地鐵列車自動運行系統的分析與設計

摘　要　對我國現有的北京、上海、廣州的地鐵列車自動運行系統進行分析、比較,并指出了國產化列車自動運行系統的設計思路。
關鍵詞　地鐵,列車自動控制系統,列車自動運行系統,國產化
對于城市軌道交通系統高效率、高密度的要求來說,列車自動控制系統(A TC) 是必不可少的。其中一個重要的子系統 列車自動運行(駕駛) 系統(A TO) 能模擬有經驗的司機完成駕駛列車的任務。A TO 子系統利用地面信息實現對列車牽引、制動的控制,使列車經常處于最佳運行狀態,提高乘客的舒適度,提高列車準點率,節能能源。
許多國家都在研究A TO 系統,且取得了一定的成績。我國在此項技術上尚屬空白。本文將對比分析三套A TO 系統技術特點。
1 　A TC 與A TO 簡介
A TC 是一套以安全和效率為目的、調節列車運行間隔的自動控制設備,通過車載設備、地面設備、車站和控制中心組成的控制系統完成列車運行控制。A TC 系統包括三個子系統:列車自動監控系統(A TS) ,列車自動保護系統(A TP) 和列車自動運行系統(A TO) 。
A TS 子系統實現監督、引導列車按預定的時刻表運行,保證地鐵運行系統的穩定性。它通過轉換道岔建立發車進路,并向列車提供由控制中心傳來的監督命令。
A TP 子系統具有超速防護、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 子系統能自動調整車速,并能進行站內定點停車,使列車平穩地停在車站的正確位置。
A TO 從A TS 處得到列車運行任務命令。其信息是通過軌道電路或軌旁通信器傳送到列車上的。信息經過處理后傳給A TO ,并顯示相關信息。A TO 獲得有用信息后,結合線路情況開始計算運行速度,得出控制量,并執行控制命令,同時顯示有關信息。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-地通信系統把列車信息傳送給地面通信器,然后傳到A TS。A TS 根據列車信息,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 系統技術特點比較
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 設備(未使用); 上海地鐵1 號線的A TO 設備則是從美國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 設備,在1999 年6 月正式運營。由于他們的A TO 系統設計不盡相同,因此有必要對不相同的地方進行比較(主要是A TO 設備、A TO 需求數據與傳輸通道和控制策略),然后分析各種設計的特點,以利于A TO 的設備國產化。
2. 1 　北京地鐵1 號線A TO 系統
1. A TO 設備
車載設備: 由設在列車每一端司機室內的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 發送天線組成。
地面設備:在各車站設備室內設有站臺A TO 通信器PAC(Platform A TO Communicator) 。PAC 內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,設有Xd 或X2 環路及Rd 環路。列車在車站停車期間,經聯鎖電路及軌道電路的有關條件控制向室外環路發送。
2. A TO 需求數據與傳輸通道
在A TO 數據獲取的過程中,車載A TP 接收安全信息。安全信息由列車當前運行區段的AF 900 軌道電路傳送,采用低頻脈沖調幅方式,有8 種不同的調制頻率,6 種用于A TP 速度命令,2 種用于門控命令。另外,車載TWC 系統接收地面TWC 信息。該信息一般是非安全控制功能數據, 諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK 調制方式,通過地面TWC 設備向列車發送。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
速度調節: A TO 根據從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, 主要計算加速轉勻速、勻速轉制動的位置點,以保證列車運行時不超過MSS , 并且在每個軌道電路區段目標距離處速度不超過目標速度。控制器根據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 環路實現的。列車進入車站X2 環路范圍后, 通過地-車之間的感應,得出距停車點的距離,進行第一次位置調整,并使速度盡量貼近預置的停車速度曲線。在Xd 環路處,進行第二次也是最后一次位置調整。若需要對運行時間進行調整,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 執行。
2. 2 　上海地鐵1 號線A TO 系統[3 ]
1. A TO 設備
車載設備:主要包括A TO 主控制器,以及車底的A TP/ TWC 接收線圈、TWC 發送天線( TWC 為車-地通信子系統) 、對位天線、標志線圈。
地面設備:包括每個車站A TC 設備室內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 需求數據與傳輸通道
在A TO 數據獲取的過程中,車載A TP 接收安全信息。安全信息由列車當前運行區段的AF 900 軌道電路傳送,采用低頻脈沖調幅方式,有8 種不同的調制頻率,6 種用于A TP 速度命令,2 種用于門控命令。另外,車載TWC 系統接收地面TWC 信息。該信息一般是非安全控制功能數據, 諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK 調制方式,通過地面TWC 設備向列車發送。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
速度調節:A TO 與A TP 配合調節速度。A TP 共設6 個速度命令,即20 、30 、45 、55 、65 、80 km/ h 。A TC 系統具有4 個A TS 運行等級,對應于A TP 的各個速度命令有相應的修正速度。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 根據軌旁接收的運行等級信息獲得運行速度信息, 并調節車速、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 子系統利用閉環反饋技術進行調速,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用軌道電路ID 和邊界的轉換以及車站的環線來實現的。應用軌道電路的ID 來確定正確的停車曲線的起點。列車經過站外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上的。當ATS 速度與定點停車曲線速度相同時,列車轉入定點停車控制模式。列車經過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。列車經過8 m 處的有源地面標志器上方,并收到由該標志器發送的信號,列車即刻轉為定位停車模式,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。
運行時間的調整:主要是通過選擇不同的運行等級來實現。惰行模式已經包含在運行等級中。
運行模式的改變:ATC 系統的邏輯要求是必須在列車停下時才可以進行轉換,否則將導致一次緊急制動。
2. 3 　廣州地鐵1 號線ATO 系統[4 ]
1. ATO 設備車載設備:主要包括ATC 設備機架、速度表、
控制臺、ATP 接收天線、PTI 發送天線。地面設備:包括車站交叉環線和PTI 環線。
2. ATO 需求數據與傳輸通道
由于廣州地鐵采用FTGS 數字頻率軌道電路, 因此能傳送報文信息。地面傳送給列車的數據全部經軌道電路由車載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:下一區段精調、停車位置、車站停車),以及ATS 經過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,是由軌道電路循環發送的。
3. 控制策略
速度調節: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,常規速度曲線(較最大速度曲線下降10 %) ,節能速度曲線(較最大速度曲線下降20 %) ;然后根據各種線路情況、車輛信息,計算所需牽引力或制動力,使列車到達要求速度。列車設定了最大加速率,以便列車平穩運行。控制算法中有一條警告曲線,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:車站內的位置調整點由多交叉的環路提供,如圖2。環路的頭和尾是所謂的環路邊界。相對應地車站中間的環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 　定點停車交叉環線
ATP 車載設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。粗調點只有在期望的位置窗口內才能被識別到。假如識別到粗調點,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設在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/ 惰行來調整運行時間,節省能源。
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, 列車的運行模式變為ATO 模式。
2. 4 　系統分析比較
以上三套系統中,以廣州地鐵1 號線ATO 系統運行效果最好,上海地鐵1 號線ATO 系統次之。經過以上的分析比較發現:
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。
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的線圈;廣州地鐵1 號線則采用連續模式,在站內鋪設連續交叉環線,在定點調整距離的基礎上,還能通過交叉環線脈沖跟蹤列車的位置。
從運行時間調整來說,北京地鐵1 號線ATO 根據ATS 在車站給出的惰行命令來調整,ATO 設備本身只是根據各種速度命令來執行操作;上海地鐵1 號線ATO 則是通過ATS 由軌旁設備給出運行等級命令,按相應的速度運行來調整運行時間; 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,以實現準時運行。相對來說, 廣州地鐵1 號線ATO 對準時性的實現與運行時間的調整都比較靈活。
3 　ATO 系統車載設備的國產化研究
通過分析比較,對國產化ATO 的設計要求如下:信息可通過軌道電路以報文的形式發送;限速模式可采用模式曲線方式;停車設備可采用鋪設連續交叉環線;時間的調整要求能實時計算。
3. 1 　工作原理
以廣州地鐵1 號線ATO 系統為基礎,結合實際情況,開發ATO 系統車載設備。ATO 從ATS 處得到列車運行任務命令。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 統一接收。ATP 將經過處理的對ATO 有用的信息傳給ATO , 并顯示相關信息,且不斷地監視ATO 的工作。ATO 獲得有用信息后,根據實際運行速度和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(車地通信發送天線) 向地面發送列車信息,并傳到ATS , 以便識別列車的位置。ATS 根據此列車信息確定列車的新任務后再次通過軌道電路傳送給ATO 。在區間運行時,每進入新的軌道區段,ATO 便接收新的地面信息,以便進行速度調整。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 車載設備的設計
ATO 車載設備是ATO 系統的核心部分,是設計的難點。以下分析一下ATO 車載設備的接口。ATO 的車載設備接口如圖3。其中CCU 為中央控制單元,通過總線控制著ATO 、ATP 、顯示器間的數據通信; 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,包括系統激勵線、ATO 允許等等;E1 到E10 為與ATP 接口的開關、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-地通信發送天線。

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

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. 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. 鐵道運營技術,1998 ,4 (4) :172～177
4 　孫曉煒,陳永生. 預測控制在A TO 仿真系統中的應用. 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) 系統分析與算法研究[學位論文]. 北京:北方交通大學電子信息工程學院,2000