第05章 列车自动防护(ATP)系统

第5章列车自动防护（ATP）系统,5.1ATP系统的基本概念,ATP是ATC的基本环节，是列车运行超速防护或列车运行速度监督的系统。主要内容包括：对列车运行进行超速防护，对与安全有关的设备实行监控，实现列车位置检测，保证列车间的安全间隔，保证列车在安全速度下运行，完成信号显示，故障报警，降级提示，列车参数和线路参数的输入，与ATS、ATO及车辆系统接口并进行信息交换等。,ATP系统不断将来自联锁设备和操作层面上的信息、线路信息、前方目标点的距离和允许速度信息等从地面通过轨道电路等设备传至车上，从而由车载设备计算得到当前所允许的速度，或由行车控制中心计算出目标速度传至车上，由车载设备测得实际运行速度，依此来对列车速度实行监督，使之始终在安全速度下运行。当列车速度超过ATP装置所指示的速度时，ATP的车上设备就发出制动命令，使列车自动地制动；当列车速度降至ATP所指示的速度以下时，可自动缓解。这样，可缩短列车运行间隔，可靠地保证列车不超速、不冒进。,5.2ATP系统设备的组成,ATP系统的设备主要由轨旁设备和车载设备两部分组成。采用轨道电路传送ATP信息时，ATP系统由设于控制站的轨旁单元、设于线路上各轨道电路分界点的调谐单元和车载ATP设备组成，并包括与ATS、ATO、联锁设备的接口设备。ATP轨旁单元主要是计算机，负责对所获得信息的处理、发送和接收。因为ATP系统是安全系统，轨旁单元至少要有结构相同、程序相同且独立的两台计算机，数据同时进行处理和比对，采用2取2的结构，或者3取2系统。,连续式ATP系统利用数字音频轨道电路，向列车连续地发送数据，允许连续监督和控制列车运行。由轨道电路反映轨道状态，传输ATP信息，在轨旁无需其他传输设备。当轨道电路区段空闲时，发送轨道电路检测电码。当列车占用时，向轨道电路发送ATP信息。轨道旁的轨道电路连接箱内（发送、接收端各一个）仅有电路调谐用的无源元件，包括轨道耦合单元及长环线。,车载ATP设备完成命令解码、速度探测、超速下的强制执行、特征显示、车门操作等任务。ATP车载设备主要功能是对所接收信息进行处理，其包括接收装置（天线）、信息处理器和测速单元。ATP车载设备将地面传来的数据通过ATP接收装置接收，然后与预先储存的列车数据一起进行计算，得出列车的允许最大速度，将此速度和来自测速单元（速度传感器）的实时速度进行比较，超速时，启动报警和制动。同时，ATP车载设备还通过与列车接口，将所得的速度信息传给TOD显示，借助TOD司机能按照ATP系统的指示驾驶，以保证安全。ATP车载设备也采用2取2或者3取2的系统结构，以保证系统最大限度的可用性。,5.3ATP系统的主要功能,5.3.1列车速度监督和超速防护功能列车速度监督是ATP系统的基础功能，也是最重要的功能。如果列车实际速度超过允许速度的一个设定偏差，则列车会采取相应的自动报警或制动措施进行安全防护。图5-1所示，为车载中央控制单元根据地面设备传至车上的信息以及列车自身的制动率，计算得出的两个防护点（信号点或列车）之间的超速防护速度监控曲线。v0为所允许的最高列车速度，v1,v2,v3，分别为所测得的实时速度，则ATP会根据不同情况采用不同的方法，以保证列车运行的安全和平稳。,ATP不仅可用来保证列车之间的运行安全，还用于受曲线等线路条件、通过道岔、慢行区间等限制而需要限速的区段。因此限速等级是根据后续列车和先行列车之间的距离、线路条件等来决定的。ATP可对列车运行速度进行分级或连续监督。超速防护一般的速度限制分为固定限速、临时限速、区域限速、闭塞分区限速等多种类型。,固定限速。固定限速是在设计阶段设置的。车载ATP和ATO设备都储存着整条线路上的固定限速区信息。速度梯降级别为1km/h。它决定了“目标距离”工作模式下的可能给出的最优行车间隔。临时限速。限制速度在某些条件下（施工现场、临时危险点）可以被降低。临时速度限制区段的范围总是限制在一个或多个轨道电路。在紧急情况下，通过特殊速度码，可立即将任何一段轨道电路上的速度设置为25km/h。如果需要设置临时性限速区，可以在地面安装应答器。这些应答器允许以5km/h为一个阶梯，降到25km/h。在带有允许临时速度限制编码的轨道电路里，可通过设置信标来实施。,区域限速。区域速度限制是针对轨道电路内的预定区域设定的限制速度，可分为15km/h、30km/h、45km/h、60km/h。区域限速可由ATP轨旁设备设置，也可在需要时由控制中心控制，但控制中心只能复位控制中心设置的区域限速。如果控制中心离线或通信失败，则本地轨旁设备可直接设置区域限速。一旦设置了限速，集中站的ATP轨旁设备就将产生到速度限制区的新的目标距离和实际的目标限制速度，通过轨道电路传送给接近限速区域的列车，列车在该区域中的运行速度就不允许超过限速。如果列车速度超过限速，则车载ATP将启动紧急制动，直到列车速度低于限速。,闭塞分区限速。闭塞分区限速是对单独的轨道电路设置最大的线路速度和目标速度。通过ATP轨旁设备选择最大速度，所选的速度作为轨道电路的最大允许速度。一般速度监督功能的输入，包括车载速度距离功能中的列车现行速度和位置信息，以及服务自诊断功能中的列车数据（例如列车最大允许速度）。速度监督功能的输出，包括向司机人机接口功能提供最大允许速度和列车速度警告；向列车制动系统提供紧急制动命令；向服务自诊断功能提供列车数据、状态信息、处理和记录数据，以及出错的信息。,5.3.2安全性停车点防护功能安全性停车点防护，以保证列车停在停车点（不超过停车点）为目的。在ATP监督下的人工驾驶模式(ATPM)、列车自动驾驶模式(ATO)和列车自动折返模式(STBY)中，当前方列车占用的轨道区段内有安全或危险停车点时，该监督防护功能都有效。按照列车至停车点的距离，ATP车载设备根据列车制动性能以及接收到的前方线路的信息等，计算一条最终为零的制动曲线。列车的速度限制连续地改变，并通过最终为零的制动曲线实施定点制动。,5.3.3测速测距功能ATP的测速测距功能是基于测速单元的输入，负责列车运行速度、运行距离、运行方向和位置的测定，是车载设备的关键部分。对于采用数字音频轨道电路的ATC系统，距离是根据各轨道电路的始端来测量的，并通过使用测速单元的输入和固定数据（车轮直径）来确定。计算距离准许车轮直径、脉冲发生和车轮黏着打滑而造成的误差。,测速有车载设备自测和系统测量两种方法。车载设备自测有测速发电机、路程脉冲发生器、光电式传感器和霍尔式脉冲转速传感器等，它们安装在无动力车辆的轮轴上。系统测量有卫星测速和雷达测速等方法。测速发电机。测速发电机安装在车轮轴头上，它发出的电压与车速成正比，该电压经处理后产生模拟量和数字量两个输出，分别用来驱动速度表和进入车上主机用于速度比较。测速发电机简单，但在低速范围内精度较差，可靠性也不高。,里程脉冲发生器。其核心部件是一个16极的凸轮，随着车轮的转动，产生一系列脉冲，车速越快，脉冲数越多，只要在一定时间内记录下脉冲的数目，即能换算成列车的实际速度。光电式传感器。光电式传感器应用光电传感技术，它有一个多列光圈盘，随着车轮的转动，光线不断地通过和被陧挡，使光电式传感器产生电脉冲，记录脉冲数目来测量车速。霍尔式脉冲转速传感器。车轮转动时，使霍尔式传感器产生频率正比于车轮转速的信号，来进行测速。,在目标距离模式中，列车位置对于安全性至关重要。如何测量距停车点的精确距离是列车运行超速防护系统的重要任务。通过连续确定列车行驶距离，ATP车载设备可以随时查找列车的精确位置。距离信息以音频轨道电路的分界来定位，当列车经过轨道电路的分界时，距离测量被同步。测距一般是通过测速和轮径完成的，同过测速设备获得车轮旋转的次数，考虑运行方向和车轮直径来计算走行距离。测距系统使用两个传感器测量数据，为了保证安全，当两个数据不一致时，取其中的最大值。列车定位也是通过测距完成的，在有轨道电路的线路上，将轨道电路的分割点作为列车绝对位置，列车的实际位置可以通过绝对位置加测距距离得出，同时考虑到列车空转打滑的情况，每隔一段距离应对列车实际位置进行校核。,5.3.4车门监控功能ATP对车门控制主要是对车门状态的监督。当列车没有在站台停稳时，ATP不允许打开车门；当ATP检测到列车在移动，而车门没有锁在关闭状态时，ATP实施紧急制动。列车在车站预定停车区域内停稳且停车点的误差在允许范围内时，ATP才允许车门开关操作；当列车停靠站台的精度偏离0.5m或1m时，允许列车以5km/h移动，以精确停车。ATP不断监视安全门，确保车门无异常打开。,5.3.5TOD显示功能TOD是信号系统和司机的接口（见图2-2），借助于TOD，司机能够按照ATP系统的指示安全运行。TOD向司机显示列车的实际速度、目标速度、最大允许速度以及ATP设备的运行状态。另外TOD还显示列车运行时产生的重要故障信息，在部分情况下还有音响警报功能。,5.3.6列车安全间隔控制功能列车安全间隔功能负责保持（移动闭塞时）列车之间的最小安全距离，还负责发出运行授权。只有在进路已经排列完成时，联锁功能才发出列车运行授权，准许列车进入进路。当前行列车仍在进路中时，可为后续列车再次排列进路。由ATP轨旁功能发出的运行授权，根据相应的安全停车点的选择和激活而定。这些安全停车点的选定依赖于进路内轨道区段的状态。安全停车点的位置在信号系统的设计中确定，这方面的信息保存在ATP轨旁设备中。位置的选定是为了在各安全停车点以外提供一安全的距离。在列车控制中，安全距离提供了差错的限度。速样，在ATP监督下，列车绝对不可能发生通过危险点的情况。,5.4ATP系统的控制模式及原理,5.4.1阶梯式分级制动控制模式阶梯式分级制动控制模式是以固定闭塞分区为单元，各闭塞分区采用不同的低频频率调制，指示不同的控制限制速度等级。阶梯式分级制动控制模式俗称大台阶式，速度控制限制曲线如图5-2所示。它将一个列车全制动距离划分为若干个（一般34个）固定闭塞分区单元，每一闭塞分区根据与前行列车的距离来确定限速值。当列车实际速度高于检查值时，列车自动制动。这种控制方式的制动曲线呈阶梯状，故称速度阶梯分级控制模式。固定闭塞制式的ATC系统通常采用阶梯式分级制动模式。,速度阶梯控制是利用轨道电路传输多个低频信息，将这些低频信息赋予不同的速度码含义，车载控制设备根据接收到的不同低频频率信息速度码，实施不同的速度控制方式，从而保证列车在不同的闭塞系统下，都可以实现安全防护。阶梯式分级制动控制模式有出口检查和人口检查两种控制方式，分别称为滞后速度控制和提前速度控制，如图5-3所示。,阶梯式分段速度控制模式的主要优点是简单，需要地车传输的信息量小，不需要知道列车的准确位置，只需要知道列车占用哪个区段即可。缺点是为保证安全，需依照行车性能最坏的列车设定目标限制曲线，不能充分发挥行车效率，不能满足高密度行车的需要。,5.4.2速度一距离模式曲线制动控制模式速度一距离模式曲线（简称模式曲线），是根据目标速度、线路参数、列车参数、制动性能等确定的反映列车允许速度与目标距离间关系的曲线，包括从任何速度计算出列车制动到停止的不同模式曲线，它反映了列车在各点实时允许运行的速度值。速度一距离模式曲线制动（简称模式曲线制动），是依靠连续式速度一距离模式曲线实现列车实时安全追踪运行控制的方式，可满足提高行车密度的需要。曲线模式按照是否保留地面固定闭塞分区，又分为曲线式分级制动模式和一级制动模式两种类型。,曲线式分级制动模式，是保留地面固定闭塞分区，根据闭塞分区提供的允许速度（目标速度）值、目标距离及列车本身的性能参数和线路常数等，由车载计算机计算出制动模式速度曲线，或将各种制动模式曲线储存调用，从而实现列车制动控制的模式。采用曲线式分级制动模式（也有叫准移动闭塞模式）时，追踪目标点为前行列车所占用闭塞分区的始端，通过地车信息传输系统向列车传送目标速度、目标距离等信息，由车载计算机计算制动模式速度曲线，实现模式曲线制动。,一级制动模式，是取消地面固定闭塞分区，完全按目标距离实现目标制动控制。列车空间间隔的长度是不固定的，随着前行列车的移动而变化。根据距前行列车的距离或距运行前方停车站的距离，由控制中心（或由车载计算机）根据目标距离