列车自动防护系统

项目八列车自动防护系统主讲：徐胜志[知识要点]

1．了解列车自动防护系统设备组成。2．掌握列车自动防护系统基本功能。3．掌握列车自动防护系统设备运用。2/3/20231一、列车自动防护系统基本原理

[理论内容]城市轨道交通的信号控制系统中，列车自动防护系统是信号控制系统非常重要的组成部分，它为列车行驶提供安全保障，有效降低列车驾驶员的劳动强度，提高行车作业效率。如果没有列车自动防护系统，列车的行车安全需要由列车驾驶员人工来保障，这样会造成列车驾驶员过度疲劳，产生安全隐患，对行车作业效率也会带来负面影响。因此在城市轨道交通中，尤其是在运营作业繁忙的线路上，信号控制系统中设置列车自动防护系统是非常必要的，它是行车作业的安全保障和体现。列车自动防护系统，其英文名称为“TrainAutomaticProtectSystem”，简称为ATP系统。2/3/202321．列车运行的几个基本概念在介绍列车自动防护系统如何控制列车运行速度时，需要简单了解列车如何起动和停车，以及列车常用制动和列车紧急制动的基本概念。

(1)列车起动和停车列车在人工驾驶时，列车驾驶员操作驾驶手柄，通过列车的牵引系统施加牵引力使列车向前加速行驶，或通过列车的制动系统施加制动力使列车减速行驶。列车驾驶手柄平常放中间位置，将驾驶手柄从中间位置向前推时，列车向前加速行驶，越往前推施加的牵引力越大；将驾驶手柄从中间位置向后推时，列车减速行驶，越往后推施加的制动力越大，这时列车在制动力的作用下减速运行，如图8一l所示。2/3/20233图8—1列车驾驶室牵引制动手柄和紧急制动按钮驾驶室驾驶室内景

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(2)列车常用制动和紧急制动

列车常用制动就是列车在正常行驶过程中，由列车的制动系统施加给列车的制动。列车紧急制动就是列车在超速行驶，或遇到其他不正常会危及列车行车安全的情况时，对列车施加的制动。列车紧急制动时所产生的制动力，是列车的制动系统所能提供的最大制动力。列车紧急制动的响应时间比列车常用制动的响应时间要短；一旦对列车施加了紧急制动，只能通过特殊处理才能将紧急制动从列车上解除。2/3/202352/3/20236

(3)速度限制城市轨道交通中，列车在轨道线路上行驶时，受轨道线路弯道、坡道、列车自身构造以及运营需求等因素的影响，列车只能在规定的速度范围内运行，如果列车运行速度比规定的最大速度值高，则会危及到列车的行车安全，导致列车相撞、出轨或颠覆等事故的发生。为确保列车行车安全，列车必须在所规定的速度范围内运行，以防止安全事故的发生。列车自动防护系统在每列车上都装有速度传感器，速度传感器安装在列车的车轴上，如图8．2所示，对列车的运行速度进行实时测定，并把速度值传送给列车自动防护系统主机，由列车自动防护系统主机对速度进行分析和处理。图8—2速度传感器2/3/202372/3/20238

(4)列车自动防护系统与列车之间的接口列车自动防护系统主机是列车自动防护系统的核心控制部分，列车自动防护系统主机与列车自身的牵引系统和制动系统由专门的接口电路连接，如图8．3所示。列车自动防护系统主机实时接收从地面信号传来的信号，通过实时分析和计算，实时向列车的牵引系统或制动系统发出控制指令，列车的牵引系统或制动系统在接收到控制指令后，对列车施加牵引力或制动力，以控制列车的运行速度，使列车在允许速度的范围内运行。列车自动防护系统主机安装在驾驶室内。图8—3列车自动防护系统与列车之间的接口关系2/3/202392．列车自动防护系统基本原理列车自动防护系统控制列车运行速度有两种基本方式：点式叠加方式和速度距离模式曲线方式。

(1)点式叠加方式列车自动防护系统以点式叠加方式控制列车运行速度，其速度距离曲线呈阶梯状，称为阶梯曲线，如图8．4所示。图8—4阶梯曲线图中横坐标表示距离值，纵坐标表示列车运行速度值。图8—4中列车受到制动力的作用，减速运行。列车从某点O处以不超过S1的速度值运行，在运行到D1点时，对列车施加一定的制动力，使列车允许运行的最大速度值从S1速度值降为S2速度值；列车从D1点运行到D2点处，在这一区间，列车运行的最大允许速度值为S2;在S2点，再次对列车施加制动力，使列车减速运行。2/3/202310列车运行在O～D1区段，允许运行的最高速度为S1；在D1～D2区段，允许运行的最高速度为S2；在D2～D2区段，允许运行的最高速度为S3。图8—4阶梯曲线2/3/202311在每个区段，如果列车运行速度超过了在该运行区段所对应的最大速度值，列车自动防护系统会向列车的制动系统发出常用制动命令，列车的制动系统对列车施加制动力，使列车运行速度在系统所设定的时间内，降到允许的运行速度范围内，以保证列车安全运行；如果列车运行速度持续超过该运行区段所对应的最大速度值，在持续的时间超过系统设定的时间后，列车自动防护系统将对列车实施紧急制动，强制列车停车，以防止意外事故的发生。2/3/202312阶梯曲线控制速度的方式所需要的硬件结构简单，容易实现。在图8-4中列车以不超过S1速度值运行，运行速度从S1变为S2时，使得列车的运行速度发生突变，这时强烈的减速会给列车上的乘客一种冲击，容易产生不适感。速度变化越大，冲击感越强，不利于旅客乘车的舒适度。图8—4阶梯曲线2/3/202313

(2)速度距离模式曲线列车受到制动力的作用，使列车减速运行，速度一距离图形曲线形状是连续平滑的曲线，这种列车速度控制方式称为速度距离模式曲线方式，如图8-5所示。图中横坐标表示距离值，纵坐标表示列车运行速度值。图8—5速度距离模式曲线2/3/202314图8．5中，列车自动防护系统根据运营计划，使列车从O点减速运行到D1点。列车自动防护系统根据各种数据，计算出列车从O点运行到前方D2点的区段内，各处所需的运行速度，并向列车的牵引和制动系统发出指令，控制列车按照速度距离模式曲线所绘制的速度值平滑稳定地从在0点减速运行到前方D2点。图8—5速度距离模式曲线2/3/202315在上图模式曲线的每点，都对应有一个速度值，如果列车运行速度超过了在该点所对应的速度值，列车自动防护系统实时向列车的制动系统发出常用制动命令，对列车施加制动力，使列车运行速度降到模式曲线的下方，保证列车以允许的速度运行，确保列车安全运行；如果列车运行速度持续超过模式曲线所规定的速度值，运行在模式曲线的上方，若所持续的时间超过系统设定的时间，列车自动防护系统将对列车实施紧急制动，强制列车停车，以防止意外事故的发生。2/3/202316速度距离模式控制速度的方式，需要比较复杂的软件和硬件支持，系统调试过程比较复杂。列车平滑减速运行，运行速度没有发生突变，列车运行速度控制稳定，可以有效提高列车乘客的舒适度。防止列车超速运行是列车自动防护系统最重要的功能，也是城轨信号系统保障列车运行安全的核心。列车自动防护系统对列车速度的有效控制，保持列车速度运行不超过所允许的速度范围，能有效降低列车驾驶员的劳动强度，提高作业效率，避免人工操作带来的安全隐患．保障列车安全运行。2/3/202317

二、列车自动防护系统主要功能列车自动防护系统不仅能控制列车运行速度，还有其他许多重要功能，它们是列车安全稳定运行的可靠保障。列车自动防护系统主要功能包括有：1．防止运营列车超速运行运营列车在线路上运行有多种速度限制，列车运行速度不能超出速度限制值。(1)防止运营列车超过线路限制速度超速运行城市轨道交通中，线路在曲线段或坡道处，往往有速度限制，运营列车不能超过线路限速运行，否则容易出现列车脱轨或颠覆事件。(2)防止运营列车超过列车允许最高速度超速运行车辆的自身构造决定了车辆所能运行的最大速度，超过这个速度值，列车可能会出现故障，危及车辆和行车安全。2/3/202318(3)防止运营列车超过道岔弯轨限制速度超速运行城市轨道交通中，线路上设有道岔，在列车通过道岔弯轨时，不能超过道岔弯轨限制速度超速运行。(4)防止运营列车超过限速区段超速限速城市轨道交通中，线路上有故障或作业需要运营列车限速行驶，列车应按运营规定运行。(5)防止运营列车超过临时限速城市轨道交通中，线路上有临时作业，需要运营列车限速行驶，列车应按运营规定运行。(6)防止运营列车超过其他限速城市轨道交通中，运营作业需要任何限速的地方，列车应按运营规定运行。2/3/202319

2．接收和处理来自地面的信息列车运行在轨道上，地面轨道电路或地面的其他设备，将列车运行所需的信息发送出去，安装在列车车体上的列车自动防护系统设备会实时接收这些信息，并对这些信息进行实时分析和处理，以及时对列车的运行状态和运行速度进行控制。通常这些信息中包含有列车允许运行的最大速度值、线路位置等。2/3/202320

3．防止列车相撞城市轨道交通中，在某条线路上，往往会有很多列车同时运营作业，列车自动防护系统可以防止列车相撞，为这些平行作业的实施提供了安全保障，它有效提高了城市轨道交通线路的利用效率，增强了城市轨道交通的运营能力。列车自动防护系统可以防止列车相撞包括以下内容：

1)防止运营列车撞上前面的列车；2)防止运营列车进入未开通的进路；3)防止运营列车冲出尽头线；4)防止运营列车进入封锁区段；5)防止运营列车进入发生故障的进路等。2/3/2023214．车辆安全停靠站台城市轨道交通中，列车停靠站台时，需要列车完全停稳不动，确保乘客安全上下车。列车自动防护系统会检测列车的速度和列车所处的位置，保证列车在站台区域内安全停靠。2/3/202322

5．列车车门控制城市轨道交通中，列车左右两侧都有车门，列车停靠站台后，列车自动防护系统会控制列车开启靠近站台的车门，保证乘客安全上下车。2/3/202323

6．空转、打滑防护列车在线路上正常运行时，列车车轮在钢轨上滚动运行，因某种原因，列车车轮会发生空转，或列车车轮在线路上滑动运行，这种情况一方面会对车辆的车轮造成损伤，另一方面会危及列车行车安全。列车自动防护系统会实时检测列车空转和打滑情况，并及时采取措施，控制列车运营状态。7．防止列车发生溜车列车如果在线路的坡道处停车或在站台处停车，列车自动防护系统会给列车施加一定的制动力，保证列车不会发生溜车现象，防止发生安全事故。列车自动防护系统除了以上的重要功能外，根据城市轨道交通信号系统的配置情况和复杂程度，还可以有一些其他功能，如控制列车的运行方向，提供驾驶员操作接口界面等。2/3/202324三、列车自动防护系统车载设备组成列车自动防护系统所包含的设备分别安装在列车上和地面上。安装在列车上的设备，简称为车载设备；安装在地面的设备简称为地面设备。1、车载设备主要组成列车自动防护系统的车载设备主要包括有车载主机、驾驶员状态显示单元、速度传感器、列车地面信号接收器、列车接口电路、电源和辅助设备等，如图8．6所示。下面分别介绍有关设备的情况。图8—6车载主要设备2/3/202325(1)车载主机列车自动防护系统的车载主机由各种印刷电路板、输人／输出接口板、安全继电器和电源等设备组成。这些设备分层放在机柜中，各板利用机柜上的总线进行通信。

列车定位：

测速电机（TACHO）

多普勒雷达（DopplerRadar）

绝对位置信标（APR）。

2/3/202326(2)状态显示单元状态显示单元是车载系统与列车驾驶人员之间的人机界面，可以显示列车当前运行速度、列车到达某点的目标速度、列车到达某点的走行距离、列车的驾驶模式和有关设备的运行状况等与行车直接相关的信息；还设置有一些按钮，用于驾驶员操作，控制列车运行。在下面详细介绍状态显示单元各个表示单元和按钮。列车司机显示屏（人机界面）

显示屏2/3/202327(3)速度传感器信号系统通常在列车上装有一个或多个速度传感器，安装在列车的车轴上，用于计算列车的运行速度和列车运行距离及列车运行方向的判定。列车的运行速度，还可以用雷达进行测定，但速度传感器技术成熟，测速精度高，安装使用简单方便，因此被广泛使用。2/3/202328(4)列车地面信号接收器列车地面信号接收器，安装在列车底部，用于接收从轨道上传来的信息，这些信息可以由地面轨道电路发送，或由安装在地面的专门设备如应答器发送给列车。列车地面信号接收器，根据所接收的信息格式、容量和处理速度等因素，可以设计为感应线圈，或其他形式，以保证列车在一定的运行速度下能及时接收和处理所收到的信息。列车地面信号接收器的性能要求：抗机械冲击能力强，有很好的抗电磁干扰能力，信息接收误码率低，不丢失信息。应答查询器

B型应答器

2/3/202329(5)列车接口电路列车自动防护系统的车载设备通过车载主机与列车进行接口，车载主机将控制信息通过接口电路传送给列车，同时车载主机通过接口电路从列车获得列车运行的状态信息。列车接口电路使用的继电器，根据使用的环境，需要体积小、力学性能好的继电器，一般使用弹簧继电器。

(6)电源和辅助设备等列车为列车自动防护系统车载设备提供所需的电源，列车上还有列车运行模式选择开关，各种电源开关，和其他一些辅助设备等。2/3/2023302．状态显示单元列车上的状态显示单元，作为车载系统与列车驾驶员的人机界面，可以使用触摸屏，或使用面板的形式，来实现列车状态信息的显示和对列车进行操控。其面板或触摸屏上的主要内容一般包括操作按钮部分、信息显示部分、表示灯和报警器，如图8-7所示。图8．7面板状态显示单元2/3/202331下面对面板状态显示单元各部分进行介绍。

(1)按钮部分以面板型的状态显示单元为例，其按钮一般包括有发车按钮、慢速前行按钮、调光按钮、灯泡按钮、内容切换按钮等。其中发车按钮和慢速前行按钮用于操纵列车运行，其他几个按钮用于对面板亮度调整、显示内容的切换和自检等。

①列车发车按钮。列车发车按钮通常带有灯光，当列车发车按钮灯光点亮时，列车驾驶员按压列车发车按钮，起动列车向前运行。如果列车这时处于自动驾驶模式下，列车将按照行车作业要求自动运行；若列车处于列车自动防护系统控制模式下，人工驾驶，列车驾驶员操纵牵引／制动手柄，控制列车运行。列车发车按钮灯光熄灭时，按压列车发车按钮，属于无效操作。2/3/202332②慢速前行按钮。列车处于列车自动防护系统控制模式下，当列车自动防护系统不能从地面收到信息时，列车驾驶员按下慢速前行按钮，请求列车以不超过设定的速度值慢速前行。列车慢速前行设定的最高速度值，根据不同的运营需求，可以设为20km／h，或其他值。这个速度值比列车正常运行的平均速度一般要小，慢速前行模式适合列车办理进出停车厂或车辆段作业时，控制列车慢速运行，遇到危险情况，可以采取措施，尽快让列车停车。③显示模式按钮。面板上的显示模式按钮，用来在切换某些显示区域内的不同信息，可以增加显示的信息容量。

④调光器按钮。按压调光器按钮，可以改变状态显示单元显示屏和指示灯的亮度。

⑤灯光测试按钮。按压灯光测试按钮，可以执行显示屏、指示灯和声音报警测试。2/3/202333

(2)信息显示部分

①速度显示。触摸屏和面板上，一般把表示速度的区域放在屏或板的中央，便于直观显示列车运行速度值。速度显示同时用模拟方式显示和数字方式显示，表示速度范围从零到线路允许的最大值，并留有一定的余量。图8-7中，速度显示以100km／h作为最大允许运行速度值。中间的方框用数字显示当前速度值；正围绕方框的环上，标有刻度值，表示对应的列车速度值。通常用红色环指示列车当前允许运行的最大速度值，用绿色环表示列车当前的实际运行速度值。当绿色环超过红色环时，列出驾驶员可以直观看出，列车发生了超速，并有报警提示，这时提醒列车驾驶员要采取措施，控制列车速度，将速度绿环降低到速度红环以内，保证列车安全正常运行。2/3/202334两种不同颜色的速度环，直观的将列车的实际运行速度和当前允许运行的最大速度表示出来，可以方便列车驾驶员对列车速度进行有效控制，提高作业效率，降低作业强度。

②目标速度。在速度距离模式曲线的系统中，可以显示列车从当前地点运行到下一目标处，所对应的目标处的速度值。如下一目标是在站台停车，则显示目标速度为零；如果下一目标是通过站台，则显示允许通过站台的速度限制值。

③目标距离。在速度距离模式曲线的系统中，可以显示列车从当前地点运行到下一目标处，列车所需走行的距离值。

④时间。在速度距离模式曲线的系统中，可以显示列车从当前地点运行到下一目标处，列车所需运行的时间。2/3/202335

(3)指示灯面板上或触摸屏上有多个指示灯，用来表示列车的运行状态。

①超速指示灯。当列车运行速度超过当前的允许的速度值时，超速指示灯点亮。

②慢速前行指示灯。当慢速前行模式被激活时，慢速前行指示灯点亮。

③列车自动运行指示灯。当列车的模式选择开关放在ATO挡位时，这时列车在自动运行模式下运行(ATO模式)，列车自动运行指示灯点亮。

④列车自动防护控制下的人工驾驶模式指示灯(简称人工ATP)。当列车的模式选择开关放在ATP挡位时，列车在列车自动防护控制下，由列车驾驶员人工驾驶列车运行，这时该指示灯点亮。2/3/202336

⑤旁路指示灯。当列车的模式选择开关，放在旁路挡位时，该列车的车载信号系统被切除，这时旁路指示灯点春．⑥发车测试指示灯。列车在发车进入运营线路前，要进行信号车载系统静态测试，如果该测试失败或没有启动该测试，该指示灯熄灭；如果测试成功该指示灯被点亮；如果测试正在进行中，该指示灯将不断闪烁。

⑦列车自动防护系统故障指示灯。当列车自动防护系统发生故障时，该指示灯点亮。

⑧运行方向指示灯。当列车自动防护系统知道列车运行方向，并且在列车对位停车时能够自动控制车门时，该指示灯点亮。另外，还有一些指示灯，当列车处于自动驾驶(AT0)状态时，相应的事件发生时，指示灯会点亮，如跳停指示灯和停站结束指示灯等。2/3/202337(4)报警器当列车发生超速运行，或有设备故障，或目标距离、速度参数发生变化时，报警器会发出报警声，提醒列车驾驶员注意。图8．7面板状态显示单元2/3/202338四、列车自动防护系统地面设备列车自动防护系统的核心设备安装在列车上，它所需的主要信息来自地面设备。根据城市轨道交通信号系统的不同制式，列车自动防护系统地面设备，可以设置点式应答器或轨道电路，向列车传递有关信息，由安装在列车上的设备接收和处理这些信息。移动闭塞原理

2/3/2023391．点式应答器在速度距离曲线为阶梯式的图形的信号系统中，经常会在线路上间隔一定的距离设置点式应答器。这些应答器向线路保存有列车的行车信息，在列车经过时，由安装在列车车底的感应接收装置从中读取或接收信息，对这些信息进行综合分析处理。点式应答器中所包含的信息，包括有线路位置、列车运行距离、基本线路参数、速度限制等信息，这些信息固化在应答器。应答器可分为有源应答器和无源应答器。有源应答器向线路实时发送信息，由列车接收；无源应答器，只有在列车经过时，由列车从应答器中读取信息。

2/3/202340点式应答器安装在线路上，调试和安装工艺比较简单，容易实施，成本相对较低，应用广泛，如图8—8所示。图8—8点式应答器B型应答器

A型应答器2/3/202341

2．轨道电路城市轨道交通信号系统，轨道电路除了具有表示列车是否占用轨道的功能外，还可以向线路上实时发送列车运营所需的信息，由列车接收和处理。轨道电路所发送的信息，其容量大，有利于列车的车载系统对列车进行实时控制。因信号系统的处理能力和制式不同，轨道电路所发送的信息量可有所不同，一般来讲，轨道电路所发送的信息可以有以下内容：(1)轨道电路基本信息如轨道电路的长度、坡道和曲线参数，所用的载波频率，轨道电路的编号等。(2)线路速度是指该轨道区段线路上受坡道和曲线等因素的影响列车所允许运行的最大速度。2/3/202342

(3)目标速度列车到达下一目标时，列车的运行速度。(4)运行距离列车到达下一目标时所需走行的距离。(5)列车运行方向指明列车上行运行或下行运行。

(6)载波频率列车接收下一个信息的载波频率。

(7)道岔定反位列车前方经过道岔的定位或反位。(8)列车停站信号指示列车处于停站状态。

(9)备用信息位预留用作其他的信息使用。这些信息以数字编码的方式，顺序排列，放在一个信息包里。列车收到信息后进行译码和实时处理，实时控制列车运行状态。2/3/202343五、列车自动防护系统小结列车自动防护系统从广义上讲，应包括处理列车行车安全逻辑的所有设备，因此其地面设备包括联锁设备，也可以归结为列车自动防护系统范畴，它们与车载设备一起完成对列车的控制和安全防护功能。休息、休息2/3/202344[项目实施]任务一认识列车自动防护系统车载设备1．目标1)熟悉列车自动防护系统车载设备的安装位置。2)掌握列车自动防护系统车载各个设备的功能。3)掌握驾驶员显示单元的使用方法。2．设备一列完整的车辆编组、速度传感器、地面信号接收设备、驾驶员显示单元、列车牵引／制动操纵手柄、紧急停车按钮等。3．实作内容1)闭合列车自动防护系统电源，启动系统。2)在列车自动防护系统控制模式下，启动慢速前行模式，观察驾驶员显示单元上各指示信息的变化。3)控制列车，分别用常用制动和紧急制动使列车停车。4)试验开关车门作业。2/3/202345任务二认识列车自动防护系统地面设备1．目标1)掌握列车自动防护系统地面设备所发送信息的主要内容。2)掌握列车自动防护系统地面设备的安装和设置方式。2．设备轨道电路、应答器、便携式计算机、串行接口、示波器、电源。3．实作内容1)安装连接地面设备。2)在列车上用串行接口将便携式计算机与车载系统相连。3)起动列车和启动便携式计算机。4)列车运行到轨道电路处，在便携式计算机上观察所接收到的信息码。2/3/202346[拓展与提高]一、列车线列车自动防护系统车载设备与列车之间的电气连接，通过接口电路实现，每个接口电路对应某个功能，接口连接线用硬线连接，简称为列车线。下面介绍常用的列车线。1．前进列车由该列车线向信号车载系统发送列车状态运行信号，表示列车处于前进状态。2．后退列车由该列车线向信号车载系统发送列车状