第06章列车自动驾驶(ATO)系统.

信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统1第6章列车自动驾驶（ATO）系统信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统2信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统36.1ATO系统的基本概念ATO系统为非故障一安全系统。系统主要目的是模拟最佳的司机驾驶，实现高质量的自动驾驶，控制列车自动运行，提高列车运行效率，提高列车运行的舒适度，节省能源。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）的技术措施。ATO系统采用的基本功能模块与ATP系统相同。ATO系统接收前车信息、目标距离、轨道信息、坡度信息以及控制中心指令等所有信息，车载计算机对信息进行处理，以优化列车的控制。ATO还装有一个双向的通信系统，使列车能够直接与车站内的ATS系统接口，保证实现最佳的运行图控制。当列车处于自动驾驶模式时，车载ATO运用牵引和制动控制，实现列车的自动运行。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统46.2ATO系统的设备组成ATO系统主要由轨旁设备和车载设备两部分组成。ATO系统轨旁设备通常兼用ATP轨旁设备，接收与列车自动运行有关的信息。ATO系统车载设备由设在列车每一驾驶室内的ATO控制器（包括司机控制台）及安装在驾驶室车体下的两个ATO接收天线和两个ATO发送天线组成，还包括一些其他ATO附件，这些附件用于速度测量、定位和司机接口。ATO车载设备通常和ATP车载设备安装在一个机柜内，车载单元采用非故障一安全的一取一配置方式。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统5ATO系统具有一个地车双向通信系统，通过车载ATO天线和地面ATO环线，使列车经控制中心与车站的ATS系统连接，接受控制命令（如列车的运行调整、目的地的变更命令等），实现列车的最佳运营控制，完成程序停车、运行图和时刻表调整、轨旁／列车数据交换、目的地和进路控制等ATO功能。ATO车载通信系统在所有驾驶模式中处于活动状态，向轨旁设备传输信息。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统6ATO系统具有精确定位停车系统，这个系统为列车提供精确的位置信息，使列车实现精确停车。精确定位停车系统包括车底部的标志线圈和对位天线，以及沿每个车站站台设置的一组地面标志线圈。ATO系统需要实现自动向列车内作目的地及其线路信息广播，并向车内显示屏提供车站信息。所以ATO系统设备还包括列车广播系统设备、车厢信息显示设备，以及提供车站标识和车站停车状态信息的ATO车辆报告系统设备等。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统76.3ATO系统的功能及其工作原理ATO系统的功能分为基本控制功能和服务功能。基本控制功能包括：列车自动驾驶、自动折返和车门控制三个功能。其他辅助功能包括：列车定位修正、巡航／惰行、列车识别(PTI)支持功能等。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统86.3.1基本控制功能及原理1．列车自动驾驶控制列车自动驾驶控制功能，就是实现列车自动驾驶模式下的列车启动、加速、制动，车站发车、定位停车，区间限速、临时停车和车门、屏蔽门开启的自动控制。1)自动调整列车运行速度在列车自动驾驶模式下，ATO车载控制器通过比较实际列车运行速度及ATP给出的最大允许速度及目标速度，并根据线路的情况，自动控制列车的牵引及制动，使列车在区间内的每个区段始终控制速度运行，并尽可能减少牵引、惰行和制动之间的转换。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统92)定位停车点的目标制动在列车自动驾驶模式下，以车站停车点作为目标点，当停车特征被启动后，ATO系统基于列车速度、预先决定的制动率和距停止点的距离计算出一个制动曲线，并采用最合适的减速度（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，可使停军位置的误差降到0.5m以下。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统10车站定点停车是靠一组地面标志线圈（或称标志器）提供至停车点的距离信息，标志线圈（也是应答器）设置的多少可视定位停车精度而异，一般为3～4个，图6-3为地面停车标志器布置示意图。当列车正向运行经过第一个标志线圈时，列车接收停车标志信息，启动定点停车程序，产生第一制动模式曲线，按此制动曲线停车，列车离定位停车点较远；当列车驶抵中间标志器时，产生第二制动模式曲线，并对第一阶段制动进行缓解控制，以使列车离停车点更近；当列车收到内方标志器传来的停车信息时，产生第三制动模式曲线，列车再次进行缓解控制，使列车离定位停车点的距离更近；当列车收到站台标志器送来的校正信息时，即转入停车模式，产生第四制动模式曲线，列车再次缓解制动控制。经多次制动、缓解控制，确保列车定位停车的精度控制在规定的范围之内，当车载定位天线与地面定位天线对齐时，立即实施全常用制动，将车停住。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统11信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统123)车站自动发车在列车自动驾驶模式下，当发车安全条件符合时（如关闭了车门等），ATO系统给出启动显示，司机按下启动按钮，ATO系统使列车从制动停车状态转为驱动状态。停车制动将被缓解，然后列车加速。ATO通过预设的数据提供牵引控制，该牵引控制可使列车平稳加速。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统134)区间临时停车如区间内列车运行前方有事故或车，由ATP系统给出目标点位置及制动曲线，并将数据传送给ATO系统车载单元，ATO系统得到目标速度为“0”的速度信息后自动启动列车制动器，使列车临时停在目标点前方10m左右。此时车门还是由ATP系统锁住的。一旦运行前方停车目标点取消，速度信息改为进行码后，ATO系统使列车自动启动。在危险情况下，例如按下紧急停车按钮，或是因常用制动不充分而使列车超过紧急制动曲线，所规定的制动距离由ATP启动紧急制动，ATO向司机发出视觉和音响警报，5S以后音响警报自动停止。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统145)限速区间控制临时性限速区间的数据由轨旁设备报文传输给ATP车载设备，再由ATP车载设备将减速命令经ATO系统传达给动车驱动、制动控制设备。此时ATO车载设备的功能犹如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，数据可事先输入ATO系统，在执行自动驾驶模式时，ATO系统会自动考虑该限速区间的控制。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统15由ATO系统执行的自动驾驶过程是一个闭环反馈控制过程，其基本原理如图6-4所示。测速单元通过ATP向ATO发送列车的实际位置信息。反馈环路的基准输入是从ATP数据和运营控制数据中得出的，ATO向牵引和制动控制设备提供数据输出。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统162．列车自动折返控制自动折返是一种特殊情况下的驾驶模式，在折返站使用，这种驾驶模式下无需司机控制，而且列车上的全部控制台将被锁闭。列车收到折返许可后，自动进入自动折返模式。授权经驾驶室人机接口(MMI)显示给司机，司机必须确认这个显示，并得到授权，锁闭控制台。若采用ATO自动运行折返模式，在司机按压ATO启动按钮后，列车自动驶入折返轨，并改变车头和轨道电路发送方向；在折返轨至发车站台的进路排列完成后，再次按压ATO启动按钮，列车自动驶入发车站台，并精确地停在发车站台，此时，ATO车载设备即退出自动折返模式。若采用ATO无人自动折返模式，只有在司机下车后按压站台上的无人折返按钮后，才能实施自动列车折返运行。无人自动折返功能的输入是来自车载速度／距离功能的列车当前的速度和位置以及ATP速度曲线，输出使列车制动和牵引的控制命令。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统173．列车车门自动控制ATO是车门控制命令的发出者，ATO只在自动模式下执行车门开启。当列车到达定位停车点，ATP检测车速为零，发送列车停站信号给站台定位接收器，此时ATP发送允许车门打开信号，车辆收到ATP发送的允许车门打开信息，发送相应的军门打开信号给门控单元，打开规定的车门；同时车辆发送信息给地面，打开相应屏蔽门。列车停站结束后，司机按下关门按钮，发出关门信号，同时发送信号给站台关闭屏蔽门，车站检查屏蔽门关闭锁好后，允许ATP发送运行速度命令信息，车辆检查车门关闭锁好，随即列车启动。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统186.3.2其他辅助功能及原理1.列车定位修正功能ATO列车定位修正功能是从ATP功能中接收到当前列车的位置和速度等详细信息，根据上一次计算后所运行的距离来调整列车的实际位置。此调整也考虑到在ATP功能计算列车位置时信息传送和接收的延迟时间，以及打滑和滑行等因素。ATO列车位置调整功能也接收到地面定位修正信息，由此确定列车的实际位置和计算列车位置的误差。对列车定位修正可在由ATO功能规定的至接近实际停车点10～15m的任意位置开始，并且可使停车精度由ATO控制在希望的范围内。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统192．巡航／惰行功能巡航／惰行功能的任务是按照时刻表自动实现列车区间运行的惰行控制，同时节省能源，保证最大能量效率。ATO巡航／惰行功能协同ATS中的列车自动调整(ATR)功能，并通过确定列车运行时间和能源优化轨迹功能实现巡航／惰行功能。列车运行时间是指由ATO和ATR功能确定的列车运行时间。当列车在ATO功能下，从报文给定的列车运行时间中减去通过计时器测定的已运行时间，以确定到下一站有效的可用时间。能源优化轨迹的计算要考虑加速度、坡度制动以及曲线制动。一般系统所需要的轨遒曲线信息都储存在ATO存储器中。借助此信息，并使用最大加速度，惰行／巡航功能计算出到下一停车点的速度距离轨迹。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统203．列车识别(PTI)支持功能PTI支持功能是通过多种渠道传输和接收各种数据，在特定的位置（通常设在列车进入正线的人口处）传给ATS，向ATS报告列车的识别信息、目的号码和乘务组号，以及列车位置数据（例如当前轨道电路的识别和速度表的读数），以优化列车运行。PTI功能是由车载设备和轨旁设备实现的。由ATC车载设备提供的数据，通过ATO传输到PTI的轨旁设备，进而传给ATS。在将信息传输至轨旁设备之前，ATO收集数据，完成合理检查。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统216.4ATO与ATP系统的关系在“距离码ATP系统”的基础上安装ATO系统，列车就可采用自动方式进行驾驶。在选择自动驾驶模式时，ATO系统代替司机操纵，诸如列车启动加速、匀速惰行、制动等基本驾驶功能均能自动进行。然而，不论是由司机手动驾驶还是由ATO系统自动驾驶，ATP系统始终执行其速度监督和超速防护功能。所以，ATP是ATO的基础，ATO不能脱离ATP工作，ATO必须从ATP系统获得基础信息，只有在ATP的基础上才能实现ATO功能，列车安全才有保证。可以这祥认为：自动驾驶=ATO系统自动驾驶+ATP系统。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统22ATP系统主要是运用自动实施常用制动和紧急制动的手段，当列车超过其允许的最大速度时降低列车速度，以保证列车的安全行驶。而ATO系统主要是合理运用牵引和制动，保持列车准点、高效、平稳运行。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统23曲线①表示列车的紧急制动曲线，由ATP系统计算及监督。列车速度一旦触及该制动曲线，立即启动紧急制动，以保证列车停在停车点。曲线①对应于列车的最大减速度，一旦启用紧急制动，列车务必停稳后经过若干时间才能重新启动。因此，这是一种非正常运行状态，应该尽量避免发生。曲线②表示由ATP系统计算的制动曲线，在驾驶室内显示出最大允许速度，它略低于紧急制动曲线(之间的差值通常为3～5km/h)。当列车速度达到该曲线值时，应给出告警，但不启用紧急制动。显然，曲线②对应的列车减速度小于曲线①的减速度，一般取与最大常用制动对应的减速度。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。通常将与此曲线对应的减速度作为可以达到平稳地减速和停车的目的的减速度。信号与通信概论第6章列车自动驾驶系统24从图6-6这三条停车制动曲线可以明显地看出：ATP泵统主要负责“超速防护”，起保证列车运行安全的作用；ATO系统主要负责正