第五章列車自動控制(ATC)系統(tǒng)的基本原理

1、第五章第五章ATC系統(tǒng)基本原理系統(tǒng)基本原理上節(jié)課的主要內容回顧： ATC系統(tǒng)概述？ ATP子系統(tǒng)基本原理？ ATO子系統(tǒng)基本原理？ ATS子系統(tǒng)基本原理？1.掌握列車自動控制系統(tǒng)（ATC）的工作原理。2.理解ATC三個子系統(tǒng)與ATC系統(tǒng)之間的關系。3.了解ATC發(fā)展趨勢，地鐵對ATC模式的應用狀況。重點：列車自動控制系統(tǒng)（ATC）三個子系統(tǒng)的工作原理。難點：ATP的工作原理及其實現。問題的提出：1、軌道電路傳遞的信息？2、城市軌道列車是如何運行的？ATC-列車自動控制列車運行自動控制系統(tǒng)（簡稱列控系統(tǒng)）是計算機、通信、控制等信息技術與信號技術的一個高水平集成與融合的產物。列車運行控制系統(tǒng)定義：

2、由列控中心、閉塞設備、地面信號設備、地車信息傳輸設備、車載速度控制設備構成的用于控制列車運行速度保證行車安全和提高運輸能力的控制系統(tǒng)。 第一節(jié)ATC-列車自動控制一、ATC系統(tǒng)的組成和功能二、ATC系統(tǒng)的水平等級 三、ATC系統(tǒng)選用原則四、不同閉塞制式的ATC系統(tǒng)五、不同結構的ATC系統(tǒng)六、ATC的控制模式一、ATC系統(tǒng)的組成和功能1、列車自動控制(ATC Automatic Train Control)系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：列車自動防護(ATP Automatic Train Protection)、列車自動運行(ATO Automatic Train Opera-tion）、列車自動監(jiān)控（A

3、TS Automatic Train Supervision）2、ATC系統(tǒng)包括五個原理功能：ATS功能、聯(lián)鎖功能、列車檢測功能、ATC功能和PTI（列車識別）功能。 (1)ATS功能：控制進路，進行行車調度指揮，并向行車調度員和外部系統(tǒng)提供信息。(2)聯(lián)鎖功能：響應來自ATS功能的命令，將進路、軌道電路、道岔和信號的狀態(tài)信息提供給ATS和ATC功能。(3)列車檢測功能：一般由軌道電路完成。(4) ATC功能：在聯(lián)鎖功能的約束下，根據ATS的要求實現列車運行的控制。 (5)PTI功能：向ATS報告列車的識別信息、目的號碼和乘務組號和列車位置數據，以優(yōu)化列車運行。二、ATC系統(tǒng)的水平等級行車指揮

4、的方式？1、用以調度員人工控制為主的CTC（調度集中）系統(tǒng) 2、ATS和ATP系統(tǒng) 3、行車間隔的發(fā)揮往往受制于折返能力，而折返能力與線路條件、車輛狀態(tài)、信號系統(tǒng)水平等因素有關。三、ATC系統(tǒng)選用原則（1）ATC系統(tǒng)應采用安全、可靠、成熟、先進的技術裝備，具有較高的性能價格比；（2）城市軌道交通運營線路宜采用準移動閉塞式ATC系統(tǒng)或移動閉塞式ATC系統(tǒng)，也可以采用固定閉塞式ATC系統(tǒng)。（3）ATC系統(tǒng)構成水平的選擇按前述原則執(zhí)行。 四、不同閉塞制式的ATC系統(tǒng)按閉塞制式，城市軌道交通ATC可分為：固定閉塞式ATC系統(tǒng)、準移動閉塞式ATC系統(tǒng)和移動閉塞式ATC系統(tǒng)。移動閉塞式ATC系統(tǒng)基于通信的

5、列車控制（Communications Based Train Control，簡稱CBTC）則是實現這種閉塞制式的最主要技術手段。 （1）原理：取消了物理層次上的閉塞分區(qū)，將線路分成若干個通過數據庫預先定義的線路單元。 控制中心maxvvs允許v允許v列車信息列車信息BA允許v(2)特點線路沒有固定劃分的閉塞分區(qū)，列車間隔是動態(tài)的，并隨前一列車的移動而移動；列車間隔是按后續(xù)列車在當前速度下所需的制動距離，加上安全余量計算和控制的，確保不追尾；制動的起點和終點是動態(tài)的，軌旁設備的數量與列車運行間隔關系不大；可實現較小的列車運行間隔；采用地一車雙向傳輸，信息量大，易于實現無人駕駛。 （3）優(yōu)點盡

6、可能縮小列車運行間隔，提高行車密度進而提高運輸能力。 列車與地面間連續(xù)的雙向通信，提供連續(xù)測量本車與前車距離的方法，實時提供列車的位置及速度等信息，動態(tài)地控制列車運行速度 核心部分均通過軟件實現，因此使系統(tǒng)硬件數量大大減少。移動閉塞還常常和無人駕駛聯(lián)系在一起。獲得更高的效率。采取了開放的國際標準，可實現子系統(tǒng)間邏輯接口的標準化（4）移動閉塞ATC系統(tǒng)分類移動閉塞ATC系統(tǒng)就車一地雙向信息傳輸速率而言，可分為：基于電纜環(huán)線傳輸方式和基于無線通信和數據傳輸媒介的傳輸方式。按無線擴頻通信方式可分為：直接序列擴頻和跳頻擴頻方式。按數據傳輸媒介傳輸方式可分為：點式應答器、自由空間波、裂縫波導管和漏泄電纜

7、等傳輸方式。 五、不同結構的ATC系統(tǒng)1、點式ATC系統(tǒng)通過點式應答器傳遞信息，用車載計算機進行信息處理實現列車的超速防護優(yōu)缺點：優(yōu)點是安裝靈活，可靠，價格低等等，缺點是信息不能實時的更新。（1）點式ATC的基本結構 車載設備信號機或聯(lián)鎖設備中央處理單元天線應答器LEU速度傳感器地面設備點式列車運行自動控制系統(tǒng)基本結構如圖8-16，系統(tǒng)組成包括：地面應答器、軌旁電子單元（LEU）和車載設備。地面應答器：與地面信號機設備相連，存放向列車傳輸的數據，地-車傳輸采用FSK方式軌旁電子單元（LEU）：LEU是地面應答器與信號機的接口，將不同的信號轉換為約定的數碼。車載設備：車載應答器，測速傳感器，車載

8、安全型計算機 （2）原理系統(tǒng)依靠地面應答器給列車傳輸目標點的距離、目標速度、線路坡度等信息，車載中央控制單元根據地面應答器傳至車上的信息（目標點的距離、目標速度、線路坡度等）以及列車的制動率，計算出兩個信號機之間的速度控制曲線，并根據速度曲線對列車實施控制。車載計算曲線的數學公式 點式列車運行自動控制系統(tǒng)速度監(jiān)控曲線2、連續(xù)式ATC系統(tǒng) 移動閉塞ATC系統(tǒng)就車一地信息所用媒介而言，可分為：無線和有線兩大類。其中有線又可分為基于電纜環(huán)線傳輸方式與音頻軌道電路的方式兩大類。如果實現車一地雙向通訊有基于電纜環(huán)線傳輸方式和基于無線通信和數據傳輸媒介的傳輸方式。 （）采用軌道電路的連續(xù)式ATC系統(tǒng)以軌道

9、電路為基礎實現地-車信息傳輸的系統(tǒng)，我們稱為基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)（TBTC） ，軌道電路在其中有兩個作用。 缺點是：a. 由于受到軌道電路傳輸特性的限制，所能夠傳輸的信息數量很難大量增加；b. 傳輸距離受到限制；c. 只能進行地-車信息傳輸，無法實現雙向傳輸。優(yōu)點是：a. 在進行信息傳輸的同時，可以檢測列車位置；b. 能夠檢查鋼軌斷軌。 分為兩種：速度碼和距離碼。 速度碼采用不同的頻率來代表不同的允許速度。由控制中心通過信息傳輸媒介將列車最大允許速度直接傳至車上。信息的傳遞過程較簡單，速度是階梯式的。(模擬式音頻軌道電路)上海地鐵1號線采用的是這種模式：20017013030902001

10、70130900100VL出口檢查入口檢查距離碼車載計算機根據地面?zhèn)鞯杰嚿系男畔⒁约败囕v自身的固有數據，實時計算出允許速度曲線，并按照曲線進行速度監(jiān)控。（數字編碼音頻軌道電路、準移動閉塞）(2)軌道環(huán)線連續(xù)式ATC系統(tǒng) （移動閉塞） 1965 年開始，德國西門子公司開發(fā)了世界上首次實現連續(xù)速度控制模式的列車運行控制自動系統(tǒng)（LZB 系統(tǒng)），該系統(tǒng)利用軌道電纜作為車地間雙向信息傳輸的通道，利用軌道電路來檢查列車占用。1965 年在慕尼黑奧斯堡間首次運用，1992 年開通了西班牙馬德里至塞維利亞 471 km 高速線。我國武漢輕軌1號線、廣州地鐵3號線采用的這類系統(tǒng)。 系統(tǒng)的結構系統(tǒng)主要由兩大部分

11、組成:車載設備和地面設備。系統(tǒng)組成框圖如圖所示。 中繼器中繼器實現信息交換實現信息交換與處理與處理a.軌間電纜交叉點形成零電平抗牽引電流干擾與實現列車定位，每隔25米設置一交叉。14位電碼表示列車的地址信息方方向向碼碼中中繼繼器器代代碼碼細細地地址址代代碼碼粗地粗地址代址代碼碼電纜電纜環(huán)路環(huán)路代碼代碼b.中繼器實現車地通信（控制中心與軌道電纜）的中間環(huán)節(jié)，主要進行信號的頻率變換、功率放大。雙向頻率不一樣。c. 車載設備從地面接收相關控制信息，同時可以通過電纜向地面?zhèn)鬟f列車的運行速度等信息，實現了地面-列車雙方向信息傳遞。同時在機車上顯示列車實際速度、目標速度、目標距離、應有速度等。兩個作用：一

12、個是計算出最大限制速度，另一個是根據計算出的速度與實際速度進行比較，實現列車速度監(jiān)控。 控制中心maxvvs允許v允許v列車信息列車信息BA允許v 地面控制中心按地理位置存儲了各種地面信息(線路坡度、曲線半徑、緩行區(qū)段的位置與長度等)，此外，沿線的信號顯示、道岔位置及列車的有關信息(車長、制動率、所在位置、實時速度等)不斷地經過軌間電纜傳輸到地面控制中心。地面控制中心根據線路狀況、列車運行的位置和前后列車之間的運行間距計算出列車允許的最高運行速度、目標速度及制動曲線，并通過軌間電纜將此上述控制信息傳遞給機車，車載計算機依據地面控制中心的控制信息來控制列車的運行。(3)漏泄波用戶信號漏瀉波導原理

13、示意圖漏瀉波導管車載接收發(fā)送器軌旁接收發(fā)送器(軌旁ATP, -圖象數據用戶信號(4)無線ATC系統(tǒng) 無線通信技術的發(fā)展為列控系統(tǒng)地-車信息傳輸開辟了新的途徑，無線通信技術克服了軌道電路由于受到軌道電路傳輸特性的影響，所能夠傳輸的信息數量受到限制、傳輸距離不能很長、無法實現雙向傳輸的缺點，因此，成為未來列控系統(tǒng)地-車信息傳輸的主要發(fā)展方向，以無線通信技術為基礎實現地-車信息傳輸的系統(tǒng)，我們稱為基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）， 真正實現了移動閉塞。典型的無線移動閉塞系統(tǒng)由區(qū)域控制器、車載控制器、列車自動監(jiān)控、數據通信系統(tǒng)及司機顯示組成。六、ATC的控制模式1、控制中心自動控制模式2、控制中心自

14、動控制時的人工介入控制（CM）3、車站自動控制模式 (LC模式)，ATS出現故障時 4、車站人工控制模式七、駕駛模式1、列車自動運行駕駛模式（AM模式）：ATO控制2、列車自動防護駕駛模式（CM模式）：ATO不控制3、限制人工駕駛模式（RM模式、如車輛段）：ATP僅僅監(jiān)視最大速度4、非限制人工駕駛模式（URM模式）：無ATP模式5、自動折返模式（AR模式）第二節(jié)ATP子系統(tǒng)基本原理一、ATP的基本概念二、ATP設備的組成 三、ATP系統(tǒng)的主要功能四、ATP的基本工作原理一、ATP的基本概念ATP即列車運行超速防護或列車運行速度監(jiān)督。ATP系統(tǒng)的功能是對列車運行進行超速防護，對與安全有關的設備實

15、行監(jiān)控，實現列車位置檢測，保證列車間的安全間隔，保證列車在安全速度下運行 二、ATP設備的組成采用軌道電路傳送ATP信息時設備組成 ？軌旁單元、設于線路上各軌道電路分界點的調諧單元和車載ATP設備組成 兩套ATP模塊（信號處理器和速度處理器）、兩個速度傳感器和兩個接收天線、車輛接口、駕駛室內的操作和控制單元 三、ATP系統(tǒng)的主要功能1、ATP軌旁功能ATP軌旁功能負責列車安全間隔和生成報文2. ATP傳輸功能3. ATP車載功能（1）ATP命令解碼 （2）ATP傳輸功能（3）ATP監(jiān)督功能：包括速度監(jiān)督、方向監(jiān)督、車門監(jiān)督、緊急制動監(jiān)督、后退監(jiān)督、報文監(jiān)督、設備監(jiān)督等。速度監(jiān)督功能緊急制動功能

16、速度監(jiān)督功能是超速防護的基礎，是最重要的功能。如果實際列車速度超過允許速度加上一個速度偏差值時，列車實施緊急制動。方向監(jiān)督功能監(jiān)督列車是否“反方向”運行 車門監(jiān)督功能列車在移動，監(jiān)督車門是否在關閉狀態(tài) 報文監(jiān)督功能報文監(jiān)督功能是監(jiān)測從ATP傳輸功能接收到的報文 四、ATP系統(tǒng)的基本工作原理1、計算限制速度2、實際速度3、制動模式1、計算限制速度ATP軌旁單元從聯(lián)鎖和軌道空閑檢測系統(tǒng)獲得駕駛指令，形成計劃數據后傳輸至ATP車載設備。駕駛指令主要包括目標坐標（目標速度和目標距離）、最大允許線路速度和線路坡度。ATP車載設備通過此數據計算現有位置的列車允許速度。駕駛列車所需的數據經由司機室顯示器指示

17、給司機。 實際的列車速度和駛過的距離由測速裝置連續(xù)進行測量。2、實際速度的測定要實現列車間隔與速度的安全控制，首先要及時獲取列車運行的速度與列車目前的位置，因此列車的測速與定位是列控系統(tǒng)的關鍵技術之一 測速目前存在多種列車測速方式，根據速度信息獲取的來源，我們可以把測速方式分成兩大類，一類是利用輪軸旋轉信息獲取列車速度的測速方法，另一類是利用無線方式直接檢測列車的速度的測速方法。脈沖轉速傳感器安裝圖其中：=3.1416；D為車輪直徑n為車輪轉速由于列車在運行過程中存在空轉、滑行現象，所以，以輪軸旋轉推算速度不可避免的會產生誤差 在機車上安裝雷達，它始終向軌面發(fā)射電磁波，由于機車和軌面之間有相對

18、運動，因此在發(fā)射波和反射波之間產生頻差，通過測量頻差可以計算出機車的運行速度，并累計求出走行距離。 GPS（全球定位系統(tǒng)）是目前技術上最成熟且已真正實用的一種衛(wèi)星導航和定位系統(tǒng)，能在全球范圍內，在任意時刻、任意氣候條件下為用戶提供連續(xù)不斷的高精度的三維位置、速度和時間信息。 列車定位方法采用GPS技術不僅可以獲得列車速度也可以獲得列車位置信息，通過地面設備向列車傳輸信息時，地面設備的位置也可以使列車獲得位置信息。一般的方法如下： 軌道電路絕緣節(jié)定位方法 f1f3f5f2f4f6f1f3f5f6f4f2甲站乙站分區(qū)1分區(qū)2分區(qū)3分區(qū)4計軸器（應答器）定位方法輪 軸 檢測設 備ZP 43(雙 輪

19、軸 檢測器和 TCB，包括電纜 )TCB運 算 計 算 機從輪 軸 檢測設備的 信 息產生 計 軸 數據 ,比較計 軸 結 果并輸出一 個出清 或占 用 表示 。TCBTCB = 軌 旁 連 接 箱TVDS = 軌 道 空 閑檢測區(qū)TVDS輪 軸 檢測設 備ZP43（雙 輪 軸 檢測器和 TCB，包括電纜 ）軌道環(huán)線定位方法 3、制動模式根據閉塞方式列車制動控制模式分為分級制動模式和一級制動模式。 2001701303090200170130900100VL出口檢查入口檢查 控制中心maxvvs允許v允許v列車信息列車信息BA允許v第三節(jié)ATO子系統(tǒng)基本原理一、ATO的基本概念二、AT0設備的

20、組成 三、AT0系統(tǒng)的主要功能四、AT0的基本工作原理一、ATO的基本概念 ATO為非故障一安全系統(tǒng)，其控制列車自動運行，主要目的是模擬最佳司機的駕駛，實現正常情況下高質量的自動駕駛，提高列車運行效率，提高列車運行的舒適度，節(jié)省能源 二、AT0設備的組成ATO系統(tǒng)一般由軌旁設備和車載設備組成。ATO軌旁設備通常兼用ATP軌旁設備，接收與列車自動運行有關的信息。ATO車載設備由設在列車每一端司機室內的ATO控制器（包括司機控制臺）及安裝在列車每一端司機室車體下的兩個ATO接收天線和兩個ATO發(fā)送天線組成。 三、AT0系統(tǒng)的主要功能基本控制功能是自動駕駛、自動折返、車門打開 1、自動駕駛自動調整列

21、車運行速度使列車在區(qū)間內的每個區(qū)段始終控制速度（ATP計算出來的限制速度減去5 km/h)運行。停車點的目標制動車站停車點作為目標點，車站停車點由ATP軌旁單元和ATS系統(tǒng)控制。當停車特征被啟動后，ATO系統(tǒng)采用最合適的減速度（制動率）使列車準確、平穩(wěn)地停在規(guī)定的停車點。 2、無人自動折返無人自動折返是一種特殊情況下的駕駛模式，在這種駕駛模式下無需司機控制，而且列車上的全部控制臺將被鎖閉 3、自動控制車門開閉由ATP系統(tǒng)監(jiān)督開門條件，當ATP系統(tǒng)給出開門命令時，可以按事前的設定由ATO系統(tǒng)自動地打開車門，也可由司機手動打開正確一側的車門。車門的關閉只能由司機完成。當列車空車運行時，從ATS接收

22、到的指定的目的地號阻止車門的打開。四、AT0的基本工作原理ATO系統(tǒng)代替司機操縱，諸如列車啟動加速、勻速惰行、制動等基本駕駛功能均能自動進行。然而，不論是由司機手動駕駛還是由ATO系統(tǒng)自動駕駛，ATP系統(tǒng)始終是執(zhí)行其速度監(jiān)督和超速防護功能。可以這樣認為：手動駕駛司機人工駕駛ATP系統(tǒng)自動駕駛二ATO系統(tǒng)自動駕駛+ ATP系統(tǒng) 1、列車的自動駕駛過程2、自動停車原理當停車特征啟動后，ATO基于列車速度、預先確定的制動率和距停止點的距離計算制動特征。ATO將通過根據要求改變牽引和制動需求來遵循此特征。根據異常線路情況作出動態(tài)調整。一旦列車停車，ATO會保持制動，以避免列車運動 3、自動開關門當列車

23、停于定位停車的允許精度范圍內，ATO系統(tǒng)確認列車已到達確定的定位區(qū)域，ATP通過列車定位發(fā)送器發(fā)送ATP列車停車信號給地面站臺定位接收器，站臺接收器檢測到此信號，將其譯碼，使地面“列車停站”繼電器工作；此時車站軌道電路ATP發(fā)送器發(fā)送允許打開左車門（或右門）的調制頻率信號；車輛收到允許打開車門信號，使相應的門控繼電器工作，并提供相應的廣播和允許開門的信號顯示，這時司機按壓與此信號顯示相一致的門控按鈕，才可以打開規(guī)定的車門。 第四節(jié)ATS子系統(tǒng)基本原理一、ATS的基本概念二、ATS設備的組成 三、ATS系統(tǒng)的主要功能四、ATS的基本工作原理一、ATS的基本概念ATS系統(tǒng)主要是實現對列車運行及所控

24、制的道岔、信號等設備運行狀態(tài)的監(jiān)督和控制，給行車調度人員顯示出全線列車的運行狀態(tài)，監(jiān)督和記錄運行圖的執(zhí)行情況，在列車因故偏離運行圖時及時做出調整，輔助行車調度人員完成對全線列車運行的管理。 二、ATS設備的組成ATS系統(tǒng)由控制中心設備、車站設備、車輛段設備、列車識別系統(tǒng)及列車發(fā)車計時器等組成。 （1）中心計算機系統(tǒng)聯(lián)鎖和外圍設備發(fā)送來的數據都由COM服務器最先得到和處理。列車自動調整、自動列車跟蹤、自動進路設置等功能。因此，COM服務器是自動調整功能的核心部分。ADM服務器（系統(tǒng)管理器）用于系統(tǒng)數據存儲，處理所有不受運行事件影響的數據，如系統(tǒng)配置、計劃時刻表、計劃運行圖等。（2）綜合顯示屏綜合顯示屏用來監(jiān)視正線列車運行情況及系統(tǒng)設備狀態(tài)，由顯示設備和相應的驅動設備組成。（