系统的组成及功能

任务2　ATC系统的组成及功能

【场景设计】

在多媒体教室展示城市轨道交通ATC系统的视频资料或图片（有条件的可在城市轨道交通控制中心、正线车站控制室或模拟仿真实训室进行现场教学）。

【知识准备】

随着我国经济的快速发展，我国逐步进入了城市化和机动化的快速发展阶段。城市轨道交通由于具有快速、高效、运量大、低污染的优点，已经成为我国各大城市解决交通问题的首选，我国城市轨道交通的形式主要有地铁、轻轨、磁悬浮、城市快速铁路等，日益显现快捷化、城际化、重载化的特点，形成多元化发展趋势。我国依靠自己的力量，积极借鉴国外先进技术，采用数字信号处理技术、计算机网络、通信技术等先进发展技术，克服了传统信号系统中的弊端，从基础设备和设备系统功能方面大幅提高了信号设备的技术装备水平，地铁车站示例如图7.5所示。

图7.5　地铁车站

一、列车控制系统概述

传统的铁路信号系统主要依赖于地面信号的显示控制，由司机瞭望确认地面信号显示行车。在这种制式下，行车安全受线路条件、恶劣天气的影响较大，而且，随着列车运行速度的提高、行车间隔的缩短，只凭司机瞭望地面信号显示行车已不能保证安全，逐渐发展了由列车自动控制速度的列车自动控制系统ATC。列车自动控制系统ATC是列车根据线路情况，系统设备对列车速度、运行状态进行监督控制的总称。系统设备包含车载设备和地面设备两大部分。地面设备通过适当的方式提供列车控制所需的数据信息，车载设备则对收到的数据进行分析判断，监控列车的运行，保证行车安全。ATC列控系统改变了传统的控车模式，有人工驾驶和设备自动运行两种控制方式，可实现列车自动控制和超速防护。

目前，我国轨道交通采用的ATC系统主要有三种：

①点式ATC系统（不含ATO子系统）。

②准移动闭塞。

③基于无线的移动闭塞。

目前，随着城轨交通信号系统控制技术的发展，我国引进基于通信技术的列车控制技术（CBTC），特点是：不依赖于轨道电路的列车定位技术、连续的、大容量的列车——轨旁双向数据通信技术。CBTC系统一般提供三种列车控制等级：CBTC、点式ATP、人工模式。在CBTC控制等级下，列车位置的检测不采用轨道电路或计轴设备，其他两种控制等级下则需要利用轨道电路或计轴设备检测列车位置信息。

二、轨道交通ATC系统组成

列车自动控制ATC是轨道交通信号系统的重要组成部分。ATC系统的技术含量高，集成了信息、控制、通信、计算机等多学科的成果。ATC系统能最大限度地保证行车安全、提高线路通过能力，实现了列车运行控制自动化。

列车自动控制（ATC）系统包含三个子系统：列车自动防护（Automatic Train Protection，简称ATP）、列车自动运行（Automatic Train Operation，简称ATO）、列车自动监控（Automatic Train Supervision，简称ATS）。

ATC设备按处所不同可划分为：控制中心设备、车站及轨旁设备、车载设备、车辆段及停车场设备。

三、轨道交通ATC各子系统功能

1.ATP子系统

目前，我国轨道交通中采用的有点式ATP、连续式ATP。ATP设备主要由车载设备、轨旁和车站设备组成，监督列车在安全速度下运行，列车一旦超速，则实行制动。ATP系统实现的功能主要有：

（1）列车运行速度监督和超速防护

根据列车特性、轨道线路工程数据等确定列车最大允许速度、区段最大允许速度、区段永久限速、区段临时限速等参数。列车在实际的运行环境（如前行列车、临时限速等）和列车运行模式（人工驾驶限速运行模式和ATO运行模式）下，列车的ATP系统始终严密监督在任何条件下（包括故障），实际速度都不会超过安全行驶速度，当列车运行速度超过一定值时，ATP系统先提出告警，然后产生紧急制动命令。

（2）列车追踪间隔监督

如果车载设备运转良好，连续通信正常，信号系统可对这些列车进行安全列车间隔控制。信号系统将位置测定在前方列车尾部后面的安全距离外方为停车点，控制列车运行间隔，避免两列车相撞。当相应停车点的制动曲线被侵犯时，ATP将产生紧急制动命令。

（3）车门监督

ATP车载设备对车门进行检测，防止列车在站外开门、在站内打开非站台侧车门、以及在开门的状态下启动列车运行等情况发生。

（4）轨道终点防护

轨道终点防护使列车在接近轨道终点时停止运行。轨道终点防护属于超速防护功能的一部分，通常是在停车点的前方设置有一段防护区段，制动曲线的起点是防护区段的入口，与超速防护功能相互配合，使列车在停车点前方停车，防止列车超越轨道终点。

（5）紧急制动实施

当列车出现超速、移动授权丢失、列车完整性丢失、列车停止后移动等情况时，列车紧急制动系统能使列车在停车距离内停车。紧急制动一经实施，在列车完全停车前不会缓解，确保列车的安全，符合故障—安全原则。

紧急情况下，可以通过操作站台处的紧急停车按钮，产生紧急制动命令。

（6）根据用户要求设置前溜、后溜及停车过位后退的防护

①前溜防护，列车在站台区域停车时，如果车载设备检测到列车在没有命令的情况下，向列车正常行驶方向移动一定距离，则启动紧急制动命令。

②后溜防护，信号系统对列车的实际运行方向进行监控，如列车反方向运动超过额定距离，则启动紧急制动命令。

③停车过位后退防护，列车停车误差大于设计值时，允许人工驾驶向后倒车以恢复停车精度。ATP监控列车反向移动的过程，如倒车速度、次数和最大的倒车移动距离超过设计值，则启动紧急制动命令。

（7）列车位置/速度测定、测速和测距

对于CBTC装备列车，信号系统自动检测列车位置、速度和运行方向，测定补充修正不准确的列车位置/速度并满足要求的精度。

信号系统通过安装在车轴上的速度传感器和司机室内的加速度计输入数据的一致性进行速度监督检测并记录，并对出现空转和打滑情况进行校正，消除车辆的速度和位置误差。利用安装在轨道上的应答器，用于自动计算轮径，进行轮径确认及磨损补偿。

2.ATO子系统

设备组成：ATO子系统由车载设备和轨旁设备组成。ATO子系统是自动控制列车运行的设备。在ATP和联锁子系统的安全保护下，根据ATS子系统的指令，实现列车自动驾驶运行、列车区间运行速度自动调整，确保达到要求的设计间隔和旅行速度。实现的功能主要有：

①实现列车在车站、区间正方向、出入段/场线、折返线等自动追踪运行、精确停车和折返作业，控制列车按运行图的规定行车，自动完成对列车的启动、加速、巡航、惰行、减速和目标停车的合理控制，确保达到设计间隔及旅行速度。

②ATO子系统具有自诊断功能，记录和分析自检测、故障报警信息，并将报警信息通过ATO车载设备传至中央ATS和信号维护监测子系统，以便ATS子系统能对在线列车进行监控。

③在ATP子系统监督下，ATO子系统发送开/关车门的命令，自动对车门进行控制，也可由司机手动打开正确运行方向一侧的车门。

④ATO子系统与ATS子系统、ATP子系统结合，高效、经济、合理地控制列车的牵引和制动，一次性制动至目标停车点，实现站台定点停车、舒适度控制和达到节能要求。

⑤实现列车在区间临时停车后的自动启动（需人工按压发车按钮）。

⑥与ATS子系统和ATP结合子系统，实现列车自动驾驶、有人或无人驾驶。

3.ATS子系统

ATS系统由控制中心、车站、车辆段设备以及车载设备组成。ATS系统在ATP系统的支持下完成对所有在线运行列车进行监督和控制。实现以下基本功能：

①全线列车监督。通过控制中心列车监控系统，在ATP子系统的支持下，监视并显示实际运营列车的位置，实现对正线所有列车的自动管理和监控。根据轨旁及车载ATP提供的轨道占用状态、进路状态、列车运行状态及信号设备故障，控制和监督列车运行的基础信息。

②运行图调整，间隔调整。根据联锁表、计划运行图及DCS子系统的列车位置报告，设置列车进路，自动调节列车走行时间和站停时间，控制发车时间，维持时刻表和运行间隔。

③列车识别号生成、跟踪、传递、显示。每列车与一个列车车次号相关联，系统能自动完成正线区段内列车识别号（服务号、目的地号、车体号）跟踪，列车识别号可由中央ATS自动生成或调度员人工设定、修改，也可由列车经车—地通信向ATS发送识别号等信息。

④运行性能监督。根据时刻表添加列车，连续监视每辆列车的运行，并且在列车按计划移除预期结束的运营列车。通常ATS无需操作人员的参与自动执行其功能。ATS用户控制请求优先于ATS自动控制请求。

⑤通过人工操作控制，对所有或其中一列到站列车进行设置或解除扣车、设置或解除限速、使用区域控制器临时关闭/开放某一区域。

⑥ATS子系统收到区域控制器和车载控制器的运行状况信息后，协同其他子系统对出现的问题作出远程判断，解决故障。

⑦ATS系统中的所有计算机都具有自检测试功能，启动时自检是否正常；供电故障时关闭命令；电源恢复时自动重启并运行系统软件。主设备热备冗余，且相互隔离以保护非正常操作对系统的影响。发生故障时，主用自动无扰切换到备用设备工作，并报警。

⑧和通信无线、广播、旅客向导系统接口，并提供必要的信息。

四、轨道交通ATC系统控制模式简介

ATC系统支持线路上车辆的混跑，即所有车载、地面、控制中心设备正常时按列车自动运行，当任一种设备出现故障时，则需按降级模式行车。因此，ATC系统考虑了多种控制模式和驾驶模式，保障不同情况下运营的需要。图7.6为控制中心大屏幕显示。

1.列车控制系统概述

ATC系统的控制模式主要包括：控制中心自动监控模式、控制中心人工介入控制模式、现地工作站自动控制模式、现地工作站人工介入控制模式。优先级别是：现地工作站控制权优先于控制中心，人工介入控制权优先于自动控制。

图7.6　控制中心大屏幕显示

（1）控制中心自动监控模式

正常情况下ATS系统自动监控所有在线列车的运行，自动向联锁设备下达列车进路命令，列车在ATP的安全保护下按规定的运行图时刻表运行。控制中心行车调度员监督列车和设备的运行状况。控制中心调度员可人工干预列车运行自动调整系统。中心自动模式是正常的运行模式。

（2）控制中心人工介入控制模式

调度员可通过控制中心工作站发出有关行车命令，对全线列车运行进行人工干预。控制中心调度员调整列车运行计划包括关闭自动进路设定，改变列车进路，对列车实施“扣车”“终止站停”“增减列车”等。

车辆段调度员根据当日车辆运用计划设置相应进路，并上传至控制中心，以满足列车出入段作业要求。

（3）冗余自动模式

在正线上的某个站，设置有和控制中心相同的ATS设备。当控制中心ATS或通信中断，系统无扰切换至某站设置的ATS主机服务器和通信服务器控制全线。某站的ATS设备根据时刻表，完成利用本地工作站来控制全线的工作（和控制中心调度员工作站功能一样）。在紧急情况下，车站调度员退出登录，使用一个授权用户名/密码以中央调度员身份登录成功后，才能进行全线控制（并不仅仅是本联锁区），执行与中心ATS调度员同样的操作。当紧急情况恢复后，车站调度员将权限交还中心调度员。

（4）现地工作站自动控制模式

一般情况下，ATS车站工作站监视本联锁区内列车的移动，而不需要控制本联锁区域。联锁区的ATS车站工作站是带有本地控制工作站（LCW）功能的组合工作站，称为现地工作站。ATS与LCW接口不同。现地工作站自动控制模式是控制中心自动控制的后备模式。现地工作站设置在设备集中站的本地调度室内。该工作站有两个任务：在正常运营条件下，该工作站可实现车站ATS工作站的功能；在降级运营模式下，当控制中心设备故障或通信中断时，控制中心无法通过远程网络对联锁车站进行控制，则必须启用现地工作站后备模式。

正常运营时，现地工作站实现车站和中央两级控制权的转换。在中央ATS设备故障或经车站值班员申请，中央调度员同意放权后，可由车站现地控制。取得授权后，现地工作站实现对本地联锁区域的控制功能。当控制权转到车站ATS工作站时，中心ATS工作站仍继续接收指示，更新显示和收集数据。

设备恢复正常后，ATS车站工作站将控制权交还给中央ATS工作站。

（5）现地工作站人工模式

在正常情况下，中心ATS调度员可以将一个集中站的人工控制权（例如：进路控制）转交给该站的ATS车站工作站。同样，车站ATS调度员也可以不经中心ATS调度员许可的情况下取得一个车站的控制权。当车站在车站人工运行模式下运行时，中心ATS调度员将被限制控制车站的能力，但是，中心ATS系统可以持续接收指示，更新显示并收集数据。

当中心和车站ATS都不可用情况下，启用现地工作站人工模式。本地人工模式通过联锁本地操作工作站（不是ATS车站工作站）来实现，不需要ATS系统授权和确认。本地人工模式控制只局限于控制该联锁区域，本地工作站上的显示随当前的状态更新。在现地控制模式下，控制中心行车调度员通过通信调度系统与列车驾驶员、车站值班员保持联系。

（6）车场控制模式

列车出入场和场内的作业由场值班员根据用车计划，直接排列进路。车场与正线之间设置转换轨，出入场线与正线间采用联锁照查逻辑电路保证行车安全。

2.列车驾驶模式

列车在正线上运行时，常用驾驶模式主要有ATO自动驾驶模式和ATP监督下的人工驾驶模式，限制人工驾驶和非限制人工驾驶模式均为非常用模式。列车在折返线上作业时，主要有无人自动折返、有人自动折返等驾驶模式，驾驶台示例如图7.7所示。

图7.7　驾驶台示例

（1）ATO自动驾驶模式（AM）

列车启动后，在ATP设备安全保护下，在ATO和ATS控制下，列车自动控制加速、巡航、惰行、制动，并控制列车在车站的停车位置，司机仅需监督ATP/ATO车载设备运行状况，必要时人工介入；列车司机或ATO子系统开关车门和屏蔽门；当列车发车时，司机按发车按钮启动自动驾驶。

（2）ATP监督下的人工驾驶模式（ATPM）

列车启动后，车载ATP设备根据地面提供的信息，自动生成连续监督列车运行的一次速度模式曲线，实时监督列车运行。司机根据驾驶室ATP显示的速度信息驾驶列车，当列车运行速度接近限制速度时，提出报警；当列车运行速度超过限制速度时，ATP车载设备将对列车实施制动。

（3）点式列车驾驶模式（IATP）

列车从信号机处的动态信标获取信息，在ATP监督下安全运行。ATP提供强制超速防护功能。

（4）限制人工驾驶模式（RM）

该模式是降级驾驶模式，列车运行受最高限速制约。司机以不超过车载ATP的限制速度，按照轨旁信号显示行车，列车运行安全由司机负责，当列车超过该限制速度时，ATP车载设备则对列车实施制动。

（5）非限制人工驾驶模式（NRM）

在车载ATP设备故障状态下运用，ATP丧失对列车运行的监控作用。由司机、调度员、车站值班员共同负责列车运行安全。

（6）列车折返模式

①无人自动折返。当列车抵达折返站时，在ATO模式下，司机按下“折返”按钮后下车。然后，司机按下安装在站台的“启动无人自动折返”按钮。列车到达折返线后，在无司机参与的情况下使列车开到首车站，列车的控制将从主用设备切换到备用设备。

②有人自动折返。当列车到达折返站，关闭车门及屏蔽门。在ATO模式下，当司机按下“发车”按钮，列车驶入折返线并停车。司机走到列车另一端的司机室转换驾驶端和启动车载设备，将驾驶模式切换到ATO模式并再次按下发车按钮，在ATO模式下将列车驶到首车站。

【任务实施】

1.布置任务（认知城市轨道交通ATC系统构成及各子系统的功能，认知城市轨道交通信号系统控制模式和列车驾驶模式的特点），明确目标；发放相关学习资料和引导文。

2.学生分组（6～8人一组），按照任务分工设定学习目标，制订小组学习计划。

3.小组通过查阅城市轨道交通信号系统的有关资料，结合教材及教学资料、图片等资源，根据引导文规定的内容进行学习、讨论，能认知城市轨道交通ATC系统构成及各子系统的功能，能分析城市轨道交通信号系统控制模式和列车驾驶模式的特点。

4.完成学习之后，小组内进行学习交流（注意记录交流合作的过程与收获）。小组选派代表，交流汇报本任务的完成情况。

5.小组间进行互评，教师进行评价。

6.完成规定的自评、互评表等文件并汇总上交。

【思考题】

1.列车自动控制（ATC）系统包含哪几个子系统？

2.ATP子系统实现的功能主要有哪些？

3.ATS子系统实现的功能主要有哪些？

4.ATO子系统实现的功能主要有哪些？

5.ATC系统的控制模式主要有哪几种？

6.简述列车驾驶模式类型。