地铁列车自动运行（ATO）系统与列车控制系统（TMS）的接口

（成都地铁有限责任公司，610081，成都∥工程师）

地铁列车自动运行（ATO）系统与列车控制系统（TMS）的接口

傅国欣

（成都地铁有限责任公司，610081，成都∥工程师）

介绍了地铁列车自动运行（ATO）系统的构成及功能。以成都地铁1号线为例，阐述了地铁ATO系统与列车控制系统（TMS）接口的硬件构成、软件协议，以及冗余配置、异常机制和初上电机制。

地铁；列车自动运行系统；列车控制系统；接口

Author's address Chengdu Metro Co.，Ltd.，610081，Chengdu，China

地铁列车自动运行能最大程度地保证列车运行安全，提高运输效率，减轻运营人员劳动强度，同时还具有停靠站点准时及定位准确等优点。列车自动运行（ATO）系统与列车控制系统（TMS）的接口是实现地铁列车自动驾驶的一个关键环节。本文以成都地铁1号线的应用为例，介绍了地铁ATO与TMS的接口。

1 地铁ATO系统简介

ATO是地铁信号系统的子系统。ATO采用先进的列车自动控制技术，其相关的技术构成包括列车自动监视（ATS）、地域控制器（DC）、车载控制器（CC）。

TMS是现代地铁列车中采用的列车控制系统。它以列车中央控制单元（CCU）为核心，由列车控制级和车辆控制级的多台计算机和一系列专业设计的总线组成，对列车进行控制、信息传输，以及实时监控和诊断。

对ATO系统各部分的功能可以作一个形象的比喻：ATS相当于行车调度员，DC相当于车站值班员，CC相当于列车驾驶员，而TMS就相当于列车。ATO和TMS都是地铁的关键系统。ATO与TMS的接口是通过CC实现的，CC通过该接口对列车进行控制，并取得列车状态。

ATO系统使各趟列车的出库、到站、发车、回库均按照时刻表有条不紊地进行。对于列车的运行，系统计算出对应各种区间走行时间下的最佳运行速度曲线，控制列车的起动、加速、巡航、惰行、制动及精确停车。

ATO不需要司机驾驶列车。通常值守的司机只是监控列车运行，并在列车遇到意外的情况下采取紧急措施，以及在必要的情况下转人工驾驶，同时进行一些如空调、升降受电弓等辅助性工作。

2 ATO与TMS接口的硬件构成

ATO与TMS的接口包括RS 485接口和一组110 V的电缆线。RS 485接口为三线式半双工通信方式，由带屏蔽的双绞电缆组成，传输速率为38.4 kbit/s，如图1所示。TMS通过RS 485与ATO连接，再通过CAN（控制器局域网络）总线连接到列车CCU，由CCU进行计算处理，对列车进行控制。

110 V电缆线用于列车运行方向的控制。如图2，FWD（向前）和REW（向后）分别连接到列车两端司机室的电钥匙接点，得电后电路上等同于闭合司机钥匙。当且仅当FWD或REW有一根得电时，列车运行回路才能建立。同时，列车车门“左侧/右侧”的方向定义也随运行方向而确定。

图1 RS 485接口

图2 列车运行方向控制

3 ATO与TMS接口的软件协议

3.1 信息帧格式和传送时序

信息帧格式如图3所示。

图3 信息帧格式

Message Header（帧头）：长度为1字节，表示信息帧开始的编码，同时表示信息的传送方向。当Message Header=0xF6时，信息由ATO传向TMS；当Message Header=0xF2时，表示信息由TMS传向ATO。

Spare（备用）：无定义，长度为1字节。

Serial Check Number（序列号检测码）：长度为1字节，每次信息传送时递增1，当到达最大值255后返回0，以此循环。该码用于检测每次传送的帧的序列号，以检测是否有帧丢失或应答异常。

Message Contents（数据信息内容）：由数个字节构成，表示ATO向TMS发送或TMS向ATO发送的信息的内容。

CRC_Low：CRC（循环冗余校验码）冗余校验的低位，长度为1字节。

CRC_High：CRC冗余校验的高位，长度为1字节。

Terminator（帧结束位）：长度为1字节，表示信息帧结束。

信息的传送是以ATO为主机、TMS为从机的主-从方式进行的。每次传送以一次主叫（Call）、一次应答（Ack）作为一个Polling循环，如图4所示。每次Polling循环，数据帧的序列号检测码递增1，到达255后返回0。无论ATO主叫有没有收到TMS的应答，ATO都会按传送周期T1进行主叫（T1=50 ms）。如果连续三次主叫都没有收到应答，则会转入异常机制。

图4 Polling循环

3.2 从ATO向TMS发送的信息

当信息帧的Message Header=0x F6时，表示该帧为主叫（Call）帧，即从ATO向TMS发送信息。该帧的Message Contents定义见表1。

3.3 从TMS向ATO发送的信息

当信息帧的Message Header=0x F2时，表示该帧为应答（Ack）帧，即从TMS向ATO发送信息。该帧的Message Contents定义见表2。

4 冗余配置、异常机制和初上电机制

4.1 冗余机制

ATO采用高可靠性的硬件结构，按主备冗余方式配置，当主ATO单元发生故障时自动切换到备用ATO。主ATO和备用ATO单元运行同样的软件，使用相同的传感器输入，但独立计算。ATO的软件安装在与车载ATP（列车自动防护）子系统共用的计算机中，但使用独立于ATP的CPU进行运算处理。ATO与TMS接口也按主备方式配置，在同一个时间，只有一个接口在运行。

表1 从ATO向TMS发送信息的定义

表1 （续）

表2 从TMS向ATO发送信息的定义

4.2 异常机制

如果发生下述三种情况：①ATO在发出主叫信息后经过20 ms没有收到TMS的应答；②ATO收到的TMS的应答存在CRC错误；③ATO收到的TMS应答的帧的序列号检测码存在异常，没有递增或编号不正确。则ATO判断为应答信息错误，应答帧被忽略或不予采纳，ATO继续呼叫。如果连续3次以上Polling周期都发生Ack接收信息错误（见图5），则ATO判断TMS有异常并采取必要的措施。

图5 ATO判断TMS有异常

对于TMS，如果发生下述三种情况：①在一个Polling周期内没有收到主叫；②收到的信息存在CRC错误；③收到的主叫帧的序列号检测码存在异常，没有递增或编号不正确。则TMS判断ATO发生发送信息错误，主叫帧被忽略或不予采纳。不能正常收到从ATO传来的指令时，TMS继续应答。但如果经过3次以上Polling周期的时间，即3×50 ms=150 ms，连续发生上述ATO发送信息错误（如图6），则TMS判断ATO有异常并采取必要的措施。

当检测到异常时，系统会根据之前有效的Polling循环的信息进行相应的处理，并采取对应的措施，如冗余切换、实施紧急制动、转人工驾驶等。

4.3 初上电机制

投入电源初上电时，TMS对第一次接收到的ATO主叫信息不进行帧序列号检测码检查，ATO对第一次接收到的TMS应答信息也不进行帧序列号检测码检查。在TMS初上电后的一段时间（T2）内，主叫帧将被TMS视为无效并不予采纳，同时将屏蔽ATO传送来的信息错误检测。经过T2之后，TMS将解除对错误检测的屏蔽，并把主叫帧视为有效。T2一般约为10 s。同时，在初上电的一段时间内，ATO将无视从TMS传来的应答信息，直到收到的TMS应答中的“message validity”变为1（见表2），开始将应答信息的内容视为有效。初上电时序如图7所示。

图6 TMS判断ATO有异常

图7 初上电时序

［1］ 黄涛，李云川，贾栋胜.基于CAN总线的RS485冗余网关设计与实现［J］.电力机车与城轨车辆，2008，31（6）：30.

［2］ 张大海，施承有.成都地铁1号线列车微机网络控制系统［J］.机车电传动，2009，6（6）：41.

On the Interface between ATOand TMS Applied in Metro Automatic Operation

Fu Guoxin

The constitution and functions of automatic train operation（ATO）system adopted in metro trains are briefly introduced.Based on the running of Chengdu metro Line 1，the hardware，software protocol，spare assembly and the fault processor of the interface between ATO and TMSapplied in automatic driving are discussed in detail.

metro；automatic train operation（ATO）；train management system（TMS）；interface

U 231.6

2012-05-04）