地鐵列車自動運行系統和設計
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摘要對我國現有的北京、上海、廣州的地鐵列車自動運行系統進行分析、比較,并指出了國產化列車自動運行系統的設計思路。
關鍵詞地鐵,列車自動控制系統,列車自動運行系統,國產化
對于城市軌道交通系統高效率、高密度的要求來說,列車自動控制系統(ATC)是必不可少的。其中一個重要的子系統列車自動運行(駕駛)系統(ATO)能模擬有經驗的司機完成駕駛列車的任務。ATO子系統利用地面信息實現對列車牽引、制動的控制,使列車經常處于最佳運行狀態,提高乘客的舒適度,提高列車準點率,節能能源。
許多國家都在研究ATO系統,且取得了一定的成績。我國在此項技術上尚屬空白。本文將對比分析三套ATO系統技術特點。
1ATC與ATO簡介
ATC是一套以安全和效率為目的、調節列車運行間隔的自動控制設備,通過車載設備、地面設備、車站和控制中心組成的控制系統完成列車運行控制。ATC系統包括三個子系統:列車自動監控系統(ATS),列車自動保護系統(ATP)和列車自動運行系統(ATO)。
ATS子系統實現監督、引導列車按預定的時刻表運行,保證地鐵運行系統的穩定性。它通過轉換道岔建立發車進路,并向列車提供由控制中心傳來的監督命令。
ATP子系統具有超速防護、零速度檢測和車門限制等功能。ATP提供速度限制信息以保持列車間的安全間隔,使列車在符合限制速度的標準下運行。在打開車門前,ATP先檢查各種允許打開車門的條件,檢查通過后,才允許打開車門。
ATO子系統能自動調整車速,并能進行站內定點停車,使列車平穩地停在車站的正確位置。
ATO從ATS處得到列車運行任務命令。其信息是通過軌道電路或軌旁通信器傳送到列車上的。信息經過處理后傳給ATO,并顯示相關信息。ATO獲得有用信息后,結合線路情況開始計算運行速度,得出控制量,并執行控制命令,同時顯示有關信息。到站后,開門條件允許后,ATO打開車門。停站期間,列車通過車-地通信系統把列車信息傳送給地面通信器,然后傳到ATS。ATS根據列車信息,把運行信息傳給車載ATO。ATO的工作原理圖如圖1。
圖1ATO工作原理圖
2ATO系統技術特點比較
20世紀90年代初,北京地鐵1號線部分列車安裝了英國Westinghouse公司的ATO設備(未使用);上海地鐵1號線的ATO設備則是從美國GRS公司引進的,并于1996年11月開始在全線試用。廣州地鐵1號線引進的是德國Siemens公司的ATO設備,在1999年6月正式運營。由于他們的ATO系統設計不盡相同,因此有必要對不相同的地方進行比較(主要是ATO設備、ATO需求數據與傳輸通道和控制策略),然后分析各種設計的特點,以利于ATO的設備國產化。
2.1北京地鐵1號線ATO系統
1.ATO設備
車載設備:由設在列車每一端司機室內的ATO控制器及安裝在列車每一端司機室車體下的兩個ATO接收天線和兩個ATO發送天線組成。
地面設備:在各車站設備室內設有站臺ATO通信器PAC(PlatformATOCommunicator)。PAC內存有至下兩個車站的線路信息,并通過與LPU或RTU接口,得到來自ATS子系統的控制命令。在各車站上下行站臺以及進行ATO折返的折返線處軌道上,設有Xd或X2環路及Rd環路。列車在車站停車期間,經聯鎖電路及軌道電路的有關條件控制向室外環路發送。
2.ATO需求數據與傳輸通道
在ATO數據獲取的過程中,車載ATP接收安全信息。安全信息由列車當前運行區段的AF900軌道電路傳送,采用低頻脈沖調幅方式,有8種不同的調制頻率,6種用于ATP速度命令,2種用于門控命令。另外,車載TWC系統接收地面TWC信息。該信息一般是非安全控制功能數據,諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK調制方式,通過地面TWC設備向列車發送。最后,車載ATO接收來自車載ATP、TWC的信息和標志線圈的信息。
3.控制策略
速度調節:ATO根據從ATP中獲取的MSS和TS,計算列車運行速度曲線。該曲線比較簡單,主要計算加速轉勻速、勻速轉制動的位置點,以保證列車運行時不超過MSS,并且在每個軌道電路區段目標距離處速度不超過目標速度。控制器根據線路的情況自動控制列車的牽引及制動輸出,盡量使列車按運行速度曲線的速度來運行。當列車速度超過目標速度時,ATP設備報警;當超過最大允許速度時,ATP實施緊急制動。
車站停車:在車站的定位停車是通過X2和Xd環路實現的。列車進入車站X2環路范圍后,通過地-車之間的感應,得出距停車點的距離,進行第一次位置調整,并使速度盡量貼近預置的停車速度曲線。在Xd環路處,進行第二次也是最后一次位置調整。若需要對運行時間進行調整,ATS將給出控制命令,如惰行控制、扣車、下一車站通過等命令,由ATO執行。
2.2上海地鐵1號線ATO系統[3]
1.ATO設備
車載設備:主要包括ATO主控制器,以及車底的ATP/TWC接收線圈、TWC發送天線(TWC為車-地通信子系統)、對位天線、標志線圈。
地面設備:包括每個車站ATC設備室內的車站停車模塊以及沿每個站臺布置的一組地面標志線圈。
2.ATO需求數據與傳輸通道
在ATO數據獲取的過程中,車載ATP接收安全信息。安全信息由列車當前運行區段的AF900軌道電路傳送,采用低頻脈沖調幅方式,有8種不同的調制頻率,6種用于ATP速度命令,2種用于門控命令。另外,車載TWC系統接收地面TWC信息。該信息一般是非安全控制功能數據,諸如運行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK調制方式,通過地面TWC設備向列車發送。最后,車載ATO接收來自車載ATP、TWC的信息和標志線圈的信息。
3.控制策略
速度調節:ATO與ATP配合調節速度。ATP共設6個速度命令,即20、30、45、55、65、80km/h。ATC系統具有4個ATS運行等級,對應于ATP的各個速度命令有相應的修正速度。參考速度就是接收到的ATP速度命令、ATS運行等級的修正速度及定點停車速度曲線三者中最小的速度。ATO根據軌旁接收的運行等級信息獲得運行速度信息,并調節車速、加速度和程序減速度,以符合所接收的運行等級。在檢出限制速度變低并在正常的制動條件下,如果車速大于現在新的速度命令,則以制動減速度0.97m/s2啟動常用制動。ATO子系統利用閉環反饋技術進行調速,即將實際車速與參考速度之差作為誤差控制量。通過牽引/制動線對列車實施一定的牽引力或制動力,使誤差控制量為零。
車站停車:車載ATO系統將修正程序停車曲線,以符合所接受的運行等級。精確的車站停車是通過應用軌道電路ID和邊界的轉換以及車站的環線來實現的。應用軌道電路的ID來確定正確的停車曲線的起點。列車經過站外350m處的第一對地面標志器時,定點停車曲線便由此啟動。定點停車曲線是建立在一個固定減速率基礎上的。當ATS速度與定點停車曲線速度相同時,列車轉入定點停車控制模式。列車經過150m、25m處的地面標志器時,它離開最后停車點的距離信息被不斷更新。列車經過8m處的有源地面標志器上方,并收到由該標志器發送的信號,列車即刻轉為定位停車模式,實施全常用制動,將車停住。車輛對位天線與地面對位天線對齊。
運行時間的調整:主要是通過選擇不同的運行等級來實現。惰行模式已經包含在運行等級中。
運行模式的改變:ATC系統的邏輯要求是必須在列車停下時才可以進行轉換,否則將導致一次緊急制動。
.3廣州地鐵1號線ATO系統[4]
1.ATO設備車載設備:主要包括ATC設備機架、速度表、
控制臺、ATP接收天線、PTI發送天線。地面設備:包括車站交叉環線和PTI環線。
2.ATO需求數據與傳輸通道
由于廣州地鐵采用FTGS數字頻率軌道電路,因此能傳送報文信息。地面傳送給列車的數據全部經軌道電路由車載ATP接收。ATO需要的信息主要通過車載ATP獲得。包括經ATP處理過的信息(實際速度、運行方向、實際位置、列車長度、限速命令、制動減速度,附加信息:下一區段精調、停車位置、車站停車),以及ATS經過ATP傳給ATO的信息(門控、到下一站的時間、車站號、車次號、目的地號、軌道電路號)。報文由所有類型的電碼按照一定的次序組成,是由軌道電路循環發送的。
3.控制策略
速度調節:ATO接收到來自ATP的帶四個標志點的速度命令信息(包括最大速度、第一限速、第二限速和入口速度的起點、終點、速度值),計算列車要求的運行速度。ATO按照時刻表和運行需要提供三種模式曲線:最大允許曲線,常規速度曲線(較最大速度曲線下降10%),節能速度曲線(較最大速度曲線下降20%);然后根據各種線路情況、車輛信息,計算所需牽引力或制動力,使列車到達要求速度。列車設定了最大加速率,以便列車平穩運行。控制算法中有一條警告曲線,總比ATP的最大允許速度曲線低一點。當超過警告曲線,則報警。
車站停車:車站內的位置調整點由多交叉的環路提供,如圖2。環路的頭和尾是所謂的環路邊界。相對應地車站中間的環線交叉是用來確定距離的,一般的距離是6個枕木間距。另外還定義一些粗調點,它們間的距離減至3個枕木間距且四個一組。
圖2定點停車交叉環線
ATP車載設備能接收到這些交叉點,并把每個交叉點的處理信號傳給ATO。ATO計算每個交叉點間的距離。粗調點只有在期望的位置窗口內才能被識別到。假如識別到粗調點,則下一個交叉點便可用作位置同步。這些交叉點的位置已預設在ATO中。
巡航/惰行是ATO的一項輔加功能。時間充裕的話,可以采用巡航/惰行來調整運行時間,節省能源。
正線上改變運行模式:在列車運行中的任一時刻,司機可以通過移動操縱桿使之脫離零位,從而進行人工駕駛。在任何時候和任何駕駛階段,ATO給出可以進行ATO駕駛的顯示,司機通過移動操作桿,使之進入零位置并貝壓ATO啟動鍵,列車的運行模式變為ATO模式。
2.4系統分析比較
以上三套系統中,以廣州地鐵1號線ATO系統運行效果最好,上海地鐵1號線ATO系統次之。經過以上的分析比較發現:
從信息獲取的角度來講,北京采用車站ATO通信器,ATO只在站內獲得信息,信息的實時性較差;上海地鐵1號線通過軌道電路和軌旁TWC,廣州地鐵1號線通過軌道電路,均使ATO在運行時仍能接收最新信息。
從ATP限速模式來講,北京地鐵1號線與上海地鐵1號線采用分級速度控制模式;廣州地鐵1號線則采用模式曲線速度控制模式。模式曲線ATP限速模式能使ATO控車更高效,更平穩。
從停車方式來講,北京地鐵1號線與上海地鐵1號線采用的是點式模式,在固定位置處有相應的線圈;廣州地鐵1號線則采用連續模式,在站內鋪設連續交叉環線,在定點調整距離的基礎上,還能通過交叉環線脈沖跟蹤列車的位置。
從運行時間調整來說,北京地鐵1號線ATO根據ATS在車站給出的惰行命令來調整,ATO設備本身只是根據各種速度命令來執行操作;上海地鐵1號線ATO則是通過ATS由軌旁設備給出運行等級命令,按相應的速度運行來調整運行時間;廣州地鐵1號線ATO能計算所要采用的運行等級,以便選用不同的牽引百分比實施控制,來調整運行時間。廣州地鐵1號線ATO還能計算惰行模式牽引力的切除點,以實現準時運行。相對來說,廣州地鐵1號線ATO對準時性的實現與運行時間的調整都比較靈活。
3ATO系統車載設備的國產化研究
通過分析比較,對國產化ATO的設計要求如下:信息可通過軌道電路以報文的形式發送;限速模式可采用模式曲線方式;停車設備可采用鋪設連續交叉環線;時間的調整要求能實時計算。
3.1工作原理
以廣州地鐵1號線ATO系統為基礎,結合實際情況,開發ATO系統車載設備。ATO從ATS處得到列車運行任務命令。該信息是與地面線路信息一起組成報文,通過軌道電路傳送的,由車載ATP統一接收。ATP將經過處理的對ATO有用的信息傳給ATO,并顯示相關信息,且不斷地監視ATO的工作。ATO獲得有用信息后,根據實際運行速度和ATP的最大允許速度,計算運行速度,得出控制量并執行控制命令。巡航/惰行模塊由獨立的控制器來輔助完成。到站后,ATO通過PTI(車地通信發送天線)向地面發送列車信息,并傳到ATS,以便識別列車的位置。ATS根據此列車信息確定列車的新任務后再次通過軌道電路傳送給ATO。在區間運行時,每進入新的軌道區段,ATO便接收新的地面信息,以便進行速度調整。在運行過程符合ATO條件時,允許靈活地切換到ATO模式。
3.2ATO車載設備的設計
ATO車載設備是ATO系統的核心部分,是設計的難點。以下分析一下ATO車載設備的接口。ATO的車載設備接口如圖3。其中CCU為中央控制單元,通過總線控制著ATO、ATP、顯示器間的數據通信;L1、L2為與ATO接口的顯示燈;ATO與ATP間有多根信號線直接連接,包括系統激勵線、ATO允許等等;E1到E10為與ATP接口的開關、按鈕或顯示燈,包括司機鑰匙、ATO允許等等。地面信息全部由ATP接收天線接收;PTI為車-地通信發送天線。
圖3ATP車載設備接口
以上對我國現有的地鐵列車自動駕駛系統進行了分析比較,并對列車自動運行系統車載設備設計的國產化工作略作介紹。相信不久,我國便能擁有自主開發的列車自動運行系統。
參考文獻
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