列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO系統(tǒng)）在地鐵中的應(yīng)用

天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司 趙 紅

1.ATO的發(fā)展概況

城市軌道交通自動化技術(shù)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段：(1)傳統(tǒng)運(yùn)行方式；(2)ATC(列車自動控制)技術(shù)，含ATP(列車自動防護(hù))、ATS(列車自動監(jiān)控)ATO(列車自動運(yùn)行)三個子系統(tǒng)；(3)全自動無人駕駛方式，如法國的VAL系統(tǒng)、日本的新交通系統(tǒng)等。

最近一個世紀(jì)，高載客量、無人駕駛地鐵的實施在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上成為可能，從上世紀(jì)80年代以來，無人駕駛技術(shù)進(jìn)入到了一個新階段。它將自動控制、自動加速和在司機(jī)室速度顯示器上形成的編碼軌道電路組合起來，以使駕駛功能自動化，盡管在列車到站后最終的停車精確性上還有欠缺，但在提高乘客舒適度上已能達(dá)到預(yù)期的效果。

當(dāng)然，現(xiàn)在ATO的發(fā)展方向很寬，但歸根到底可分為兩種運(yùn)行制式：手動或自動。在選擇自動模式時，ATO系統(tǒng)代替司機(jī)操縱列車牽引、制動，自動的實現(xiàn)列車啟動加速、勻速運(yùn)行、減速制動等基本駕駛功能。然而，不論是由司機(jī)駕駛還是ATO自動駕駛，都需要ATP系統(tǒng)執(zhí)行速度監(jiān)督和超速防護(hù)功能，具體的操作形式為：司機(jī)人工駕駛+ATP系統(tǒng)=手動駕駛；ATO系統(tǒng)自動駕駛+ATP系統(tǒng)=自動駕駛。

2.ATO系統(tǒng)功能簡介

2.1 ATO子系統(tǒng)功能

列車自動駕駛系統(tǒng)(Automatic Tr ain Operation)是地鐵車站列車集中控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，是列車自動控制系統(tǒng)(ATC)中必不可少的一個重要子系統(tǒng)。它能模擬完成駕駛列車的任務(wù)，通過利用地面信息實現(xiàn)對列車牽引、制動、自動折返等運(yùn)行控制，使列車經(jīng)常處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高乘客的乘坐舒適度和列車的準(zhǔn)點率，節(jié)約能源。另外，它還提供定點停車、車門控制和給車站反饋列車定位信息等功能。ATO使列車運(yùn)營降低了成本、增加運(yùn)營彈性，使密集發(fā)車成為可能，是城市軌道交通進(jìn)入自動化時代的可靠技術(shù)保障。具體功能如下：

●自動駕駛和目的制動：這是ATP和ATO裝備的列車常規(guī)運(yùn)行模式，3種基本的駕駛階段是：加速(包括啟動)、巡行和制動(包括惰行)。

●開門：ATO是根據(jù)ATP的命令自動打開車門。

●列車由車站發(fā)車

●加速

●巡航

●在正線上停車

●限速區(qū)段運(yùn)行

●通過車站

●車輛段向正線發(fā)車

●從正線向車輛段發(fā)車

●列車自動折返

2.2 ATO系統(tǒng)工作原理

ATO子系統(tǒng)能保證運(yùn)行時間與定點停車，還能提高運(yùn)行效率，提高舒適度，減少能耗。但作為ATC的一個子系統(tǒng)，它的功能是要依靠ATC各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作共同完成的，缺少ATP與ATS子系統(tǒng)，ATO將無法正常工作。

從運(yùn)行中所起作用來說，ATO主要實現(xiàn)駕駛列車的功能，能進(jìn)行車速的正常調(diào)整，給旅客傳送信息，進(jìn)行車門的開關(guān)作業(yè)，但這只是執(zhí)行操作命令，不能確保安全，這就需要ATP來進(jìn)行防護(hù)。ATP起監(jiān)督功能，對不符合安全的情況給予防護(hù)，保證列車不超速，車門不誤動。由此可見ATP系統(tǒng)是列車運(yùn)行時必不可少的安全保障，ATO系統(tǒng)則是提高城市軌道交通列車運(yùn)行水平(準(zhǔn)點、平穩(wěn)、節(jié)能)的技術(shù)措施。在任何時候，只要ATP系統(tǒng)正常的話，就應(yīng)讓其執(zhí)行防護(hù)工作，以確保行車安全。

如圖1所示，從ATP與ATO兩子系統(tǒng)的三條制動曲線，也可明顯的看出：ATP主要負(fù)責(zé)“超速防護(hù)”，起保障安全的作用，ATO主要負(fù)責(zé)正常情況下的列車高質(zhì)量地運(yùn)行，其中，曲線1表示列車的緊急制動曲線，由ATP系統(tǒng)計算及監(jiān)督，曲線2表示由ATP系統(tǒng)計算，在駕駛室顯示出來的最大允許速度，它略低于緊急制動曲線，當(dāng)列車速度達(dá)到曲線2，應(yīng)給出告警，曲線3是由ATO系統(tǒng)動態(tài)計算的制動曲線，也即正常運(yùn)行情況下的停車制動曲線。

圖1 三種制動曲線

由于地鐵列車的運(yùn)行密度越來越大，安全性要求越來越高，所以要求有ATS系統(tǒng)，以使列車按照設(shè)計好的時刻表準(zhǔn)確有序地運(yùn)行，并監(jiān)視列車運(yùn)行狀態(tài)實現(xiàn)智能調(diào)度．

3.ATO的技術(shù)特點比較

20世紀(jì)90年代，國內(nèi)已運(yùn)用的三種制式ATO車載設(shè)備分別是北京地鐵1號線的英國西屋公司的ATO設(shè)備、上海地鐵1號線的美國GRS的ATO設(shè)備和廣州地鐵1號線運(yùn)行的德國Siemens公司的ATO設(shè)備，下面就這三種設(shè)備的基本情況作一下介紹。

(1)北京地鐵1號線的ATO設(shè)備

●ATO設(shè)備

車載設(shè)備：由設(shè)在列車每一端的司機(jī)室內(nèi)的ATO控制器及安裝在列車每一端的司機(jī)室車體下的兩個ATO接收天線和兩個ATO發(fā)送天線組成。

地面設(shè)備：在各車站設(shè)備室內(nèi)設(shè)有車站ATO通信器PAC(Platform ATO Communicator)。PAC內(nèi)存有至下兩個站的線路信息，并通過與ATS接口，得到來自控制中心的控制命令。在各車站上下行站臺以及進(jìn)行ATO折返的折返線出軌道上，設(shè)有Xd或者X2環(huán)路及Rd環(huán)路。列車在車站停車期間，經(jīng)聯(lián)鎖電路及軌道電路的有關(guān)條件控制向室外環(huán)路發(fā)送。

●ATO需求數(shù)據(jù)和傳輸通道

在ATO數(shù)據(jù)的獲取過程中，車載ATP接受安全信息。安全信息由列車當(dāng)前運(yùn)行區(qū)段的AF-900軌道電路傳來，采用低頻脈沖調(diào)幅方式，有8種不同的調(diào)制頻率，6種用于ATP速度命令，2種用于門控命令。另外，車載TWC系統(tǒng)接收地面的TWC信息。該信息一般為非安全控制功能數(shù)據(jù)，諸如運(yùn)行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK調(diào)制方式，通過地面的TWC設(shè)備向列車發(fā)送。最后，車載接受到來自車載ATP、TWC的信息和標(biāo)志線圈的信息。

●控制策略

速度調(diào)節(jié)：ATO根據(jù)從ATP中獲取的MSS和TS，計算列車運(yùn)行速度曲線。該區(qū)相比較簡單，只要計算加速轉(zhuǎn)勻速，勻速轉(zhuǎn)加速或制動的位置點，以保證列車運(yùn)行時間不超過MSS，并且在每個軌道電路區(qū)段目標(biāo)距離處速度不超過目標(biāo)速度?？刂破鞲鶕?jù)線路情況自動控制列車的牽引和制動運(yùn)行輸出，盡量使列車按運(yùn)行曲線的速度來信。當(dāng)列車速度超過目標(biāo)速度時，ATP設(shè)備報警；當(dāng)超過最大的允許速度時，ATP實施緊急制動。

車站停車：

在車站的停車位上停車時通過X2和Xd環(huán)路來實現(xiàn)的，列車進(jìn)入車站內(nèi)的環(huán)路范圍后，通過地與車之間的通信，得到距離停車點的距離，進(jìn)行第一次位置調(diào)整，并使速度盡量貼近預(yù)置的停車速度曲線。在Xd環(huán)路處，進(jìn)行第二次也是最后一次位置調(diào)整。若需要對運(yùn)行時間進(jìn)行調(diào)整，ATS將給出控制命令，如惰性控制、下一站通知等命令，由ATO執(zhí)行。

(2)上海地鐵1號線ATO設(shè)備

●ATO設(shè)備

車載設(shè)備：主要包括主控設(shè)備，車底的ATP/TWC接收環(huán)線、TWC發(fā)送天線(TWC為車—地通信系統(tǒng))、對位天線、標(biāo)志線圈。

地面設(shè)備：包括ATC車站停車模塊以及沿每個站臺布置的一組地面標(biāo)志線圈。

●ATO需求數(shù)據(jù)和傳輸通道

在ATO數(shù)據(jù)獲取的過程中，車在ATP接收安全信息。安全信息有列車當(dāng)前運(yùn)行區(qū)段的AF-900軌道電路傳頌，采用低平脈沖條幅方式，有8種不同的調(diào)制頻率，6種用于ATP速度命令，2種用于門控命令。另外，車載TWC系統(tǒng)接收地面TWC信息，該信息一般是非安全信息控制功能數(shù)據(jù)，諸如運(yùn)行等級、列車號、目的地和跳停等。該信息采用FSK調(diào)制方式，通過地面TWC設(shè)備向列車發(fā)送。最后，車載ATO接收來自車載ATP、TWC的信息和標(biāo)志線圈的信息。

●控制策略

速度調(diào)節(jié)：ATO與ATP配合調(diào)節(jié)速度。ATP共設(shè)6個速度命令，即20、30、45、55、65、80km/h。ATC系統(tǒng)具有4個ATS運(yùn)行等級，對應(yīng)于ATP的各個速度命令有相應(yīng)的修正速度。參考速度就是接收到的ATP速度命令，ATS運(yùn)行等級的修正速度即定點停車速度曲線三者中最小的速度。ATO根據(jù)貴旁接受的運(yùn)行等級獲得的運(yùn)行速度信息，并調(diào)節(jié)速度、加速度和程序減速度，以符合所接收的運(yùn)行等級。在檢出限制速度變低并在正常的制動條件下，如果車速大于現(xiàn)在新的限制速度，則以制動減速度0.97m/s啟動常用制動。ATO子系統(tǒng)利用閉環(huán)反饋技術(shù)進(jìn)行跳鼠，即將實際車速與參考速度之差作為誤差控制量。通過牽引或制動曲線對列車實施一定的牽引力或制動力，使誤差控制量為零。

車站停車：

車載ATO系統(tǒng)將修正程序停車取向，以符合所接收的運(yùn)行等級。精確的車站停車是通過應(yīng)用軌道電路ID和邊界的轉(zhuǎn)換以及車站的環(huán)路來實現(xiàn)的。應(yīng)用軌道電路的ID來確定正確的停車曲線的起點。列車經(jīng)過站外350米處的第一對地面標(biāo)志器時，定點停車曲線便由此啟動。定點停車是建立在一個固定的減速率基礎(chǔ)上的。當(dāng)ATS速度與定點停車曲線速度相同時，列車撞入定時停車控制模式，列車經(jīng)過150m、25m出的地面標(biāo)志器時，它離開最后停車點的距離信息被不斷更新。列車經(jīng)過8m出的有源地面標(biāo)志器上方，并接收到由該標(biāo)志器發(fā)送的信號，列車既可轉(zhuǎn)為定位停車模式，實施全常制動，將車停下。車輛對位天線與地面對位天線對齊。

運(yùn)行時間的調(diào)整：

主要是通過選擇不同的運(yùn)行等級來實現(xiàn)。惰行模式已經(jīng)包含在運(yùn)行等級中。

運(yùn)行模式的改變：

ATC系統(tǒng)的邏輯要求是必須在列車停下前可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則將導(dǎo)致一次緊急制動。

(3)廣州地鐵1號線ATO系統(tǒng)

●ATO設(shè)備

車載設(shè)備：主要包括ATC設(shè)備機(jī)架、速度彪、控制臺、ATP接收天線、PTI發(fā)送天線。

地面設(shè)備：包括車站交叉環(huán)線和PTI環(huán)線。

●ATO需求數(shù)據(jù)和傳輸通道

由于廣州地鐵采用FTGS數(shù)字頻率軌道電路，因此能傳送報文信息。地面?zhèn)魉徒o列車的數(shù)據(jù)信息全部經(jīng)軌道電路由車載ATP接收。ATO需要的信息主要通過車載ATP獲得。包括經(jīng)ATP處理的信息(實際速度、運(yùn)行方向、實際位置、列車長度、限速命令、制動減速度，附加信息：下一區(qū)段精度、停車位置、車站停車……)，以及ATS經(jīng)過ATP傳給ATO的信息(車門控制、到下一站的時間、車站號、車次號、目的地號、軌道電路號)。報文由所有類型的電碼按照一定的次序組成，是由軌道電路環(huán)路發(fā)送的。

●控制策略

速度調(diào)節(jié)：ATO接收來自ATP的帶四個標(biāo)志點的速度命令信息(包括最大速度、第一限速、第二限速和入口速度的起點、終點、速度值)，計算列車要求的運(yùn)行速度。ATO按照時刻表和運(yùn)行需要提供三種模式曲線：最大允許曲線，常規(guī)速度曲線(較最大速度曲線下降10%)，節(jié)能速度曲線(較最大速度曲線下降20%)：然后根據(jù)各種線路情況、車輛信息，計算所需牽引力或制動力，使列車到達(dá)最大加速度，總比ATP的最大允許速度曲線低一點。當(dāng)超過警告曲線、則警告。

車站停車：車站內(nèi)的位置調(diào)整點有多交叉的環(huán)路提供。如下圖，環(huán)路的頭和尾是所謂的環(huán)路邊界。相對應(yīng)的車站中間的環(huán)路交叉是用來確定距離的，一般的距離是6個枕木之間。另外還定義一些粗調(diào)點，它們之間的距離減少至3個枕木間距且3個一組。ATP車載設(shè)備能接收到這些交叉點，并能把每個交叉點的處理信息傳給ATO。ATO計算每個交叉點間的距離，粗調(diào)點只有在期望的位置窗口內(nèi)才能被識別到。假如識別到粗調(diào)點，則下一個交叉點便可用作為之同步。這些交叉點的位置以預(yù)置在ATO中。

惰行/巡航使ATO的一項輔助功能。時間充裕的話，可采用巡航/惰行來調(diào)整運(yùn)行時間，節(jié)省能源。

正線上改變運(yùn)行模式：在列車運(yùn)行中的任一時刻，司機(jī)可以通過移動操縱桿使之脫離零位置，從而進(jìn)行人工駕駛。在任何時候和任何駕駛階段，ATO給出可以進(jìn)行駕駛的顯示，司機(jī)通過移動操作桿，使之進(jìn)入零位置并按壓ATO啟動鍵，列車運(yùn)行模式變?yōu)锳TO模式。

4.總結(jié)

目前，城市交通的理想特征是：在規(guī)劃上具有科學(xué)性，超前性，合理性，可調(diào)整性；再法律上具有權(quán)威性，連續(xù)性；在建設(shè)方面具有資金保障，技術(shù)先進(jìn)，時機(jī)恰當(dāng)?shù)奶攸c；在管理上具有現(xiàn)代化，高效率，低成本，應(yīng)變強(qiáng)的特點。在自動駕駛系統(tǒng)(ATO)上，國外已研究適用于高密度城市軌道交通的列車駕駛系統(tǒng)，并在城市軌道交通系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。我國在此項技術(shù)上研究較少，為了降低地鐵投資，迫切需要國內(nèi)具有自主產(chǎn)權(quán)的適用于城市軌道交通的列車自動駕駛系統(tǒng)。

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