城市轨道交通列车运行自动控制系统的分析与研讨

李巍

摘要：在城市轨道交通線网密度日趋复杂、行车速度持续提高的今天，发展安全可靠、经济实用的信号系统越来越具有研究意义。列车运行自动控制系统（ATC）是保证行车安全、提高运行效率的关键技术。本文主要就列车运行自动控制系统及其各个子系统的功能和特点展开分析与研讨，并对未来我国城市轨道交通列车运行自动控制技术的发展做了展望。

关键词：列车自动控制；列车自动监控； 列车自动防护；列车自动驾驶

中图分类号： C913 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2016）05（c）-0000-00

近年来，随着当今社会发展水平的持续进步以及科学技术的快速发展，促使我国城市轨道交通业迈入了跨越式发展的阶段。而城市轨道交通业的健康发展直接影响到整个城市交通事业的进步，关系到广大人民群众的日常出行与生产生活。因此，为了促进城市轨道交通事业的快速发展，应致力于不断开发并研究城市轨道交通新产品和新技术。

在确保行车安全的前提下，为了实现列车快速和高密度运行，必须缩短列车运行的空间间隔，并将列车自动运行和运营管理有机结合起来，进一步提高运输能力和服务质量，其关键就是发展列车自动控制技术。

1 列车自动控制系统（ATC）

ATC系统包括列车自动防护（ATP）、列车自动监控（ATS）、与列车自动运行（ATO）三个子系统，三个子系统既相互独立又相互联系，构成了一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整及列车自动化等功能于一体的自动控制系统 [1]。系统控制框图如图1所示[2]。

2 列车自动防护系统（ATP）

ATP系统是保证列车运行安全、提高行车效率、防止速度升级和进行超速防护的重要设备，也是实现ATC系统功能的核心环节，必须满足故障—安全原则。ATP系统功能细分如下：

（1）速度监督，ATP系统需实时将列车实际运行速度与限制速度进行比较，一旦当列车实际运行速度超过系统限制速度时，系统首先提出警告，然后发出制动命令，启动制动器控制列车进行制动，保证列车安全地在允许速度下行驶。

（2）超速防护，超速防护能保证列车安全、高效地在系统限制速度下运行。一般城市轨道交通的限制速度有临时限速、固定限速等多种类型。固定限速信息如列车最大允许运行速度、区间最大允许速度等，一般在设置于系统的设计阶段；而临时限速是指在一些特殊情况下，如施工现场、临时性危险点等，此时列车的运行速度可以被适当地降低。

（3）测速、测距，该功能主要用于实现对列车实际运行速度以及距前方目标点距离的测定，是ATP系统车载设备的重要功能。ATP系统一般采用车载设备自测和系统测量两种测速方法来完成列车即时速度的测定。其中车载设备自测有路程脉冲发生器、测速发电机等方法，系统测量有雷达测速、卫星测速等方法[3]。

ATP系统的测距是通过测速和轮径配合完成的，首先通过测速设备获取车轮旋转的次数，结合列车的运行方向和车轮直径来计算走行距离，必须不断地对车轮轮径进行修订。

（4）车门、站台安全门控制，ATP系统的车门和站台安全门控制是保证安全的重要措施之一，必须对车门开闭的安全条件进行严格的监督和控制。只有当列车停在站台的预定停车区域内并且距离停车点的误差在规定的允许范围之内时，ATP的地面设备向车载设备发出开启车门的命令，车载设备才会允许开启车门的操作。当发出车门开启命令后，ATP的轨旁设备向站台的定位接收器发送开启屏蔽门的命令，收到此信号后同时控制与列车车门对应的站台屏蔽门开启。

当列车到达停站时间后，停止发送车门开启信号，此时司机人工控制车门关闭，站台的安全门也同时关闭。

（5）停车点防护，城市轨道交通中的停车点有时即是危险点，列车能否在预定停车区域内准确停车，直接影响着列车运行安全，因此，ATP系统必须对停车点进行防护。ATP系统根据列车至停车点的距离、列车的制动性能以及前方线路的速度信息等，计算出一条制动曲线，使列车按照一定的制动率实施定点制动。

（6）司机的人机接口（MMI），MMI是ATP系统与司机交换各种指令信息的窗口，可以使司机按照ATP系统下发的命令控制列车运行。MMI通过司控室里的显示屏向司机提供包括列车最大允许速度、实际速度、前方路况等信息在内的列车运行所需的所有信息，以及列车在实际运行过程中的重要故障信息，并在需要时发出响铃等报警提示。

（7）折返、改换驾驶室，城市轨道交通车辆在两端都设置有司控室，列车在进行折返作业时，需要司机改换驾驶室。改换驾驶室后会引起列车前、后部的互换，因此ATP的车载设备必须做出相应的调整。

3列车自动驾驶系统（ATO）

ATO系统可以代替司机操纵列车运行，能根据控制中心下发的命令自动控制列车进行启动、加速、匀速惰行和制动，同时发出车门和站台安全门的开关信号，达到使列车安全、正点、平稳运行的目的。ATO系统功能细分如下。

（1）列车自动驾驶，①列车运行速度的自动调整 ATO系统的车载控制器能将列车的即时运行速度与列车最大允许运行速度和目标速度进行实时比较，自动完成列车在线运行速度的实时调整，从而使列车在限制速度下安全运行，并尽量较少惰行、牵引与制动之间地相互转换。②车站自动发车ATO系统检查发车的安全条件符合时，向司机发出启动列车的命令，司机确认该命令后，按下司控台上的列车启动按钮，控制列车转入牵引驱动状态，随即列车开始加速。列车出发后，可以根据ATO系统预设的允许速度等信息，使列车平稳安全地运行。③停车点目标制动当ATO系统接收到停车命令以后，会将站台停车点作为其停车制动的目标点，结合系统预设的制动率、列车行车速度与距停车点的距离计算出列车的制动曲线，从而控制列车安全、准确、平稳地在预定停车区域停车。

④区间内临时停车，在某些特殊情况下需要列车在区间内实施临时停车时，ATP系统能根据目标点位置信息、列车实际运行速度等信息，计算出列车实施临时制动的速度曲线，ATO车载设备收到该制动命令后，启动列车按照给定的制动率控制列车制动，使列车平稳、准确停在给定目标点。⑤限速区间，限速区间可分为临时性限速区间和长期性限速区间两种。临时性限速区间的限速命令可先经由轨旁设备传送给ATP的车载设备，再经由ATP车载设备将该减速命令经ATO系统传送至列车驱动与制动的控制设备，从而控制列车按照限速命令的要求开始减速；长期性限速区间的限速信息可以预先输入到ATO系统中，列车经过该限速区间时系统会自动加以考虑。

（2）列车无人自动折返，无人自动折返是ATO系统一种特殊的驾驶模式，当工作于此种模式时，列车上所有控制台都将转入锁闭状态，整个过程无需司机参与。

（3）车门自动开闭控制，当列车到达指定停车点时，由ATO系统向ATP系统发送停车信号，此时ATP系统需先检查是否符合开启车门的控制条件，如果符合将发出开启车门的命令，ATO车载设备接收到该命令后控制车门自动开启，也可以由司机人工开启车门。但是ATO系统关闭车门不能自动完成，必须由司机人工操纵。

4列车自动监控子系统（ATS）

ATS系统在ATP和ATO系统的支持下，完成对列车全线运行的自动监控，并对道岔、进路和信号等基础设备进行集中监督和控制，辅助行车调度人员完成对全线列车的运行管理[3]。其功能细分如下：

（1）时刻表处理，时刻表系统是实现时刻表的存储、安装、修改，以及列车运行图的显示、绘制和打印的重要设备，同时还可向其它系统提供时刻表的相关数据信息。系统中储存着多套列车运行图，能够满足列车不同运行情况下的需要。

（2）列车监视与跟踪，列车监视与跟踪主要实现对列车的监视、车次号的初始化、车次号移动、运行识别和集中显示等功能。

（3）列车进路的自动选排，ATS系统的控制中心能实现对室外道岔、进路和信号机的集中控制，可以根据当日当次的列车计划运行图自动建立进路，并且自动完成对列车运行的控制。

ATS系统能形成转换道岔所处位置的命令，并将该命令经由传输通道发送向联锁信号系统，进而实现自动建立进路的功能。

（4）列车运行自动调整，当列车实际运行偏离计划运行图时，必须对列车运行情况进行调整。系统需实时对列车实际时刻表和计划时刻表进行比较，一旦出现偏离时，必须使列车恢复到按原计划时刻表运行，并以此为基础，自动形成列车的发车时间。列车运行调整要遵循所有列车调整时间最短、总延迟最短的原则，争取尽快使列车运行恢复到计划运行状态。

（5）运行报告，ATS系统能对列车运行中产生的大量数据进行记录、分析和存储，同时提供数据备份和数据恢复功能；工作人员在需要时，可对系统中的数据进行查询和回放；还可提供多种运行报告和统计功能，辅助行车调度员了解列车的实际运行情况与整个系统的工作情况。

（6）仿真与演示，ATS的培训与演示系统是通过现代信息技术等手段，仿真模拟整个ATS系统的实际运行情况，借助于该系统，工作人员可以用于系统演示、调试与员工培训等。

（7）监测与警报，为了使列车能安全、平稳地运行，ATS系统需要对各种设备的实际运行状态进行实时监督和检测，并对整个过程加以记录，而且整个监测过程不会影响到被监测对象的正常工作。一旦被监测对象出现异常情况时，应能及时给出报警提示，同时确定故障的范围和位置并加以诊断，直到设备恢复到正常情况为止。

5我国城市轨道交通列车运行自动控制技术的发展与展望

列车运行自动控制系统是城市轨道交通系统的中枢系统，其性能可靠与否直接影响到列车的运行安全和行车效率，对于列车自动控制技术的研究是非常具有现实意义的。列车整个运行过程中的智能自动控制，涉及到诸多基础理论的实践研究。随着研究的深入开展，将会为新一代列车运行自动控制技术的开发提供理论支持和实验对比，为列车运行控制系统的工业实现打下坚实基础。随着我国社会经济水平的不断提高与城市轨道交通建设筹资的多样性，必须优先采用我国自主研发的技术，在必要时引进国外先进技术设备，尽量避免全套以及重复引进[4]。

当前，我國列车运行自动控制系统正处于快速发展的阶段，随着社会经济和科学技术的不断发展，在国家统一规划和部署下，我国列车运行控制系统的技术水平会在不断应用和发展中逐步提高，在将来的发展中一定会形成符合我国国情、自主研发及制造、具有世界先进技术水平以及自主知识产权的通用化、国有化的列车运行自动控制系统。

参考文献：

[1] 吴金洪，张瑾. 城市轨道交通列车运行控制[M].北京：国防工业出版社，2014

[2] 瞿莉丽. 浅谈列车自动控制系统ATC[J]. 计算机与网络，2007

[3] 魏长军. 基于UML的列车自动监控系统分析研究[J].铁路计算机应用，2009

[4] 杨 燕. 列车自动控制系统的分析与研究[J]. 科技信息，2009