對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)高效率、高密度的要求來說,列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）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)（ATO）能模擬有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)完成駕駛列車的任務(wù)。ATO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。

　　許多國家都在研究ATO系統(tǒng),且取得了一定的成績。我國在此項(xiàng)技術(shù)上尚屬空白。本文將對(duì)比分析三套ATO系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)。

1　ATC與ATO簡介

　　ATC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。ATC系統(tǒng)包括三個(gè)子系統(tǒng):列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）,列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)（ATP）和列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）。

　　ATS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的監(jiān)督命令。

　　ATP子系統(tǒng)具有超速防護(hù)、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(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)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(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。

　　ATO從ATS處得到列車運(yùn)行任務(wù)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(jīng)過處理后傳給ATO,并顯示相關(guān)信息。ATO獲得有用信息后,結(jié)合線路情況開始計(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(tǒng)把列車信息傳送給地面通信器,然后傳到ATS。ATS根據(jù)列車信息,把運(yùn)行信息傳給車載ATO。ATO的工作原理圖如圖1。

圖1　ATO工作原理圖

2　ATO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Westinghouse公司的ATO設(shè)備（未使用）;上海地鐵1號(hào)線的ATO設(shè)備則是從美國 GRS公司引進(jìn)的,并于1996年11月開始在全線試用。廣州地鐵1號(hào)線引進(jìn)的是德國Siemens公司的ATO設(shè)備,在1999年6月正式運(yùn)營。由于他們的ATO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ATO設(shè)備、ATO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ATO的設(shè)備國產(chǎn)化。

　　2.1　北京地鐵1號(hào)線ATO系統(tǒng)

　　1.ATO設(shè)備

　　車載設(shè)備:由設(shè)在列車每一端司機(jī)室內(nèi)的ATO控制器及安裝在列車每一端司機(jī)室車體下的兩個(gè)ATO接收天線和兩個(gè)ATO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)ATO通信器PAC（PlatformATOCommunicator）。PAC內(nèi)存有至下兩個(gè)車站的線路信息, 并通過與LPU或RTU接口,得到來自ATS子系統(tǒng)的控制命令。在各車站上下行站臺(tái)以及進(jìn)行ATO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.ATO需求數(shù)據(jù)與傳輸通道

　　在ATO數(shù)據(jù)獲取的過程中,車載ATP接收安全信息。安全信息由列車當(dāng)前運(yùn)行區(qū)段的AF900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ATP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,通過地面TWC設(shè)備向列車發(fā)送。最后,車載ATO接收來自車載ATP、TWC的信息和標(biāo)志線圈的信息。

　　3.控制策略

　　速度調(diào)節(jié):ATO根據(jù)從ATP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)距離處速度不超過目標(biāo)速度?？刂破鞲鶕?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運(yùn)行。當(dāng)列車速度超過目標(biāo)速度時(shí),ATP設(shè)備報(bào)警;當(dāng)超過最大允許速度時(shí),ATP實(shí)施緊急制動(dòng)。

　　車站停車:在車站的定位停車是通過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,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(zhí)行。

　　2.2　上海地鐵1號(hào)線ATO系統(tǒng)[3]

　　1.ATO設(shè)備

　　車載設(shè)備:主要包括ATO主控制器,以及車底的ATP/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ATC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.ATO需求數(shù)據(jù)與傳輸通道

　　在ATO數(shù)據(jù)獲取的過程中,車載ATP接收安全信息。安全信息由列車當(dāng)前運(yùn)行區(qū)段的AF900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ATP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,通過地面TWC設(shè)備向列車發(fā)送。最后,車載ATO接收來自車載ATP、TWC的信息和標(biāo)志線圈的信息。

　　3.控制策略

　　速度調(diào)節(jié):ATO與ATP配合調(diào)節(jié)速度。ATP共設(shè)6個(gè)速度命令,即20、30、45、55、65、80km/h。ATC系統(tǒng)具有4個(gè)ATS運(yùn)行等級(jí),對(duì)應(yīng)于ATP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ATP速度命令、ATS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。 ATO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0.97m/s2啟動(dòng)常用制動(dòng)。ATO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應(yīng)用軌道電路ID和邊界的轉(zhuǎn)換以及車站的環(huán)線來實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用軌道電路的ID來確定正確的停車曲線的起點(diǎn)。列車經(jīng)過站外350m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150m、25m處的地面標(biāo)志器時(shí),它離開最后停車點(diǎn)的距離信息被不斷更新。列車經(jīng)過8m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:主要是通過選擇不同的運(yùn)行等級(jí)來實(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車載ATP獲得。包括經(jīng)ATP處理過的信息（實(shí)際速度、運(yùn)行方向、實(shí)際位置、列車長度、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)過以上的分析比較發(fā)現(xiàn):

　　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(nèi)獲得信息,信息的實(shí)時(shí)性較差;上海地鐵1號(hào)線通過軌道電路和軌旁TWC,廣州地鐵1號(hào)線通過軌道電路,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)整來說,北京地鐵1號(hào)線ATO根據(jù)ATS在車站給出的惰行命令來調(diào)整,ATO設(shè)備本身只是根據(jù)各種速度命令來執(zhí)行操作;上海地鐵1號(hào)線 ATO則是通過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)來說,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)備的國產(chǎn)化研究

　　通過分析比較,對(duì)國產(chǎn)化ATO的設(shè)計(jì)要求如下:信息可通過軌道電路以報(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,通過軌道電路傳送的,由車載ATP統(tǒng)一接收。ATP將經(jīng)過處理的對(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)立的控制器來輔助完成。到站后,ATO通過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)的國產(chǎn)化工作略作介紹。相信不久,我國便能擁有自主開發(fā)的列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。