城市轨道列车 ATO 信号系统原理分析

薛振洲

（西安铁路职业技术学院，710014）

1 城市轨道交通信号系统

城市轨道交通能否保证正常、安全、准点的运行，信号系统的功能是至关重要的，并且对其有着很大的影响，比如说，城市轨道交通在早晨、晚上上下班交通高峰期的时候，西安地铁是否可以实现一个运营能力最佳分配状态，尽一切最大可能的减少西安市民乘坐西安城市轨道所等待花费的时间。决定了列车的发车间隔时间都很短，列车所承载的客流量比较大，因此，城市轨道交通的列车信号系统比铁路上所采用的信号系统要更加的复杂，技术含量也要更高。随着城市轨道交通系统的技术含量不断的提升。

城市轨道交通的信号系统一般主要包括了以下几项功能：:城市轨道车辆与列车在沿线运行过程中的信号采样、信号的显示和信号的联锁控制，采用无线通信系统所组成的的城市轨道列车自动控制系统(ATC)一般有列车自动驾驶系统(ATO) 列车自动保护(ATP)，以及列车自动监控系统(ATS)这三大组成部分。

1.1 城市轨道交通联锁系统

不管是北京、上海，还是天津、广州的城市轨道交通系统，列车在沿着既定的线路运行中，都可以有效的实现在列车的停靠站点上进行乘客的上下列车，这个最基本的功能，所以，对于城市轨道交通列车来说，一般只会有两条的到发线，不需要进行相应的调车作业，更不需要设置与之相应的道岔，在学术界，一般把这种类型的车站称之为无岔站，也可以被称作为非联锁站。，为了能够有效的保障列车以及人员的安全，往往都会选择在这种类型的车站上都要设置也必须设置信号联锁控制设备。

这里所说的联锁一般是指在城市轨道交通系统中，将列车运行的信号、铁路道岔、列车进路之间形成一种相互制约相互影响的。

1.2 联锁设备组成

城市轨道交通系统的联锁控制最基本布骤是首先锁闭城市轨道交通列车进入的道路，以及对城市轨道列车进行开通放行的信号;如果一旦列车开通放行的信号打开以后，那么在这里列车通行的道路上，城市轨道交通列车所使用的防护道岔就已经不能再被进行转换了，在相反方向上运行的城市轨道列车;还没有进入的情况下如果出现城市轨道交通系统的列车进入，交通信号系统的信号机将会出现关闭的情况，而且信号机将会呈现出红色;在城市轨道交通系统信号机关闭了以后，就必须对该条件进行相应的检查，这样才可以实现铁路道岔的转换。敌对进路的情况主要指的是在城市轨道列车运行的同一区间范围之内，两列运行方向不同的列车之间出现的互相进入抵出的现象。

1.3 列车自动控制(ATC)系统

采用通信功能的移动闭塞城市轨道交通系统的列车自动控制(ATC) 信号系统可以说是到目前为止，在我们国家的城市轨道交通项目中，科技含量最高也是最为先进的列车自动控制系统，采用通信功能的移动闭塞城市轨道交通系统的列车自动控制(ATC)信号系统将会成为今后城市轨道交通列车自动控制系统的发展的主要方向。

2 ATO 车载单元基本原理

城市轨道交通系统中的ATO 系统是列车自动控制系统中的一个子系统。列车自动驾驶系统的设备一般都装在列车上，因此，也把它称作是ATO 系统的车载单元，城市轨道交通系统中的ATO 车载设备一般来说，往往它会成为城市轨道交通中ATO 系统的关键中的关键，也是在对系统设计中最难的地方，也是本论文所研究的重点对象。

2.1 车载单元系统结构

在城市轨道交通系统中，列车自动控制系统的车载设备中一般都包括了ATO 系统车载单元、ATP 系统车载单元、以及城市轨道交通列车的驾驶室操作显示设备(MMI 人机接口)、天线还有就是里程脉冲发生器(OPG)等，一般情况下，将城市轨道交通的列车车载设备与地面设备进行通信的设备总称为车地双向通信系统(TWC)，车地双向通信系统也可以被细化分为车载TWC 与轨旁TWC 。

城市轨道交通系统中的ATO 车载单元与ATP(自动列车保护)车载单元之间是相互连接的，其工作过程是：ATO 的车载单元能够直接从ATP 车载单元中接收到列车运行中的工作用数据。

2.2 ATP 车载单元工作原理

如果对城市轨道交通系统的车在单元进行结构性的细分与归类的话，就可以把城市轨道交通列车的自动控制系统中的车载部分可以划分为三大种类：它们是城市轨道列车的:ATP车载单元、城市轨道列车的ATO 车载单元以及城市轨道列车的TWC 车载单元。其中自动驾驶模式系统绝对不允许列车在没有ATP 监控的条件进行操作，如果ATP 系统出现了故障以后，就绝对不能允许城市轨道交通系统进行自动驾驶模式进行驾驶。

在城市轨道交通系统中，列车自动驾驶系统可以准确的保证列车在线路运行过程中的时间与在规定的时间进行停车任务，并且可以有效的提高列车的运行效率以及乘客乘坐列车的舒适程度，减少能源的消耗量。但是，在城市轨道交通系统中，ATO 系统它是ATC 的一个子系统，它在城市轨道交通中的任务是与ATC 系统中的其余两个子系统——ATP 和ATS 两个子系统之间相互配合，相互协作，共同完成城市轨道列车在运行过程中所规定的各项任务与工作。如果ATO 系统没有其余两个子系统的相互配合，则根本无法保证城市轨道列车的安全运行。在城市轨道列车运行过程中，ATO 系统的作用是视线列车的正常驾驶功能，能够让列车按照既定的速度运行，以及保障列车车门的正常开门和关门。这些都是在执行列车所发布的各项指令性工作和动作，并不能保证很安全的执行，安全性则是由ATP 系统来进行控制盒实现的，如果ATO 系统在执行工作过程中，出现了不安全的情况或因素的时候，ATP 系统会给予保护的。

如果城市轨道车辆，在运行的过程中，出现了列车超速运行的情况，也就是列车实际速度超出了ATP 系统限制列车运行的速度以后，那么，在这种情况下，列车的车载ATP 子系统会在最短的时间范围之内，给城市轨道列车的ATO 系统下达出相应的指令，撤销掉城市轨道列车运动所需要的动力来源，并对运行中的列车实行制动。

2.3 ATO 车载单元工作原理

列车自动驾驶车载单元在车辆运行过程中，将会和提供列车超速运行防护的ATP 车载单元一起对运行中的列车的进行加速、调速和定点停车的控制。ATO 系统的重要作用就是有效提高列车运行水平的技术保障。

首先，城市轨道列车的司机，在列车开车以前，首先根据指示，启动列车的ATO 车载单元，并通过ATP 系统给列车的ATO车载单元发出允许列车运行的信号。接着由列车的ATO 系统改变城市轨道列车在运行的过程中所接受的列车的电压和电流，并且按照原来预定的方案就行发车与运行，再由ATP 车载设备传输城市轨道列车在运行过程中的速度信息，根据这个信号自动确定当前列车线路的，理想控制电路曲线，列车的ATO 车载单元再按照这个电路曲线，来改变列车的牵引/制动电压或牵引制动的电流，TWC 系统所发送出来的的地面环线交叉点定位信息，从而ATO 系统，根据这个信息与列车实际运行所达到的位置进行精确的对比，继而，改变列车的牵引制动电流的大小，从而能够有效精准的视线列车在预先设定的位置进行停车作业。

在城市轨道列车进站停车以后，那么列车的ATO 车载单元就会接收到，来自列车ATP 系统所发送出的列车打开车门的指令，使列车按照所发出的信号，自动打开列车的车门。使乘客进行上下车。在列车停车时间到达预先设定的时间以后，再由列车的司机自动控制列车车门的关闭，列车继续按照预定的速度运行。

如果城市轨道车辆在运行的过程中，由于车辆的ATO 系统出现了故障，导致列车无法运行的情况，比如，"ATO 发车按钮按下以后，列车无法正常发车、那么列车驾驶员在请示了中央控制室信号调度员的同意以后，列车驾驶员就可以使用列车的ATP 人工驾驶模式保障列车的继续安全运行。

城市轨道车辆的ATO 车载单元的功能主要对列车的运行速度进行调节，保证在站点内的准确位置进行停车，保障列车正常情况运行情况下的高质量的自动驾驶，ATO 系统的这些各项功能都需要由ATP 系统实施有效的防护。一般来说，城市轨道车辆的ATO 车载单元工作步骤主要分为了以下几步：

(1) 列车的自动驾驶系统从ATS 系统得到了列车开始发车的任务命令以后，这项命令由地面的发送设备进行传送并经过了ATP 系统的的信息接收与信息的处理;

(2)ATP 系统将所接受到的信息，在进行过了有效的处理以后，将处理后的有用信息传给ATO 系统，并显示出这些有关的信息，并且对ATO 系统的工作进行监视。;

（3）ATO 系统对由ATP 系统所传递过来的有效信息进行计算，由此得到列车的运行速度，以及应该的控制量，执行列车的控制命令，并将计算出来的结果以及信息进行显示。

(4)地面环线接收到来车列车控制台的信息，把这些信息再传给ATS 系统，ATS 系统根据此列车运行的情况和信息，确定列车所要完成的各项任务后，再次，由地面发送设备将信息传递给列车的ATO;系统，使列车按照规定的指令运动。

城市轨道列车在ATO 的模式下，进行安全的运行，列车可以在无需人工控制的情况下，可以实现自动的从这一站到下一站。这一过程，首先是由列车司机发出关闭列车车门的指令，在列车的车门关闭好了以后，按下列车ATO 系统的启动按钮，给列车发出开车的命令。如果这个时候，列车的车没有实现关闭，那么列车的ATP 系统会阻止列车的发车指令执行，相反，列车就可以实现安全发车，ATO 系统会让城市轨道车辆按照规定的时速运行，直到到达列车的下一站，当列车车辆进站停稳以后，车门自动打开，这样一个完整的过程。

[1]J虚拟仪器白皮书.美国国家仪器(NI)有限公司.zoo6.2-8

[2]王磊.陶梅.精通LabVIEW8.0[M].电子工业出版社.2007.200-221

[3]王建群.南金瑞.孙逢春.付立鼎.基于LabVIEW 的数据采集系统的实现[M].北京理工大学出版社.2004.122-125

[4]杨乐平.李海涛等.Labview 高级程序设计〔M].清华大学出版社.2003.4

[5]江建军.刘继光等.Labview 程序设计教程[M].电子一工业出版社.2008.3