§4－5 无线列车速度自动控制系统 在铁路信号技术的发展过程中，建立有效的、可靠的、多信息量的“地面－车上”联系一直是信号技术研究的一个方向。近几年来，无线通信技术与信息技术同步发展，为信号技术开辟了一条新的信息通道。 目前，一些国际著名大公司都在研究无线列车速度控制系统，并正在将其推向市场。其中比较有代表性的有：德国西门子公司的FZB系统、日本铁道综合技术研究所的CARAT系统、瑞典Adtranz公司的FFB系统，以及柏林一汉堡间磁悬浮高速铁路的控制系统。必须指出的是这些系统都是近年来刚刚研制成功的，运行经验十分贫乏，有的甚至尚未投入运行。

1．德国西门子公司研制的无线列车速度控制系统FZB 下图为柏林一莱比锡FZB试验段的运行命令传输原理图。在此试验段，仍然安装有反映线路空闲和占用的轨道电路（该区间使用计轴器），微机联锁设备根据轨道电路的现状及进路状况形成运行命令，传送给FZB，整个控制区间的线路及站场拓扑图已存放在FZB内，由FZB形成安全型电码，继续送至无线通信中心。 机车设备处于“等待”状态，随时准备接受电码，与LZB所不同的仅在于接口，即将LZB接口改为FZB接口。在机车上执行运行命令：显示出允许速度，监控允许速度以及列车直接由FZB控制。

所传输电码的内容基本上与采用轨间电缆的系统相同，即将列车前方路程中直至下一个目标点的全部有关信息以电码组合的形式传送至机车。  

2．日本铁道综合技术研究所的CARAT（Computer And Radio Aided Train）系统 列车配备有如图4－32所示的系统，该系统根据线路坡度和制动器性能等数据，监控列车行使速度，以防列车跑出允许地点，若超速时则自动减速。另外，还从列车上对道口和线路作业维修人员发出警报信号。

图4-31 CARAT系统的概念

图4-32 CARAT系统的车载设备

采用上述系统，可大幅度减少沿线信号设备。该系统的基本设备只有连接车上和地面系统之间的无线传输线路，这样，沿线大部分信号机及轨道电路等设备就不需要了。地面系统结构也十分简单，除无线电基地台外，就是与基地台1比1相对应的控制系统、道口管制装置以及调度中心系统等 几项关键技术 (1) 列车定位 ATC技术的一大特点是必须准确地实现列车定位。目前普遍的做法是列车自检位置，并将位置信息通过无线信号传给控制中心，从而实现从地面跟踪列车，从车上监测列车的安全运行速度。因此，列车定位信息是十分重要的信息，如果定位错误，其后果是十分严重的。

在CARAT系统中，列车定位是依赖于装在特定地点的地面传感器和车上传感器来实现的，地面传感器之间的列车走行距离依赖于车轮转数来获得。实验表明，此方案的定位误差小于5 m 。 (2) 无线传输 一般说来，无线传输比有线传输的质量和可靠性要差一些。CARAT系统研制的无线传输系统有以下特征： · 地面与车上之间的信息交换以1~3 s为周期，若在一定时间内接收不到正确信息，便自动转入安全控制。 · 采用故障—安全型的信息处理机。 · 将数码信息转换成密码后传输，以防止外部干扰。CARAT所用的频率是400 MHz，用空间波或漏泄电缆。

(3) 故障—安全型信息处理机 CARAT系统中的信息处理机采用32 bit的小型机，是一种时钟脉冲同步的硬件冗余电路，即在总线上对双机的数据进行比较。 (4) 运行试验 第一轮试验进行了2年，使用临时敷设的漏泄电缆，试验结果确认了无线传输、列车定位以及地面控制逻辑等基本性能。 第二轮试验在新干线的新泻和长冈之间60 km的区间上进行。历时3年的试验表明：无线系统的传输质量、列车定位以及列车的跟踪和控制性能均达到预期目标。

3. 瑞典Adtranz公司的FFB系统 瑞典Adtranz公司开发了一种新型的无线信号系统，与常规的信号系统有很大的不同，它取消了沿区间设置的信号机、轨道电路、列车速度控制设备等，并将联锁设备承担的保障安全任务实现转移。行车安全的任务将由智能化的机车与区间控制中心来承担，机车与地面上的道岔、道口以及与区间中心之间的通信通过无线信号来实现。 这种无线信号系统有3项主要任务： 1) 列车安全间隔； 2) 速度监控； 3) 进路上有关单元 (道岔、道口)的控制。

第一项任务由区间中心承担，后两项任务则由机车承担。 图4－33描述了一列车通过时的状态。一列车通过的过程如下： ①－ 当接收到正常表示时，制动曲线抬高； ②－ 当接收到正常表示时，制动曲线抬高； ③－ 来自危险点的状态表示（道口）； ④－ 来自危险点的状态表示（道岔）。

* 列车请求位于区间中心的进路计算机指派一条进路。 * 进路计算机根据列车位置的检测结果，确认将被指派的进路上无其他列车以及尚无敌对进路存在，然后将该进路指派给请求进路的机车。 * 机车上储存有整个区间的“地图”，因此，智能化机车知晓进路上有关单元的“地理位置”。机车收到区间中心指派给它的进路后，给进路上有关单元发出控制命令。 * 进路上有关单元的状态由机车进行检查，进路上单元的状态正确，则进路准备就绪。如果某个单元状态不正确，则所启用的制动曲线即以该点为目标点。 目前，FFB系统正在德国的凯尔撒劳埃登—芬埃特爱克区间上安装调试，包括1套区间中心，9个道口，6台机车。计划在1999年开通，德国铁路公司打算在第一套FFB试验成功后逐步推广。

4. 德国柏林—汉堡磁悬浮铁路的无线列车控制系统 设计和施工中的柏林—汉堡磁悬浮铁路采用全自动运行控制系统，仅在故障时才有人工介入，其中，移动体（列车）与固定体（控制中心、地面设备……）之间的数据交换用无线来实现。对该项目而言，将使用38 GHz的专用无线网作为数据传输系统。 由于磁悬浮铁路的特殊边界条件（依赖强磁场驱动列车，导致其列车控制系统的功能和结构有很强的特殊性），特别是因为车上元件位于固定位置的线性电动机的作用范围以内，导致了对车－地数据交换有极高的要求，鉴于这个原因，目前普遍使用的GSM标准系统作为数据传输媒体是不合适的。

为了实现车－地通信，沿线必须有连续的无线信号传输。至于传输旅客告示信息及实现电话通信，还必须另外提供无线传输通道。采用双向数据传输的线状无线通信网来作为数据传输系统。该传输网包括：一个无线总站，若干分站，基站（无线天线杆）及移动站。工作频率为38 GHz（见图4—34）。 无线总站是整个网络的最高层次，它负责对整个网络的控制及与运行控制中心进行通信。每一个无线控制区内有一个无线分站，经过BLT环线的数据通道，通信、列车广播、分站的控制与诊断信息都由BLT环线传递。

图4-34 无线列车控制系统的结构

每一个分站在它的管辖范围内负责将数码传递给列车。每一个分站有一批基站，如图4—34所示。去往磁悬浮列车的无线通道即从基站出发。基站沿线分布，在线路的每一处至少有两个基站位于通信范围之内。用定向天线使无线能量沿线成束发送。用冗余光缆实现分站和基站之间的通信。为了提高可靠性，每一无线区域内都有两个子网络，它们包括两套数据传输设备，分别以不同的载波工作。每个子网络都保证无通信缺口，从而，在一个子网络故障时，仍能保证单通道的数据传输，确保了对列车的控制和安全。在一个子网络内，无线分站与列车之间的无线通信是采用时分多址(TDMA)方式(Time Division Multiple Access)。每一列车被授予一个时隙。在运行中，列车的位置由相应的BLD(区间指挥中心)传递给相应的无线分站。

发送/接收设备配置在区域的终端，其发送和接收天线被置于同一个天线罩下，接收两个网络数据，引向相应通道的数字单元。 一个无线区域的若干个基站有不同的工作频率。当列车从一个区驶至相邻区时，在运行指挥系统的控制下进行频率更换。一个移动站包括一个双通道的数字单元和两个发送/接收设备，每一个发送/接收设备带有两套发送/接收器。 发送/接收设备配置在区域的终端，其发送和接收天线被置于同一个天线罩下，接收两个网络数据，引向相应通道的数字单元。 该无线传输系统对于运行指挥信息的误码率为10-4~10-5，传输数码速率达4096 kbit/s。  

  §4－6 列车自动驾驶（ATO）系统 城市轨道交通机车上装有列车自动驾驶系统后，列车就可用2种方式运行：手动或自动。在选择自动驾驶方式时，ATO系统代替司机操纵列车驱动、制动设备，自动地实现列车的起动加速、匀速惰行、制动等基本驾驶功能。然而，不论是由司机手动驾驶还是由ATO系统自动驾驶，ATP系统始终是执行速度监督和超速防护功能： 司机人工驾驶 + ATP系统 = 手动驾驶 ATO系统自动驾驶 + ATP系统 = 自动驾驶 所以这样可以认为：ATP系统是城市轨道交通列车运行时必不可少的安全保障；ATO系统则是提高城市轨道交通列车运行水平（准点、平稳、节能……）的持术措施。

图4-35表示了3种制动曲线，曲线①表示列车的紧急制动曲线，由ATP系统计算及监督。曲线②表示由ATP系统计算、在驾驶室内显示出来最大允许速度，它略低于紧急制动曲线 。曲线③则是由ATO系统动态计算的制动曲线，也即正常运行情况下的停车制动曲线。从这3条停车制动曲线可以明显地看出：ATP系统主要负责“超速防护”，起保障安全的作用；ATO系统主要负责正常情况下列车高质量地运行。

一、 ATO系统的功能综述   前面已经阐明，ATO系统的主要功能是实现正常情况下高质量的自动驾驶。将ATO系统的功能细化，可分项说明如下： 1.停车点的目标制动 车站停车点作为目标点，ATO系统采用最合适的速度（制动率）使列车准确、平稳地停在规定的停车点。与列车定位系统相配合，可使停车位置的误差达到0.5 m以下。 2. 打开车门 列车车门可以自动或手动打开。由ATP系统监督开门条件，当ATP系统给出开门命令时，可以由司机手动打开正确一侧的车门，也可按事前的设定由ATO系统自动地打开车门。

3. 列车从车站出发 用ATO系统装备的城市轨道交通的列车从车站出发应遵循以下顺序： 列车停站时间等于或大于预置停站时间ts→司机根据启动出发命令（通常是自动的或由ATS系统给出，该出发命令一般以信号灯方式给出一一地面的或机车的）关闭车门→检查车门准确关闭并符合发车条件，ATO系统给出启动显示→司机按（拨）启动按钮，ATO系统使列车从制动停车状态转为驱动状态。 这里指出，只有当发车安全条件符合时（由ATP系统监视），才会给出ATO启动显示；否则，即使按（拨）启动按钮，启动命令无效，列车仍然处在制动停车状态。

4. 列车加速 列车启动后开始加速。ATO系统按事前规定的数据提供给机车驱动控制机构。鉴于现代城市轨道交通的机车驱动都装备有专用的控制软件（例如德国西门子公司提供的SIBAS16或SIBAS32），因此在ATO系统和机车驱动控制软件之间需有专门的接口。 由ATO系统给出列车加速命令后，列车平稳地加速到预定速度，然后惰行。 5. 区间内临时停车 由ATP系统给出目标点位置（例如前方有车）及制动曲线，经ATO系统启动列车制动器，使列车停在目标点前方。此时，车门还是由ATP系统锁住的。一旦前方停车目标点取消，ATO系统能使列车自动启动。

6. 限速区间 临时性限速区间的数据由轨道电路电码传输给ATP车载设备，再由ATP车载设备将减速命令经ATO系统传达给机车驱动、制动控制设备。此时ATO系统的功能犹如ATP系统与驱动、制动控制设备之间的一个接口。对于长期的限速区间，数据可事前输入给ATO系统，在执行自动驾驶时，ATO系统会自动考虑到该限速区间。 7. 司机手动驾驶及由ATO系统驾驶之间可在任何时候转换。 手动驾驶时，由ATP系统负责安全速度监督；自动驾驶时，由ATO系统给出对驱动、控制设备的命令，ATP系统仍然是负责速度监督。

8. 记录运行信息 在ATO系统的环形缓冲区可以存储一些用户认为最重要的运行信息，从而在发生非正常运行时，可以调用所记录的信息，进行必要的分析研究。通常可记录24 h的重要运行信息。至于应该记录哪些“最重要”的信息，可以由供需双方在进行联合设计时约定。

从本质上看，由ATO系统执行的自动驾驶过程是一个闭环反馈控制过程，其基本关系框图如图4-36所示。 图4-36 自动驾驶的闭环控制框图

二、 列车识别系统（PTI）——ATO的一个子系统   ATO系统的一项重要功能是将列车数据从车辆传输到控制中心（OCC），这项功能是由列车识别子系统（PTI）来完成的。从图3-15可以看出，在PTI子系统内，机车上的PTI天线负责发送列车特征数据电码，置于钢轨间的回路环线（在区间内每隔一定距离设置一个接收环线，在停车站的正线上设置一个接收环线）用于接收机车天线发送的数据，并将此数据经由电缆传输至控制中心。 由PTI系统传送的列车数据可以包括： ·车次号码； ·列车车号； ·驶往的目的地(终点站名称)；

·乘务员号码； ·车门状态； ·列车状态（停车或运行）； PTI系统的车载设备不单独另设，而是集中在ATO系统内, 但有独立的软、硬件，负责编辑电码、调制及发送。 PTI系统电码的发送也是采用频移键控（FSK）方式，通常以几百kHz作为载频。 在控制中心内也设有接收、处理PTI电码的接口，将接收到的PTI电码解调后传送给ATS系统，最终由ATS系统处理后将列车数据显示在终端上和屏幕上，并加以记录。

三、 ATO系统的技术数据（一个实例）   我们这里给出的ATO系统的技术数据是某条地铁线路的实际数据，供读者参考。 车载设备： · 计算机 MES80—16单通道； 16 bit处理器80C186； ROM： 512 KB； RAM： 1 MB + 256 MB； 时钟频率： 220 MHz · 电源 输入： 交流220 V，50 Hz； 输出： 直流24 V±2 %；

直流12 V±2 %； 直流5 V±2 %； 输入功率：30 W。 · 程序语言：PASCAL 86。 · PTI 信号传输频率： 80 kHz±25 kHz； 最大信息长度： 96 bits 数码率： 56 kbit / s； 机车发送天线外形尺寸：180 mm ×120 mm； 离钢轨距离：100～400 mm； 重量： 2kg。

· PTI室内设备 多路复用计算机 CPU： SAB8085； 8通道复用 RAM：2 KB； ROM：42 KB； 时钟频率：6 MHz； 平均无故障工作时间（MTBF）： h。

第四章 列车速度自动控制系统（ATP/ATO)思考题 1、说明城市轨道交通中采用列控系统的必要性。 2、什麽是ETCS? ETCS中给定了几个发展等级？对这几个发展等级作简要描述。 3、列车超速防护系统的基本功能有哪些？ 4、说明ATP系统中采用的地—车信息传输通道有哪几中？各有何特点？ 5、什麽是ATO？它的主要作用？ 6、ATP与ATO的联系与区别是什麽？ 7、什麽是PTI系统？该设备主要完成什麽功能？