列车自动控制(ATC)系统

第4章 列车自动控制（ATC）系统,列车自动控制( ATC)系统是城市轨道交通信号系统最重要的组成部分，它通过实现行车指挥和列车运行自动化，能最大限度地保证列车运行安全，提高运输效率，减轻运营人员的劳动强度，从而充分发挥城市轨道交通的通过能力。,知识点 1区间闭塞的基本概念及制式： 2ATC系统的基本组成和功能： 3ATC系统控制模式： 4列车的驾驶模式。 技能目标 1掌握自动闭塞与移动闭塞的区别： 2掌握ATC系统的分类及原理： 3掌握点式和连续式ATC系统特点； 4掌握不同的驾驶模式在列车驾驶过程中的使用： 5掌握ATC系统控制模式的种类。,4.1 ATC系统的组成和功能,列车自动控制（ATC）系统包括三个子系统：列车自动防护ATP系统、列车自动驾驶ATO系统和列车自动监控ATS系统。 ATC系统包括五个原理功能：ATS功能、联锁功能、列车检测功能、ATC功能和PTI（列车识别）功能。,ATS功能：可自动或由人工控制进路，进行行车调度指挥，并向行车调度员和外部系统提供信息。ATS功能主要由位于OCC（控制中心）内的设备实现。 联锁功能：响应来自ATS功能的命令，在随时满足安全准则的前提下，管理进路和信号的控制，将进路、轨道电路、道岔和信号的状态信息提供给ATS和ATC的功能由分布在轨旁的设备来实现。 列车检测功能：一般由轨道电路、计轴器等完成。 ATC功能：在联锁功能的约束下，根据ATS的要求实现列车运行的控制。 PTI功能：通过多种渠道传输和接收各种数据，在特定的位置传给ATS，向ATS报告列车的识别信息、目的号码及列车位置数据，以优化列车运行。,4.2 ATS系统的分类及原理,4.2.1 区间闭塞的基本概念及制式 区间闭塞的基本原则是在铁路区间或闭塞分区内任何时刻只允许有一辆列车运行。 实现区间闭塞的基本方法有时间间隔法和空间间隔法两种类型。时间间隔法是当先行列车发出后，隔一定时间再发出同方向的后续列车，以实现相继追踪列车间的隔离。这种方法的主要缺点是不能确保安全，如当先行列车运行不正常时（晚点或中途停车等），有可能发生后续列车撞上前行列车的追尾事故。为了克服时间间隔法的缺陷提出了空间间隔法，即先行列车与后续列车间隔开一定空间的运行方法。空间间隔法能较好地保证行车安全而被广泛采用，逐步形成了铁路区间列车运行的闭塞制度。,区间闭塞制度的发展经历了人工闭塞、半自动闭塞、自动闭塞和移动闭塞四个阶段。 1)人工闭塞 人工闭塞包括电话或电报闭塞、电气路签（牌）闭塞。 电话或电报闭塞：区间两端车站值班员用电话或电报办理行车联络手续，由发车站填制路票，发给司机作为列车占用区间凭证，确保区间只有一辆列车运行。 电气路签（牌）闭塞：只在单线铁路早期使用，以路签或路牌作为列车占用区间凭证的行车闭塞法。区间两端车站装设同一型闭塞机各一台（称为一组），彼此有电气锁闭关系。当一组闭塞机中存放路签（牌）总数为偶数时，经双方协同操怍，发车站可取出一枚路签（牌），递交司机作为行车凭证。在列车到达前，这一组闭塞机中不能再取出第二枚路签（牌），确保区间只有一辆列车运行。,2)半自动闭塞 半自动闭塞是采用人工办理闭塞手续，列车凭出站信号机或线路所通过信号机时的进行 信号的显示，作为发车占用区间的凭证，从而实现闭塞的一种方式。出站信号机不能任意开 放，它受半自动闭塞机的控制。只有当区间空闲，经过办理手续后，出站信号机才能开放。 还应注意，出站信号机既要防护列车区间运行的安全，又要防护出发列车在站内的运行安 全。所以它既要受闭塞机的控制，又要受车站联锁设备的控制。,3)自动闭塞 自动闭塞是由运行中的列车自动完成闭塞任务的一种闭塞制式。采用自动闭塞要将两个相邻车站之间的区间正线划分成若干个闭塞分区，在每个分区起点设置一架固定通过（色灯）信号机进行防护，并在闭塞分区内钢轨上装设轨道电路。用轨道电路检查分区空闲情况并反映列车的运行情况和钢轨是否完整，以通过信号机的进行信号显示作为占用分区的凭证，以通过信号机的禁止信号显示实现分区闭塞。因为通过信号机是随着列车的运行自动控制的，不需要人工操纵，所以叫自动闭塞。 自动闭塞不仅使行车安全有了进一步的保证由于采用闭塞分区和信号多显示制度为后续列车指示运行条件，可极大的提高区间线路的通过能力。,4)移动闭塞 移动闭塞是随着列车的移动而自动调整列车运行安全追踪间隔距离的闭塞制式。移动闭 塞的特点是前、后两列车都采用移动式的定位方式，不需要将区间划分成固定的若干闭塞分 区，而是通过地面处理机提供的与前行列车的间隔距离等信息，控制列车速度，达到自动调 整运行间隔，使之保持一定的距离。移动闭塞是一种新型的闭塞制式，可以提高区间内的行 车密度，大幅度提高区间通过能力，是今后发展的方向。,4.2.2 不同闭塞制式的ATC系统 城市轨道交通ATC系统，按闭塞制式可以分为固定闭塞式ATC系统、准移动闭塞式ATC系统和移动闭塞式ATC系统。 1固定闭塞式ATC系统 固定闭塞是将线路划分为若干个固定的分区，前后车的位置间距都是用固定的地面设备来检测，闭塞分区用轨道电路或计轴装置来划分。由于列车定位是以固定区段为单位的（系统只知道列车在哪一个分区中，而不知道在分区中的具体位置），所以固定闭塞的速度控制模式是分级的（即阶梯式的），需要向列车传送的信息只有速度码。如图4-1所示。,固定闭塞的闭塞分区长度较大，并且一个分区只能被一辆列车占用，不利于缩短行车时间间隔，除此之外，因为无法知道列车的具体位置，需要在两辆列车之间增加一个防护区段，这使得列车间的安全间隔较大，影响了线路的使用效率。,传统ATP采用固定闭塞，通过轨道电路判别闭塞分区占用情况，并传输信息码，需要大量的轨旁设备，维护工作量较大。 此外，传统方式还存在以下缺点。 轨道电路工作稳定性易受环境影响，如道床阻抗变化、牵引电流干扰等。 轨道电路传输信息量小。在传统方式下增加信息量，只能通过提高信息传输的频率实现。但是如果传输频率过高，钢轨的集肤效应会导致信号的衰耗增大，从而导致传输距离缩短。 利用轨道电路难以实现车对地的信息传输。 固定闭塞的闭塞分区长度是按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计的，分区较长，且一个分区只能被一列车占用，不利于缩短列车运行间隔。 固定闭塞系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。为充分保证安全，在滞后速度控制模式下，需要在两列车间增加一个“防护区段”，但这将使得列车间的安全间隔较大，影响线路的使用效率。,2准移动闭塞式ATC系统 准移动闭塞对前后列车的定位方式是与固定闭塞不同的，如图4-2所示。前行列车的定位仍然沿用固定闭塞的方式，而后续列车的定位则采用移动的方式，即后续列车可以精准定位。由于准移动闭塞采用的是固定和移动两种定位方式，所以其速度控制模式既有连续的 特点又有阶梯的性质，如图4-3所示。,准移动闭塞在控制列车安全间隔方面比固定闭塞更进一步，可以告知后续列车继续前行的距离，后续列车也可以通过这一距离合理地采取减速或制动，从而改善列车控制，缩小时间间隔，提高线路使用效率。,3移动闭塞式ATC系统 移动闭塞的特点是前后两列车均采用移动式的定位方式，即前后两辆列车均可精准定位。与固定闭塞的根本区别在于闭塞分区的形成方法不同，闭塞分区之间没有固定的地面间隔点，移动闭塞的分区是随着列车的移动而形成的，列车运行中与前方列车的安全间隔距离（即后方列车的最大制动距离）点，也就是允许下一辆列车行至的位置，即是移动闭塞分区的间隔点，它是随着列车的移动而变化的，如图4-4所示。,移动闭塞技术在对列车的安全间隔控制上更进了一步。通过车载设备和轨旁设备连续地双向通信，控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态地计算列车的最太制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离，便组成了一个与列车同步移动的虚拟闭塞分区（见图4-5）。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，使列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。,移动闭塞可借助感应环线或无线通信的方式实现。早期的移动闭塞系统大部分采用基于感应环线的技术，通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机( VOBC)与车辆 控制中心( VCC)间的连续通信。而今大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统，构成了无线通信技术的移动闭塞。,4.2.3 不同信息传递方式的ATC系统 城市轨道交通的ATC系统，按车地间信息传递方式划分，可分为点式ATC系统和连续式ATC系统。 1点式ATC系统 点式ATC系统因其主要功能是实现列车超速防护，所以又称为点式ATP系统。点式ATC系统，采用应答器实现地车间点式传递信息，用车载计算机进行信息处理。,点式ATC系统的车载设备接收信号点或标志点的应答器信息，还接收列车速度和制动压力信息，由中央处理单元输出控制命令和向司机显示。当列车驶过地面应答器，车载应答 器与地面应答器对准时，地面应答器向列车传送每一信号点的允许速度、目标速度、目标距 离、线路坡度、信号机号码等信息。车载计算机系统根据地面应答器传至车上的信息以及列 车自身的制动率（负加速度），计算得出两个信号点之间的速度监控曲线，控制列车运行。,2连续式ATC系统 地车间实现连续传递信息的ATC系统，称为连续式ATC系统。按地车信息传输所用的媒体分类，连续式ATC系统可分为基于轨道电路和基于通信的两大类，后者又可分为采用轨间电缆的列车控制和采用无线通信的列车控制两类。,1)基于轨道电路的ATC系统 基于轨道电路的ATC系统，按地车之间所传输信息的内容可区分为速度码系统(Speed Code System)和距离码系统(Distance Code System)两种。不论是速度码系统还是距离码系统，轨道电路都被用作双重通道：当轨道电路区段上无车时，轨道电路发送的是轨道电路检测信号或检测码；当列车驶入轨道电路区段后，立即转发速度信号或者有关数据电码。,速度码系统通常使用频分制方法，采用的是移频轨道电路，即用不同的频率来代表不同的允许速度。在无列车经过时，轨道电路用于检测列车占用情况。当列车进入轨道电路区段后，检测继电器失磁落下，向轨道电路改发来自控制中心的速度码信息。,由于距离码系统的数据传输、实时计算及列车车速监控都是连续的，所以速度监控是实 时、无级的，可以有效地实现平稳驾驶与节能运行。但这种制式的信息传输比较复杂。 随着城市轨道交通的发展，基于轨道电路的列车控制方式的各种弊端也逐渐显现出来。 这种以钢轨作为信息传输通道的列车控制方式，传输频率受到很大限制，导致车地间的通信容量很低，同时信息的传输受到牵引回流和迷流网的影响，传输性能不够稳定；又因为这种制式所实现的主要是准移动闭塞，距离移动闭塞还有一定的差距，列车间隔的进一步缩短和列车速度的提高受到很大的限制。,2)基于通信的ATC系统(CBTC) 随着计算机、通信和控制技术的发展，以3C技术代替轨道电路实现列车的控制成为最好的发展方向，出现了基于通信的列车控制系统CBTC。CBTC有两种制式：基于轨间电缆的ATC系统和采用无线通信的ATC系统。 (1)基于轨间电缆的ATC系统 基于轨间电缆的ATC系统是利用轨间铺设的电缆传输信息的。轨间电缆是车地通信的唯一通道，为了抗牵引电流的干扰和实现列车定位，轨间电缆每隔一段距离（如25 m）作一次交叉，形成交叉环线，如图4-9所示。利用轨间电缆的交叉配置可以实现列车的定位，每当列车驶过电缆的交叉点，通过检测信号极性的变化及次数来确定列车的实际位置。,采用轨间电缆的ATC系统主要设备有控制中心设备、轨间传输电缆和车载设备。在控制中心内按地理坐标储存了各种地面信息（如线路坡度、曲线半径、道岔位置、缓行区段的位置与长度等）。此外，经过联锁装置，将沿线的信号显示、道岔位置、列车的有关信息（车长、制动率、所在位置、实时速度等）不断地经由轨间电缆传至控制中心。控制中心内的计算机计算出在它管辖的区段上每一列车当前的最大允许速度，再经由轨间电缆传至相应列车，实现速度控制。,无线ATC系统利用无线通信的方式传输信息。地面编码器生成编码信息，通过天线向车上发送。信号显示控制接口负责检测要发送的信号显示，并从已编程的数据中选出有用数据送编码器，同时选出与限制速度、坡度、距离等有关的轨道数据。编码器用高安全度的代码将这些数据编码，经过载波调制，馈送至无线通道向机车发送。车上接收设备接收限制速度、坡度、距离等信息后，由车载计算机计算出目标速度，对机车进行监控。,典型无线移动闭塞系统的结构如图4-10所示。该系统以列车为中心，其主要子系统包括：区域控制器、车载控制器、列车自动监控（中夹控制）、数据通信系统和司机显示等。 在典型的移动闭塞线路中，线路被划分为若干个区域，每一个区域由一定数量的线路单元组成。区域的组成和划分预先定义，每一个区域均由本地控制器和通信系统控制。本地控制器和区域内的列车及联锁等子系统保持连续的双向通信，控制本区域内的列车运行。列车从一个控制区域进入下一个区域的移交是通过相邻区域控制器之间的无线通信实现的。,区域控制器(ZC)即区域的本地计算机，采用3取2的检验冗余配置，与联锁区一一对应，通过数据通信系统保持与控制区域内所有列车的安全信息通信。ZC根据来自列车的位置报告跟踪列车并对区域内的列车发布移动授权（如图4-11），实施联锁。,冗余结构的ATS可实现与所有列车运行控制子系统的通信，用于传输命令及监督子系统状况。 车载控制器( VOBC)与列车一一对应，实现列车自动保护(ATP)和列车自动驾驶( ATO)的功能。车载控制器也采用3取2的冗余配置。车载应答器和天线与地面的应答器（信标）进行列车定位，测速发电机用于测速和对列车定位进行校正。 司机显示提供司机与车载控制器及ATS的接口，显示的信息包括最大允许速度、当前 速度、到站距离、列车运行模式及系统出错信息等。 数据通信系统采用国际标准的以太网，实现所有区域和列车的信息通信。,4.3 ATC系统的控制模式及模式转换,1ATC系统控制模式 ATC系统应包括下列控制（等级）模式：控制中心自动控制模式；控制中心自动控制时的人工介入控制或利用CTC系统的人工控制模式；车站自动控制模式；车站人工控制模 式。每种模式说明了对给定车站和归属控制地段中的列车运行所采取的控制等级，然而一个 系统在同一时间只能处于一种模式。各控制等级应遵循的原则是：车站人工控制优先于控制 中心人工控制，控制中心人工控制优先于控制中心的自动控制或车站自动控制。,1)控制中心自动控制模式( CA) 在控制中心自动控制模式下，列车进路命令由ATS进路自动设定系统发出，其信息来源是时刻表及列车运行自动调整系统。控制中心调度员可以对列车运行自动调整系统进行人工干预，使列车运行按调度员意图进行。 2)控制中心自动控制时的人工介入控制或利用CTC系统的人工控制模式(CM) 在控制中心自动控制时，控制中心调度员也可关闭某个联锁区或某个联锁区内部分信号机或某一指定列车的自动进路设定，直接在控制中心的工作站上对列车进路进行控制。在关闭联锁区自动进路设定时，控制中心调度员可发出命令，利用联锁设备自动进路控制功能，根据前行列车的运行，白动排列一条后续列车的固定进路。在自动进路功能出现故障的情况下，调度员可以人工设置进路。,3)车站自动控制模式 在控制中心设备故障或通信线路故障时，控制中心将无法对联锁车站的远程控制终端进行控制，此时将自动进入列车自动监控后备模式，由列车上的车次号发送系统发出的带列车去向的车次信息，通过远程控制终端自动产生进路命令，由联锁设备的自动功能来自动设定进路，即随着列车运行，自动排列一条固定进路。 4)车站人工控制模式 当ATS因故不能设置进路（不论人工方式还是自动进路方式），或由于某种运营上的需要而不能由中心控制时，可改为现地操纵模式。在现地操纵台上人工排列进路。,2控制模式间的转换 1)转换至车站操作 只有当控制中心ATS已经发出相应的命令，才能转换到车站操作模式。因此，所有转换操作只能由车站操作员才能有效实施。当转换模式时，不用考虑特别检查联锁条件，自动运行功能不受影响。即使转换至车站操作，联锁显示还应该传输至控制中心ATS，仅由车站操作站的打印机执行对显示和命令的记录。,2)强制转换至车站操作 在没有收到控制中心ATS发出的命令时，也可以转换至车站操作。通过一个已经登记的转换操作可以转换至车站操作，并且联锁系统的所有转换操作仅能由车站操作员来执行。 3)转换至控制中心ATS操作 只有当车站操作已经发出释放的命令，才能转换到控制中心ATS操作，然后由控制中心ATS确认。因此，所有转换操作只有由控制中心操作员才能有效实施。在这种情况下，只有正常的转换操作才能被接受。随着转换至控制中心ATS操作，控制中心ATS可以执行所有允许的操作。但是，当车站操作故障时，在没有车站操作的释放命令的情况下，也可以转换至控制中心ATS操作。,4.4 列车驾驶模式及模式转换,1列车驾驶模式 为了行车安全和提高运行效率，目前城市轨道交通存在多种驾驶模式，主要包括：列车自动驾驶模式( ATO)，ATP监督下的人工驾驶模式(ATPM)、限制人工驾驶模式(RM)、非限制人工驾驶模式( NRM)和列车自动折返模式(STBY)。,1)列车自动驾驶模式( ATO) 此模式时，列车能够正常接收ATP/ATO信息，自动控制列车启动、加速、制动，定位 停车和车门、屏蔽门的开启。此时列车司机只需要观察线路情况，观察列车HMI、FOD显 示屏、门全关闭指示灯显示，发现异常及时处理，观察监视器显示确认无人上下车后，使用 站台侧关门按钮关闭客室车门。列车司机将模式开关选择至ATO位，司控器置于“0”位， 按压ATO启动按钮大于2秒，启动该模式。,2) ATP监督下的人工驾驶模式(ATPM) 此模式时，司机在ATP的监督下使用司机控制器平稳操纵列车运行。列车启动、加速、 常用制动、开门等都由司机操作。ATP设备实时监督列车速度。当列车接近ATP限制速度 时给出警告，提醒司机减速行驶；当列车速度超过ATP限制速度，列车给出警告；如果司 机不能及时减速到限制速度以下，ATP将自动启动紧急制动，直到停车。此模式由司机模式 开关选择置ATPM位，司控器置于非“0”位时启动。,3)限制人工驾驶模式( RM) 此模式时，列车在不高于25 km/h的速度下由司机操作运行，一旦列车速度超过25 km/h ATP便启动紧急制动。此时模式开关选择至RM位。 4)非限制人工驾驶模式( NRM) 当列车信号设备故障时，列车进入该模式，完全由司机控制运行，此时列车ATP/ATO设备均失去功能，列车限速25 km/h。此时模式开关选择至NRM位。 5)列车自动折返模式( STBY) 列车到达折返站时，选用此模式实现列车的自动折返。在规定停站时间结束后，司机选择模式开关到STBY位，按压“自动折返”按钮启动，列车自动进入折返线并停车，折返进路具备后，列车自动进入折返线发车到站台并打开车门和屏蔽门。,2列车驾驶模式转换 1)列车驾驶模式转换的规定 ATC系统控制区域与非ATC系统控制区域的分界处，应设驾驶模式转换区（或称转换轨），转换区的信号设备应与正线信号设备一致。 驾驶模式转换可采用人工方式或自动方式，并应予以记录。当采用人工方式时，其转换区域的长度宜大于一列车的长度。当采用自动方式时，应根据ATC系统的性能特点确定转换区域的设置方式。 ATC系统宜具有防止列车在驾驶模式转换区域未将驾驶模式转换至列车自动运行驾驶模式或列车自动防护驾驶模式，而错误进入ATC系统控制区域的能力。 为保证行车安全，在ATC控制区域内使用限制模式或非眼制模式时应有破铅封、记录或特殊控制指令授权等技术措施。,2)各种驾驶模式间的转换 RM模式切换到ATPM模式。列车从非ATC系统控制区域进入ATC系统控制区域，需要从RM改变为ATPM模式。需要满足条件为：列车经过了至少两个轨道电路的分界；报文传输无误；未设置PERM码位；ATP轨旁设备没有发出紧急制动信号；ATP车载设备的限速监控不会在SM模式启动紧急制动。 ATPM模式切换到ATO模式。模式转换条件：当前轨道区段上没有停车点（安全非安全）；所有车门都已关闭；驾驶制动拉杆处于零位置；主钥匙开关处于向前位置。,ATO模式切换到ATPM模式。模式转换条件：如果司机把驾驶制动拉杆拉离零位置，或把主钥匙开关调到非向前状态；ATO控制列车停靠车站的停车点，当列车在车站停稳后；如果列车停在区间，司机用车门许可控制按钮打开车门。 ATPM/ATO模式切换到RM模式。如果ATP车载