（控制理论与控制工程专业论文）轨道交通列车自动防护系统功能仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着城市轨道交通的迅猛发展，地铁运营需要大量的专业技术人员。由于 受到技术、设备、场地的限制，人才培养的滞后已经成为十分突出的问题。运 营专业人员需要熟悉列车自动控制系统的功能原理，具备现场实际操作能力， 能够及时解决突发故障。然而，出于现场行车安全的考虑，目前是无法在已经 运行的设备上进行教学实践的，到现场只能观看行车值班人员的操作。因此， 设计并实现列车自动控制( a t c ) 仿真系统对运营人员进行专业培训是解决人才 培养滞后的有效途径。 本文首先系统的分析了轨道交通列车自动控制系统的组成结构及功能特 点，详细的阐述了面向对象的离散系统仿真建模原理，应用面向对象的软件技 术、组件化技术设计并实现列车自动控制仿真系统通用模型。仿真系统开发人 员通过设计a t c 仿真组件，采用仿真系统通用模型提供的开发平台进行组件管 理，绘制站场运行图，生成站场型数据，最终交付通用模型提供的运行平台进 行仿真模拟，实现列车自动控制仿真系统。 列车自动防护( a t p ) 子系统是列车自动控制系统的核心，对列车自动防护系 统进行功能仿真，用于轨道交通运营人员的专业培训，对培养高素质的运营人 员具有重大意义。本文以列车自动控制仿真系统通用模型为基础，通过分析列 车自动防护系统子系统的组成及结构，将其划分为速度控制，定位停车，连锁 车站的进路控制三大功能模块，进行功能仿真研究，对各模块的功能、原理及 仿真控制逻辑进行了详细的分析和阐述，并介绍了主要的实现细节。 最后，对全文进行了工作总结并针对进一步的工作方向进行了简要的讨论。 关键词：城市轨道交通，列车自动防护，离散系统仿真，软件建模 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nt r a c kt r a n s p o r t a t i o n ，t h e r ei sa l lu r g e n tn e e dt ot r a i na n d e m p l o yf ll a r g en u m b e ro fp r o f e s s i o n a la n dt e c h n i c a lp e r s o n n e lf o ru r b a no p e r a t i o n h o w e v e r , t h e l a gf o rt r a i n i n go p e r a t i o np e r s o n n e lh a sb e c o m eav e r ys e r i o u sp r o b l e mu n d e rt h er e s t r i c t i o no f t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t t h eo p e r a t i o np e r s o n n e ls h o u l db ef a m i l i a rw i t ht h eb a s i cf u n c t i o no f a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ( a t c ) s y s t e m ，g r a s pt h es k i l lo f p e r f o r m i n go p e r a t i o n sa n da l s ob ec a p a b l e o fs o l v i n gt h ep r o b l e m s b u t ，o p e r a t i o np e r s o n n e lt r a i n i n gc a n tb ec a r r i e do u tw i t ht h e e q u i p m e n t sw h i c hh a da 詹e a d yb e e np u ti n t os e r v i c ef o rt h ec o n s i d e r a t i o no fs a f e t y s o ，d e s i g na n d i m p l e m e n tt h ea t cs i m u l a t i o ns y s t e mi sa ne f f i c i e n tw a yf o ro p e r a t i o np e o p l e st r a i n i n g t h i sp a p e rf i r s tm a k e sa n a l y s i so ft h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fa t cs i m u l a t i o ns y s t e m d e s c r i b e st h eo b j e c t - o r i e n t e dd i s c r e t ee v e n ts y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g y , d e s i g n sa n d i m p l e m e n t st h eg e n e r a lm o d e lo f a t cs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1t h ea p p l i c a t i o no f o b j e c t - o r i e n t ， r e u s eo fs o f t w a r ea n dc o m p o n e n t - b a s e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h ed e v e l o p e ro fa t cs i m u l a t i o n s y s t e mm a n a g e st h ea t cs i m u l a t i o ns y s t e mc o m p o n e n t sa n dc r e a t e sc o m p o n e n t - o b j e c t s ，d r a w s t h et r a i nr o u t eg r a p hw i t ht h ec o m p o n e n t - o b j e c t sa n dc r e a t e st h ep l a t f o r md a t at h r o u g ht h e i n t e r a c t i v ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw h i c hi sp r o v i d e db yt h eg e n e r a lm o d e l ，f i n a l l y , r e a l i z e st h e a t cs i m u l a t i o ns y s t e mw i t ht h ei n f o r m a t i o n t h ea u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ( a t p ) s y s t e mi st h ec o r eo fa t cs y s t e m ，s o ，i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et or e a l i z et h ef u n c t i o ns i m u l a t i o no fa t ps y s t e m ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h et r a i n i n g o fo p e r a t i o np e r s o n n e l t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec o m p o s i t i o na n df u n c t i o no ft h ea t ps y s t e m ， t h i st h e s i sd i v i d e st h ef u n c t i o no fa t ps y s t e mi n t ot h r e ep a r t s ：a t pr a t ec o n t r o l ，t r a i nr o u t ec o n t r o l a n da u t o m a t i cp o s i t i o ns t o pc o n t r o l ，a n dr e a l i z e st h ef u n c t i o ns i m u l a t i o nb a s i n go nt h eg e n e r a l m o d e lo fa t cs i m u l a t i o ns y s t e m t h ea u t h o ra n a l y s e sa n ds p e c i a l i z e si nt h ed e s i g no fs o f t w a r e s t r u c t u r e ，t h ef u n c t i o n so fm o d u l ea n dt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g ya n dm e t h o dt h a tw a s i n v o l v e d i nt h ef i n a l i t y , i t sas u m m a r yo fe n t i r ep a p e ra n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d i i k e yw o r d s ：u r b a nt r a c kt r a n s p o r t a t i o n , a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o ns y s t e m ，d i s c r e t e e v e n ts y s t e ms i m u l a t i o n ，s o f t w a r em o d e l i n g i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 乒野 训方年3 月t 7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品韵内容。一对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 乒彳 训矛年弓月i 了日 第1 章引言 第1 章引言 本章主要介绍了目前城市轨道交通国内外研究和发展的现状，阐述了课题 研究的目的与意义，最后归纳了作者的主要工作及论文内容的安排。 1 1 背景介绍 城市轨道交通的发展在世界已有1 0 0 多年的历史，1 8 6 3 年世界上第一条地 铁在英国伦敦建成通车，标志着城市轨道交通的诞生。轨道交通的发展历程与 世界经济发展同步，随着世界经济的迅猛发展，城市的规模、人口都在不断的 膨胀扩大，这不仅导致了城市轨道交通数量上的剧增，而且提出了质量上的更 高要求。建立轨道交通为骨干、公共交通为主体的城市轨道交通体系，是城市 交通发展的必然趋势，这不仅与走可持续发展道路，建设和谐社会的要求相适 应，也是解决大城市交通问题的根本途径。现阶段，轨道交通已成为一个国家 综合国力、城市经济实力、人们生活水平及现代化的重要标志。 我国地铁的建设是从2 0 世纪5 0 年代开始筹划，6 0 年代开始启动的。1 9 6 9 年北京地铁一期工程2 3 6 公里建成，一直到2 0 世纪8 0 年代末，只有北京地铁 一线和环线共计4 0 公里，之后，天津地铁7 4 公里线路投入运营。这一时期城 市轨道交通建设的特点表现为：城市轨道交通形式比较单一，轨道交通建设以 满足人防战备要求为基本原则，同时兼顾部分城市交通的功能。进入2 0 世纪9 0 年代后，随着中国经济体制改革的逐步深入，使得部分计划经济时期长期潜在 的社会消费需求得到释放，促使社会经济迅速发展，城市交通需求剧增，使得 中国轨道交通处于较长的高速发展期。截至目前，中国城市规划建设的轨道交 通网络总里程已达5 0 0 0 公里，总投资估算将超过8 0 0 0 亿元。随着城市化的快 速推进，作为中国城市公共交通网络重要组成部分的城市轨道交通网络建设也 在快速发展。中国已有北京、上海、广州、深圳等1 0 个城市拥有已建成的轨道 交通线路，全国规划建设轨道交通网络的城市则已有2 5 个，预计到2 0 1 0 年， 将建设轻轨线路约4 5 0 k m ，到2 0 2 0 年建设轻轨线路约9 0 0 k m ，规划轨道交通网 总里程达到3 5 0 0 多公里，轨道交通发展的前景宏大，建设市场广阔。 第l 章引言 然而，随着轨道交通进入蓬勃发展的时期，轨道交通专业技术人才的需求 也日渐巨大。此外，轨道交通设备通过安装调试投入运营之后，受训人员无法 在已经投入运营的设备上训练实际操作能力，增加了培训周期。因此，轨道交 通运营人才培养滞后已经成为城市轨道交通发展亟待解决的问题。 仿真作为一门综合性的学科已有5 0 多年的发展历史，其间经历了物理模型 仿真，模拟计算机仿真和数字计算机仿真。由于仿真用模型代替实体作实验， 因此，它具有经济、安全、实验周期短等特点。这些特点使得仿真技术作为一 种分析、设计系统及训练人员的有利工具，已广泛应用于几乎是所有的工程与 非工程领域。随着计算机技术的发展，应用计算机进行系统仿真更是日益受到 人们的重视。计算机仿真技术结合了实验和分析这两种方法，将分析的方法用 于模拟实验，充分运用已有的基本物理量及相似性原理，建立待研究系统的数 学模型，采用与对实际的物理系统进行实验相同的基本研究方法，在计算机上 运行仿真实验。现今的社会已进入“后工业信息时代”，随着信息技术、计算 机技术、系统理论、通信技术、图形图像技术的飞速发展，计算机仿真技术正 以日新月异的面貌呈现在世人面前，并日益深入到人们工作和生活的各个领域， 显示出突出而奇妙的作用。因此，对于城市轨道交通的建设与发展，利用计算 机仿真技术无疑是明智的选择。 目前，国外相关技术中，列车运营模拟仿真技术的研究主要还是针对铁路 交通的模拟和仿真，针对城市轨道交通仿真的开发与研究相对较少。而铁路与 城市轨道交通是有区别的，轨道交通的运营管理是通过列车自动控制( a t c ) 系 统来完成的，更为自动化、更为精确化，所以对铁路的模拟仿真还不能直接用 于城市轨道交通系统。其次，国外的相关技术都是针对特定a t c 系统的轨道电 路闭塞设计的模型，各公司都在自身a t c 系统上进行开发和研究，缺少通用的 设计与开发。 国内铁路的一些软件平台已实现了站场数据的计算机辅助生成、站场联锁 特征数据的抽取，但未涉及城市轨道交通的a t c 系统的仿真。国内目前也在积 极地进行城市轨道交通的调度仿真、故障仿真、信息命令仿真等的开发与研究， 已经出现了一些软件或产品。这些软件或产品主要有两个特点：首先，主要是 针对系统局部，对综合系统的仿真相对来说就少了许多；其次，主要是针对特 定的城市，特定的线路，或针对特定的a t c 系统，缺乏通用性、扩展性。 2 第1 章引言 1 2 课题研究的目的与意义 随着全国城市轨道交通的迅速发展，导致了当前不尽合理的专业技术人才 结构及对大量运营管理专业技术人才的需求。由于受到技术、设备、场地的限 制，人才培养的滞后成为十分突出的问题。轨道交通运营人才必须具备实际操 作能力，熟悉列车自动控制系统的基本原理，熟悉调度中心值班员、车站值班 员及停车场值班员的工作，能够安全、高效的操作设备，对突发事故做出正确、 妥善的处理。然而，出于现场行车安全的考虑，目前无法在已经运行的设备上 进行教学实践，到现场只能观看行车值班人员的操作，现场设备不可能用来教 学培训，员工无法进行实践的演练、学习。因此，设计并实现一套完备的轨道 交通列车自动控制( a t c ) 仿真系统，模拟列车全线运行过程，仿真实际现场控 制中心调度员操作、集中站车站值班员操作以及停车场调度员操作，对轨道交 通运营人才进行技术培训具有重要的意义。同时，为了使运营人才能够深刻理 解列车自动控制系统运行原理，提高安全作业的能力，正确处理突发情况及运 行故障，对列车自动控制系统的核心进行功能仿真是一个不错的选择。 由于城市轨道交通各条线路所用的列车自动控制( a t c ) 系统由不同的公司 研制，以既有上海轨道交通线所采用的a t c 系统为例，上海轨道交通1 号线采 用了美国g r s 公司( 现为a l s t o m 公司的一部分) 的a t c 系统，上海轨道交通2 号 线采用了美国u s s 公司的技术，上海轨道交通3 号线、4 号线采用了法国a l s t o m 公司的a t c 技术，而上海轨道交通5 号线( 莘闵线) 采用了德国s i e i d e n s 公司的 设备，上海轨道交通6 、8 、9 号线采用了贝尔阿尔卡特的a t c 技术，因此，各 条线路的a t c 系统在组成结构、功能原理及操作方式上各不相同【2 j 。因而，为了 更有效的对轨道交通运营人员的培训，最好对每一条线路都开发相对独立的a t c 仿真系统。然而，如果针对每条线路开发相应的a t c 仿真系统，将会出现很大 的重复劳动，既浪费资金，也增加了开发的周期。虽然一些模块函数可以应用 到不同线路的a t c 仿真系统的开发，但其中仍然存在很多重复工作和浪费，其 中最大的风险在于开发人员的变更，开发环境的变动导致某些工作不得不从头 做起。 虽然各条线路的轨道交通列车自动控制( a t c ) 系统制式不同，但各子系统 的功能、工作原理仍然有很多共同点，随着轨道交通的迅速发展，很多标准组 3 第1 章引言 织如i e c 等，已经开始对a t c 系统进行标准化。如果在跨不同制式a t c 系统的 基础上进行统一，抽取其中的共性进行模拟、建模，并将各线路的特性附加的 参数进行分解，作为可装卸的模块，并将这些特性模块统一管理起来，就可以 构建一个平台，其上能够快速开发各种不同制式的行车调度a t c 仿真系统。开 发者只需将注意力集中在开发a t c 仿真系统的特性，其他的共性都由开发平台 来提供，开发者只需将这些特性与共性组装起来就能完成a t c 仿真系统的开发。 这将能节省资金，同时完全可以克服设备、场地的限制，真正缩短学员的培训 周期，解决人才培养滞后的问题。 根据以上思想所开发的a t c 仿真系统，不仅可以用于轨道交通运营人员培 训，而且也可以与a t c 系统的其它子系统联合仿真完成整个a t c 系统工作原理 的模拟。该课题的研究对于轨道交通a t c 系统新技术的研究也有一定的理论参 考价值，其研究成果不仅可以应用于上海市轨道交通，也可应用于全国其它城 市的轨道交通。 1 3 本论文的主要工作及内容安排 本论文的主要目标是研究和设计基于共线运营的上海地铁3 、4 号线轨道交 通列车自动控制( a t c ) 仿真系统，并对作为其核心的列车自动防护系统进行功 能仿真，用于地铁运营人才的教学培训。 本论文的主要工作是根据面向对象的离散系统仿真原理，结合轨道交通列 车自动控制( a t c ) 系统的功能特点，运用面向对象的设计与分析，软件工程技 术，计算机仿真技术设计出了一个通用性、实用性并重的a t c 仿真系统通用模 型，以此为基础实现基于共线运营的上海地铁3 、4 号列车自动控制仿真系统。 同时，对列车自动防护( a t p ) 系统的速度控制、定位停车、联锁集中站的进路 控制进行功能仿真研究。 第一章引言部分主要介绍了本课题的研究背景，选题的目的与意义以及本 论文的主要工作与内容安排。 第二章主要介绍了城市轨道交通列车自动控制( a t c ) 系统的组成及各子系 统的作用，详细阐述了列车自动防护( a t p ) 系统的组成结构及功能原理。 第三章主要阐述了面向对象的离散系统仿真建模理论，并设计出轨道交通 列车自动控制( a t c ) 仿真系统的u m l 静态类图模型。 4 第1 章引言 第四章从列车自动控制系统仿真模型总体设计开始，详尽的描述了a t c 仿 真系统组件的设计与实现，基于组件的a t c 仿真系统开发平台的研究，仿真系 统逻辑控制框架。 第五章以列车自动控制系统仿真模型为基础，对列车自动防护( a t p ) 系统 的速度控制、定位停车及联锁集中站的进路控制进行功能仿真。 第六章最后对本论文所做的工作进行总结并分析了系统的可扩展性。 5 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 第2 章城市轨道交通列车自动控制系统概述 本章主要介绍轨道交通列车自动控制系统( a t c ) 的背景知识，包括系统结 构和基本功能两个方面，重点阐述a t p 子系统的功能及特点。 2 1 轨道交通a t o 系统简介 轨道交通列车自动控制系统( a t c ) 是城市轨道交通信号系统最重要的组成 部分，它实现行车指挥和列车运行自动化，能最大程度韵保证列车运行安全， 提高运行效率，减轻运营人员的劳动程度，发挥城市轨道交通的通过能力。a t c 系统的技术含量高，运用了许多当代重要的科技成果。 列车自动控制( a t c a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) 系统包括三个子系统： 列车自动防护( a t 卜a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 系统，列车自动监视 ( a t s - - a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ) 系统，列车自动运行( a t o - - , a u t o m a t i c t r a i no p e r a t i o n ) 系统。 a t p 子系统( 以下简称a t p 系统) 是保证行车安全，防止列车进入前方列车 占用区段和防止超速运行的设备。a t p 负责全部的列车运行保护，是列车安全运 营的保障。a t p 系统执行以下安全功能：限制速度的接受和解码、超速防护、车 门管理、自动和手动模式的运行，司机控制台接口，车辆方向保证，永久车辆 标识。 a t s 子系统( 以下简称a t s 系统) 主要实现对列车的监督和控制，包括：列 车运行情况的集中监视、自动排列进路、自动运行调整、自动生成时刻表、自 动记录列车运行轨迹、自动进行运行数据统计及自动生成报表、自动监视设备 运行状态等、辅助调度人员对全线列车进行管理。 a t o 予系统( 以下简称a t o 系统) 主要实现用地面信息对列车驱动和制动的 控制。使用a t o 子系统后，可以使列车经常处于最佳运行状态，避免了不必要 的、过于剧烈的加速和减速，因此明显提高了旅客的舒适度、列车准点率及减 少轮轨磨损，若与列车的再生制动相配合，还可以节省电能的消耗【3 】。a t c 系统 的功能如图2 1 。 6 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 列车自动控触系统 l 艚a t s i a t o l 列 联栩 超旅 霆 运 蓉 妻覆 犁 翕速 折停度 返率调 速客 路 羹 圈 度整 管 锁塞 蓼 窘 囊 理 理 图2 1a t c 系统结构功能图 这三个子系统即相互独立又相互联系，完整的a t c 系统能确保列车安全、 快速、短间隔地有序运行。a t c 系统分布于控制中心( c e n t r a lc o n t r 0 1 ) ，轨旁 ( w a y s i d e ) 以及车上( v e h i c l e ) ，其系统框图如图2 2 。 车站及轨旁 车上 局控 区间信号 a t p 速度命令控 l 控制台显示盘 j 列车检测 俄仪倍1 制、门控 j 进路控制 速度命令 叫菇1 设备 ji 1 表示 i 叫 计算机子系统 a 1 0 速度调停定 位停车 车一地接发接发 通信子系统 设蓥设备 停寺时间 数据传输系统 卜 一车等数囊传输系 控制 a t s 列午识别进 定位馁汪 旅客向导 路指令 系统接i j 图2 2a t c 系统框图 在控制中心内，计算机系统、中心数据传输系统、控制台及c r t 显示信息 管理系统及调度表示盘等，其控制与表示信息通过数据传输系统与车站a t c 相 连接；轨旁设备通过车站数据传输系统与车站a t c 相连，车站的a t c 系统通过 7 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 a t p 子系统发出列车检测命令检测有无列车，并向车上发出a t p 限速命令、门控 指令及定位停车的位置指令；车上的a t c 系统根据a t p 命令的数据和译码，控 制列车的运行与制动，完成定位停车。 2 2a t p 子系统简介 列车自动防护( a t p ) 子系统，是a t c 系统中确保列车运行安全、缩短行车 间隔、提高行车效率的重要设备，它是a t c 系统的核心，a t p 子系统的性能优劣， 是判断和选择a t c 系统的关键。a t p 子系统由轨旁设备和车载设备构成。 a t p 子系统最重要的课题是如何正确、可靠地向列车传递速度命令，这也是 在选择a t c 系统时，必须首先考虑的问题。目前，城市轨道交通a t p 系统中， 主要有点式和连续式二类。所谓点式a t p 是指在线路的关键地点，设置地面应 答器或者是应答器加线圈，向列车传送速度命令等信息，完成对列车的速度控 制，当列车超速时，也可以实施超速防护，确保行车安全。点式a t p 系统，由 于其成本较低( 约为连续式的7 0 左右) 、安全可靠，对于客流量较小、行车间 隔时间较长的线路，这是一种实用的方式。然而，点式a t p 系统，不能满足大 客流量和运行间隔短的运行线路，所以连续式a t p 系统，是城市轨道交通a t c 系统的主流，就其信息传输通道而言，可分为轨道电路( 以钢轨作为信息传输 的通道) 方式和环线( 在运行线路上敷设专用的信息传输电缆) 方式二类。本 论文主要研究轨道电路方式的连续式a t p 系统【4 】。 2 2 1 连续式a t p 系统组成结构 连续式a t p 系统的a t p 命令由轨旁a t p 设备发送，通过轨道电路检测列车 的占用与空闲，当检测出列车占用此区段时，a t p 地面设备通过轨道电路向列车 发送速度命令信号。如图2 3 。 8 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 钢 轨 阻抗连接器 图2 3 连续式a t p 系统组成结构 其中a t p 发送器发送列车检测信号和列车速度命令信号；a t p 接收器接收本 股道区段的列车检测信号，收到该信号则该区段的轨道继电器动作；g o 逻辑电 路用于检测列车前方的股道区段空闲，进路位置是否正确，当列车占用本股道 区段时允许发送速度命令信息；列车控制盘设置在车站控制室中，以控制临时 限速、紧急停车及停站时间等；阻抗连接变压器是将电流耦合到轨道电路上的 重要设备，并以此来划分轨道电路区段。 连续式a t p 系统主要由音频轨道电路，阻抗连接器，a t p 发送、接收模块组 成。 1 ) 音频轨道电路 在每个轨道电路的分界点设有阻抗联接器，由它将本闭塞分区的发送器和 相邻闭塞分区的接收器耦合至轨道，以检测列车是否占用本闭塞分区，当检测 到列车已占用本闭塞分区( 轨道电路区段) 时，该轨道区段的发送端的阻抗联 接器，将“速度命令”耦合至轨道，迎着列车方向，向列车发送“目标速度” 命令信息，可见区问的每个阻抗联结器，实际上起着发送接收检测信息，和发 送速度命令的作用，而当列车驶入下一个股道区段时，发送端的阻抗连接器停 发速度命令而发送列车检测命令，使整个轨道电路处于调整状态。 2 ) 阻抗连接器 联锁集中站信号设备室的a t p 轨道电路发送模块和接收模块，通过电缆和 耦合单元与设于每段轨道电路的“阻抗联接器 相连，阻抗联接器的输出，直 9 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 接连至钢轨，另外站台区域的轨道电路，为了实现车一地信息交换，地面t w c 信息也是通过阻抗联接器送出，所以阻抗联接器可以用于向轨道电路发送“列 车检测 信息、“目标速度 信息、a t s “调度 信息、接收轨道电路的列车检 测信息。 3 ) a t p 发送、接收模块 a t p 发送器为了发送列车检测信号和各种列车速度命令信号，所以分别设置 列车信号检测振荡器和速度命令振荡器，以及调制频率发生器，速度选择逻辑 列车运行前方区段轨道电路的占用情况来选择速度命令的调制频率，以对应不 同的列车目标运行速度；另外与速度选择逻辑、速度命令调制发生器相类似， 设胃门控逻辑和门控命令调制频率发生器，由它们来发送列车车门的开启。功 放电路对上诉a t p 信号进行功率放大，使输出信号有足够的电平，通过轨道电 路的传输保证a t p 地面接收器和机车接收器的可靠工作。 a t p 地面信息接收器主要接收列车检测信号，当阻抗连接变压器收到由a t p 发送器送来的检测信号后，先经窄带滤波器，保证只有本股道区段的检测频率 可以通过，也即对检测信号进行校核；然后将该信号送至放大器，为了提高轨 道电路的分类灵敏度，调整状态下轨道电路电平不宜过高，所以通过放大器对 接收信号进行放大，以保证后续电路进行可靠工作；解调器及译码器以解调出 列车检测频率，通过底通滤波器，再通过驱动电路使本股道区段的轨道继电器 可靠工作。 2 2 2 连续式a t p 系统的功能特点 a t p 系统应该具有下列主要功能：检测停车位置、停车点防护、超速防护、 列车间隔控制( 移动闭塞时) 、临时限速、测速测距、车门控制、记录司机操作 等。 采用连续式a t p 系统的轨道交通列车接收由地面a t p 系统送来的运行于该 轨道区段的目标速度，以及达到此目标速度的运行距离等信息，列车只要遵循 此目标速度运行，就能保证后续列车与先行列车之间的安全间隔距离，万一列 车实际运行速度超过限制速度，那么，列车自动实行超速防护。对于联锁车站， a t p 系统确保只有一条进路有效；系统还具有车门控制功能，以实现列车车门的 安全开、闭；设有站台屏蔽门的情况下，a t p 子系统还必须满足列车车门和站台 1 0 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 屏蔽门之间的联锁关系。 1 ) 速度命令的控制与超速防护 速度命令由车载a t p 设备接收。a t p 速度命令由阻抗变压器输入轨道，列车 通过安装于头部轮对前方的耦合感应线圈，也即a t p 速度命令接收器，经指令 译码器把速度命令准确无误地译出并显示，在列车逻辑与控制环节中将a t p 速 度命令与列车实际运行速度相比较，以保证列车按a t p 速度命令安全运行，一 旦检测出超速，列车将实施相应的制动。 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t丌n t 图2 4a t p 速度命令控制线 a t p 速度命令控制线结构图如上图所示。后续列车根据与先行列车的间隔距 离和进路条件，其对应的闭塞分区的限速是不同的。上图所示，先行列车在0 t 区段，1 t 必须空闲，后续列车若在2 t ，则后续列车收到的限速应为o 速，即后 续列车在闭塞分区2 t 的出口端，必须停车，并有1 t 闭塞分区作为保护距离； 若l t 、2 t 空闲，后续列车在3 t ，那么后续列车接收到的是2 0 k m h 的速度命令， 同理，当1 t 、2 t 、3 t 、4 t 、5 t 、6 t 、7 t 都空闲，运行于n t 的后续列车，其接 收到的速度命令为8 0 k m h 的信息，可见要使列车运行于最高速度8 0 k m h ，则其 前方必须空闲7 个闭塞分区。当然根据线路情况，车辆性能、轨道电路特性等， 应进行闭塞设计，划分合理的闭塞分区，从而产生a t p 速度命令控制线，作为 a t p 速度命令选择的逻辑依据。 控制线上所表明的速度是由安全制动距离所确定的；也即满足列车在最坏 运行条件下的制动距离。从图可以看出列车的间隔可以根据速度命令来判断。 线路也允许在特殊情况下的反向运行，其速度控制与正向运行有很大不同，至 少有三个区段空闲才允许以4 5 k m h 速度运行，而且不得高于此速度。 a t p 列车速度命令通过列车感应线圈接收后，由车载接收单元将信号滤波、 放大、译码后变成限度信息。下图为车载a t c 系统的部分功能框图。根据接收 线圈接受到的a t p 速度命令或t w c 信息，经过测试继电器接点送至带通滤波器， 经放大、解调后的信号送至系统处理器c p u ；另一方面通过速度传感器测得实际 速度信号，实际列车速度信号来自一个双通道零速有源速度探头，它提供代表 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 列车速度的输出信号，在调速控制c p u 中通过两个独立的软、硬件通道处理， 计算在确定时间内产生的探头脉冲数量，以此确定其实际速度；在计算过程中 必须考虑轮子的磨损，所以在车轮直径0 8 4 0 7 7 m 的变化范围内以增量5 n n n 为单位，共十四个位置进行调整。测出的速度信息送至调速控制c p u ，以此完成 限速信息和实际速度信息的比较，比较的结果形成一个检测信号重新返回系统 处理器c p u 及控制器，当检测到超速时，车载a t c 将实施相应的制动。 运行模式 方向、 超速、 门控等 系统处理器 安全输入安全输出 c p u k t p 限嘲e滤波、放大、解 调速控制 接收线圈调器 c p u 速度传感器轮径磨耗修正 图2 5 车辆a t c 系统部分功能框图 2 ) 联锁集中站的进路控制 列车进路由进路防护信号机防护，但列车在进路中的安全由a t p 负责，这 为城市轨道交通高密度的行车提供了前提和安全保证。在设计中，a t p 与计算机 联锁功能的组合。 列车运行进路控制采用三级控制，即控制中心控制( a t s 自动控制) 、远程 控制终端控制和车站工作台控制。 中心级控制为全自动的列车监控模式，在该模式下，列车进路设置命令由 自动进路设定系统发出，其信息来源于时刻表和列车自动调整系统。控制中心 调度员也可以人工干预，对列车进行调整，操作非安全相关命令，排列和取消 进路。 在控制中心设备故障或控制中心与下级设备的通信线路发生故障时，控制 1 2 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 中心将无法完成对远程终端进行控制，此时系统自动的转换为列车自动控制的 降级模式。在降级模式下，由司机在车上输入目的地码，通过列车上的车次号 发送系统发送带有列车去向的车次号信息，远程控制终端自动产生进路控制命 令，联锁系统根据来自远程控制终端的进路号自动排列进路。 在站级控制模式下，列车运行的进路控制在车站值班员工作站执行，此时， 列车自动进路的设置直接取决于值班员的意图，值班员选择通过联锁区的预期 进路。联锁控制逻辑检测进路是否被占用，并且没有建立敌对进路，然后自动 排列通过联锁区的进路并锁闭，同时开发地面信号机，允许a t p 将速度命令传 递给列车。 进路分为单列车进路和多列车进路，这主要是因为城市轨道交通运行间隔 小，车流密度大，列车的运行安全由a t p 系统保护，所以在一条进路中可能出 现多列列车在运行。如图2 6 所示，s 卜 s 2 为多列车进路，只要监控区空闲， 以s 1 为始端的信号机便可以排除，s 1 信号开放。 l 竺竺垦 ik 竺丝垦 i s i 旧 s 2 图2 6 多列车进路示意图 s 3 对于多列车进路，当第1 列车离开进路始端的信号机后的监控区之后，可 以排列第二条相同终端的进路。第2 条进路排出，第一列车通过后的进路中的 轨道区段直到第二列车通过后才解锁。 多列车进路排出后，如果是进路中有列车运行，则人工取消进路时，只能 取消最后一次排列的进路至前行列车所在位置的进路，其余进路由前行列车通 过以后解锁。人工取消多列车进路的前提是：进路的第一个轨道区段必须空闲。 如图2 7 所示，s 6 一 s 7 为多列车进路，列车1 通过t c 2 、t c 3 、t c 4 以后， 这三个轨道区段正常解锁，这时，可以排列第二条迸路s 6 一 s 7 ，s 6 开放j 下常绿 灯信号。如果列车1 正常前进，则通过t c 5 、t c 6 、t c 7 以后，这三个区段不解 锁，只有列车2 通过这三个区段后才解锁。 1 3 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 s 6s 7 图2 7 多列车进路排列图 若第2 条进路排列后，又要取消，这时只能取消从始端信号机s 6 到信号机 1 之间的进路，其余的进路会追随列策划l 通过后自动解锁。 3 ) 定位停车 为了实现列车在车站的程序定位停车，在接近车站的区间及站台区域，设 置了反映离定位停车点距离的标志器( 传感器) ，它们分别设置于离定位停车点 3 5 0 米、1 5 0 米、2 5 米和8 米处，另外在定位停车点还设有对位天线。图2 8 程 序停车标志器的布置图。 3 蠢8 米 1 l o l t 丑z1 t 哪z1 2 0 1 t l l z1 5 0 髓z1 6 0 k h z1 t 3 5 1 1 1 z1 3 2 3 5 i l l x 回圆回回回回画 絮舻气墨豢亨器黼器8 鬻譬尹鬻 ( 无壕)( 无澈) 。- ( 莞蔽一_ 。 t 肴漂j i ；i 亍i 酊。 图2 8 台阶式车站程序定位停车标志器布置图 离定位停车点3 5 0 米处( 位于区间) 设有两个外方标志器对，它们是无源 标志器，其传输频率分别为11 0k h z 和1 4 0k h z ；离定位停车点1 5 0 米处( 已位 于站台区域) 的两个中间标志器对，也是无源标志器，它们分别传输1 2 0k h z 和1 5 0k h z 的频率：内方标志器，设于离定位停车点2 5 米处，它也是无源标志 器，其作用频率为1 6 0k l i z ；离定位停车点8 米的标志器，是有源标志器，它由 对位模块供电，送出1 4 3 5k h z 的频率。另外在3 5 0 米标志器的外方，还设有 “惰行”无源标志器对，它们的传输频率分别为1 0 0k h z 和1 3 0k h z ，以提示列 车快要进站，列车控制系统停止“牵引”，进入“惰行”。这些无源标志器，利 用l 、c 并联谐振的原理，分别谐振于上述固定频率，当列车经过标志器时，列 车a 型车车底的标志器检测天线，激励地面标志器，通过电磁感应，标志器谐 1 4 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 振电路，将感应信号返回车上，以告之列车已到达某个地点，从而使车载程序 停车系统工作。 对位模块完成列车在站台的对位停车控制。每个车站的上、下行站台，共 用一块对位模块，模块内有二套完全相同的工作电路，分别对应于不同的站台。 对位模块的功能框图，由图2 9 所示。 8 米振荡器 跨铖壤荡鬻 功率放大器 功率放大器 变压器输出 变z 露器骑老 垒墨盎堑圭墨 至对饭天线 瀵孵黪 接收到的列车信息 奠卜一! 竺兰兰竺兰 = 鬲2 1 写9 4 磊云i - f 磊1 1 磊5 _ _ 1 广1 5 kz 阜 c z i 忑而赢百磊至对住继电器 图2 9 定位停车点对位模块功能框图 6 车门动作电路 8 车门动作电路 ( 至屏蔽门) 用于程序定位停车的8 米有源标志器和对位天线，其发送的频率，都由对 位模块提供；对位模块也接收来自车载对位线圈送来的信息。当列车进入站台 区域，站台区段轨道电路的a t p 接收器，检测到列车到达车站，这时通过站台 区段轨道继电器的接点，和方向继电器的接点，使该运行方向的对位模块工作， 其振荡器分别产生1 4 3 5 k h z 和13 2 3 5 k h z 的频率，经放大后，送至8 米标志器 线圈和对位线圈。列车收到1 4 3 5 k h z 信息，进一步修工f 停车曲线，列车到达停 车点，车上对位天线置于站台对位线圈上方时，车辆与地面的天线问感应耦合 才发生，这时列车收到地面发送的1 3 2 3 5 k h z 的对位振荡频率，证实列车已到 达定位停车点，经列车a t o 系统确认，向列车控制系统，发出列车停站信号， 保证列车的制动。当检测到列车的速度为零，证实列车已停稳后，列车向地面 送出列车停站信号，其载频为2 1 9 4 5 k i z ，调制频率为7 7 h z ，该信号被车站对 位模块接收、解译，使站台对位继电器工作。这时站台轨道电路区段的发送端， 将打开左门( 右门) 的调制频率( 4 5 t l z 或5 5 d h z ) ，对2 2 5 0 h z 机车信号载频 进行调制，经调制的a s k 开门信号，通过钢轨向列车送出，列车收到此信息， 使相应的门控继电器动作，司机按压与门控继电器相对应的门控按钮后，才可 打开站台侧的列车车门。 在设有站台屏蔽门的情况下，列车收到打开车门信号后，通过对位天线送 出打开屏蔽门信号，该信号的载频频率为2 1 9 4 5 k h z ，而调制频率取决于列车长 1 5 第2 章轨道交通列车自动控制系统概述 度，6 节编组的调制频率为11 5 h z ，8 节编组的调制频率为1 7 1 h z ，地面对位模 块的译码器，译出相应信息，驱动屏蔽门控制单元( d c u ) ，使与列车长度相对 应的屏蔽门打开。 当停站结束，站台区段轨道电路停发开门信号，使车载门控继电器失磁， 司机可关闭列车门；同时列车停发打开屏蔽门的信号，屏蔽门控制单元启动关 闭屏蔽门。当列车收到速度命令信号以后，司机按压操纵台上“出发按钮”，列 车自动启动并加速。 2 3 小结 城市轨道交通的信号系统是保证列车运行安全和提高行车效率的重要设 施。由于城市轨道交通的行车密度高、站间距离短，对列车运行的安全性和自 动化程度也有更高的要求。