地鐵列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)
摘 要 對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的北京、上海、廣州的地鐵列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行分析、比較,并指出了國(guó)產(chǎn)化列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。
關(guān)鍵詞 地鐵,列車自動(dòng)控制系統(tǒng),列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng),國(guó)產(chǎn)化
對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)高效率、高密度的要求來(lái)說(shuō),列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(A TC) 是必不可少的。其中一個(gè)重要的子系統(tǒng) 列車自動(dòng)運(yùn)行(駕駛) 系統(tǒng)(A TO) 能模擬有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)完成駕駛列車的任務(wù)。A TO 子系統(tǒng)利用地面信息實(shí)現(xiàn)對(duì)列車牽引、制動(dòng)的控制,使列車經(jīng)常處于最佳運(yùn)行狀態(tài),提高乘客的舒適度,提高列車準(zhǔn)點(diǎn)率,節(jié)能能源。
許多國(guó)家都在研究A TO 系統(tǒng),且取得了一定的成績(jī)。我國(guó)在此項(xiàng)技術(shù)上尚屬空白。本文將對(duì)比分析三套A TO 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)。
1 A TC 與A TO 簡(jiǎn)介
A TC 是一套以安全和效率為目的、調(diào)節(jié)列車運(yùn)行間隔的自動(dòng)控制設(shè)備,通過(guò)車載設(shè)備、地面設(shè)備、車站和控制中心組成的控制系統(tǒng)完成列車運(yùn)行控制。A TC 系統(tǒng)包括三個(gè)子系統(tǒng):列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(A TS) ,列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(A TP) 和列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(A TO) 。
A TS 子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)督、引導(dǎo)列車按預(yù)定的時(shí)刻表運(yùn)行,保證地鐵運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它通過(guò)轉(zhuǎn)換道岔建立發(fā)車進(jìn)路,并向列車提供由控制中心傳來(lái)的監(jiān)督命令。
A TP 子系統(tǒng)具有超速防護(hù)、零速度檢測(cè)和車門限制等功能。A TP 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(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行。在打開(kāi)車門前,A TP 先檢查各種允許打開(kāi)車門的條件,檢查通過(guò)后,才允許打開(kāi)車門。
A TO 子系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整車速,并能進(jìn)行站內(nèi)定點(diǎn)停車,使列車平穩(wěn)地停在車站的正確位置。
A TO 從A TS 處得到列車運(yùn)行任務(wù)命令。其信息是通過(guò)軌道電路或軌旁通信器傳送到列車上的。信息經(jīng)過(guò)處理后傳給A TO ,并顯示相關(guān)信息。A TO 獲得有用信息后,結(jié)合線路情況開(kāi)始計(jì)算運(yùn)行速度,得出控制量,并執(zhí)行控制命令,同時(shí)顯示有關(guān)信息。到站后,開(kāi)門條件允許后,A TO 打開(kāi)車門。停站期間,列車通過(guò)車-地通信系統(tǒng)把列車信息傳送給地面通信器,然后傳到A TS。A TS 根據(jù)列車信息,把運(yùn)行信息傳給車載A TO 。A TO 的工作原理圖如圖1 。
圖1 ATO 工作原理圖
2 A TO 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)比較
20 世紀(jì)90 年代初,北京地鐵1 號(hào)線部分列車安裝了英國(guó)Westinghouse 公司的A TO 設(shè)備(未使用); 上海地鐵1 號(hào)線的A TO 設(shè)備則是從美國(guó)GRS 公司引進(jìn)的,并于1996 年11 月開(kāi)始在全線試用。廣州地鐵1 號(hào)線引進(jìn)的是德國(guó)Siemens 公司的A TO 設(shè)備,在1999 年6 月正式運(yùn)營(yíng)。由于他們的A TO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)不盡相同,因此有必要對(duì)不相同的地方進(jìn)行比較(主要是A TO 設(shè)備、A TO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道和控制策略),然后分析各種設(shè)計(jì)的特點(diǎn),以利于A TO 的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。
2. 1 北京地鐵1 號(hào)線A TO 系統(tǒng)
1. A TO 設(shè)備
車載設(shè)備: 由設(shè)在列車每一端司機(jī)室內(nèi)的A TO 控制器及安裝在列車每一端司機(jī)室車體下的兩個(gè)A TO 接收天線和兩個(gè)A TO 發(fā)送天線組成。
地面設(shè)備:在各車站設(shè)備室內(nèi)設(shè)有站臺(tái)A TO 通信器PAC(Platform A TO Communicator) 。PAC 內(nèi)存有至下兩個(gè)車站的線路信息,并通過(guò)與L PU 或RTU 接口,得到來(lái)自A TS 子系統(tǒng)的控制命令。在各車站上下行站臺(tái)以及進(jìn)行A TO 折返的折返線處軌道上,設(shè)有Xd 或X2 環(huán)路及Rd 環(huán)路。列車在車站停車期間,經(jīng)聯(lián)鎖電路及軌道電路的有關(guān)條件控制向室外環(huán)路發(fā)送。
2. A TO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道
在A TO 數(shù)據(jù)獲取的過(guò)程中,車載A TP 接收安全信息。安全信息由列車當(dāng)前運(yùn)行區(qū)段的AF 900 軌道電路傳送,采用低頻脈沖調(diào)幅方式,有8 種不同的調(diào)制頻率,6 種用于A TP 速度命令,2 種用于門控命令。另外,車載TWC 系統(tǒng)接收地面TWC 信息。該信息一般是非安全控制功能數(shù)據(jù), 諸如運(yùn)行等級(jí)、列車號(hào)、目的地和跳停等。該信息采用FSK 調(diào)制方式,通過(guò)地面TWC 設(shè)備向列車發(fā)送。最后,車載A TO 接收來(lái)自車載A TP 、TWC 的信息和標(biāo)志線圈的信息。
3. 控制策略
速度調(diào)節(jié): A TO 根據(jù)從A TP 中獲取的MSS 和TS , 計(jì)算列車運(yùn)行速度曲線。該曲線比較簡(jiǎn)單, 主要計(jì)算加速轉(zhuǎn)勻速、勻速轉(zhuǎn)制動(dòng)的位置點(diǎn),以保證列車運(yùn)行時(shí)不超過(guò)MSS , 并且在每個(gè)軌道電路區(qū)段目標(biāo)距離處速度不超過(guò)目標(biāo)速度。控制器根據(jù)線路的情況自動(dòng)控制列車的牽引及制動(dòng)輸出,盡量使列車按運(yùn)行速度曲線的速度來(lái)運(yùn)行。當(dāng)列車速度超過(guò)目標(biāo)速度時(shí),A TP 設(shè)備報(bào)警;當(dāng)超過(guò)最大允許速度時(shí),A TP 實(shí)施緊急制動(dòng)。
車站停車: 在車站的定位停車是通過(guò)X2 和Xd 環(huán)路實(shí)現(xiàn)的。列車進(jìn)入車站X2 環(huán)路范圍后, 通過(guò)地-車之間的感應(yīng),得出距停車點(diǎn)的距離,進(jìn)行第一次位置調(diào)整,并使速度盡量貼近預(yù)置的停車速度曲線。在Xd 環(huán)路處,進(jìn)行第二次也是最后一次位置調(diào)整。若需要對(duì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)整,A TS 將給出控制命令,如惰行控制、扣車、下一車站通過(guò)等命令, 由A TO 執(zhí)行。
2. 2 上海地鐵1 號(hào)線A TO 系統(tǒng)[3 ]
1. A TO 設(shè)備
車載設(shè)備:主要包括A TO 主控制器,以及車底的A TP/ TWC 接收線圈、TWC 發(fā)送天線( TWC 為車-地通信子系統(tǒng)) 、對(duì)位天線、標(biāo)志線圈。
地面設(shè)備:包括每個(gè)車站A TC 設(shè)備室內(nèi)的車站停車模塊以及沿每個(gè)站臺(tái)布置的一組地面標(biāo)志線圈。
2. A TO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道
在A TO 數(shù)據(jù)獲取的過(guò)程中,車載A TP 接收安全信息。安全信息由列車當(dāng)前運(yùn)行區(qū)段的AF 900 軌道電路傳送,采用低頻脈沖調(diào)幅方式,有8 種不同的調(diào)制頻率,6 種用于A TP 速度命令,2 種用于門控命令。另外,車載TWC 系統(tǒng)接收地面TWC 信息。該信息一般是非安全控制功能數(shù)據(jù), 諸如運(yùn)行等級(jí)、列車號(hào)、目的地和跳停等。該信息采用FSK 調(diào)制方式,通過(guò)地面TWC 設(shè)備向列車發(fā)送。最后,車載A TO 接收來(lái)自車載A TP 、TWC 的信息和標(biāo)志線圈的信息。
3. 控制策略
速度調(diào)節(jié):A TO 與A TP 配合調(diào)節(jié)速度。A TP 共設(shè)6 個(gè)速度命令,即20 、30 、45 、55 、65 、80 km/ h 。A TC 系統(tǒng)具有4 個(gè)A TS 運(yùn)行等級(jí),對(duì)應(yīng)于A TP 的各個(gè)速度命令有相應(yīng)的修正速度。參考速度就是接收到的A TP 速度命令、A TS 運(yùn)行等級(jí)的修正速度及定點(diǎn)停車速度曲線三者中最小的速度。A TO 根據(jù)軌旁接收的運(yùn)行等級(jí)信息獲得運(yùn)行速度信息, 并調(diào)節(jié)車速、加速度和程序減速度,以符合所接收的運(yùn)行等級(jí)。在檢出限制速度變低并在正常的制動(dòng)條件下,如果車速大于現(xiàn)在新的速度命令,則以制動(dòng)減速度0. 97 m/ s2 啟動(dòng)常用制動(dòng)。A TO 子系統(tǒng)利用閉環(huán)反饋技術(shù)進(jìn)行調(diào)速,即將實(shí)際車速與參考速度之差作為誤差控制量。通過(guò)牽引/ 制動(dòng)線對(duì)列車實(shí)施一定的牽引力或制動(dòng)力,使誤差控制量為零。
車站停車:車載ATO 系統(tǒng)將修正程序停車曲線,以符合所接受的運(yùn)行等級(jí)。精確的車站停車是通過(guò)應(yīng)用軌道電路ID 和邊界的轉(zhuǎn)換以及車站的環(huán)線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用軌道電路的ID 來(lái)確定正確的停車曲線的起點(diǎn)。列車經(jīng)過(guò)站外350 m 處的第一對(duì)地面標(biāo)志器時(shí),定點(diǎn)停車曲線便由此啟動(dòng)。定點(diǎn)停車曲線是建立在一個(gè)固定減速率基礎(chǔ)上的。當(dāng)ATS 速度與定點(diǎn)停車曲線速度相同時(shí),列車轉(zhuǎn)入定點(diǎn)停車控制模式。列車經(jīng)過(guò)150 m 、25 m 處的地面標(biāo)志器時(shí),它離開(kāi)最后停車點(diǎn)的距離信息被不斷更新。列車經(jīng)過(guò)8 m 處的有源地面標(biāo)志器上方,并收到由該標(biāo)志器發(fā)送的信號(hào),列車即刻轉(zhuǎn)為定位停車模式,實(shí)施全常用制動(dòng),將車停住。車輛對(duì)位天線與地面對(duì)位天線對(duì)齊。
運(yùn)行時(shí)間的調(diào)整:主要是通過(guò)選擇不同的運(yùn)行等級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。惰行模式已經(jīng)包含在運(yùn)行等級(jí)中。
運(yùn)行模式的改變:ATC 系統(tǒng)的邏輯要求是必須在列車停下時(shí)才可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換,否則將導(dǎo)致一次緊急制動(dòng)。
2. 3 廣州地鐵1 號(hào)線ATO 系統(tǒng)[4 ]
1. ATO 設(shè)備車載設(shè)備:主要包括ATC 設(shè)備機(jī)架、速度表、
控制臺(tái)、ATP 接收天線、PTI 發(fā)送天線。地面設(shè)備:包括車站交叉環(huán)線和PTI 環(huán)線。
2. ATO 需求數(shù)據(jù)與傳輸通道
由于廣州地鐵采用FTGS 數(shù)字頻率軌道電路, 因此能傳送報(bào)文信息。地面?zhèn)魉徒o列車的數(shù)據(jù)全部經(jīng)軌道電路由車載ATP 接收。ATO 需要的信息主要通過(guò)車載ATP 獲得。包括經(jīng)ATP 處理過(guò)的信息(實(shí)際速度、運(yùn)行方向、實(shí)際位置、列車長(zhǎng)度、限速命令、制動(dòng)減速度,附加信息:下一區(qū)段精調(diào)、停車位置、車站停車),以及ATS 經(jīng)過(guò)ATP 傳給ATO 的信息(門控、到下一站的時(shí)間、車站號(hào)、車次號(hào)、目的地號(hào)、軌道電路號(hào)) 。報(bào)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(huán)發(fā)送的。
3. 控制策略
速度調(diào)節(jié):ATO 接收到來(lái)自ATP 的帶四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)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(diǎn)、終點(diǎn)、速度值),計(jì)算列車要求的運(yùn)行速度。ATO 按照時(shí)刻表和運(yùn)行需要提供三種模式曲線:最大允許曲線,常規(guī)速度曲線(較最大速度曲線下降10 %) ,節(jié)能速度曲線(較最大速度曲線下降20 %) ;然后根據(jù)各種線路情況、車輛信息,計(jì)算所需牽引力或制動(dòng)力,使列車到達(dá)要求速度。列車設(shè)定了最大加速率,以便列車平穩(wěn)運(yùn)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(diǎn)。當(dāng)超過(guò)警告曲線,則報(bào)警。
車站停車:車站內(nèi)的位置調(diào)整點(diǎn)由多交叉的環(huán)路提供,如圖2。環(huán)路的頭和尾是所謂的環(huán)路邊界。相對(duì)應(yīng)地車站中間的環(huán)線交叉是用來(lái)確定距離的,一般的距離是6 個(gè)枕木間距。另外還定義一些粗調(diào)點(diǎn),它們間的距離減至3 個(gè)枕木間距且四個(gè)一組。
圖2 定點(diǎn)停車交叉環(huán)線
ATP 車載設(shè)備能接收到這些交叉點(diǎn),并把每個(gè)交叉點(diǎn)的處理信號(hào)傳給ATO 。ATO 計(jì)算每個(gè)交叉點(diǎn)間的距離。粗調(diào)點(diǎn)只有在期望的位置窗口內(nèi)才能被識(shí)別到。假如識(shí)別到粗調(diào)點(diǎn),則下一個(gè)交叉點(diǎn)便可用作位置同步。這些交叉點(diǎn)的位置已預(yù)設(shè)在ATO 中。
巡航/ 惰行是ATO 的一項(xiàng)輔加功能。時(shí)間充裕的話,可以采用巡航/ 惰行來(lái)調(diào)整運(yùn)行時(shí)間,節(jié)省能源。
正線上改變運(yùn)行模式:在列車運(yùn)行中的任一時(shí)刻,司機(jī)可以通過(guò)移動(dòng)操縱桿使之脫離零位,從而進(jìn)行人工駕駛。在任何時(shí)候和任何駕駛階段, ATO 給出可以進(jìn)行ATO 駕駛的顯示,司機(jī)通過(guò)移動(dòng)操作桿,使之進(jìn)入零位置并貝壓ATO 啟動(dòng)鍵, 列車的運(yùn)行模式變?yōu)锳TO 模式。
2. 4 系統(tǒng)分析比較
以上三套系統(tǒng)中,以廣州地鐵1 號(hào)線ATO 系統(tǒng)運(yùn)行效果最好,上海地鐵1 號(hào)線ATO 系統(tǒng)次之。經(jīng)過(guò)以上的分析比較發(fā)現(xiàn):
從信息獲取的角度來(lái)講,北京采用車站ATO 通信器,ATO 只在站內(nèi)獲得信息,信息的實(shí)時(shí)性較差;上海地鐵1 號(hào)線通過(guò)軌道電路和軌旁TWC , 廣州地鐵1 號(hào)線通過(guò)軌道電路,均使ATO 在運(yùn)行時(shí)仍能接收最新信息。
從ATP 限速模式來(lái)講,北京地鐵1 號(hào)線與上海地鐵1 號(hào)線采用分級(jí)速度控制模式;廣州地鐵1 號(hào)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(wěn)。
從停車方式來(lái)講,北京地鐵1 號(hào)線與上海地鐵1 號(hào)線采用的是點(diǎn)式模式,在固定位置處有相應(yīng)的線圈;廣州地鐵1 號(hào)線則采用連續(xù)模式,在站內(nèi)鋪設(shè)連續(xù)交叉環(huán)線,在定點(diǎn)調(diào)整距離的基礎(chǔ)上,還能通過(guò)交叉環(huán)線脈沖跟蹤列車的位置。
從運(yùn)行時(shí)間調(diào)整來(lái)說(shuō),北京地鐵1 號(hào)線ATO 根據(jù)ATS 在車站給出的惰行命令來(lái)調(diào)整,ATO 設(shè)備本身只是根據(jù)各種速度命令來(lái)執(zhí)行操作;上海地鐵1 號(hào)線ATO 則是通過(guò)ATS 由軌旁設(shè)備給出運(yùn)行等級(jí)命令,按相應(yīng)的速度運(yùn)行來(lái)調(diào)整運(yùn)行時(shí)間; 廣州地鐵1 號(hào)線ATO 能計(jì)算所要采用的運(yùn)行等級(jí),以便選用不同的牽引百分比實(shí)施控制,來(lái)調(diào)整運(yùn)行時(shí)間。廣州地鐵1 號(hào)線ATO 還能計(jì)算惰行模式牽引力的切除點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行。相對(duì)來(lái)說(shuō), 廣州地鐵1 號(hào)線ATO 對(duì)準(zhǔn)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行時(shí)間的調(diào)整都比較靈活。
3 ATO 系統(tǒng)車載設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化研究
通過(guò)分析比較,對(duì)國(guó)產(chǎn)化ATO 的設(shè)計(jì)要求如下:信息可通過(guò)軌道電路以報(bào)文的形式發(fā)送;限速模式可采用模式曲線方式;停車設(shè)備可采用鋪設(shè)連續(xù)交叉環(huán)線;時(shí)間的調(diào)整要求能實(shí)時(shí)計(jì)算。
3. 1 工作原理
以廣州地鐵1 號(hào)線ATO 系統(tǒng)為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)際情況,開(kāi)發(fā)ATO 系統(tǒng)車載設(shè)備。ATO 從ATS 處得到列車運(yùn)行任務(wù)命令。該信息是與地面線路信息一起組成報(bào)文,通過(guò)軌道電路傳送的,由車載ATP 統(tǒng)一接收。ATP 將經(jīng)過(guò)處理的對(duì)ATO 有用的信息傳給ATO , 并顯示相關(guān)信息,且不斷地監(jiān)視ATO 的工作。ATO 獲得有用信息后,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行速度和ATP 的最大允許速度,計(jì)算運(yùn)行速度,得出控制量并執(zhí)行控制命令。巡航/ 惰行模塊由獨(dú)立的控制器來(lái)輔助完成。到站后,ATO 通過(guò)PTI(車地通信發(fā)送天線) 向地面發(fā)送列車信息,并傳到ATS , 以便識(shí)別列車的位置。ATS 根據(jù)此列車信息確定列車的新任務(wù)后再次通過(guò)軌道電路傳送給ATO 。在區(qū)間運(yùn)行時(shí),每進(jìn)入新的軌道區(qū)段,ATO 便接收新的地面信息,以便進(jìn)行速度調(diào)整。在運(yùn)行過(guò)程符合ATO 條件時(shí),允許靈活地切換到ATO 模式。
3. 2 ATO 車載設(shè)備的設(shè)計(jì)
ATO 車載設(shè)備是ATO 系統(tǒng)的核心部分,是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。以下分析一下ATO 車載設(shè)備的接口。ATO 的車載設(shè)備接口如圖3。其中CCU 為中央控制單元,通過(guò)總線控制著ATO 、ATP 、顯示器間的數(shù)據(jù)通信; L1 、L2 為與ATO 接口的顯示燈; ATO 與ATP 間有多根信號(hào)線直接連接,包括系統(tǒng)激勵(lì)線、ATO 允許等等;E1 到E10 為與ATP 接口的開(kāi)關(guān)、按鈕或顯示燈,包括司機(jī)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(fā)送天線。
圖3 ATP 車載設(shè)備接口
以上對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的地鐵列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行了分析比較,并對(duì)列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)車載設(shè)備設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)化工作略作介紹。相信不久,我國(guó)便能擁有自主開(kāi)發(fā)的列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。
參 考 文 獻(xiàn)
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