城市軌道交通信號系統(tǒng)ATO子系統(tǒng)基本原理

1、城市軌道交通信號系統(tǒng)ATO子系統(tǒng)基本原理ATO子系統(tǒng)（以下稱為ATO系統(tǒng)）主要用實現(xiàn)“地對車控制”，即用地面信息實現(xiàn)對列車驅(qū)動、制動的控制，包括列車自動折返，根據(jù)控制中心指令自動完成對列車的啟動、牽引、惰行和制動，送出車門和屏蔽門同步開關(guān)信號，使列車按最佳工況正點、安全、平穩(wěn)地運行。一、ATO系統(tǒng)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(xiàn)正常情況下高質(zhì)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。ATP系統(tǒng)是城市軌道交通列車運行時必不可少的安全保障，ATO系統(tǒng)則是提高城市軌道交通列車運行水平（準點、平穩(wěn)、節(jié)能）的技術(shù)措施。ATO系

2、統(tǒng)采用的基本功能模塊與ATP系統(tǒng)相同。和ATP系統(tǒng)一樣，ATO也載有有關(guān)軌道布置和坡度的所有資料，以便能優(yōu)化列車控制指冷。ATO還裝有一個雙向的通信系統(tǒng)，使列車能夠直接與車站內(nèi)的人TS系統(tǒng)接口，保證實現(xiàn)最佳的運行圖控制。當列車處在自動駕駛模式下，車載ATO運用牽引和制動控制，實現(xiàn)列車自動運行。二、ATO系統(tǒng)的組成雖然各公司的ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡相同，但ATO系統(tǒng)的基本組成是共同的。ATO系統(tǒng)都由軌旁設(shè)備和車載設(shè)備組成。ATO軌旁設(shè)備通常兼用ATP軌旁設(shè)備，接收與列車自動運行有關(guān)的信息。ATO車載設(shè)備由設(shè)在列車每一端司機室內(nèi)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

3、接收天線和兩個ATO發(fā)送天線組成，還包括ATO附件，這些附件用于速度測量、定位和司機接口。ATO車載設(shè)備通常和ATP車載設(shè)備安裝在一個機架內(nèi)。ATO具有一個雙向通信系統(tǒng)，通過車載ATO天線和地面ATO環(huán)線允許列車直接與車站內(nèi)的ATS連接，可以實現(xiàn)最佳的運營控制，完成下列ATO功能：程序停車、運行圖和時刻表調(diào)整、軌旁列車數(shù)據(jù)交換、目的地和進路控制功能。ATO還具有定位停車系統(tǒng)，為列車提供精確的位置信息。包括車底部的標志線圈和對位天線，以及每個車站ATC設(shè)備室內(nèi)的車站停車模塊和沿每個站臺設(shè)置的一組地面標志線圈。ATO的功能不考慮故障一安全，因此，ATO車載單元是非故障一安全的一取一配置。ATC顯示

4、單元不要求是故障一安全的，因而ATC顯示單元采用基于商用計算機硬件。ATO向列車廣播設(shè)備及車廂信息顯示牌提供報站信息。三、ATO系統(tǒng)的主要功能ATO系統(tǒng)的功能分為基本控制功能和服務(wù)功能?；究刂乒δ苁亲詣玉{駛、自動折返、車門打開。這三個控制功能相互之間獨立地運行。服務(wù)功能包括：列車位置、允許速度、巡航惰行、PTI支持功能等。1ATO系統(tǒng)基本控制功能（1）自動駕駛自動調(diào)整列車運行速度ATO車載控制器通過比較實際列車運行速度及ATP給出的最大允許速度及目標速度，并根據(jù)線路的情況，自動控制列車的牽引及制動，使列車在區(qū)間內(nèi)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，并盡可能

5、減少牽引、惰行和制動之間的轉(zhuǎn)換。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)基于列車速度、預先決定的制動率和距停止點的距離計算出一個制動曲線，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。與列車定位系統(tǒng)相配合，可使停車位置的誤差達到 0.5 m以下。假如列車超過了停車點，ATP準許后退一定距離。如果超過后退速度限制值，向列車司機發(fā)出聲音和視覺報警。從車站自動發(fā)車當發(fā)車安全條件符合時（在ATO模式下，關(guān)閉了車門，這由ATP系統(tǒng)監(jiān)視），ATO系統(tǒng)給出啟動顯示，司機按下啟動按鈕，ATO系統(tǒng)使列車從制動停車狀態(tài)轉(zhuǎn)為驅(qū)

6、動狀態(tài)。停車制動將被緩解，然后列車加速。ATO通過預設(shè)的數(shù)據(jù)提供牽引控制，該牽引控制可使列車平穩(wěn)加速。停站時間由ATS控制，并傳送給ATP。另外，基于車站和方向的停車時間也儲存在ATP軌旁單元中，用作ATS故障下的后備程序。區(qū)間內(nèi)臨時停車由ATP系統(tǒng)給出目標點位置（例如前方有車）及制動曲線，并將數(shù)據(jù)傳送給ATO系統(tǒng)車載單元，ATO系統(tǒng)得到目標速度為1409,的速度信息后自動啟動列車制動器，使列車停穩(wěn)在目標點前方10 m左右。此時車門還是由ATP系統(tǒng)鎖住的。一旦前方停車目地地，速度信息改為進行碼后，ATO系統(tǒng)使列車自動啟動。假如車門由緊急開門打開，或是司機手柄被移至非零位置，那么列車必須由司機重

7、新啟動SM模式或ATO模式（如果允許）。在危險情況下，例如按下緊急停車按鈕，或是因常用制動不充分而使列車超過緊急制動曲線，由ATP啟動緊急制動，ATO向司機發(fā)出視覺和音響警報。5s以后音響警報自動停止。限速區(qū)間臨時性限速區(qū)間的數(shù)據(jù)由軌道電路報文傳輸給ATP車載設(shè)備，再由ATP車載設(shè)備將減速命令經(jīng)ATO系統(tǒng)傳達給動車驅(qū)動、制動控制設(shè)備。此時ATO車載設(shè)備的功能猶如ATP系統(tǒng)與驅(qū)動、制動控制設(shè)備之間的一個接口。對于長期的限速區(qū)間，數(shù)據(jù)可事前輸人ATO系統(tǒng)，在執(zhí)行自動駕駛時，ATO系統(tǒng)會自動考慮到該限速區(qū)間。(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

8、列車上的全部控制臺將被鎖閉。從接收到無人駕駛折返運行許可時，就自動進人AR模式。授權(quán)經(jīng)駕駛室MMI顯示給司機，司機必須確認這個顯示，并得到授權(quán)，鎖閉控制臺。只有按下站臺的AR按鈕以后，才實施無人駕駛列車折返運行。ATC軌旁設(shè)備提供所需的數(shù)據(jù)以駕駛列車進人折返軌。列車將自動回到出發(fā)站臺。列車一到出發(fā)站臺，ATC車載設(shè)備就會退出AR模式。無人自動折返功能的輸人是來自車載速度距離功能的列車當前的速度和位置以及ATP速度曲線。無人自動折返功能的輸出至列車制動和牽引控制系統(tǒng)的命令。(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(shè)定由ATO系統(tǒng)自動地打開車門，也可

9、由司機手動打開正確一側(cè)的車門。車門的關(guān)閉只能由司機完成。當列車空車運行時，從ATS接收到的指定的目的地號阻止車門的打開。車門打開功能的輸人是來自ATP功能的車門釋放、運行方向和打開車門的數(shù)據(jù)，以及來自ATS功能的確定目的地號。車門打開功能的輸出將車門打開命令發(fā)給負責控制車門的列車系統(tǒng)。2ATO系統(tǒng)服務(wù)功能（1）列車位置列車位置功能從ATP功能中接收到當前列車的位置和速度等詳細信息。根據(jù)上一次計算后所運行的距離來調(diào)整列車的實際位置。此調(diào)整也考慮到在ATP功能計算列車位置時傳送和接收的延遲時間，以及打滑和滑行。另外，ATO功能同測速單元的接口為控制提供更高的測量精確性。列車位置功能也接收到地面同步

10、的詳細信息，由此確定列車的實際位置和計算列車位置的誤差。對列車位置調(diào)整，可在由ATO功能規(guī)定的直至接近實際停車點1015 m的任意位置開始。由于這種調(diào)整，停車精度由ATO控制在希望的范圍內(nèi)。列車位置功能的輸人來自ATP功能的列車當前速度和位置、軌道電路信息的變化，測速單元的讀人、軌道中同步標記的檢測、SYNCH環(huán)線。列車位置功能的輸出用作校正列車位置信息。（2）允許速度允許速度功能為ATO速度控制器提供列車在軌道任意點的對應速度值。這個速度沒有被優(yōu)化，只是低于當前速度限制和制動曲線給的限制。允許列車速度調(diào)整是為了能源優(yōu)化或由惰行巡航功能完成的列車運行。允許速度功能的輸人來自ATP功能的軌道當前

11、位置的速度限制，以及列車制動曲線。允許速度功能的輸出至ATO速度控制器。（3)巡航惰行功能巡航惰行功能的任務(wù)是按照時刻表自動實現(xiàn)列車區(qū)間運行的惰行控制，同時節(jié)省能源，保證最大能量效率。ATO巡航惰行功能協(xié)同ATS中的ATR功能，并通過確定列車運行時間和能源優(yōu)化軌跡功能實現(xiàn)巡航惰行功能。確定列車運行時間的功能由ATO和ATR功能確定的列車運行時間，通過車站軌道電路占用完成同步。當列車在ATO功能下，從報文給定的列車運行時間中減去通過計時器測定的已運行時間，以確定到下一站有效的可用時間。確定列車運行時間功能的輸人來自ATC軌旁功能的軌道電路占用報文，以及通過ATC軌旁和ATP車載功能來自ATR功能

12、的運行時間命令。確定列車運行時間功能的輸出至能源優(yōu)化軌跡功能的到下一站停車點的有效運行時間。能源優(yōu)化軌跡功能能源優(yōu)化軌跡的計算要考慮加速度、坡度制動以及曲線制動。因此，整套系統(tǒng)的軌道曲線信息都儲存在ATO存儲器中。借助此信息，并使用最大加速度，惰行巡航功能計算出到下一停車點的速度距離軌跡。能源優(yōu)化軌跡功能的輸人來自確定列車運行時間功能的至下站可用的列車運行時間、ATO存儲器的軌道曲線、ATP功能的ATP靜態(tài)速度曲線（例如速度限制）。能源優(yōu)化軌跡功能的輸出至ATO速度控制器的速度距離軌跡。(4) PTI支持功能PTI支持功能是通過多種渠道傳輸和接收各種數(shù)據(jù)，在特定的位置（通常設(shè)在列車進人正線的人

13、口處）傳給ATS，向ATS報告列車的識別信息、目的號碼和乘務(wù)組號，以及列車位置數(shù)據(jù)（例如當前軌道電路的識別和速度表的讀數(shù)），以優(yōu)化列車運行。PTI功能是由車載設(shè)備和軌旁設(shè)備實現(xiàn)的。由ATC車載設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，通過ATO功能，傳輸?shù)絇TI的軌旁設(shè)備，進而傳給ATS。在將信息傳輸至軌旁設(shè)備之前，ATO/PTI功能收集數(shù)據(jù)，完成合理檢查。編輯信息必需的數(shù)據(jù)從ATS，ATC軌旁功能、司機MMI功能發(fā)送至ATO。PTI是一個非安全功能。四、ATO系統(tǒng)的基本要求1.根據(jù)線路條件、道岔狀態(tài)、前方列車位置等，實現(xiàn)列車速度自動控制。列車在區(qū)間停車應盡量接近前方目的地。區(qū)間停車后，在允許信號的條件下列車自動啟動。

14、車站發(fā)車時，列車啟動由司機控制。2. ATO應能提供多種區(qū)間運行模式，滿足不同行車間隔的運行要求，適應列車運行調(diào)整的需要；司機手動駕駛及由ATO系統(tǒng)駕駛之間可在任何時候轉(zhuǎn)換；手動駕駛時由ATP系統(tǒng)負責安全速度監(jiān)督，自動駕駛時由ATO系統(tǒng)給出對驅(qū)動、控制設(shè)備的命令，ATP系統(tǒng)仍然負責速度監(jiān)督。3. ATO定點停車精度應根據(jù)站臺計算長度、列車性能和屏蔽門的設(shè)置等因素選定。站臺定點停車精度宜在土0.25土0.50 m范圍內(nèi)選擇。4. ATO控制過程應滿足舒適度和快捷性的要求。舒適度的要求主要是指牽引、惰行和制動控制以及各種工況之間的轉(zhuǎn)換控制過程的加、減速度的變化率?？旖菪灾饕侵缚刂七^程的時間宜短，

15、以減少對站間運行時分的影響和提高運行質(zhì)量。ATO應能控制列車實現(xiàn)車站通過作業(yè)。5.自動記錄運行狀態(tài)、自診斷及故障報警。五、ATO系統(tǒng)基本工作原理1.列車自動駕駛和ATP系統(tǒng)一樣，ATO也存儲了軌道布局和坡度信息，能夠優(yōu)化列車控制命令。ATO中有一套最大安全速度數(shù)據(jù)，與ATP的最大安全速度數(shù)據(jù)互相獨立。這樣，為了保證乘坐的舒適性，ATO可按照最大速度行駛，不過這一速度要小于ATP的最大安全速度。ATO的最大速度可以任意設(shè)置，梯進精度為1 km/h.ATO利用通過地面ATP設(shè)備傳來的編碼得知前方未被占用的軌道電路數(shù)目或者前行列車的位置，知道當前本次列車的位置，列車就可以在到達安全停車點之前，綜合雷

16、考慮安全因素，盡量以全速行駛。ATO系統(tǒng)的自動駕駛功能是通過ATO車載設(shè)備控制列車牽引和制動系統(tǒng)而實現(xiàn)的。為此，ATO需要ATP的數(shù)據(jù)：從ATP軌旁單元接收到的全部ATP運行命令、測速單元提供的當前列車位置和實際速度信息、位置識別和定位系統(tǒng)的信息、列車長度、ATS通過向ATP軌旁單元發(fā)送的出站命令和到下一站的計劃時間。如果ATO自檢測成功完成，且ATP設(shè)備釋放了自動駕駛，信號顯示“ATO啟動”，可以實施ATO駕駛。由ATO系統(tǒng)執(zhí)行的自動駕駛過程是一個閉環(huán)反饋控制過程，其基本關(guān)系框圖如圖5一27所示。測速單元通過ATP向ATO發(fā)送列車的實際位置信息。反饋環(huán)路的基準輸人是從ATP數(shù)據(jù)和運營控制數(shù)據(jù)

17、中得出的。ATO向牽引和制動控制設(shè)備提供數(shù)據(jù)輸出。ATO模式在以下條件下被激活：ATP在SM模式中；已過了車站停車時間；聯(lián)鎖系統(tǒng)排列了進路；車門關(guān)閉；駕駛手柄處于零位。于是，司機通過按壓啟動按鈕開始ATO模式，列車加速達到計算的速度曲線。假如其中一項條件不能滿足，啟動無效，ATP關(guān)閉ATO至牽引的控制信號。在達到計算速度時，系統(tǒng)根據(jù)這個速度曲線控制列車的運行。當接近制動啟動點時，ATO設(shè)備將自動控制常用制動使列車運行跟隨制動曲線。2車站程序停車線路上的車站都有預先確定的停站時間間隔?？刂浦行腁TS監(jiān)督列車時刻表，計算需要的停站時間以保證列車正點到達下一個車站。由集中站ATS通過ATO環(huán)線傳送給

18、ATO車載設(shè)備?？刂浦行哪芡ㄟ^集中站ATS縮短或延長車站停站時間。如果控制中心離線，集中站ATS預置一個缺省的停站時間，該時間是可編程的。在控制中心要求下，列車可跳過某車站。這一跳停命令由控制中心通過集中站ATS傳給列車。3車站定位停車車站精確停車通過在車站區(qū)域的軌道電路標識、分界過渡和ATO環(huán)線變換來進行。軌道電路標識被用來確定停車特征的合適起始點。軌道電路分界過渡和軌旁ATO環(huán)線變換提供了距離分界。該距離分界用于達到所要求的位置精度。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(jù)要求改變牽引和制動需求來遵循此特征。制動率調(diào)整值通過ATO

19、環(huán)線軌旁ATO取得。此調(diào)整是動態(tài)的，是根據(jù)異常線路情況作出的，并且可以從OCC或SCR（車站控制室）中進行選擇。一旦列車停車，ATO會保持制動，以避免列車運動。ATO可以與站臺屏障門（PSD）的控制系統(tǒng)全面接口，保證列車的精確和可靠地到站停車。4.車門控制ATO只有在自動模式下才執(zhí)行車門開啟。在手動模式，由司機進行車門操作（ATP仍會提供一種安全的車門使能功能）。當列車駛抵定位停車點，列車的定位天線（它接至車輛定位發(fā)送器和接收器）位于站臺定位環(huán)線上方，環(huán)線置于線路中央，它連向站臺定位發(fā)送器和接收器；只有當列車停于定位停車的允許精度范圍內(nèi)，車輛定位接收器收到站臺定位發(fā)送器送來的列車停站信號，AT

20、O系統(tǒng)確認列車已到達確定的定位區(qū)域，這時ATO系統(tǒng)發(fā)出“列車停站”信號給ATP系統(tǒng)，以保證列車制動；ATP系統(tǒng)檢測到零速度，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(diào)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。有了車門打開信號以后，使車輛定位發(fā)送器改發(fā)打開屏蔽門信號，當站臺定位接收器收到此信號，使打開屏蔽門繼電器吸起，以使與列車車門相

21、對的屏蔽門打開（包括屏蔽門的數(shù)量及位置）。列車停站時間結(jié)束（或人工終止），地面停站控制單元啟動車站ATP模塊，軌道電路停發(fā)開門信號，車輛收不到開門信號，使門控繼電器落下。司機按壓關(guān)門按鈕，關(guān)閉車門；與此同時，車輛停發(fā)打開屏蔽門信號，車站打開屏蔽門繼電器落下；車站在檢查了屏蔽門已關(guān)閉及鎖閉好以后，才允許ATP系統(tǒng)向軌道電路發(fā)送運行速度命令信息，車輛收到速度命令同時，檢查了車門已關(guān)閉和鎖閉、ATO發(fā)車表示燈點亮，列車可按車載ATP收到的速度命令進行出發(fā)控制。如果車門控制系統(tǒng)遇到在發(fā)出車門關(guān)閉請求后車門關(guān)閉被阻止的妨礙時，車門將會循環(huán)關(guān)閉。如果車輛在“x”秒后還探測不到車門的關(guān)閉，告知車輛報告系統(tǒng)（

22、VAS），同時產(chǎn)生一條關(guān)于關(guān)閉車門被阻止的報告。然后，車門在y秒的延遲后被請求關(guān)閉。在z秒后，如果車門還是被檢出沒關(guān)，車門將會打開，一條關(guān)門受阻的報警就送到軌旁設(shè)備。“x”，“y”、“z”的時間從1s到15s可改變。5.軌旁列車數(shù)據(jù)交換列車與軌旁的通信是非安全的。任何情況下控制中心需要與列車通信時，軌旁設(shè)爵備都作為數(shù)據(jù)交換的接口。列車發(fā)到軌旁的數(shù)據(jù)：分配列車號；目的地；車門狀態(tài)；車輪磨損表示（從ATP到控制中心）；在接近車站時制動所產(chǎn)生的過量車輪滑動；緊急情況或異常情況（比如不正確的開門）。軌旁發(fā)到列車的數(shù)據(jù)：車輛車門開啟命令；列車號的確認；列車長度；性能修改數(shù)據(jù)；出發(fā)測試指令；車門循環(huán)測試；主時鐘參考信號；跳停指令；擱置命令；申請車載系統(tǒng)和報警狀態(tài)。6性能等級性能等級是列車標識的一部分，可以被中央ATC修改。列車從軌旁接收到由中央ATC所確定的性能等級。性能等級由速度限制、命令的加速、預定的減速構(gòu)成。為了減少數(shù)據(jù)的傳輸量，一張六個性能等級的表存放在列車上。為了修改當前性能等級，中央ATC發(fā)送單數(shù)字命令。7滑行模式滑行模式是一種額外的性能等級，其要求是級別1到5處于有效狀態(tài)，并且當申請滑行時，目標速度大于40km/h。滑行模式會使列車在上電的間隙進行