高速动车组列车超速防护ATP系统分析

2019-09-12叶伟华

浙江交通职业技术学院学报 2019年2期

叶伟华

(浙江交通职业技术学院，杭州 311112)

0 引言

列车运行控制系统是为了列车安全高效运行而设计研发的。传统铁路控制信号利用地面信号显示传递行车命令，列车司机按行车规则进行操作确保列车安全运行。随着技术的发展，铁路的运行速度也在不断地提升。现在铁路信号已经发展到以车载信号为主的行车方式。地面信号自动监控列车的当前速度，并由车载列车控制系统实现安全控车。分散自律调度集中和微机监测等系统被广泛应用在现代高速铁路信号控制领域。为适应中国铁路速度提升的要求，实现普速铁路与高速铁路之间的互连互通，最高速度为350km/h的列车运行控制需求已经成为铁路信号控制系统的目标。列车运行控制系统分为CTCS-0、CTCS-1、CTCS-2、CTCS-3、CTCS-4五个等级[1]，每一等级的列车运行控制系统应用于不同速度级别的线路。

1 ATP系统结构

如图1所示，ATP系统主要由ATP车载设备、测速测距模块、轨道电路接收单元(STM)模块、应答器传输单元(BTM)模块、安全计算机(VC)模块、记录单元(DRU)模块和制动单元(RLU)模块组成。铁路无线通信系统(GSM-R)将行车相关的线路信息通过无线通信方式传递给车载计算机(VC)设备。RLU输出动车组制动，DRU记录司机操作人机界面(DMI)的所有数据。列车运行监控装置(LKJ)作为ATP系统的后备兼容设备，若ATP系统故障可以过渡到LKJ控车。ATP系统主要由车载设备和地面设备构成[2]。ATP系统运行正常需要其他相关部分单元和部件的协同作用，这些单元和部件有地面控制中心、车站控制系统和轨旁信息单元等。ATP系统采用2乘2取2的运算结构[3]。ATP系统各组成部分单元之间相互协调配合，若一个单元出现故障则会输出制动指令，确保动车组的安全运行。

图1 ATP系统结构

1.1 安全计算机(VC)

安全计算机(VC)位于动车组机车前部，对传到机车上的所有相关信息进行综合考虑，计算生成速度模式曲线，使得动车组在曲线内安全高效地运行。为了确保安全可靠，安全计算机采用两系进行工作。同时每一系将来自每个CPU的处理结果与另一CPU的处理结果相比较并校准。安全计算机(VC)收集铁路沿线基站发来的无线信息、轨道电路传来的载频相关信息和应答器信息，进行综合处理分析。为确保行车安全[4]，若两系比较后的结果不一致，安全计算机(VC)就会输出最大常用制动来确保运行安全。

1.2 轨道信息接收单元(STM)

轨道信息接收单元(STM)位于动车组前部，接收地面发来的码并传送给安全计算机。ZPW-2000(UM)系列轨道电路信息和国内频移等16种载波频率通过轨道电路传输到轨道信息接收单元(STM)。为防止相邻线路的无线信息干扰，轨道信息接收单元(STM)根据轨道电路的载波锁频信息和应答器相关信息，帮助司机操作，确保锁定接收到的载波频率。

轨道信息接收单元(STM)若出现故障，动车组ATP系统运行中会产生掉码问题，即轨道电路接收单元无法稳定地获取地面传来的信息。ATP系统获取不到前方轨道信号的信息，导致动车组为确保安全而输出最大常用制动，降低运行效率。

1.3 应答器接收单元(BTM)

应答器接收单元(BTM)是列车超速防护ATP系统的重要组成部分，可以接收来自地面应答器传来的信息。表1列出了BTM设备在上电自检、工作过程中可能出现的故障代码及相应的解决办法。

表1 BTM故障代码及解决办法

2 ATP系统工作原理

2.1 ATP结构原理

如图2所示，ATP系统地面设备包括应答器、轨旁电子单元(LEU)、信号机和联锁设备等。地面设备主要为动车组提供当前位置、最大限速、区间长度、前方空闲闭塞区间数目等信息，为生成控车曲线提供基础数据。ATP系统车载设备包括测速传感器、天线、安全计算机(VC)和轨道电路接收单元(STM)等。车载设备接收来自地面的数据并进行分析，生成速度-距离模式曲线。当列车实际运行速度曲线在速度-距离模式曲线以内，列车运行才能安全可靠。

图2 ATP结构原理

2.2 机控优先和人控优先

如图3所示，机控优先模式对应有三根制动曲线，分别为紧急制动曲线、强常用制动线和弱常用制动线。列车的实际运行速度曲线必须在紧急制动曲线内运行才能保证安全，否则输出紧急制动。强常用制动线和弱常用制动线能够不断调整实际运行速度曲线，保证列车平稳安全运行。机控优先时制动由列车运行控制系统自动完成，无需司机人工干预。机控优先模式最大优点是可以降低司机的劳动强度，提高列车运行的服务质量[5]。机控优先模式中，司机起到辅助驾驶的作用，若有突发紧急情况，需要司机主观介入进行处理。

人控优先模式时主要靠列车司机发挥主观能动性，当列车当前速度超过最大允许速度时，司机可手动操作进行降速。无论采用哪种制动优先，若发生紧急制动，只有满足停车条件才可缓解。

图3 ATP机控优先模式

3 ATP典型故障案例分析

3.1 轨道电路信息接收模块解码板故障

如图4所示，DMI上显示STM A系故障和安全计算机1系故障。存储记录单元显示故障触发标志“X”。故障信息栏显示“STM A系统”故障，控制系统故障信息栏显示“STM传输不好”，1系电子制动指示显示“VC故障”。故障点定位在STM系统A系的某个部分单元。

电缆无故障，恢复ATP电源，DMI显示故障仍存在。核对VC机柜LED灯位，安全计算机(VC)1系OPE板LED1亮红灯，STM通信传送异常(A系)，DMI、BTM、STM B系等无报错，判断非安全计算机(VC)1系硬件故障，故障点为STM接收单元箱体内部。

故障报STM A系传送不良，STM箱体由两块解码板组成。A系解码板负责将地面接收到的信号进行解码后传输给VC1系，B系解码板则传输给VC2系，综上判断故障点在STM接收单元箱体上A系的解码板。更换STM A系解码板，故障消失。

图4 轨道电路信息接收模块解码板故障

3.2 ATP系统掉码故障

动车组ATP系统运行中会产生掉码问题。动车组掉码会降低行车效率，影响行车安全。当轨道电路接收单元无法稳定地获取地面传来的信号灯码时，ATP系统无法获取前方轨道信号信息。动车组在无法获得前方行车信息情况下，为确保安全，输出最大常用制动。

如图5所示，动车组高速通过连续短道岔区段时，经过绝缘节有短暂无码状态。STM及VC从无码到有码、有码到无码需要基本的判断时间。铁总要求判断时间小于1.7s，当动车组高速经过短道岔区段时间小于判断时间，连续的几个短道岔区段未及时作出判断的时间相加大于3.5s，安全计算机(VC)即判断为无码输出最大常用制动信号。

图5 ATP系统掉码故障

为此现场信号采用《铁路信号维护规则》技术标准的方案对下行进站连续短道岔区段进行处理。沿钢轨绝缘的两根长等阻线，单根测试其电码化电流1.3A左右，两根同时测试时为0.2A左右，说明两根长等阻线所流过的电码化电流极性相反，使STM在经过绝缘节仍接收不到电码化信号。将其中一个道岔区段的电码化极性交叉，然后再测试两根长等阻线的电流，保证STM在经过绝缘节时仍可靠接收到电码化信号。依照此原理，连续道岔区段绝缘节按连续方案接法，必须注意其相邻两端轨道电路电码化电流的极性问题。

3.3 应答器信息接收模块通信板故障

应答器接收单元是列车超速防护ATP系统的重要组成部分，可以接收来自两钢轨之间地面应答器传来的信息。如图6所示，BTM通信故障，DMI显示安全计算机(VC)2系故障和BTM传送不良。断电下载PC卡数据，检查VC和BTM接收单元各部电缆连接，重启ATP设备，故障仍然存在。数据显示一排失败信息标志“E”。

图6 BTM通信板故障

VC机柜FSC板卡LED3亮红灯，灯位核对表指示 “BTM通信传送异常指示”。数据详细1中OPE故障信息显示2系“BTM信息不合理”和“BTM传送不良”。报警信息提示VC2系安全计算机接收到的BTM信息不正确，初步断定应答器接收单元(BTM)与安全计算机(VC)2系的数据解析和传送上可能有故障点。

FSC板卡与BTM 、DMI(人机界面)进行通信，接收应答器报文信息，数据中DMI无报错，锁定故障点在BTM应答器接收单元上。

数据中失败信息故障触发栏中显示“BTM故障”，VC2系失败信息标志显示“Balise解释错误标志”。BTM地面应答器接收单元会将解析数据分别通过三块通信板传送给VC1系，VC2系和记录单元(DRU)，VC1系和VC2系接收BTM数据进行比对，若接收的数据不对，系统报“BTM合理性异常”。数据中VC1系和存储记录单元(DRU)接收BTM数据无报错，则BTM地面应答器接收单元上的解码板、VC1系的通信板、记录单元(DRU)相连的通信板无故障，故障点在BTM与VC2系通信板。

4 ATP系统主要技术特点

4.1 速度-距离模式曲线控制方式

速度-距离模式曲线是根据目标速度、目标距离、线路参数、列车参数、制动性能等生成的反映列车允许速度与目标距离间关系的曲线。速度-距离模式曲线反映了列车在各点允许的速度值。列车控制系统根据速度-距离模式曲线实时给出列车当前的允许速度，当列车超过当前允许速度，设备自动执行常用制动或紧急制动，保证列车在停车点前可靠停车。

4.2 向下兼容低级别列控系统

不同级别的线路采用不同级别运行模式。ATP系统的高级别运行模式能够向下兼容低级别的运行模式。线路条件不满足高速运行时，在既有线的国产或者UM71系列移频轨道电路区段，列车只满足传统机车信号要求，能够为司机提供车载信号，此时车辆信号相当于地面信号的安全水平。当处于CTCS-0级条件时，线路设备级别低，为给其他控制设备提供信号，ATP系统可以具备降级转换成通用机车信号的功能。