摘 要 对我国现有的北京、上海、广州的地铁列车自动运行系统进行分析、比较,并指出了国产化列车自动运行系统的设计思路
关键词 地铁,列车自动控制系统,列车自动运行系统,国产化 对于城市轨道交通系统高效率、高密度的要求来说,列车自动控制系统(A TC) 是必不可少的
其中一个重要的子系统 列车自动运行(驾驶) 系统(A TO) 能模拟有经验的司机完成驾驶列车的任务
A TO 子系统利用地面信息实现对列车牵引、制动的控制,使列车经常处于最佳运行状态,提高乘客的舒适度,提高列车准点率,节能能源
许多国家都在研究A TO 系统,且取得了一定的成绩
我国在此项技术上尚属空白
本文将对比分析三套A TO 系统技术特点
1 A TC 与A TO 简介 A TC 是一套以安全和效率为目的、调节列车运行间隔的自动控制设备,通过车载设备、地面设备、车站和控制中心组成的控制系统完成列车运行控制
A TC 系统包括三个子系统:列车自动监控系统(A TS) ,列车自动保护系统(A TP) 和列车自动运行系统(A TO)
A TS 子系统实现监督、引导列车按预定的时刻表运行,保证地铁运行系统的稳定性
它通过转换道岔建立发车进路,并向列车提供由控制中心传来的监督命令
A TP 子系统具有超速防护、零速度检测和车门限制等功能
A TP 提供速度限制信息以保持列车间的安全间隔,使列车在符合限制速度的标准下运行
在打开车门前,A TP 先检查各种允许打开车门的条件,检查通过后,才允许打开车门
A TO 子系统能自动调整车速,并能进行站内定点停车,使列车平稳地停在车站的正确位置
A TO 从A TS 处得到列车运行任务命令
其信息是通过轨道电路或轨旁通信器传送到列车上的
信息经过处理后传给A TO ,并显示相关信息
A TO 获得有用信息后,结合线路情况开始计算运行速度,得出控制量,并执行控制命令,同时显示有关信息
到站后,开门条件允许后,A TO 打开车门
停站期间,列车通过车-地通信系统把列车信息传送给地面通信器,然后传到A TS
A TS 根据列车信息,把运行信息传给车载A TO
A TO 的工作原理图如图1
图1 ATO 工作原理图 2 A TO 系统技术特点比较 20 世纪90 年代初,北京地铁1 号线部分列车安装了英国Westinghouse 公司的A TO 设备(未使用); 上海地铁1 号线的A TO 设备则是从美国GRS 公司引进的,并于1996 年11 月开始在全线试用
广州地铁1 号线引进的是德国Siemens 公司的A TO 设备,在1999 年6 月正式运营
由于他们的A TO 系统设计不尽相同,因此有必要对不相同的地方进行比较(主要是A TO 设备、A TO 需求数据与传输通道和控制策略),然后分析各种设计的特点,以利于A TO 的设备国产化
2. 1 北京地铁1 号线A TO 系统 1. A TO 设备 车载设备: 由设在列车每一端司机室内的A TO 控制器及安装在列车每一端司机室车体下的两个A TO 接收天线和两个A TO 发送天线组成
地面设备:在各车站设备室内设有站台A TO 通信器PAC(Platform A TO Communicator)
PAC 内存有至下两个车站的线路信息,并通过与L PU 或RTU 接口,得到来自A TS 子系统的控制命令
在各车站上下行站台以及进行A TO 折返的折返线处轨道上,设有Xd 或X2 环路及Rd 环路
列车在车站停车期间,经联锁电路及轨道电路的有关条件控制向室外环路发送
2. A TO 需求数据与传输通道 在A TO 数据获取的过程中,车载A TP 接收安全信息
安全信息由列车当前运行区段的AF 900 轨道电路传送,采用低频脉冲调幅方式,有8 种不同的调制频率,6 种用于A TP 速度命令,2 种用于门控命令
另外,车载TWC 系统接收地面TWC 信息
该信息一般是非安全控制功能数据, 诸如运行等级、列车号、目的地和跳停等
该信息采用FSK 调制方式,通过地面TWC 设备向列车发送
最后,车载A TO 接收来自车载A TP 、TWC 的信息和标志线圈的信息
3. 控制策略 速度调节: A TO 根据从A TP 中获取的MSS 和TS , 计算列车运行速度曲线
该曲线比较简单, 主要计算加速转匀速、匀速转制动的位置点,以保证列车运行时不超过MSS , 并且在每个轨道电路区段目标距离处速度不超过目标速度
控制器根据线路的情况自动控制列车的牵引及制动输出,尽量使列车按运行速度曲线的速度来运行
当列车速度超过目标速度时,A TP 设备报警;当超过最大允许速度时,A TP 实施紧急制动
车站停车: 在车站的定位停车是通过X2 和Xd 环路实现的
列车进入车站X2 环路范围后, 通过地-车之间的感应,得出距停车点的距离,进行第一次位置调整,并使速度尽量贴近预置的停车速度曲线
在Xd 环路处,进行第二次也是最后一次位置调整
若需要对运行时间进行调整,A TS 将给出控制命令,如惰行控制、扣车、下一车站通过等命令, 由A TO 执行
2. 2 上海地铁1 号线A TO 系统[3 ] 1. A TO 设备 车载设备:主要包括A TO 主控制器,以及车底的A TP/ TWC 接收线圈、TWC 发送天线( TWC 为车-地通信子系统) 、对位天线、标志线圈
地面设备:包括每个车站A TC 设备室内的车站停车模块以及沿每个站台布置的一组地面标志线圈
2. A TO 需求数据与传输通道 在A TO 数据获取的过程中,车载A TP 接收安全信息
安全信息由列车当前运行区段的AF 900 轨道电路传送,采用低频脉冲调幅方式,有8 种不同的调制频率,6 种用于A TP 速度命令,2 种用于门控命令
另外,车载TWC 系统接收地面TWC 信息
该信息一般是非安全控制功能数据, 诸如运行等级、列车号、目的地和跳停等
该信息采用FSK 调制方式,通过地面TWC 设备向列车发送
最后,车载A TO 接收来自车载A TP 、TWC 的信息和标志线圈的信息
3. 控制策略 速度调节:A TO 与A TP 配合调节速度
A TP 共设6 个速度命令,即20 、30 、45 、55 、65 、80 km/ h
A TC 系统具有4 个A TS 运行等级,对应于A TP 的各个速度命令有相应的修正速度
参考速度就是接收到的A TP 速度命令、A TS 运行等级的修正速度及定点停车速度曲线三者中最小的速度
A TO 根据轨旁接收的运行等级信息获得运行速度信息, 并调节车速、加速度和程序减速度,以符合所接收的运行等级
在检出限制速度变低并在正常的制动条件下,如果车速大于现在新的速度命令,则以制动减速度0. 97 m/ s2 启动常用制动
A TO 子系统利用闭环反馈技术进行调速,即将实际车速与参考速度之差作为误差控制量
通过牵引/ 制动线对列车实施一定的牵引力或制动力,使误差控制量为零
车站停车:车载ATO 系统将修正程序停车曲线,以符合所接受的运行等级
精确的车站停车是通过应用轨道电路ID 和边界的转换以及车站的环线来实现的
应用轨道电路的ID 来确定正确的停车曲线的起点
列车经过站外350 m 处的第一对地面标志器时,定点停车曲线便由此启动
定点停车曲线是建立在一个固定减速率基础上的
当ATS 速度与定点停车曲线速度相同时,列车转入定点停车控制模式
列车经过150 m 、25 m 处的地面标志器时,它离开最后停车点的距离信息被不断更新
列车经过8 m 处的有源地面标志器上方,并收到由该标志器发送的信号,列车即刻转为定位停车模式,实施全常用制动,将车停住
车辆对位天线与地面对位天线对齐
运行时间的调整:主要是通过选择不同的运行等级来实现
惰行模式已经包含在运行等级中
运行模式的改变:ATC 系统的逻辑要求是必须在列车停下时才可以进行转换,否则将导致一次紧急制动
