基于通信的列車自動控制系統研究

劉 洋 駱玲玲

（蘇州軌道交通集團有限公司運營分公司 江蘇 蘇州 215101）

0 前言

列車自動控制系統（Automatic Train Control，簡稱ATC）系統包括三個子系統，分別是列車自動監控（Automatic Train Supervision，簡稱ATS）系統、列車自動防護（Automatic Train Protection，簡稱ATP）系統、列車自動運行（Automatic Train Operation，簡稱ATO）系統，主要實現地面控制與車上控制結合、現場控制與中央控制結合，達到安全行車指揮、運行調整以及列車駕駛自動化等功能。 基于通信的列車控制系統(Communication Based Train Control，簡稱CBTC)為ATC 系統的一種類型，主要有兩大特點：（1）通過移動閉塞技術縮短運行間隔，提高了列車的運行效率和系統的靈活性；（2）實現了冗余功能。

1 CBTC 系統組成

CBTC 系統主要包括車載控制器 (On Board Control Unit， 簡稱OBCU)和地面設置的區域控制器、數據存儲單元和ATS 系統。 OBCU 測量各應答器之間的距離，并根據速度傳感器輸入信號計算自探測到一個應答器后列車所行駛的距離。 區域控制器負責控制道岔和信號機，檢測其控制區域內所有列車的授權區域。數據庫存儲單元包含其他列車控制子系統使用的所有數據庫，數據庫存儲了所有相關的線路信息，包括車站停車、坡度、土建限速、道岔位置和信號機位置等。 ATO 屬于OBCU 的非安全子系統，主要包括:自動速度控制、自動停站和定點停車、自動啟動、停站時分、車門控制、ATS 命令執行、ATS 狀態報告、ATP 通信以及故障處理等功能模塊。 ATO 從ATP 子系統接收到目標速度、當前速度、當前加速度、位置和其他相關信息，同時通過無線和ATS 子系統通信。ATO可以根據停站程序、 列車啟動程序和ATP 的開門使能來控制列車開/關門，通過速度控制程序來控制列車的牽引和制動。 ATS 是一個非安全子系統，它為ATS 值班員提供人機接口，實現列車的自動監督和列車自動調整功能。

2 移動閉塞

為了防止正線上各班次列車對撞、追尾，規定一定軌道區間內同一時間只能運行一列車，此軌道區間稱為閉塞區間。

蘇州軌道交通一號線采用移動閉塞，這是一種既能保證行車安全（防止兩列車發生追尾事故），又能提高運行效率（使兩列車的時間間隔最短）的信號概念。移動閉塞是相對于固定閉塞而言的。固定閉塞是在區間設置固定的閉塞分區和相應的防護信號，而移動閉塞雖然也有防護列車運行安全的閉塞分區，但其閉塞區間是移動的，是隨著后續列車和前方列車的實際行車速度、位置、載重量、制動能力、區間的坡度、彎道等列車參數和線路參數的變化而改變，隨著列車運行而移動。這使得列車間隔的控制更加安全可靠。

目前，城市軌道交通最顯著的發展特點就是隨著客流量的增大而縮短行車間隔，這樣就必須要求有一個高度可靠、連續不斷地實現速度顯示和速度監督、防護的ATC 系統。采用CBTC 方式的ATC 系統通過移動閉塞技術，高效可靠地實現了上述的功能。

3 正線自動運行

蘇州軌道交通一號線的車載ATC 系統采用“頭-尾”冗余配置，在正常運行時，列車受到冗余環境中的前端駕駛室OBCU 控制和監督。后端駕駛室的OBCU 處于備用模式。前端OBCU 故障時，功能被切換到后端OBCU，前端OBCU 進入備用模式。 更具體地說對于蘇州軌道交通一號線的車載ATC 系統可工作在以下情況（假設前端駕駛室為CAB A1，后端駕駛室為CAB A2）：

（1）CAB A1 激活，OBCU A1 激活；

（2）CAB A1 激活，OBCU A1 故障，OBCU A2 激活；

（3）CAB A2 激活，OBCU A2 激活；

（4）CAB A2 激活，OBCU A2 故障，OBCU A1 激活；

為了實現上述的功能，CAB A1 和A2 的OBCU 都必須同時接收來自車輛和CAB A1 和A2 所有的輸入。同樣，每個OBCU 的輸出也同時作用于CAB A1 和A2，到車輛的輸出由車輛合并。

下面通過典型的輸入輸出信號來分析上述（1）與（2）兩種情況，（3）、（4）與之類似。

圖1 自動折返按鈕（輸入）配線圖

圖1 中的Near Cab 與Far Cab 是司機室激活互鎖繼電器。當激活CAB A1 時，A1 中的Near Cab 繼電器得電閉合，Far Cab 失電斷開，A2中的Near Cab 繼電器失電斷開，Far Cab 得電閉合。

圖2 中的Non vital output near Cab 與Non vital output far Cab 的控制邏輯與圖1 中的Near Cab 與Far Cab 相同。

圖2 自動折返燈（輸出）配線圖

（1）當CAB A1 激活，OBCU A1 激活，即正常情況下操作：

輸入信號：當在CAB A1 按下自動折返按鈕時，圖1 中的1、2、3、4路線電平分別為1，0，0，1。 即兩個司機室都接收到自動折返按鈕的輸入信號，兩套OBCU 的ATP 系統同時監督列車的運行。 概括的說，兩套OBCU 都接收到所有的輸入。

輸出信號：當按下自動折返按鈕后，對于自動折返燈輸出信號，圖2 中的1、2、3、4 路線電平分別為1，0，0，0， 會點亮CAB A1 的自動折返燈。 也就是說激活的OBCU 才發出輸出信號。

（2）當CAB A1 激活，OBCU A1 故障，OBCU A2 激活，即冗余情況下操作：

輸入信號：當在CAB A1 按下自動折返按鈕時，圖1 中的2、3、4路線電平分別為0，0，1。 對于第1 路信號，如果故障并不影響ATP 的輸入，那么電平為1，否則為0。

輸出信號：當按下自動折返按鈕后，對于自動折返燈輸出信號，圖2 中的1、2、3、4 路線電平分別為0，0，0，1， 同樣會點亮CAB A1 的自動折返燈，即仍然有輸出信號，只不過這時候A1 司機室的燈是靠A2司機室的OBCU 來點亮的。因為此時只有激活的OBCU A2 才有輸出。

從上述分析就可以看出這種蘇州軌道交通一號線冗余配置的ATC 系統對列車的安全運行及其重要，因為即使有一套OBCU 故障，仍然可以靠另一套OBCU 的輸入輸出信號來控制列車的運行。

4 列車終端無人駕駛自動折返

4.1 頭尾配置DTRO 正常情況下的自動折返

圖3 列車自動折返路線路圖

當列車進入折返站臺，圖3 中的1 位置，內置的“自動折返燈”開始閃爍，提示列車司機可以按壓自動折返按鈕。 司機將“牽引/制動”桿與方向手柄都打到零位， 按下無人折返按鈕并保持， 直到按鈕燈亮，此時激活端司機室輸出自動折返操作1 信號（ARR 信號），代替鑰匙激活司機室，司機取下鑰匙下車。然后，司機按下站臺DRB 按鈕后，激活端OBCU 將輸出“ATO 模式”指令使得ATO 模式繼電器AMR 得電，此時列車向前、牽引指令、制動指令被激活，TCMS 收到這一信息后，將此信息通過網絡發送給牽引系統、制動系統，控制列車運行。當列車到達折返線后將自動停車（位置2），此時關端先前端的ARR 信號，另一端輸出自動折返操作1 信號（ARR 信號），由于ARR 信號可以代替鑰匙激活司機室， 因此兩端OBCU 自動進行切換， 即此時另一端的OBCU 激活， 并從WCU 接受新的行車方向移動授權后從折返線自動駛向目的站臺（位置3）。

4.2 冗余情況下的自動折返

在一端OBCU 故障的情況下， 列車需要自動折返時， 激活的OBCU 先輸出自動折返操作1 信號（本端輸出ARR 信號），代替鑰匙激活司機室，司機取下鑰匙下車。然后，司機按下站臺DRB 按鈕后，激活端OBCU 將輸出“ATO 模式”指令使得ATO 模式繼電器AMR 得電，此時列車向前、牽引指令、制動指令被激活，TCMS 收到這一信息后，將此信息通過網絡發送給牽引系統、制動系統，控制列車運行。當列車到達折返線后將自動停車（位置2），當列車在折返線停車后，剛才激活的OBCU 將繼續處于激活狀態， 繼續輸出自動折返操作2 信號，并通過列車線送到遠端， 使故障OBCU 端的ARR 信號為高電平，ARR信號代替鑰匙激活故障端司機室，列車從WCU 接受新的行車方向移動授權后從折返線自動使向目的站臺（位置3）。

從上述分析可以看出，蘇州軌道交通一號線的CBTC 系統，移動閉塞和頭尾配置的冗余功能使列車控制的安全性和可靠性都得到很大的提高。

［1］蘇州軌道交通一號線項目文件:Interface Specification SIG-RST 信號-車輛接口技術規范[S].2010,05.

［2］林瑜筠.鐵路信號新技術概論(修訂版)[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

［3］劉曉娟,張雁鵬,湯自安.城市軌道交通智能控制系統[M].北京:中國鐵道出版社,2005.