第四章 列车速度自动控制系统（ATP/ATO系统）

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1 第四章 列车速度自动控制系统（ATP/ATO系统）
§4－1 概述  随着干线铁路的列车速度提高以及城市轨道交通行车间隔的缩短，传统的靠人为划分闭塞分区及用信号机灯光颜色来区分速度等级，靠司机瞭望信号控制车速的运输方式已远不能适应当前的需要，一场以列车速度自动控制为中心的信号革命已经悄然揭开序幕。 自城市轨道交通问世以来，人们不断地为提高其安全程度和通过能力（载客能力）而努力，其中一项重要的技术措施即是采用列车速度自动控制系统。

2 随着工业化程度的提高，世界城市人口急剧膨胀，从而对城市轨道交通的载客能力提出了越来越高的要求。为了提高载客能力，措施之一是增加每列车的车量数目及增加车辆的空间容量；措施之二是从缩短行车间隔着手，试想：如果能将最小列车间隔从4 min缩短为2 min，则同样的线路、同样的车辆就可使载客能力提高一倍。正是在这样的诱人前景下，自70年代起，世界上一些著名的电子公司，如英国的西屋（Westing house）、德国的西门子（Siemens）、日本的日立（Hitachi）等相继推出新颖的列车速度自动控制系统。微计算机技术的飞速发展，为发展列车速度自动控制提供了良好的硬件环境。所以时至今日，列车速度自动控制系统（ATP/ATO系统）在技术上已十分成熟，已成为城市轨道交通的一个不可分割的组成部分。

3 在欧洲，早在20世纪70年代初，一些发达国家（如德国、英国、法国）已开始在干线铁路及城市轨道交通上安装了各自的列车速度自动控制系统。进入20世纪90年代后，随着“欧洲统一”大气候的形成，欧洲国家的铁路官员和主要生产厂商开始研讨适合全欧铁路干线网的列车速度自动控制系统的技术标准。在欧盟及国际铁联（UIC）的直接干预与协调下，从1991年起开始制订欧洲铁路列车控制系统，简称ETCS（European Train Control System）的技术规范，历时五年半，至1996年底，六卷共3000多页的技术规范问世，标志着欧洲铁路揭开了一个新的纪元。 在欧洲，由于国家多，铁路运输情况复杂，技术装备水平参差不齐，因此，在ETCS规范中，特别强调了技术兼容性。为了让同一列车能在不同装备水平的干线铁路上跨国运行，在ETCS规范中，对列车速度自动控制系统规定了三个发展等级，所研制开发的机车上的设备应能适应各种等级情况。

4 ETCS中规定的一级水平概况如图4-1所示，在这一级水平中，仍以传统信号设备为主，仅仅增加了以“欧洲标准应答器”（EUROBALISE）为基础的点式数据传输和超速防护系统。
这一级发展水平的主要特点为： ·区间仍按传统原则划分固定闭塞分区，配备有必要的轨道电路或电子计轴器。 ·整个区间必须设置多显示色灯信号机。 ·在每台信号机旁及在其他必要的场合设置地面应答器EUROBALISE，设在信号机旁的应答器通过标准轨旁电子单元LEU（Lineside Electronic Unit）与信号机相连。

5 ETCS中规定的二级水平概况如图4-3所示。
RBC—无线闭塞中心 CTC—调度集中 □—列车控制的设备

6 二级水平的主要特点如下： ·区间仍划分为固定的闭塞分区，配备有必要的轨道电路或电子计轴器。 ·采用轨间电缆或音频轨道电路或全无线方式实现的连续列车速度自动监控（图4-3所示的是无线传输方式）。 · 数据传输（车对地及地对车）借助于无线通信网——或者沿用邮电移动通信网GSM，或者通过铁路专用移动通信网GSM-R——实现连续不断的传输。 ·EUROBALISE用于列车定位。 ·机车驾驶室内有完善的显示和记录设备，即实现机车信号主体化。 ·是否保留地面信号机可作为选择项。

7 图4-4 ETCS第三级水平概况 RBC—无线闭塞中心 CTC—调度集中 □—列车控制的设备

8 第三级水平的主要特点如下： ·连续式列车速度监控，信息通道可以是有线通道——借助于轨间电缆，也可以是无线通道——借助于GSM或GSM-R，图4-4所示为使用无线通道方式。 ·取消固定闭塞分区及信号机、区间轨道电路（保留车站轨道电路为联锁提供必要的条件），实现从制动距离出发的列车间隔控制，即移动闭塞。 ·列车具有自行定位的功能，地面应答器EUROBALISE用于列车定位校准。列车的位置由列车传至区间侧的无线闭塞中心（RBC），并由RBC传送至后续列车。 ·完善的机车信号（通常为数字式）及运行记录装置。 ·装备“列车完整性检测”装置（Train Integrity Check）。

9 在列车超速防护系统中，根据地面－车上信息传输方式不同，可以分为点式和连续式两类。前者是在线路上的固定位置上放置一些信息传感器，国内称之为地面应答器（国外称为Transponder或Balise）。当列车驶过该应答器时，机车应答器接收到来自地面应答器事前存储在内的地面信息，由车载计算机实时计算得出实时速度限制。后者则是通过沿线路敷设的电缆或者利用多信息轨道电路，或者借用无线通道来实现地面－车上的信息联系。显然，后者因信息的连续性而具有较佳的控制性能，当然其价格也必然高于前者。

10 §4－2 列车超速防护（ATP）系统    城市轨道交通有别于远程铁路的一个显著特点是列车间隔时间短，目前在大城市修造的地铁与轻轨，往往都提出2 min（甚至90s）的列车间隔要求。在如此短的列车间隔条件下，作为确保行车安全的信号系统已不能以地面信号显示作为控制行车速度的主要依据，而必须有一个高度可靠地、连续不断地实现速度显示（机车信号）和速度监督、防护的系统，因此可以认为：ATP系统在城市轨道交通中承担着确保行车安全的重要职责，是ATC系统中的最关键一环。在评价ATP系统时，总是把可靠性和安全性放在首位.

11 ATP系统具有以下功能：  1.       停车点防护

12 2. 速度监督与超速防护 3. 列车间隔控制 列车间隔控制又称为移动闭塞（Moving Block），是一种既能保证行车安全（防止两列车发生尾追事故），又能提高运行效率（使两列车的时间间隔最短）的信号概念。移动闭塞与过去的以划分闭塞分区、设立防护信号机为基础的自动闭塞概念有很大的不同。移动闭塞的闭塞分区长度与位置均是不固定的，是随前方目标点（前行列车）的位置、后续列车的实际速度以及线路参数（如坡度）而不断改变的。相对于过去的固定闭塞分区而言，这里的“闭塞分区”是移动的，所以称之为移动闭塞。

13 图4-6表示出了在列车间隔控制中的一些概念：

14 · 轨道电路必须采用多信息音频轨道电路，轨道区段长度通常在300 m以下。
· 前行车所占用轨道电路的始点被当作为危险点。 · 前行车的防护段可以是相邻轨道电路，也可以大于轨道分区的长度，视具体情况而定。 · 目标距离L目是指后续车所在轨道电路的始端到停车点（防护段的始端）的距离。 · 实时计算所得的紧急制动曲线与列车的最大减速度有关；在驾驶室内显示出的最大允许速度略小于制动曲线上的实际最大允许速度，以便留出时间空隙可以进行告警及由司机做出反应。

15 4. 测速与测距 5. 车门控制 6. 其他功能 · 紧急停车功能 · 给出发车命令 · 列车倒退控制

16 §4－3 点式列车速度自动控制系统 点式列车速度自动控制系统在欧洲的干线铁路及城市轨道交通中应用十分广泛。其主要优点是采用无源、高信息容量的地面应答器，结构简单，安装灵活，可靠性高，价格明显低于连续式列车速度自动控制系统 一、点式列车速度自动控制系统的基本结构

17 1、地面应答器 下图表示德国西门子公司生产的点式列车速度控制系统ZUB200的车载应答器与地面应答器之间的耦合关系。其中100 kHz为能量通道；850 kHz为信息数据通道；50 kHz是为增大可靠性而设置的监视通道。

18 2. 轨旁电子单元LEU 轨旁电子单元是地面应答器与信号机之间的电子接口设备，其任务是将不同的信号显示转换为约定的数码形式。LEU是一块电子印刷板，可根据不同类型的输入电流输出不同的数码。图4-9给出一种LEU变换的示例。

19 3. 车载设备 在城市轨道交通中，由于驾驶室位于列车两端，所以通常要设置2套车载设备；如果仅设1套设备，则必须在车内设置联系电路，以保证列车在任何运行方向时系统都能起作用。 下图表示点式列车超速防护系统车载设备框图，包括机车应答器，路程脉冲发生器,接收和发送单元，中间存储器，微计算机，用于输出制动命令的继电器组、速度表、操作及指示盘。图4-11表示适用于该系统的双指针速度表，其中长指针表示列车实际速，短指针表示列车实时允许的极限速度（即车载计算机算得的速曲线的值），当长针与短针重合或稍微超前短针，则即会产生报警及启动制动。

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21 图4-12完整地给出了点式列车速度控制系统车载设备的全貌。在图4-12上所示的各种部件的功能大体叙述如下：
·车载应答器：完成车上－地面的耦合联系，将能量送至地面应答器，接收地面应答器所储存的数据并传送至中央处理单元。 ·测速传感器：通常装在轮轴上，根据每分钟车轮的转数与车轮直径在中央处理单元内换算成列车目前的速度。 ·中央处理单元的核心是安全型计算机，它负责对所接收到的数据进行加工处理，形成列车当前允许的最大速度，将此最大允许速度值与列车现有的速度值进行比较，以决定是否给出启动常用制动乃至紧急制动的信息。当然从车载应答器传向地面应答器的高频电磁能量也是由它产生的。

22 ·驾驶台上的显示、操作与记录装置：经过一个接口，即可将中央处理单元内的列车现有速度及列车最大允许速度显示出来，这种显示可以是指针式的或液晶显示屏方式，按照需要，还可显示出其他有助于司机驾驶的信息，如：距目标点的距离，目标点的允许速度等等。对于出现非正常的情况（如出现超速报警、启用常用或紧急制动）都可以由记录仪进行记录。

23 二、 点式列车速度自动控制系统的基本工作原理
  点式列车速度控制系统的主要功能是实现列车超速防护，即所谓ATP（Automatic Train Protection）功能。 图4-13表示车载中央控制单元根据地面应答器传至车上的信息（距目标点的距离、目标点的允许速度，线路的坡度……）以及列车自身的制动率（负加速度），计算得出两个信号机之间的速度监控曲线。为了清楚地表达出点式超速防护的机理，在图4-13所示曲线的中段，用细化的方式表示出4种情况：

24 图 点式列车超速防护系统的速度监控曲线

25 v0一一 所允许的最高列车速度。 v2一一 当列车车速达到此值时，车载中央控制单元给出音响报警，如果此时司机警惕降速，使车速低于v0，则一切趋于正常。 v3一一 当列车车速达到此值时，车载中央控制单元给出启动常用制动（通常是启动最大常用制动）的信息，列车自动降速至v0以下。若列车制动装置具有自动缓解功能，则在列车速度降至v0以下时，制动装置即可自动缓解，列车行驶趋于正常。若列车制动装置不具备自动缓解功能，则常用制动使列车行驶一段路程后停下，列车由驾驶员经过一定的手续后重新人工起动。 v5一一 当列车车速达到此值时，车载中央控制单元给出启动紧急制动的信息，确保列车在危险点的前方停住。

26 为了提高行车效率，有的行车部门要求在红灯信号机前方留出一段低速滑行区段（图4-13中的vf段），以防止列车行驶在信号机之间时红灯信号已变为允许信号，而列车必须完全停下和经过一套手续后再重新起动。在留出低速滑行段后，列车可以以低速（例如20 km/h）驶过第二个地面应答器，如果列车被告知信号仍是红灯，通过紧急制动还来得及停在危险点前方；如果列车被告知信号已改为允许信号，则司机可在vf基础上加速，从而提高了行车效率。 图4-14表示用于缓行段超速防护的速度监控曲线，其工作机理与前面所述的相似，不再重复。

27 图 用于缓行段超速防护的速度监控曲线

28 三、信息电码结构 地面－车上应答器之间的数据传递是一种按协议的串行数码传输方式，电码以频移键控方式传送，为了防止干抗，载频通常在800 kHz～1 MHz之间，数码速率一般为50 kbit/s。 在原则上，国际各大公司的产品所采用的电码基本结构是大同小异的，从一个实例就可了解一般情况。下面我们以德国西门子公司的ZUB100型电码结构为例来加以说明。 ZUB100的电码分为4大部分： （1）起始同步码； （2）信息码； （3）安全监视码； （4）终止码。

29 起始同步码用来识别一组电码的开始，车上、地下实现同步。图4-16（a）表示ZUB100的起始同步码，共5. 5 bit，其中含有1
起始同步码用来识别一组电码的开始，车上、地下实现同步。图4-16（a）表示ZUB100的起始同步码，共5.5 bit，其中含有1.5 bit长的“逻辑1”，以此作为起始同步码的特征。接收单元收到此类有“长比特”特征的电码后，确认后续电码为信息码，从而实现“地面－车上”同步。 终止同步码用以识别一组电码的结束，在ZUB100中，终止码占4.5 bit，如图4-16（b）所示，其中含有1.5 bit长的“逻辑0”，以此作为终止码的特征。

30 在新研制的点式列车速度控制系统ZUB200中，起始与终止同步方式又作了改进。首先约定在信息码中不允许出现连续八个“0”位及连续八个“1”位；然后以“ ”作为起始同步码，以“ ”作为终止同步码，从而取消了1.5 bit的特殊码宽。 ～100 bit，有用位 bit安全校核 图 ZUB200所采用的电码结构 信息码是以电码组合的方式来传递有关信息。由于用户要求及实际情况千差万别，因此无一定的定格可言。按目前的技术水平，信息码已可达上千比特。

31 四、 点式列车超速防护系统的主要特点 我们把该系统的主要特点归纳如下： 1. 本系统可有效地实现超速防护功能。与自动停车装置最大的不同在于：本系统随时随地进行速度监控，其安全程度远高于自动停车装置。 2. 能给司机充分、确切的显示，包括最大允许速度、目标点距离等，远比以往依赖色灯信号给出的显示详细，这有利于司机最优地驾驶列车。 3. 地面应答器是无源的，且安装方便，使用时不必加敷电缆，十分灵活。

32 4. 在地面上增设环线，机车上加设相应接口后，可实现从机车向地面传送信息，如可把列车的车次号、列车所在地点等等传送至控制中心，这对实现全线运行指挥自动化是十分有利的。
5. 车载计算机采用符合“故障一安全”准则的计算机系统，所以安全性较高。 6. 该系统的主要缺点是信息传递是间断的，即当列车从一个信息点获得地面信息后要到下一个信息点才可更新地面信息。若其间地面情况发生变化，就无法立即传递给列车。要克服这个缺点，只有采用连续式列车超速防护系统。