（交通信息工程及控制专业论文）200kmh动车组列控系统车载设备人机交互接口设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 掎要 本论文研究的内容是列车运行控制系统( a r p ) 车载设备人机交互接口， 论文研究的目标是根据a t p 人机交互接口特点，对a t p 车载设备人机交互 接口技术进行研究与实现。 论文首先介绍了a t p 车载设备人机交互接口的功能，并从人体工程学 的角度出发，分析了人机交互接口设计应遵循的原则。列控a t p 是列车超 速防护和机车信号系统的一体化系统，主要由车载设备及地面设备两大部 分组成，它们一起完成列车运行控制的功能。 我国目前新建的高速客运专线都是采用车载显示信号为主体的模式， 机车乘务员根据车载信号行车，因此要求车载信号能够正确及时反映当前 列车的运行状况以及地面环境状况。本论文从我国铁路制定的a t p 车载设 备人机交互接口设计的标准出发，并参照司机操作规程对人机交互接口进 行设计。 最后，本文通过总结目前国内外的a t p 车载设备人机交互接口技术， 并参照国外同类产品的设计思路、结合我国自己的铁路运行情况和部颁车 载设备人机交互界面设计的标准，给出了设计方案和人机交互接口的软件 实现，得到了预期的效果。 关键词：列车运行控制系统；人机交互接e l ；车载信号 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa i m e dm a i n l ya tt h es t u d yo f d r i v e rm a c h i n ei n t e r f a c e ( d m l ) o f a u t o m a t i o nt r a i np r o t e c t i o ns y s t e m ( a t p ) ，t h ep r i m a r yo b j e c t i v eo ft h es t u d yi s t or e s e a r c ha n dg a i nt h et e c h n o l o g yo fd v i ia c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fa t p s m a n m a c h i n ei n t e r f a c et e c h n o l o g y t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ef u n c t i o no ft h et r a i n b o m ee q u i p m e n td r i v e r m a c h i n ei n t e r f a c eo fa t pa tf i r s t , p r o c e e df r o ma s p e c to fh u m a ne n g i n e e r i n g ， h a sa n a l y s e dt h et h ep r i n c i p l et h a ts h o u l db ef o l l o w e di nm a nm a c h i n ei n t e r f a c e d e s i g n a t pi sai n t e g r a t e ds y s t e mo ft r a i np r o t e c t i n go v e rt h es p e e dl i m i ta n d l o c o m o t i v es i g n a l s y s t e m , w h i c h i sc o n s i s to ft w om a j o rp a r t s ，t r a i n b o m e e q u i p m e n ta n dg r o u n de q u i p m e n t ，t h e yt o g e t h e ra c c o m p l i s h t r a i n so p e r a t i n g t h eh i g h - s p e e dd p l ( d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e ) t h a to u rc o u n t r yn e w l yb u i l d s a t p r e s e n ta l la d o p t s t h ew a i n - m o u n t e d l y s i g n a l s h o w i n g t h el o c o m o t i v e a t t e n d a n td r i v e sav e h i c l ea c c o r d i n gt ot h es i g n a li nt h ei r a i n , s or e q u i r et h e t r a i n - m o u n t e ds i g n a lt or e f l e c tt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h ep r e s e n tt r a i na n d e n v i r o n m e n t a ls t a t eo fg r o u n dc o r r e c t l yi nt i m e t h i sp a p e ri sm a d ef r o mt h e s t a n d a r do fd m id e s i g no fo u rc o u n t r y , a c c o r d i n gt od r i v e r sm a n u a lt od e s i g n m d i t h i s p a p e r h a ss u m m a r i z e d p r e s e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a la t p t r a i n b o m ee q u i p m e n td r i v e rm a c h i n ei n t e r f a c et e c h n o l o g y ，a l s os u c kt h em e n t a l i t y o fd e s i g n i n gi nf o r e i g np r o d u c t , c o m b i n i n gt h es t a n d a r dt h a t0 1 2 1 c o u n l i y t so w n r a i l w a yr u n n i n gs i t u a t i o na n dt r a i n b o m ee q u i p m e n td r i v e rm a c h i n ei n t e r f a c e w h i c hm i n i s t r yo fr a i l w a y si s s u e d , p r o v i d i n gm yo w nd e s i g n t h es o f t w a r e p r o v i d i n gt h ed r i v e rm a c h i n ei n t e r f a c ef i n a l l yi sr e a l i z e di nt h i sp a p e r , a l s oh a sg o t t h es a t i s f a c t o r yr e s u l t k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ；d r i v e rm a c h i n ei n t e r f a c e ；t r a i n b o m e s i g n a l l i n g ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 概述 第1 章绪论 a t p ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 车载设备人机交互接口d m i ( d r i v e r m a c h i n e i n t e r f a c e ) 是a t p 与机车乘务员之间的联系与接口界面，通过人机 交互接口可以接收到列车的各种运行参数信息，如列车当前运行速度、允 许速度、目标速度、目标距离、列车运行等级以及速度控制模式等，并将 这些信息以字符、数字及图形等方式显示出来，使得机车司机能够清晰直 观的了解列车当前运行状态，确保列车在a t p 车载设备和地面设备的统一 作用下安全高效运营。 。 列控a t p 系统中司机的操作任务主要是通过人机接口完成司机与车载 系统的信息交换。司机在根据调度信号起动列车之前，通过人机对话系统 向运行控制系统输入司机信息、机车信息以及发车与到站时间等初始信息， 然后加速列车到列控系统指示的限速值，并保持列车在此速度下运行。列 控系统通过人机对话系统向司机实时返回行车目标速度、目标距离，当前 速度、当前距离、系统工作状态、报警提示等信息显示，司机观看到操纵 指令时再调整速度，对歹1 j 车进行必要的操纵与控制。 从人机工程学出发，列控a t p 系统要求司机在列车每秒位移近1 0 0 多 米的情况下不断对前方路况、列车仪表板、控制状态进行扫描，并作出正 确的判断和采取相应的措施以确保行车的安全。这对司机的应变能力是个 很大的考验，同时也需要司机具有丰富的工作经验和高度的责任心。随着 列车速度的增大，信息的密度会增加，将需要司机作出更多的决策和行动， 努力的完成工作【1 8 】。 在驾驶操作过程中，司机的脑力负荷主要受到的影响因素有：长时间 地保持警觉；决策重要性造成的精神压力；单调状态引起的注意力无法集 中；缺乏人际接触造成的个体过度精神紧张等。这些因素都与司机的工作 效率、身心健康和列车行车安全密切相联。 为了帮助司机更好地完成操纵任务，安全、可靠、舒适的人机界面要 向司机提供各种线路参数、运行状态、指导信息等非常完整的信息，司机 时刻注意显示屏上的内容。正常情况下，这些信息可以帮助司机提高工作 效率，减少劳动强度。在紧急或非正常情况下，这些信息可以帮助司机采 取必要的措施防止事故的发生，确保行车安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 d m i 显示界面总体上分为两个显示层：基本显示层和数据输入层。基 本显示层主要用于列车运行过程牛向乘务员提供列车、车载设备的状态信 息和控制命令，以及来自地面设备的信息；数据输入层向乘务员提供了有 关列车数据的输入界面【2 1 。 在基本显示层，a t p 车载设备将接收到的地面信息作为基础，由车载 设备生成速度控制曲线，并经常与实际速度相比较。如果实际速度超过了 速度控制曲线，车载设备自动实施制动。地面信息和a t p 车载设备的控制 状态由置于驾驶台控制桌上的人机交互界面d m i 来显示。司机在注视前方 的同时监视d m i ，通过d m i 或者前方线路状况来操作牵引手柄和制动手柄， 控制列车的加速、减速。同时，司机还根据需要通过按压d m i 画面上的开 关进行确认操作和警戒操作等。 - a t p 车载设备控制方法，有两个选择模式，即机控优先和人控优先。 可通过设定车载设备内部带有的开关来决定选择，运行中不能变更。其选 择的结果将会出现在d m i 屏幕上，司机可以随时察看。另外，在机控优先 模式下，根据控制状态有时会暂时地并且自动地变成人控优先控制。 a t p 车载设备实施制动等安全防护功能时，用于c t c s ( c h i n e s et r a i n c o n t r o ls y s t e m ) 2 级区间内。在c t c s 0 、c t c s l 级区段，或在c t c s 2 级 区段a t p 车载设备特定故障下，列车运行监控记录装置( 简称l k j ) 设备 将代替a t p 车载设备实施制动等安全防护功能。这是，d m i 屏幕上将会出 现文字提示，用以提醒机车司机。由哪个制动来控制，是当列车通过区间 转换位置的时候，a t p 车载设备自动转换。但是发生异常的时候，也可以 通过司机操作d m i 的按键，进行制动转换。 此外，a t p 车载设备显示界面还包含以下显示内容：报警信息显示、 当前时间显示以及a t p 系统正在进行的制动动作类型，如“常用制动”、“紧 急制动”、“缓解或允许缓解”显示。 同时，在数据输入层，机车乘务员应当通过人机交互界面提供的数据 输入接口，输入以下内容的数据：列车长度、司机号、车次号及其它信息。 1 2 国内外发展现状 近年来随着科技水平的不断发展，铁路装备技术水平跃上了一个新台 阶，高速铁路的崛起和发展给世界铁路的重新振兴带来了勃勃生机。作为 高速铁路的关键设备之一。列车自动控制系统具有以下三大特点：( 1 ) 以车 载显示为行车凭证；( 2 ) 用速度命令代替色灯含义；( 3 ) 信号直接控制列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 制动。 正是因为这样的特点，使得人机接口在整个系统中发挥更大的作用。 良好的界面设计可以将更多的信息清晰地显示出来，有助于司机更好地了 解要完成的任务，提高速度和精确性，减少人为失误的可能性。 国外目前技术比较成熟和可靠的列控系统主要有：日本新干线a t c 系 统，法国t g v 铁路的t v m 3 0 0 及t v m 4 3 0 系统，德国采用的l z b 系统等。 这些系统随着技术的不断迸步，也在不断地运用新技术进行着改迸。 而作为列控系统的重要组成部分的人机接口d m i 也相应的得到了高度的重 视，取得了很大的发展。国外列控系统的d m i 显示屏大多采用1 0 英寸的 工业液晶显示屏，并且很多还采用了触摸屏技术，使得司机的数据输入和 操作变得更加方便快捷。 目前国外流行的列控系统的人机接口d m i 都能够向司机提供以下信 息： ( 1 ) 运行前准备信息，包括司机信息( 司机编码、司机工龄和司机专用 密码等) 和机车信息( 列车车次、牵引机车型号、制动机种类、机车长度、 车辆型号、车辆长度、车辆数、列车总重、列车总长、发车时间、到站时 间和满载乘客数等) ； ( 2 ) 运行时状态信息，包括运行监控图和制动屏两部分，其中运行监控 图用来实时显示各种运行信息，而制动屏则实现制动信息的具体显示； ( 3 ) 维修支持信息主要包括检测屏上显示的车辆故障信息、系统故障信 息和网络故障信息。司机可以通过菜单来选择希望显示的信息。 我国以机车信号为主体信号并通过铁道部技术鉴定的a t p 装置有铁科 院通号所研制的速度分级控制系统，己在广深线d f l l 型机车上采用，根据 模式曲线对速度进行分级防护和控制，人机界面主要采用模似仪表和色灯 加数码显示及相应的语音提示。随着列车速度的提高，司机从人机界面要 求获取的信息量大增，这种传统方式已不能满足需要，于是提出了基于动 态模式曲线超速防护方式的人机界面的设计，由原来对速度分级控制改进 为对速度连续平滑控制。 由于我国列车列控系统起步较晚，很多方面还处于起步阶段，与国外 先进的技术差距较大。因此我国铁道采取了引进技术，再进行消化吸收的 策略，采用与国外著名的铁路列控系统研制企业建立合资公司的方法，加 快我国新型列控系统的应用和研制工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 本论文的主要工作 列车运行控制技术是当今铁路技术发展的一个必然趋势，而作为列车 控制系统与机车乘务员进行交互的接口，人机交互接口d m i 则正是这一系 统的外特性体现。本文的主要工作任务就是在分析和研究国外同类系统的 基础上，给出了了设计方案。 论文主要研究工作； ( 1 ) 给出了人机交互接口d m i 显示和信息输入的原则，显示区域的划 分，以及主界面细分功能区的划分规范，并给出了各个部分的功能及用法。 ( 2 ) 分析了a t p 车载设备的各种工作模式下的列车运行情况及人机交 互接口d m i 的显示情况。 ( 3 ) 分析了不同的a t p 制动输出模式在人机交互接1 ：3d m i 上的显示情 况。 ( 4 ) 给出了入机交互接口d m i 的软件设计，编写了程序并实现了人机 交互功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章a t p 车载设备的工作模式 a t p 车载设备主要工作模式有完全监控、部分监控、目视行车、调车 监控、隔离模式等。 2 1 待机模式 如果预先选择了c t c s 2 ，接通电源后，系统就直接转入待机模式s b ( s t a n d b y ) 。在本模式下a t p 车载装置的接收轨道电路信息、接收应答器 信息等功能有效。但不进行速度比较等控制，同时，无条件地输出制动。 在待机模式下，不进行临时限速控制。在此模式下不存在机控优先和 人控优先的差别，制动输出方法相同。 2 2 完全监控模式 当车载设备具备列控所需的基本数据( 轨道电路信息、应答器信息、 列车数据) 时，a t p 车载设备可工作在完全监控模式f s ( f u l ls u p e r v i s i o n ) 。 此时由a t p 车载设备生成目标距离模式曲线，通过d m i 显示列车运行速度、 允许速度、目标速度和目标距离等，控制列车安全运行，见图2 1 。 图2 i 完全监控模式 本模式是c t c s 2 中最普通的模式。一般情况下，a t p 车载装置工作在 本模式下，列车判断本身位置和应该停车位置后，产生目的制动速度模式， a t p 可以安全控制列车速度。a t p 考虑列车静态限速停车位置或临时限速 等条件，保证列车速度满足这些条件，a t p 在自动输出制动的同时，对司 机提示有关的各种信息。 如果a t p 车载装置具有列车控制所需的基本数据：本列车位置、来自 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 轨道电路显示信息、来自应答器的线路信息、车上列车参数等，a 皿车载 装置就可生成目的制动速度曲线。通过d m i 显示列车实际速度、限速、目 标速度和目标距离等信息，同时连续监控列车速度，与速度模式比较，自 动输出紧急制动或常用制动。 a = r p 车载装置不断识别自我位置，根据轨道电路的显示信息，判断本 列车应在某点前停车。轨道电路传来的显示，表示第几个前方闭塞为停车 闭塞。一般一个闭塞由一个轨道电路构成，但一个闭塞包括两个以上轨道 电路的情况也存在。 当给出应该停车闭塞( 轨道电路) 时产生紧急制动速度模式曲线和常 用制动速度模式曲线。对紧急制动模式，站间区段制动起点距离为l l ( 1 0 0 m ) ，站内区段制动起点距离为l 1 ( 5 0 m ) 。对常用制动模式，则站间 区段制动起点距离为l 2 ( 1 1 0 m ) ，站内区段制动起点距离为l 2 ( 6 0 m ) i i 见图2 2 。 e b p 2 l 。i i m ：国p 麓北m 逮匿 坚刍制曲橙晋 i 暴二 图2 2 两种停车制动模式曲线图 模式的形状考虑了该区段包含的坡度的影响。另外，对最大速度常用 制动模式采用2 0 5 k m , h ，紧急制动模式采用2 1 0 k m h 。如果应答器给出静态 限速时，采用较低速度模式控制制动。下面我们给出几种常见的数度之间 的关系【1 】： 常规制动( n b p ) ：n b p = s s p + 5 k m h( 在c s m 区间) 紧急制动( e b p ) ：e b p = n b p + 5k m h( 在c s m 区间) 预警速度( w ) ：w = n b p - - 5 k m h( 若w ( o 则取w = o ) 缓解速度( r e l ) ：r e l w 其中，s s p 为静态速度曲线( s t a t i c s p e e d p r o f i l e ) 。 如果a 丁p 车载装置接收到应答器预先设置的静态限速信息，则a = r p 车载装置将产生一个到指定限速起点前减速的速度模式曲线。存在静态限 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 速区段的速度模式曲线的形状如图2 - 3 所示。 图2 - 3 静态限速区段的速度模式曲线 图3 - 3 中，l 2 = 1 1 0 m ，l 3 = 4 5 0 m ，s = t d s x v l 3 6 ( m ) ，t d s _ 3 3 s ，v 1 为 限速区段的限制速度。 ， 在完全监控模式下，从a t p 车载装置向d m i 输出制动预警时间数据的 预测过程，如图2 4 所示。 列车当前位置距离 图2 4 制动预警时间曲线 图2 4 中虚线箭头所示的制动预警时闯是根据现在列车的实际速度和当 前位置，所计算出的列车超过常用制动速度的预测时间。 2 3 部分监控模式 当a t p 车载设备接收到轨道电路允许列车通行信息，但线路数据缺损 时，a t p 车载设备工作于部分监控模式，并产生固定限速，监控列车运行。 部分监控模式可分为三种情况，由于这三种情况在操作上相差较大， 故我们又把其分为侧线发车( 股道出发) 模式，引导接车模式( c o ) ，应答 器故障模式( b f ) 。下面我们分别对这三种情况进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 1 应答器故障模式 应答器故障模式b f ( b t mo rb a l i s ef a u l t ) 是指连续两组及以上应答器 启勺线路数据丢失，列车在a t p 车载设备已查询到的线路数据末端前触发常 用制动，当列车运行速度低于1 2 0 e m h 后，提供允许缓解提示，司机缓解 后，a t p 车载设备根据线路最不利条件，产生监控速度曲线( 最高限制速 度1 2 0 k i n h ) ，控制列车运行，见图2 - 5 。 图2 5 应答器故障模式 在本模式下，如果得不到来自应答器的线路数据，即使接收到轨道电 路的正确信息，a t p 也不会生成正规的d t g ( d i s t a n c et oc o ) 核对速度曲线。 当a t p 在完全监控模式f s 下正常运行时，一旦不能正确接收来自应答器的 线路数据，从没有前方线路数据的点开始，a t p 车载装置使用的工作模式。 。 a t p 车载设备虽然不能正确认识自己位置，但能识别轨道电路信号的 变化，所以能有相对的距离概念。因为是活用这个相对位置进行控制，所 以控制曲线为部分的曲线形状。 如果接收新的应答器信号，得到线路数据，那么能自动地回到完全监控 模式f s 。还可以通过司机的一些操作，也可以转移到其他模式。 2 3 2 侧线发车模式 侧线发车( 股道出发) 时，a t p 车载设备根据股道轨道电路信息( 根 据道岔限速发送u u 码或u u s 码) ，形成并保持固定限制速度( 至出站口) ， 控制列车运行，见图2 - 6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 6 侧线发车模式 在待机模式下，司机一按下启动开关就转入本模式。在完全监控模式 中，接收出站信号机前方轨道电路码为u u 或u u s 时转入本模式。 在正常运行状态下以本模式开始运行后，通过应答器确定位置，就自 动转入完全监控模式。 股道出发时，由完全监控模式f s 转为侧线发车模式，通过车站出站口 的应答器再次转为完全监控模式f s 。考虑列车长( 4 5 0 m ) 度部分，如果从 侧线发车模式转为完全监控模式f s 的话，在走完列车长度( 4 5 0 m ) 部分之 前限速在侧线发车模式，列车长度( 4 5 0 m ) 部分走完后则为原来的完全监 控模式f s t 4 。 在本模式下，根据来自轨道电路的信息码对应特定的速度，核对速度 模式并产生一定速度模式。 2 3 3 引导接车模式 引导接车时，a t p 车载设备收到接近区段的轨道电路信息( h b 码) ， 形成并保持固定限制速度( 2 0 k m h ) ，控制列车运行，称为引导接车模式 c o ( c a l l i n g o nm o d e ) ，见图2 7 。 车站信号设备故障以及不能接收应答器线路数据时，本模式是极为有 效的。车站设备发生故障对，地面信号设备对轨道电路传输h b 码。车载 a t p 装置接收此h b 码后，则转入本模式并生成一定的核对速度曲线 ( 2 0 k m h ) ，超过此速度时将触发制动。 另外，每经过6 0 秒或走行2 0 0 m ，司机必须按压警惕键迸行确认。如 果不按压警惕键，核对速度曲线将被设为0 k m h ，列车将会被强制停车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 力d o 2 0 需向l 厂弋 图2 - 7 引导接车模式 2 4 目视行车模式 当a t p 车载设备显示禁止信号时，a t p 处于目视行车模式o s ( o n - s i g h t ) 。此时列车停车后，根据行车管理办法( 含调度命令) ，a t p 生 成固定限制速度( 2 5 k i n h ) ，列车在a t p 监控下运行，司机对安全负责。每 运行一段距离( 1 0 0 - 2 0 0 m ) 或一段时间如6 0 秒，司机应重复按压警惕按钮， 否则设备制动停车。 当接收到h u 或者h 以外的有信号码，该模式自动地结束。这时，如 果已经确定了位置则可转换到完全监控模式f s ，如果没有确定位置，转换 到部分监控模式p s 。该模式下，只采用人控优先，见图2 - 8 。 速度( k i n h )巳型 一 ； 一h 刘懂 。黧j 薹电麓鼓薄 图2 - 8 目视行车模式 列车运行过程中，司机要注视前方，监视a t p 装置的动作状况、限速、 实际速度，如果有异常情况就要介入。司机有责任操作制动器，不要进入 危险的位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 5 调车监控模式 调车监控模式s h ( s h u n t i n g ) 当车列进行调车作业时，司机经过特殊 操作后，转为调车模式，a t p 生成调车限制速度，控制列车运行。牵引运 行时，限制速度4 5 k m h 。推进运行时，限制速度3 0 k m h ，见图2 - 9 。 图2 - 9 调车监控模式 在站内等地方进行调车时，通过按下司机调车键后，a t p 车载装置不 管有无轨道电路信息，常用制动n b p 都会生成4 5 k m h 恒定的速度曲线， 列车速度一超过该限制速度，a t p 就自动输出制动。另外，从车站进站口 的应答器接收“调车危险”信息时，由a t p 车载装置输出制动停车。a t p 不输出除此之外的制动，所以停止位置完全靠司机的责任来完成。并且， 在完全监控s h 模式时允许列车向后( 除隔离模式i s ，完全监控s h 模式以 外不允许列车向后) 。 转入本模式的条件如下：除隔离模式i s ，机车信号模式c s 以外，列车 在停车状态时、司机按下调车键，便进入完全监控s h 模式。 要从该模式转换到其他模式的话，列车在停车状态时，司机通过按下 调车键，就会转移到待机模式s b 。若列车发生紧急制动，紧急制动缓解后， a t p 车载设备也将转入待机模式s b 。 在本模式下，a t p 车载设备与轨道电路的显示无关，产生以速度为 4 5 k m h 的恒定制动输出。由于该模式是司机操作调车键进入的，与轨道电 路的信息码无关，必须保持在4 5 k m h 以下的速度运行，如果操作错了非常 危险。因此，司机一定要严格遵守规则。 调车操作过程中，司机要注视前方，监视a t p 装置的动作情况、限速、 实际速度，如果有异常情况要介入。司机有责任操作制动器，不要进入危 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 险的位置。 2 ，6 隔离模式 隔离模式i s ( i s o l a t i o n ) 是指当a t p 车载设备故障，触发制动停车后， 根据故障提示，司机经特殊操作，a t p 车载控制功能停用，司机按调度命 令行车。若仅b t m 失效，a t p 车载设备提供机车信号，可人工转换为l k j 控制列车，见图2 1 0 。 图2 一l o 隔离模式 司机操作隔离开关可以进入本模式，然后列车不依靠轨道电路码，与 速度无关地行走。所以如果操作错了非常危险，司机要严格遵守规则。 2 7 反向运行 反向运行模式r o ( r e v e r s eo p e r a t i o n ) 是指上行列车运行在下行线； 或下行列车运行在上行线时，a t t 的工作模式。出站时在出站口接收有源 应答器通知反向运行的信息包，列车到达该信息包显示的位置时，a t p 就 可进入此模式。反向运行中在站闻几乎所有轨道电路上，只有2 7 9 h z 的低 频信号。但进入下一站进站口前方2 个轨道电路时就能收到一般低频信号 码。在该轨道电路上收到的低频信号码，如果不是意味着停车的h u 码等， 列车就可以进入站内。在站问，可从区间应答器得到对应列车运行方向的 静态限速、轨道电路长度和坡度等线路数据。如果不能接收2 7 9 h z 低频信 号并且无法接收正常信号时，a lp 车上装置输出常用制动停车。 既有线提速反向运行时，按照自动站间闭塞运行。客运专线反向运行 时，a t p 可反向追踪运行，a t p 车载设备的控制方式与正向相同，采用完 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 全监控模式。 对速度的监控方面，a t p 车裁装置经常判别本身位置，并根据来自轨 道电路显示信息，判断本列车在何处停车。 轨道电路传输的显示表示前方第几个闭塞为停车闭塞。与完全监控模 式差不多。但，对待无信号码的方法不同。之后生成核对速度模式的方法。 另外，制动输出方法与完全监控模式相同。另外，存在静态限速时的生成 核对速度模式方法也与完全监控模式相同。 在本模式上临时限速控制有效，如果没接收到临时限速信息t s r ( t e m p o r a r ys p e e dr e s t r i c t i o n ) 就实施最大4 5 k m h 的限速。运行中，司机 注视前方，监控a t p 装置动作状况、限速、实际速度，若有异常立即介入。 2 8 机车信号 机车信号c s ( c a bs i g n a l ) 是一种运行在c t c s 2 以外区段的模式。另 外，虽然运行在c t c s 2 区段，但a t p 车载装置故障时，用l k j 进行控制 的情况也存在，在这种情况下采用本模式，a t p 车载装置不会输出制动。 当通过c t c s 级间切换到c t c s 0 1 级后，a t p 功能相当于一个机车信 号设备。当地面具备c t c s 1 级条件时，a t p 设备相当于主体机车信号，当 地面具备c t c s - 0 级条件时，a t p 设备相当于通用机车信号口】。 在这种模式下，a t p 设备仅为l k j 设备提供机车信号信息输出，不产 生列车控制输出，列控防护功能由l k j 设备实施。 要从c s 模式退出，有以下两种方法： 从应答器接收到c t c s 0 切换到c t c s 2 的信息，满足这个条件的 时候。这时转移到完全监控模式模式( 完全监控模式的条件不满足时，转 到部分监控模式) 。 司机按下手动切换缓解开关，强制选择c t c s 2 模式时。这时转移 到完全监控模式( 完全监控模式的条件不满足时，转到部分监控模式) 。 在对速度的监控方面，a t p 车载设备不输出任何制动。但是，位置识 别或者生成控制曲线等功能还是起作用，在c t c s o 1 级区段不输出制动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章a t p 的制动输出模式 根据制动输出模式与制动指令之间的关系，我们将a t p 的制动输出分 为机控优先和人控优先两种方式。在具体介绍这两种制动方式之前，我们 先来了解几个基本术语和概念。 3 。1 基本术语 最限制的速度曲线m r s p ( m o s t r e s t r i c t i v es p e e d p r o f i l e ) ：最限制的速 度曲线是所有速度限制因素中最低值( 最限制部分) 的集合。最限制的速 度曲线考虑了线路允许速度、临时速度、列车长度等几个方面的因素。 顶棚速度监视区c s m ( c e i l i n gs p e e dm o n “o r i n g ) ：顶棚速度监视区是 指限制速度为常数的区域，这个限制速度通常是由m r s p 决定的。 车载设备在顶棚速度监视区进行的速度监视被称为顶棚速度监视 ( c s m ) ，c s m 是列车速度的监视的一个方面。图3 1 描述了c s m 区域： 图3 - 1c s m 区 目标速度监视区t s m ( t a r g e ts p e e dm o n i t o r i n g ) ：目标速度监视区是指 限制速度下降到另一个较低的限制速度值或目标点的区域。 车载设备在目标速度监视区进行的速度监视被称为目标速度监视 ( t s m ) ，t s m 也是列车速度的监视的一个方面，t s m 又分为两种情况1 】： ( 1 ) 制动到较低的目标速度( 又称为b t s ) ： ( 2 ) 制动到目标点( 目标速度为o ) 。 图3 2 分别描述了t s m 的两种情况： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图3 - 2 t s m 区 起模点( s t a r tl o c a t i o ni nt h et s m ) ：起模点指c s m 和t s m 的交界点， 为了使司机能在进入t s m 之前有足够的时间降低列车速度，起模点在d m i 上应当及时给出。 警示( i n d i c a t i o n ) ；一旦列车当前速度高于允许速度，设备将进入警示 状态。如果列车当前速度始终高于允许速度，相应警示将会保持。当列车 当前速度降低到允许速度以下两秒种后，相应警示关闭。因此，当列车速 度高于允许速度时，警示会自动开启，但其关闭时有一个延时。通过此种 方法，可以避免相应警示在开启与关闭状态之间不断变化。 干预( i n t e r v e n t i o n ) ；在a t p 设备进行干预并开始实施制动的同时，设 备进入干预状态。当干预解除时，即a t p 设备认为不再需要进行干预、而 且干预已被确认时( 如果需要) ，设备退出干预状态。 3 2a t p 的制动输出模式 3 2 1 机控优先t a t p 的制动输出模式分常用制动模式和紧急制动模式等两个独立的速 度模式。在常用制动模式上，若实际速度超过此模式时，a t p 装置发出常 用最大制动。另外，没有超过常用制动模式，只接近时发出弱制动、中制 动等两级制动指令。常用制动可发出7 种强弱指令分别分到：常用最大制 动为第7 档，中制动为第4 档，弱制动指令为第1 档”】。另外，紧急制动只 有1 个阶段，输出制动力在下面说明。 ( 1 ) c s m 区间 在顶棚速度监视区c s m 区间，实际速度超过报警速度时，就会输出s 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 ( 制动预警时的声音信号) ，实际速度低于报警速度以下2 秒后s 2 信号复 位。 芦苔s 2 亡= = = = ： _ 制 图3 - 3c s m 区间制动指令示意 m wr b 1 ，7 、 歹 、 、 、 实际邈 、 、 、 厂 一 厂d 距离 i l 气 il | 1 ili_ 、 i l i 一k 1iln 7 1 吲n 图3 - 4c s m 区间缓解指令示意 实际速度超过常用制动限制速度时，就会输出常用制动信号，当实际 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 速度低于缓解速度时常用制动信号将会停止输出。当实际速度超过紧急制 动速度时；紧急制动信号就会输出，实际速度到达o k m h 后，按压缓解按 键时，常用制动和紧急制动信号同时复位。见图3 3 ，图3 - 4 所示。图中符 号说明如下： e b 一紧急制动；n b 一常用制动；s w 一缓解开关；w 一预警速度 r e l _ 缓解速度；b 7 n 一常用制动第7 档；b 4 n - 一常用制动第4 档 b l n 一常用制动第1 档 以上符号意义的说明同样适用于本章其它图形。 ( 2 ) t s m 区间 在机控优先下的目标速度监视区t s m ( t a r g e ts p e e d m o n i t o r i n g ) 区间， 当实际速度超过紧急制动速度的时候，紧急制动信号就会被输出，按压缓 解按键时，紧急制动信号输出复位。若达到常用制动条件，则发出常用制 动指令，速度急剧下降，减速沿着常用制动模式。见图3 5 ，图3 - 6 所示。 渡 曼、l- 。jj 一一j 。- 。、1 沁 瓤违鼍一，7 、： 黑一 ，锏 距禹 iii 弋 l 一 。 l 一、一 缓解开关 一7 图3 - 5t s m 区间紧急制动模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 盏e b 泰 沁邀 m ：= ：= ： w ：r 口，一。- e 卜 距离7 l t 一一 l 3 2 2 人控优先 ( 1 ) c s m 区间 图3 - 6 t s m 区间常用制动模式 图3 - 7c s m 区间常用制动模式 在人控优先下的c s m 区间的速度控制，当实际速度超过报警速度的时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 候，输出s 2 。s 2 信号在实际速度低于报警速度2 秒钟后复位。实际速度超 过常用制动速度时，常用制动信号就会被输出，当实际速度低于缓解速度 时变为允许缓解，通过按压缓解按键，常用制动以及允许缓解被复位1 4 。实 际速度超过紧急制动速度模式时，紧急制动被输出。通过按压缓解按键， 紧急制动、常用制动、允许缓解被复位，见图3 7 。 ( 2 ) t s m 区问 在人控优先下的t s m 区间的速度控制，当实际速度超过报警速度的时 候将s 2 调为开启状态( o n ) 。当实际速度低于报警速度2 秒钟后s 2 信号 复位。实际速度超过常用制动速度模式时常用制动信号就会被输出，实际 速度低于缓解速度时，将允许缓解信号调为开启状态( o n ) ，按压缓解按 键时，常用制动、允许缓解被复位。另外，实际速度超过紧急制动模式时 的动作与c s m 区间相同，见图3 8 。 n t i m。 、 、 、 实际遗度7 、 、 、 黑啼 、 距离 制动 l l 蔓 lji 弋一一 ii u l 生： f-i 一 ill j h ， 2 s广_ 一1 吖 r ， 图3 - 8t s m 区间紧急制动模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第z o 页 第4 章人机交互接口总体设计 列车运行自动控制系统a t c ( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) 就是对列车运行 全过程或一部分作业实现自动控制的系统。其特征为：列车通过获取的地 面信息和命令，控制列车运行，并调整与前行列车之间必须保持的距离。 列车运行自动控制系统( 简称列控系统) 是保证列车按照空间间隔制运 行的技术方法，它是靠控制列车运行速度的方式来实现的，它包括三个子 系统：列车超速防护系统a t p ( a u t o m a t i c t r a i n p r o t e c t i o n ) ，列车自动驾驶系 统a t o ( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ) ，列车自动监控系统a t s ( a u t o m a t i et r a i n s u p e r v i s i o n ) 。 列车超速防护系统a t p 是列车运行自动控制系统a t c 的核心组成部 分，所以本文中通常提及的列车运行自动控制系统a t c 实际上是指列车超 速防护系统a t p 。 4 1c t c s 列车运行控制系统简介 c t c s 是c h i n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e m 的缩写，即中国列车运行控制系 统，它以分级的形式满足不同线路运输需求，在不干扰机车乘务员正常驾 驶的前提下有效地保证列车运行的安全。 c t c s 包括铁路运输管理层、网络传输层、地面设备层和车载设备层四 个层次。由两个子系统组成，即车载子系统和地面子系统。 地面子系统可由以下部分组成：应答器、轨道电路、无线通信网络 ( g s m r ) 、列车控制中心( t c c ) 无线闭塞中, o ( r b c ) 。其中g s m r 不属于 c t c s 设备，但是c t c s 的重要组成部分1 1 4 1 。 车载子系统可由以下两部分组成：c t c s 车载设备、无线系统车载模块。 车载设备由车载安全计算机、轨道信息接收单元( s t m ) 、应答器信息接收单 元( b v m ) 、制动接口单元、记录单元、人机界面( d m i ) 、速度传感器、b t m 天线、s 1 m 天线等组成。 针对中国铁路不同的线路、不同的传输信息方式和闭塞技术，c t c s 划 分为5 个等级，依次为c t c s 0 - - c t c s 4 级，以满足不同线路速度需求【1 4 1 。 c t c s 0 级为既有线的现状，即由目前使用的通用式机车信号和运行监 控记录装置构成。 c t c s l 级为面向1 6 0 k i n h 以下的区段，由主体机车信号和加强型运 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 行监控记录装置组成。它需在既有没备的基础上强化改造，达到机车信号 主体化的要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控。 c t c s 2 级为面向提速干线和高速新线，采用车地一体化设计，基于轨 道电路传输信息的列车运行控制系统。适用于各种限速区段，地面可不设 通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 c t c s 3 级为面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线传输信息 并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。适用于各种限 速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。 c t c s 4 级为面向高速新线或特殊线路，基于无线传输信息的列车运行 控制系统。地面不设通过