(chē)安全、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地在預(yù)定停車(chē)區(qū)域停車(chē)。

④區(qū)間內(nèi)臨時(shí)停車(chē)，在某些特殊情況下需要列車(chē)在區(qū)間內(nèi)實(shí)施臨時(shí)停車(chē)時(shí)，ATP系統(tǒng)能根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位置信息、列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度等信息，計(jì)算出列車(chē)實(shí)施臨時(shí)制動(dòng)的速度曲線，ATO車(chē)載設(shè)備收到該制動(dòng)命令后，啟動(dòng)列車(chē)按照給定的制動(dòng)率控制列車(chē)制動(dòng)，使列車(chē)平穩(wěn)、準(zhǔn)確停在給定目標(biāo)點(diǎn)。⑤限速區(qū)間，限速區(qū)間可分為臨時(shí)性限速區(qū)間和長(zhǎng)期性限速區(qū)間兩種。臨時(shí)性限速區(qū)間的限速命令可先經(jīng)由軌旁設(shè)備傳送給ATP的車(chē)載設(shè)備，再經(jīng)由ATP車(chē)載設(shè)備將該減速命令經(jīng)ATO系統(tǒng)傳送至列車(chē)驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)的控制設(shè)備，從而控制列車(chē)按照限速命令的要求開(kāi)始減速；長(zhǎng)期性限速區(qū)間的限速信息可以預(yù)先輸入到ATO系統(tǒng)中，列車(chē)經(jīng)過(guò)該限速區(qū)間時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加以考慮。

（2）列車(chē)無(wú)人自動(dòng)折返，無(wú)人自動(dòng)折返是ATO系統(tǒng)一種特殊的駕駛模式，當(dāng)工作于此種模式時(shí)，列車(chē)上所有控制臺(tái)都將轉(zhuǎn)入鎖閉狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程無(wú)需司機(jī)參與。

（3）車(chē)門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉控制，當(dāng)列車(chē)到達(dá)指定停車(chē)點(diǎn)時(shí)，由ATO系統(tǒng)向ATP系統(tǒng)發(fā)送停車(chē)信號(hào)，此時(shí)ATP系統(tǒng)需先檢查是否符合開(kāi)啟車(chē)門(mén)的控制條件，如果符合將發(fā)出開(kāi)啟車(chē)門(mén)的命令，ATO車(chē)載設(shè)備接收到該命令后控制車(chē)門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，也可以由司機(jī)人工開(kāi)啟車(chē)門(mén)。但是ATO系統(tǒng)關(guān)閉車(chē)門(mén)不能自動(dòng)完成，必須由司機(jī)人工操縱。

四 列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）

（1）時(shí)刻表處理，時(shí)刻表系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)時(shí)刻表的存儲(chǔ)、安裝、修改，以及列車(chē)運(yùn)行圖的顯示、繪制和打印的重要設(shè)備，同時(shí)還可向其它系統(tǒng)提供時(shí)刻表的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)中儲(chǔ)存著多套列車(chē)運(yùn)行圖，能夠滿(mǎn)足列車(chē)不同運(yùn)行情況下的需要。

（2）列車(chē)監(jiān)視與跟蹤，列車(chē)監(jiān)視與跟蹤主要實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的監(jiān)視、車(chē)次號(hào)的初始化、車(chē)次號(hào)移動(dòng)、運(yùn)行識(shí)別和集中顯示等功能。

（3）列車(chē)進(jìn)路的自動(dòng)選排，ATS系統(tǒng)的控制中心能實(shí)現(xiàn)對(duì)室外道岔、進(jìn)路和信號(hào)機(jī)的集中控制，可以根據(jù)當(dāng)日當(dāng)次的列車(chē)計(jì)劃運(yùn)行圖自動(dòng)建立進(jìn)路，并且自動(dòng)完成對(duì)列車(chē)運(yùn)行的控制。

（4）列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整，當(dāng)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行偏離計(jì)劃運(yùn)行圖時(shí)，必須對(duì)列車(chē)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)需實(shí)時(shí)對(duì)列車(chē)實(shí)際時(shí)刻表和計(jì)劃時(shí)刻表進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)偏離時(shí)，必須使列車(chē)恢復(fù)到按原計(jì)劃時(shí)刻表運(yùn)行，并以此為基礎(chǔ)，自動(dòng)形成列車(chē)的發(fā)車(chē)時(shí)間。列車(chē)運(yùn)行調(diào)整要遵循所有列車(chē)調(diào)整時(shí)間最短、總延遲最短的原則，爭(zhēng)取盡快使列車(chē)運(yùn)行恢復(fù)到計(jì)劃運(yùn)行狀態(tài)。

（5）運(yùn)行報(bào)告，ATS系統(tǒng)能對(duì)列車(chē)運(yùn)行中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和存儲(chǔ)，同時(shí)提供數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)功能；工作人員在需要時(shí)，可對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)和回放；還可提供多種運(yùn)行報(bào)告和統(tǒng)計(jì)功能，輔助行車(chē)調(diào)度員了解列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行情況與整個(gè)系統(tǒng)的工作情況。

（6）仿真與演示，ATS的培訓(xùn)與演示系統(tǒng)是通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)等手段，仿真模擬整個(gè)ATS系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，借助于該系統(tǒng)，工作人員可以用于系統(tǒng)演示、調(diào)試與員工培訓(xùn)等。

五 我國(guó)城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展與展望

列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)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(chē)的運(yùn)行安全和行車(chē)效率，對(duì)于列車(chē)自動(dòng)控制技術(shù)的研究是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。列車(chē)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的智能自動(dòng)控制，涉及到諸多基礎(chǔ)理論的實(shí)踐研究。隨著研究的深入開(kāi)展，將會(huì)為新一代列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供理論支持和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，為列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的工業(yè)實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高與城市軌道交通建設(shè)籌資的多樣性，必須優(yōu)先采用我國(guó)自主研發(fā)的技術(shù)，在必要時(shí)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，盡量避免全套以及重復(fù)引進(jìn)[4]。

當(dāng)前，我國(guó)列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)正處于快速發(fā)展的階段，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃和部署下，我國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的技術(shù)水平會(huì)在不斷應(yīng)用和發(fā)展中逐步提高，在將來(lái)的發(fā)展中一定會(huì)形成符合我國(guó)國(guó)情、自主研發(fā)及制造、具有世界先進(jìn)技術(shù)水平以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用化、國(guó)有化的列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳金洪，張瑾.城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014

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[3] 魏長(zhǎng)軍.基于UML的列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)分析研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009

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

（作者單位：武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司）