地鐵列車自動運行系統(tǒng)的分析與設(shè)計

摘　要　對我國現(xiàn)有的北京、上海、廣州的地鐵列車自動運行系統(tǒng)進行分析、比較,并指出了國產(chǎn)化列車自動運行系統(tǒng)的設(shè)計思路。
關(guān)鍵詞　地鐵,列車自動控制系統(tǒng),列車自動運行系統(tǒng),國產(chǎn)化
對于城市軌道交通系統(tǒng)高效率、高密度的要求來說,列車自動控制系統(tǒng)(A TC) 是必不可少的。其中一個重要的子系統(tǒng) 列車自動運行(駕駛) 系統(tǒng)(A TO) 能模擬有經(jīng)驗的司機完成駕駛列車的任務(wù)。A TO 子系統(tǒng)利用地面信息實現(xiàn)對列車牽引、制動的控制,使列車經(jīng)常處于最佳運行狀態(tài),提高乘客的舒適度,提高列車準點率,節(jié)能能源。
許多國家都在研究A TO 系統(tǒng),且取得了一定的成績。我國在此項技術(shù)上尚屬空白。本文將對比分析三套A TO 系統(tǒng)技術(shù)特點。
1 　A TC 與A TO 簡介
A TC 是一套以安全和效率為目的、調(diào)節(jié)列車運行間隔的自動控制設(shè)備,通過車載設(shè)備、地面設(shè)備、車站和控制中心組成的控制系統(tǒng)完成列車運行控制。A TC 系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng):列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(A TS) ,列車自動保護系統(tǒng)(A TP) 和列車自動運行系統(tǒng)(A TO) 。
A TS 子系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)督、引導(dǎo)列車按預(yù)定的時刻表運行,保證地鐵運行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它通過轉(zhuǎn)換道岔建立發(fā)車進路,并向列車提供由控制中心傳來的監(jiān)督命令。
A TP 子系統(tǒng)具有超速防護、零速度檢測和車門限制等功能。A TP 提供速度限制信息以保持列車間的安全間隔,使列車在符合限制速度的標準下運行。在打開車門前,A TP 先檢查各種允許打開車門的條件,檢查通過后,才允許打開車門。
A TO 子系統(tǒng)能自動調(diào)整車速,并能進行站內(nèi)定點停車,使列車平穩(wěn)地停在車站的正確位置。
A TO 從A TS 處得到列車運行任務(wù)命令。其信息是通過軌道電路或軌旁通信器傳送到列車上的。信息經(jīng)過處理后傳給A TO ,并顯示相關(guān)信息。A TO 獲得有用信息后,結(jié)合線路情況開始計算運行速度,得出控制量,并執(zhí)行控制命令,同時顯示有關(guān)信息。到站后,開門條件允許后,A TO 打開車門。停站期間,列車通過車-地通信系統(tǒng)把列車信息傳送給地面通信器,然后傳到A TS。A TS 根據(jù)列車信息,把運行信息傳給車載A TO 。A TO 的工作原理圖如圖1 。

圖1 　ATO 工作原理圖
2 　A TO 系統(tǒng)技術(shù)特點比較
20 世紀90 年代初,北京地鐵1 號線部分列車安裝了英國Westinghouse 公司的A TO 設(shè)備(未使用); 上海地鐵1 號線的A TO 設(shè)備則是從美國GRS 公司引進的,并于1996 年11 月開始在全線試用。廣州地鐵1 號線引進的是德國Siemens 公司的A TO 設(shè)備,在1999 年6 月正式運營。由于他們的A TO 系統(tǒng)設(shè)計不盡相同,因此有必要對不相同的地方進行比較(主要是A TO 設(shè)備、A TO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道和控制策略),然后分析各種設(shè)計的特點,以利于A TO 的設(shè)備國產(chǎn)化。
2. 1 　北京地鐵1 號線A TO 系統(tǒng)
1. A TO 設(shè)備
車載設(shè)備: 由設(shè)在列車每一端司機室內(nèi)的A TO 控制器及安裝在列車每一端司機室車體下的兩個A TO 接收天線和兩個A TO 發(fā)送天線組成。
地面設(shè)備:在各車站設(shè)備室內(nèi)設(shè)有站臺A TO 通信器PAC(Platform A TO Communicator) 。PAC 內(nèi)存有至下兩個車站的線路信息,并通過與L PU 或RTU 接口,得到來自A TS 子系統(tǒng)的控制命令。在各車站上下行站臺以及進行A TO 折返的折返線處軌道上,設(shè)有Xd 或X2 環(huán)路及Rd 環(huán)路。列車在車站停車期間,經(jīng)聯(lián)鎖電路及軌道電路的有關(guān)條件控制向室外環(huán)路發(fā)送。
2. A TO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道
在A TO 數(shù)據(jù)獲取的過程中,車載A TP 接收安全信息。安全信息由列車當前運行區(qū)段的AF 900 軌道電路傳送,采用低頻脈沖調(diào)幅方式,有8 種不同的調(diào)制頻率,6 種用于A TP 速度命令,2 種用于門控命令。另外,車載TWC 系統(tǒng)接收地面TWC 信息。該信息一般是非安全控制功能數(shù)據(jù), 諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK 調(diào)制方式,通過地面TWC 設(shè)備向列車發(fā)送。最后,車載A TO 接收來自車載A TP 、TWC 的信息和標志線圈的信息。
3. 控制策略
速度調(diào)節(jié): A TO 根據(jù)從A TP 中獲取的MSS 和TS , 計算列車運行速度曲線。該曲線比較簡單, 主要計算加速轉(zhuǎn)勻速、勻速轉(zhuǎn)制動的位置點,以保證列車運行時不超過MSS , 并且在每個軌道電路區(qū)段目標距離處速度不超過目標速度?？刂破鞲鶕?jù)線路的情況自動控制列車的牽引及制動輸出,盡量使列車按運行速度曲線的速度來運行。當列車速度超過目標速度時,A TP 設(shè)備報警;當超過最大允許速度時,A TP 實施緊急制動。
車站停車: 在車站的定位停車是通過X2 和Xd 環(huán)路實現(xiàn)的。列車進入車站X2 環(huán)路范圍后, 通過地-車之間的感應(yīng),得出距停車點的距離,進行第一次位置調(diào)整,并使速度盡量貼近預(yù)置的停車速度曲線。在Xd 環(huán)路處,進行第二次也是最后一次位置調(diào)整。若需要對運行時間進行調(diào)整,A TS 將給出控制命令,如惰行控制、扣車、下一車站通過等命令, 由A TO 執(zhí)行。
2. 2 　上海地鐵1 號線A TO 系統(tǒng)[3 ]
1. A TO 設(shè)備
車載設(shè)備:主要包括A TO 主控制器,以及車底的A TP/ TWC 接收線圈、TWC 發(fā)送天線( TWC 為車-地通信子系統(tǒng)) 、對位天線、標志線圈。
地面設(shè)備:包括每個車站A TC 設(shè)備室內(nèi)的車站停車模塊以及沿每個站臺布置的一組地面標志線圈。
2. A TO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道
在A TO 數(shù)據(jù)獲取的過程中,車載A TP 接收安全信息。安全信息由列車當前運行區(qū)段的AF 900 軌道電路傳送,采用低頻脈沖調(diào)幅方式,有8 種不同的調(diào)制頻率,6 種用于A TP 速度命令,2 種用于門控命令。另外,車載TWC 系統(tǒng)接收地面TWC 信息。該信息一般是非安全控制功能數(shù)據(jù), 諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK 調(diào)制方式,通過地面TWC 設(shè)備向列車發(fā)送。最后,車載A TO 接收來自車載A TP 、TWC 的信息和標志線圈的信息。
3. 控制策略
速度調(diào)節(jié):A TO 與A TP 配合調(diào)節(jié)速度。A TP 共設(shè)6 個速度命令,即20 、30 、45 、55 、65 、80 km/ h 。A TC 系統(tǒng)具有4 個A TS 運行等級,對應(yīng)于A TP 的各個速度命令有相應(yīng)的修正速度。參考速度就是接收到的A TP 速度命令、A TS 運行等級的修正速度及定點停車速度曲線三者中最小的速度。A TO 根據(jù)軌旁接收的運行等級信息獲得運行速度信息, 并調(diào)節(jié)車速、加速度和程序減速度,以符合所接收的運行等級。在檢出限制速度變低并在正常的制動條件下,如果車速大于現(xiàn)在新的速度命令,則以制動減速度0. 97 m/ s2 啟動常用制動。A TO 子系統(tǒng)利用閉環(huán)反饋技術(shù)進行調(diào)速,即將實際車速與參考速度之差作為誤差控制量。通過牽引/ 制動線對列車實施一定的牽引力或制動力,使誤差控制量為零。
車站停車:車載ATO 系統(tǒng)將修正程序停車曲線,以符合所接受的運行等級。精確的車站停車是通過應(yīng)用軌道電路ID 和邊界的轉(zhuǎn)換以及車站的環(huán)線來實現(xiàn)的。應(yīng)用軌道電路的ID 來確定正確的停車曲線的起點。列車經(jīng)過站外350 m 處的第一對地面標志器時,定點停車曲線便由此啟動。定點停車曲線是建立在一個固定減速率基礎(chǔ)上的。當ATS 速度與定點停車曲線速度相同時,列車轉(zhuǎn)入定點停車控制模式。列車經(jīng)過150 m 、25 m 處的地面標志器時,它離開最后停車點的距離信息被不斷更新。列車經(jīng)過8 m 處的有源地面標志器上方,并收到由該標志器發(fā)送的信號,列車即刻轉(zhuǎn)為定位停車模式,實施全常用制動,將車停住。車輛對位天線與地面對位天線對齊。
運行時間的調(diào)整:主要是通過選擇不同的運行等級來實現(xiàn)。惰行模式已經(jīng)包含在運行等級中。
運行模式的改變:ATC 系統(tǒng)的邏輯要求是必須在列車停下時才可以進行轉(zhuǎn)換,否則將導(dǎo)致一次緊急制動。
2. 3 　廣州地鐵1 號線ATO 系統(tǒng)[4 ]
1. ATO 設(shè)備車載設(shè)備:主要包括ATC 設(shè)備機架、速度表、
控制臺、ATP 接收天線、PTI 發(fā)送天線。地面設(shè)備:包括車站交叉環(huán)線和PTI 環(huán)線。
2. ATO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道
由于廣州地鐵采用FTGS 數(shù)字頻率軌道電路, 因此能傳送報文信息。地面?zhèn)魉徒o列車的數(shù)據(jù)全部經(jīng)軌道電路由車載ATP 接收。ATO 需要的信息主要通過車載ATP 獲得。包括經(jīng)ATP 處理過的信息(實際速度、運行方向、實際位置、列車長度、限速命令、制動減速度,附加信息:下一區(qū)段精調(diào)、停車位置、車站停車),以及ATS 經(jīng)過ATP 傳給ATO 的信息(門控、到下一站的時間、車站號、車次號、目的地號、軌道電路號) 。報文由所有類型的電碼按照一定的次序組成,是由軌道電路循環(huán)發(fā)送的。
3. 控制策略
速度調(diào)節(jié):ATO 接收到來自ATP 的帶四個標志點的速度命令信息(包括最大速度、第一限速、第二限速和入口速度的起點、終點、速度值),計算列車要求的運行速度。ATO 按照時刻表和運行需要提供三種模式曲線:最大允許曲線,常規(guī)速度曲線(較最大速度曲線下降10 %) ,節(jié)能速度曲線(較最大速度曲線下降20 %) ;然后根據(jù)各種線路情況、車輛信息,計算所需牽引力或制動力,使列車到達要求速度。列車設(shè)定了最大加速率,以便列車平穩(wěn)運行?？刂扑惴ㄖ杏幸粭l警告曲線,總比ATP 的最大允許速度曲線低一點。當超過警告曲線,則報警。
車站停車:車站內(nèi)的位置調(diào)整點由多交叉的環(huán)路提供,如圖2。環(huán)路的頭和尾是所謂的環(huán)路邊界。相對應(yīng)地車站中間的環(huán)線交叉是用來確定距離的,一般的距離是6 個枕木間距。另外還定義一些粗調(diào)點,它們間的距離減至3 個枕木間距且四個一組。

圖2 　定點停車交叉環(huán)線
ATP 車載設(shè)備能接收到這些交叉點,并把每個交叉點的處理信號傳給ATO 。ATO 計算每個交叉點間的距離。粗調(diào)點只有在期望的位置窗口內(nèi)才能被識別到。假如識別到粗調(diào)點,則下一個交叉點便可用作位置同步。這些交叉點的位置已預(yù)設(shè)在ATO 中。
巡航/ 惰行是ATO 的一項輔加功能。時間充裕的話,可以采用巡航/ 惰行來調(diào)整運行時間,節(jié)省能源。
正線上改變運行模式:在列車運行中的任一時刻,司機可以通過移動操縱桿使之脫離零位,從而進行人工駕駛。在任何時候和任何駕駛階段, ATO 給出可以進行ATO 駕駛的顯示,司機通過移動操作桿,使之進入零位置并貝壓ATO 啟動鍵, 列車的運行模式變?yōu)锳TO 模式。
2. 4 　系統(tǒng)分析比較
以上三套系統(tǒng)中,以廣州地鐵1 號線ATO 系統(tǒng)運行效果最好,上海地鐵1 號線ATO 系統(tǒng)次之。經(jīng)過以上的分析比較發(fā)現(xiàn):
從信息獲取的角度來講,北京采用車站ATO 通信器,ATO 只在站內(nèi)獲得信息,信息的實時性較差;上海地鐵1 號線通過軌道電路和軌旁TWC , 廣州地鐵1 號線通過軌道電路,均使ATO 在運行時仍能接收最新信息。
從ATP 限速模式來講,北京地鐵1 號線與上海地鐵1 號線采用分級速度控制模式;廣州地鐵1 號線則采用模式曲線速度控制模式。模式曲線ATP 限速模式能使ATO 控車更高效,更平穩(wěn)。
從停車方式來講,北京地鐵1 號線與上海地鐵1 號線采用的是點式模式,在固定位置處有相應(yīng)的線圈;廣州地鐵1 號線則采用連續(xù)模式,在站內(nèi)鋪設(shè)連續(xù)交叉環(huán)線,在定點調(diào)整距離的基礎(chǔ)上,還能通過交叉環(huán)線脈沖跟蹤列車的位置。
從運行時間調(diào)整來說,北京地鐵1 號線ATO 根據(jù)ATS 在車站給出的惰行命令來調(diào)整,ATO 設(shè)備本身只是根據(jù)各種速度命令來執(zhí)行操作;上海地鐵1 號線ATO 則是通過ATS 由軌旁設(shè)備給出運行等級命令,按相應(yīng)的速度運行來調(diào)整運行時間; 廣州地鐵1 號線ATO 能計算所要采用的運行等級,以便選用不同的牽引百分比實施控制,來調(diào)整運行時間。廣州地鐵1 號線ATO 還能計算惰行模式牽引力的切除點,以實現(xiàn)準時運行。相對來說, 廣州地鐵1 號線ATO 對準時性的實現(xiàn)與運行時間的調(diào)整都比較靈活。
3 　ATO 系統(tǒng)車載設(shè)備的國產(chǎn)化研究
通過分析比較,對國產(chǎn)化ATO 的設(shè)計要求如下:信息可通過軌道電路以報文的形式發(fā)送;限速模式可采用模式曲線方式;停車設(shè)備可采用鋪設(shè)連續(xù)交叉環(huán)線;時間的調(diào)整要求能實時計算。
3. 1 　工作原理
以廣州地鐵1 號線ATO 系統(tǒng)為基礎(chǔ),結(jié)合實際情況,開發(fā)ATO 系統(tǒng)車載設(shè)備。ATO 從ATS 處得到列車運行任務(wù)命令。該信息是與地面線路信息一起組成報文,通過軌道電路傳送的,由車載ATP 統(tǒng)一接收。ATP 將經(jīng)過處理的對ATO 有用的信息傳給ATO , 并顯示相關(guān)信息,且不斷地監(jiān)視ATO 的工作。ATO 獲得有用信息后,根據(jù)實際運行速度和ATP 的最大允許速度,計算運行速度,得出控制量并執(zhí)行控制命令。巡航/ 惰行模塊由獨立的控制器來輔助完成。到站后,ATO 通過PTI(車地通信發(fā)送天線) 向地面發(fā)送列車信息,并傳到ATS , 以便識別列車的位置。ATS 根據(jù)此列車信息確定列車的新任務(wù)后再次通過軌道電路傳送給ATO 。在區(qū)間運行時,每進入新的軌道區(qū)段,ATO 便接收新的地面信息,以便進行速度調(diào)整。在運行過程符合ATO 條件時,允許靈活地切換到ATO 模式。
3. 2 　ATO 車載設(shè)備的設(shè)計
ATO 車載設(shè)備是ATO 系統(tǒng)的核心部分,是設(shè)計的難點。以下分析一下ATO 車載設(shè)備的接口。ATO 的車載設(shè)備接口如圖3。其中CCU 為中央控制單元,通過總線控制著ATO 、ATP 、顯示器間的數(shù)據(jù)通信; L1 、L2 為與ATO 接口的顯示燈; ATO 與ATP 間有多根信號線直接連接,包括系統(tǒng)激勵線、ATO 允許等等;E1 到E10 為與ATP 接口的開關(guān)、按鈕或顯示燈,包括司機鑰匙、ATO 允許等等。地面信息全部由ATP 接收天線接收; PTI 為車-地通信發(fā)送天線。

圖3 　ATP 車載設(shè)備接口
以上對我國現(xiàn)有的地鐵列車自動駕駛系統(tǒng)進行了分析比較,并對列車自動運行系統(tǒng)車載設(shè)備設(shè)計的國產(chǎn)化工作略作介紹。相信不久,我國便能擁有自主開發(fā)的列車自動運行系統(tǒng)。

參　考　文　獻
1 　《當代中國鐵路信號》編輯委員會. 當代中國鐵路信號. 北京:中國鐵道出版社,1997. 413～443
2 　吳汶麒. 城市軌道交通信號與通信系統(tǒng). 北京:中國鐵道出版社,1998. 126 -141
3 　李曉月. 上海地鐵一號線的車載信號系統(tǒng). 鐵道運營技術(shù),1998 ,4 (4) :172～177
4 　孫曉煒,陳永生. 預(yù)測控制在A TO 仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用. 城市軌道交通研究,2001 , (4) :44
5 　黃良驥. 地鐵列車自動駕駛(A TO) 系統(tǒng)分析與算法研究[學(xué)位論文]. 北京:北方交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,2000