城市軌道交通ATP 仿真系統的初步研究
摘　要:基于我國目前城市軌道交通發展的需求分析以及列車超速防護ATP 系統結構分析,提出ATP 仿真系統的開發目標與指導原則,以及A TP 仿真系統的結構與功能.
關鍵詞:城市軌道交通;列車超速防護;

近年來,隨著北京地鐵擴建、上海和廣州地鐵的相繼建成投運以及北京輕軌線路的即將開工,我國城市軌道交通的發展規模越來越大,然而我國的列車自動控制A TC(Automatic Train Control) 水平還處于起步階段,車地一體的成套系統設備尚需從國外引進. 跟蹤國外A TC 系統技術發展,研制國產化A TC 系統的任務已迫在眉睫.
城市交通A TC 系統通常包括列車超速防護A TP(Automatic Train Protection) 、列車自動駕駛A TO(Automatic Train Operation) 和列車自動監控A TS(Automatic Train Supervision) 3 個子系統,其中A TP 子系統采用故障安全設計,完成列車運行的間隔控制、進路控制和超速防護等功能,對于保證列車運行安全和提高行車效率起著很重要的作用[ 1 ].
與單項產品的開發不同,城市軌道交通A TP 是一個復雜系統,涉及機車車輛、地車通信、信號聯鎖、行車指揮以及司機駕駛等諸多因素,系統開發設計中的疏漏乃至錯誤都在所難免, 所研制設備的性能測試與改進也不可能一蹴而就,應用計算機仿真技術、研究建立A TP 仿真系統是進行A TP 系統開發的必要條件和必然選擇.
1 　ATP 仿真系統目標與開發原則
1. 1 　系統目標
(1) 建立輔助開發平臺　在ATP 系統研發期間,應用數字仿真與半實物仿真相結合的手段,對所研制的ATP 設備進行仿真測試,以便及時發現設計疏漏,縮短新產品的研制周期;同時還可以進行設備參數優化設計.
(2) 建立自動測試平臺　對ATP 系統的整體性能以及各個子系統的各項性能進行測試, 檢驗所設計的ATP 系統的可靠性、可用性和可維護性指標,給出性能測試報告.
(3) 提供方案的評價手段　應用數字仿真對ATP 系統方案的可行性進行預測和評估.
(4) 建立系統演示與人員培訓環境　利用多媒體手段對ATP 系統的原理、結構、功能和運行過程進行生動的展示,并提供ATP 仿真系統工作人員以及現場信號工作人員的業務培訓環境,包括設備的原理、結構、安裝、調試和維護等.

1. 2 　系統開發原則
(1) 通用性與開放性　從適用范圍方面,考慮擴展為地面鐵路ATP 仿真系統的需求;從系統功能方面,預留擴展為ATS 與ATO 仿真系統的接口.
(2) 數字仿真與半實物仿真相結合.
(3) 組態化建模　適應不同模式的ATP 系統,保證仿真對象某一部分不同時,僅通過組態將基本部分加以重新組合就可獲得新的仿真模型,而不必修改仿真的原程序.

(4) 優越的人機交互性能.
1. 3 　仿真對象描述城市軌道交通ATP 系統結構如圖1 所示,各部分的主要功能為:
(1) 區域控制中心　是ATP 系統的核心. 一方面,向ATS 系統提供由軌道電路子系統、進路控制子系統采集來的實時狀態信息;另一方面,從ATS 系統接收調度命令,產生進路控制命令并傳遞給進路控制子系統實現進路控制, 同時產生軌道電路編碼信息, 由軌道電路子系統傳遞給車載ATP 子系統,實現對列車的實時控制.
(2) 安全數據網　是指區域控制中心與其它ATP 子系統實時交換信息的傳輸通道.
(3) 車載ATP 子系統　接收軌道電路傳遞的各種信息,生成列車速度控制曲線,并與實測車速進行比較,監督列車運行. 當列車運圖1 　城市交通ATP 系統結構圖行速度超過允許速度時,對列車實施制動.
(4) 軌道電路子系統　不僅向車載ATP 子系統提供列車控制信息、定位信息,同時還完成列車占用檢測、斷軌檢查等功能.

(5) 進路控制子系統　根據區域控制中心的命令,實時控制站內信號機與道岔.

2 　仿真系統結構與功能
2. 1 　ATP 仿真系統總體結構
A TP 仿真系統的總體結構如圖2 所示. A TP 仿真系統是一個分布式仿真大系統,系統中的網絡服務器向各個仿真子系統提供大量共享的數據,例如:線路數據庫、車站數據庫、列車牽引制動模型、列車運行圖等,以及各種硬件共享設備,如打印機、大屏幕投影等. 區域控制中心仿真子系統、車載A TP 仿真子系統、進路控制仿真子系統和軌道電路仿真子系統通過局域網與網絡服務器連接,共享網絡資源.

圖2 　城市軌道交通ATP 仿真系統的總體結構圖
2. 2 　區域控制中心仿真子系統區域控制中心仿真子系統的結構如圖3 所示. 圖3 中,區域控制中心仿真主機的功能是:
(1) 模擬生成各種A TS 信息;
(2) 設置各通信鏈路模擬器的參數;

(3) 接收被測設備輸出的軌道電路編碼信息與進路控制信息,并對這些信息正確性、實時性、抗干擾性等進行評價,給出評價結果及統計信息;
(4) 通過局域網共享網絡打印機、大屏幕投影等設備,實現子系統功能演示與系統培訓.
圖3 中的輸入、輸出接口可能是模擬量接口,也可能是數字量的;各通信鏈路模擬器可程控設置其模擬通信鏈路的類型(如串行或并行) 、鏈路長度、參數、故障模式等;被測區域控制中心機接收A TS 控制信息,輸出軌道電路編碼與進路控制信息.

圖3 　區域控制中心仿真子系統的結構圖
2. 3 　進路控制仿真子系統如圖4 所示[2 ] ,進路控制仿真主機的功能是:
(1) 自動生成測試方案,模擬生成一系列的操作命令與當前狀態輸出;
(2) 通過局域網獲取站場數據,并動態顯示站場情況的變化;
(3) 接收被測設備輸出的表示信息與控制信息,并對這些信息正確性、實時性等進行評價;
(4) 通過局域網共享網絡資源,實現子系統功能演示與培訓.

圖4 　進路控制仿真子系統結構圖
2. 4 　車載ATP 仿真子系統車載A TP 仿真子系統的結構如圖5 所示[3 ,4 ]. 圖5 中,車載A TP 仿真子系統仿真主機的功能是:
(1) 根據系統參數以及通過局域網查詢線路數據、列車運行模型、列車制動模型等,生成測試方案;
(2) 通過與駕駛仿真微機的通信,獲取列車操縱與狀態信息;在脫離駕駛仿真系統時,也可自行生成這些信息;
(3) 根據仿真要求,直接生成未經調制的地面軌道電路信息或點式信息;或者通過遠程訪問軌道電路子系統,由其提供原始信息;
(4) 根據仿真測試結果,進行測試結果統計分析、控制效率分析、安全性分析與評價;
(5) 通過局域網共享網絡資源,實現子系統功能演示與培訓.

圖5 　車載ATP 仿真子系統的結構圖

2. 5 　軌道電路仿真子系統如圖6 所示[5 ] ,軌道電路仿真主機的功能是:
(1) 根據仿真任務的需求,通過控制VXI 總線測試子系統與臺式儀器子系統,獲取仿真建模測試數據、信號分析數據等;
(2) 提供軌道電路工作特性分析、工作狀態仿真、軌道電路參數優化、測試數據分析與統計、系統性能評價等的軟件平臺;

(3) 通過局域網共享網絡資源,實現子系統功能演示與培訓.

圖6 　軌道電路仿真子系統的結構圖
3 　結論
(1) 由于城市軌道交通具有與地面鐵路相區別的一些顯著特征,城市軌道交通ATP 系統特別強調設備的自動化、系統化程度以及車地信息傳輸與設備的在線監控和維修的重要性. 在ATP 仿真系統設計時,應對這些區別給予充分考慮.
(2) 城市交通ATP 仿真系統結構與功能較復雜,各仿真子系統的詳細設計有待于進一步研究.

參考文獻:
[1 ] 趙明,張建明. 我國地鐵信號技術發展研究[J ]. 北方交通大學學報,1999 ,23(5) :41 -44.
[2 ] 屠海瀅,吳芳美. 鐵路車站通用信號仿真系統的研究與實現[J ]. 鐵道學報,1999 ,21(5) :47 -50.
[3 ] 郜春海,唐濤,張建明. 高速鐵路列車運行控制系統車載設備的軟件設計[J ]. 北方交通大學學報,1999 ,23 (5) :77 -82.
[4 ] 錢雪軍,郎誠廉,申朝旭. 半實物機車駕駛模擬器研究[J ]. 上海鐵道大學學報,1998 ,19(5) :25 -29.
[5 ] 趙會兵. 高速鐵路軌道電路數字仿真系統的研究[J ]. 北方交通大學學報,1999 ,23(5) :69 -72.