《国规城市轨道交通通信与信号》842-7（齐伟）教案 第8课 列车自动控制系统（一）

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课题列车自动控制系统（一）——了解列车自动控制系统、学习列车自动防护系统课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）熟悉ATC系统的组成及基本功能。（2）熟悉ATP系统的设备组成及基本功能。（4）会使用ATP系统设备。素质目标：通过了解我国地铁信号系统的研究成果以及与其他国家在信号系统研究方面存在的差距，增强自身的职业使命感，努力提高自主研发效果和技术水平，加快我国城市轨道交通行业发展。教学重难点教学重点：熟悉ATC系统的组成及基本功能，熟悉ATP、ATO系统的设备组成及基本功能教学难点：正确使用ATP系统设备教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：（23min）

课堂讨论（15min）第2节课：传授新知（20min）（15min）（5min）（3min）作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“认识列车自动控制系统”任务工单，同时提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，收集列车自动控制系统的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入

（5min）【教师】提出问题：（1）什么是列车自动控制系统？（2）列车自动控制系统的作用是什么？【学生】聆听、思考、举手发言通过问题导入，引导学生思考，调动学生的主观能动性，激发学生的学习兴趣传授新知

（23min）【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解列车自动控制系统的相关知识在城市轨道交通系统中，信号系统是一个集行车指挥和列车运行控制为一体的机电系统，它直接关系到城市轨道交通系统的运营安全、运营效率及服务质量，其核心是列车自动控制系统（ATC系统）。一、ATC系统的作用和构成1．ATC系统的作用1）保障行车安全列车行车安全是由ATC系统中的列车自动防护系统（ATP系统）来完成的。ATP系统与列车的牵引制动系统一起控制列车运行速度，防止列车超速行驶。2）提高运营效率ATC系统能实现列车自动驾驶，列车根据运营计划可自动完成运营作业，有效减少列车驾驶员、调度和车站人员的工作强度，确保列车正点运营，有效提高运营作业效率。2．ATC系统构成1）按设备功能划分按设备功能划分，ATC系统主要由列车自动防护（ATP）系统、列车自动驾驶（ATO）系统、列车自动监控（ATS）系统构成。ATP系统：它的主要作用是防止列车追尾和冲突事故，并控制列车的运行速度不超过允许的最高速度。ATO系统：它的主要作用是实现列车自动驾驶，并使列车在设定的车站自动停车。ATS系统：它的主要作用是对线路上运行的所有列车进行监督和管理，控制列车根据列车运行图完成运营作业。2）按设备安装位置划分按设备安装位置划分，ATC系统主要由轨旁设备、车载设备、控制中心设备组成。轨旁设备：包括线路上、信号设备室内的信号设备，如下图中的车站联锁、轨旁设备等。车载设备：指安装在车上的信号设备，如下图中的车载ATP、车载ATO等。控制中心设备：指安装在控制中心的ATS设备，如下图中的调度员终端、服务器等。二、ATC系统的分类按闭塞制式不同，ATC系统可分为固定闭塞式、准移动闭塞式和移动闭塞式三种。1．固定闭塞式ATC固定闭塞将线路划分为固定的闭塞分区，用轨道电路检测和表示列车位置及列车间距。轨道电路提供分级速度信息，实施阶梯式速度监督，列车只需要获得轨道电路提供的速度信息即可完成列车超速防护，使列车由最高速度逐步降至零，其制动安全性依靠合理安排自动闭塞分区长度来保证。固定闭塞的闭塞长度较大，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，需要在两列车之间增加一个防护区段，如下图所示，这使得列车间的安全间隔较大，影响线路使用效率。【拓展视野】为了防止列车发生相撞和追尾事故，确保区间行车安全而采取一定措施的方法称为行车闭塞法，简称闭塞。闭塞的基本原则是在一个区间或闭塞分区内任何时刻只允许有一列车运行。行车闭塞法有人工闭塞、半自动闭塞和自动闭塞三种。其中，半自动闭塞是我国铁路广泛采用的一种闭塞方式；自动闭塞是城市轨道交通常用的闭塞方式。2．准移动闭塞式ATC准移动闭塞对前后列车的定位方式是不同的。如下图所示，前行列车的定位仍沿用固定闭塞的方式，而后续列车的定位则采用连续的或称为移动的方式，即后续列车可以定位更加精确。为了提高后续列车的定位精度，目前各系统均在地面每隔一段距离设置1个定位标志（即轨道电路的分界点、信标或计轴器等），列车通过时提供绝对位置信息。在相邻定位标志之间，列车的相对位置由安装在列车上的轮轴测速装置连续测得。由于准移动闭塞同时采用移动和固定两种定位方式，所以它的速度控制模式既具有连续的特点又具有阶梯的性质，由于被控列车的位置是由列车自行实时（移动）测定的，所以其最大允许速度的计算只能在车载设备上实现。【提示】准移动闭塞可改善列车速度控制，缩小列车安全间隔，提高线路利用效率，但没有完全突破轨道电路的限制。3．移动闭塞式ATC如下图所示，移动闭塞式ATC的特点是前后两车均采用移动式的定位方式，即前后两辆列车均可精确定位，列车之间的安全追踪间距随着列车的运行而不断变化。移动闭塞ATC可使列车以较高的速度和较小的间隔运行，运营效率大大提高。三、ATC系统的功能和控制模式1．ATC系统的功能ATC系统包括ATS、联锁、列车检测、ATC、车地通信五个原理功能。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、道岔和信号的控制，将进路、轨道电路、道岔和信号的状态信息提供给ATS和ATC。联锁功能由分布在轨旁的设备来实现。列车检测功能：一般由轨道电路完成或相应的计轴装置完成。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。ATC功能有三个子功能，即ATP/ATO轨旁功能、ATP/ATO传输功能和ATP/ATO车载功能。其中，ATP/ATO轨旁功能负责列车间隔和报文生成；ATP/ATO传输功能负责发送感应信号，包括报文和ATC车载设备所需的其他数据；ATP/ATO车载功能负责列车的安全运营和列车自动驾驶，并给信号系统和驾驶员提供接口。车地通信（PTI）功能：通过多种渠道传输和接收各种数据，在特定位置传给ATS系统，向ATS报告列车的识别信息、目的号码、乘务组号和列车位置数据，以优化列车运行。2．ATC系统的控制模式ATC系统的控制模式有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调度集中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。一个系统在同一时间只能处于一种模式。它们的优先级别是：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。四、列车驾驶模式城市轨道交通列车驾驶模式主要有ATO自动驾驶模式、ATP监督下的人工驾驶模式、限制人工驾驶模式、非限制人工驾驶模式、列车折返模式五种。这五种模式在满足一定条件下可以互相转换。1．ATO自动驾驶模式在这种驾驶模式下，ATC系统的ATP，ATO和ATS子系统都在正常运行，列车在ATC系统控制下自动完成运营作业。列车启动后，在ATP设备安全保护下，车载ATO设备自动控制列车加速、巡航、惰行、制动，并控制列车在车站的停车位置，开关车门，驾驶员仅需监督ATP/ATO车载设备运行状况。2．ATP监督下的人工驾驶模式当线路条件不好或恶劣天气等不适宜使用ATO时，可以使用ATP监督下的人工驾驶模式。此时，列车上的ATO系统已经旁路，列车由驾驶员人工驾驶。列车启动后，车载ATP设备根据地面提供的信息，自动生成连续监督列车运行的一次速度模式曲线，实时监督列车运行。驾驶员根据ATP显示的速度信息驾驶列车，当列车运行速度超过限制速度时，ATP车载设备将对列车实施制动。3．限制人工驾驶模式在这种驾驶模式下，ATP只提供对一定设定速度（25km/h）的超速防护，驾驶员以不超过该限制速度驾驶列车，列车运行安全由驾驶员负责。当列车超过该限制速度时，ATP车载设备对列车实施制动。4．非限制人工驾驶模式当车载ATP设备故障时，可采用非限制人工驾驶模式。在这种模式下，车载ATP和ATO都已经旁路，ATP不对列车运行起监控作用，列车运行安全由驾驶员、调度员、车站值班员共同负责。5．列车折返模式当列车在ATP监督人工驾驶模式下折返时，列车由人工驾驶从到达股道牵出至折返线，由驾驶员转换驾驶端，并折返至发车股道。当列车在ATO有人驾驶模式下折返时，列车能以较合理的速度从到达股道牵出至折返线，由驾驶员转换驾驶端和启动列车，然后从折返线进入发车股道。【提示】列车在正线、折返线上运行作业时，常采用ATO自动驾驶模式和ATP监督下的人工驾驶模式。五、试车线试车线设置在车辆段内，其主要功能是在列车安装及检修完ATP和ATO设备后的静态、动态测试。试车线的设备主要包括轨道电路设备、与正线相同的ATO/ATP轨旁设备、精确停车环线、PTI环线、试车线试验计算机、电源系统、故障诊断及维修工作站等。【学生】聆听、思考、理解、记忆通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解列车自动控制系统的相关知识课堂讨论（15min）【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：列车自动控制系统都有哪些类型？【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论培养学生对列车自动控制系统相关知识的综合运用能力第二节课传授新知（20min）【教师】引入新的知识点，讲解列车自动防护系统的相关知识列车自动防护系统（ATP系统）是城市轨道交通信号系统的重要组成部分，它是保证行车安全、防止列车进入前方列车占用区段和防止列车超速运行的信号设备。一、ATP系统基本原理1．基本概念1）列车启动和停车当列车是人工驾驶时，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，如下图所示。2）列车常用制动和紧急制动列车常用制动是指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。列车紧急制动是指列车超速行驶或遇到其他危及列车行车安全时，对列车施加的制动。3）速度限制城市轨道交通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。若列车运行速度高于规定的最大速度值，则会危及到列车行车安全，可能导致列车相撞、出轨或颠覆等事故的发生。每列车的ATP系统都装有速度传感器。如下图所示，速度传感器安装在列车车轴上。4）ATP系统与列车之间的接口ATP系统主机是ATP系统的核心控制部分，ATP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，如下图所示。2．基本原理ATP系统控制列车运行速度有点式叠加和速度距离模式曲线两种基本方式。1）点式叠加方式ATP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，如下图所示。图中列车受到制动力作用而减速慢行。列车从O点以不超过S1的速度值运行，到达D1点时，对列车施加制动力，使列车允许运行的最大速度值迅速从S1降为S2。列车在D1D2区间运行的最大允许速度值为S2，到达D2点时，再次对列车施加制动力，使列车减速运行。列车在D2D3区间运行的最大允许速度值为S3。【提示】阶梯曲线控制速度方式所需要的硬件结构简单，容易实现。列车运行速度突变，会给列车上的乘客产生冲击。速度变化越大，冲击感越强。2）速度距离模式曲线方式列车受到制动力的作用，使列车减速运行，速度—距离图形的曲线形状是连续平滑曲线，这种列车速度控制方式称为速度距离模式曲线方式，如下图所示。图中，ATP系统根据运营计划，使列车从O点减速运行到D2点。ATP系统根据各种数据，计算出OD2区段内，各处所需的运行速度，并向列车牵引系统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O点减速运行到D2点。速度距离模式控制速度的方式，需要较复杂的软件和硬件支持，系统调试过程也比较复杂，但运行速度没有发生突变，可有效提高列车乘客舒适度。二、ATP系统的主要功能ATP系统的主要功能是防止运营列车超速运行，接收和处理来自地面的信息，防止列车相撞，车辆安全停靠站台，控制列车车门，空转和打滑防护，防止列车溜车等。1．防止运营列车超速运行防止运营列车超速运行主要体现在以下几个方面。防止超过线路限制速度：当城市轨道交通线路在曲线段或坡道时，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。防止超过列车允许最高速度：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。防止超过道岔弯轨限制速度：当城市轨道交通线路设有道岔，列车通过道岔弯轨时，不能超过道岔弯轨限制速度运行。防止超过限速区段限速：城轨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。防止超过临时限速：城轨线路上有临时作业，需要运营列车限速行驶，列车应按运营规定运行。防止超过其他限速：在城市轨道交通中，运营作业需要限速的地方，列车应按运营规定运行。【提示】防止列车超速运行是ATP系统最重要的功能，也是城市轨道交通信号系统保障列车安全运行的核心。2．接收和处理来自地面的信息当列车运行在轨道上时，地面轨道电路或地面的其他设备，向列车发送运行所需信息，安装在列车车体上的ATP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，从而控制列车运行状态和运行速度。这些信息中一般包含有列车允许运行的最大速度值、线路位置等。3．防止列车相撞（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。三、ATP系统车载设备组成ATP系统所包含的设备分别安装在列车和地面上。安装在列车上的设备，简称车载设备；安装在地面的设备，简称地面设备。ATP系统主要车载设备有车载主机、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、辅助设备等，如下图所示。1．车载主机ATP系统的车载主机由各种印刷电路板、输入/输出接口板、安全继电器和电源等设备组成。2．状态显示单元状态显示单元是车载系统与列车驾驶员之间的人机界面，如下图所示，它可显示与行车直接相关的信息，如列车当前运行速度、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；它还设置有一些按钮，用于驾驶员操作，控制列车运行。1）信息显示部分信息显示部分包括速度、目标速度、目标距离、时间等的显示。速度显示：在触摸屏和面板上，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。目标速度：在速度距离模式曲线系统中，可以显示列车从当前地点运行到下一目标处，所对应目标处的速度值。例如，若下一目标是在站台停车，则显示目标速度为零；若下一目标是通过站台，则显示允许通过站台的速度限制值。目标距离：在速度距离模式曲线系统中，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。时间：在速度距离模式曲线系统中，可以显示列车从当前地点运行到下一目标处，列车运行所需的时间。2）按钮部分以面板型状态显示单元为例，其按钮一般包括有列车发车按钮、慢速前行按钮、显示模式按钮、调光器按钮、灯光测试按钮等。列车发车按钮：通常带有灯光。当列车发车按钮灯光点亮时，列车驾驶员按压此按钮，启动列车向前运行。如果这时列车处于自动驾驶模式，列车将按照行车作业要求自动驾驶；若列车处于ATP系统控制模式，人工驾驶，列车驾驶员操纵牵引/制动手柄，控制列车运行。慢速前行按钮：当列车处于ATP系统控制模式，ATP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速度值慢速前行。显示模式按钮：面板上的显示模式按钮，用来切换某些显示区域内的不同信息，可增加显示信息容量。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。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。3）指示灯面板或触摸屏上有多个指示灯，用来表示列车的运行状态，具体如下。超速指示灯：当列车运行速度超过当前允许速度值时，超速指示灯点亮。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。列车自动驾驶指示灯：当列车模式选择开关放在ATO挡位时，这时列车在自动驾驶模式下运行（ATO模式），列车自动驾驶指示灯点亮。旁路指示灯：当列车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，这时旁路指示灯点亮。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。ATP系统故障指示灯：当ATP系统发生故障时，该指示灯点亮。运行方向指示灯：当ATP系统知道列车运行方向，并且在列车对位停车时能自动控制车门，该指示灯点亮。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。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，以及列车运行方向的判定。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。5．列车接口电路ATP系统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。【提示】ATP系统车载设备所需电源由列车提供。四、ATP系统地面设备ATP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，ATP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，再由安装在列车上的设备接收和处理这些信息。1．点式应答器在速度距离曲线为阶梯式图形的信号系统中，经常会在线路上间隔一定距离设置点式应答器，如下图所示。这些应答器保存有线路位置、列车运行距离、基本线路参数、速度限制等信息，当列车经过时，安装在列车车底的感应接收装置会从应答器中读取或接收信息，并对这些信息进行综合处理分析。【提示】点式应答器安装在线路上，调