城市轨道交通CBTC系统关键技术探讨

摘要：本文基于自主研发的城轨交通完整CBTC系统，描述了ATO子系统所具备的列车自动驾驶、自动折返等关键功能及其工作原理，重点研究其ATO系统的关键功能及硬、软件架构。

关键词：城市轨道交通 CBTC 系统关键技术 列车自动驾驶子系统（ATO）

目前我国城市轨道交通运行速度和运行密度的不断提高，实现高水平列车自动驾驶的系统功能则成为CBTC信号系统的关键。列车自动驾驶子系统（ATO， Automatic Train Operation）利用先进的计算机技术对列车的运行过程进行计算，并获得合理、优化的列车操纵方案。列车自动驾驶不仅能做到降低驾驶人员的工作强度、提升旅客乘车的舒适性，还能有效地提高列车运行效率并节约能耗。

一、ATO关键功能描述

如图1所示，作为车载控制器 （VOBC）的重要部件，每组列车共具有2套ATO控制单元，分别设置在车头和车尾端，只有激活端驾驶室的ATO单元处于控制状态并接收、处理来自测速传感器的速度脉冲信号、计算当前列车速度，对列车控制电路输出数字牵引、制动命令以及模拟电流环信号（即牵引力或制动力大小），其信号的取值范围在0-20 mA之间，实现对列车速度的无级连续控制，同时还根据采集的门控模式开关状态以及ATP的开门使能信号，控制相应侧车门的开关。对列车驾驶台输出ATO启动、ATO模式、自动折返等指示信息，辅助司机进行激活ATO、模式选择和自动折返等操作。

整个ATO系统的算法和处理过程全部由主控CPU实现。CPU通过对所有输人信息代人控制算法进行处理，并将控制命令通过输出模块输出。实现功能的主要过程是接收从ATS来的行车命令，在列车安全防护子系统（ATP）监控下，通过车辆接口控制列车自动完成所在区间的列车行驶过程。ATO与ATP之间通过以太网交互信息。

（一）自动驾驶功能

自动驾驶能做到完全自动控制列车在站间的运行过程并可根据列车自动监控子系统（ATS）的调整指令调整区间运行时间，其区间运行时间与规定值误差≤±5%。自动驾驶功能由车站发车、区间速度控制和列车目标制动3部分功能组成（图2为列车速度绿色曲线变化过程）。需要考虑的运行指标包括运行时间、能耗、安全性、舒适性、跟随性、停站精度。

1.车站发车功能

（1）在满足ATO启动条件下，允许司机启动ATO系统。

（2）启动ATO后，控制列车速度到目标推荐速度。

2.区间速度控制功能

ATO负责在自动驾驶（AM）模式下驾驶列车。ATO对列车的速度控制通过伺服控制模块实现，其核心是基于比例、积分、微分（PID）控制原理的伺服控制软件结合模拟0-20 mA电流环硬件电路实现的。伺服控制模块包括实际速度和设定速度（推荐速度）2个基本输入。

（1）实际速度由ATO综合自身计算和ATP发送的速度信息判定，ATO与ATP使用相同的速度传感器，从而确保ATO所确定的速度与同ATP所确定的一个安全速度值相匹配。

（2）设定速度（推荐速度）则由ATO根据从ATP接收安全限速，固定限速以及临时限速等信息，同时，依据非安全制动曲线计算得来的当前点非安全限速综合形成。非安全制动曲线由ATO根据能力守恒的原理实时计算和维护。设定速度是当前列车位置的1个函数，对于设定速度的计算和每一个限速（停车点或限速）相关联，对每一个限速产生1个当前列车位置（图3中的P点）的局部设定速度。总体的设定速度为所有局部设定速度的最小值。

图3中，Vp为ATP防护的安全停车点（POP）作用于位置点P处的最大允许速度；Vo为ATO防护的非安全运营停车点（OSP）作用于位置点P处的最大允许速度；Vl为列车限制速度在位置点P处的最大允许速度；Va为列车限速曲线作用于位置点P处的最大允许速度。

所有设定速度最小值的集合最终形成ATO控车所遵循的推荐速度曲线。基于PID控制的伺服控制模块控制列车在区间跟踪推荐速度曲线，最大限度地保证列车速度贴近推荐速度运行。在加速和减速阶段，为了提升列车运行的平稳度和精确度，ATO采用了恒定的加速度和减速度。

3.列车目标制动功能

列车目标制动功能使列车精确地停在目标停车位置。

（1）站台定点停车。

站台的运营停车点由线路数据库来提供。ATO根据下一停车点，综合列车实际位置、速度、列车特性和ATP停车点计算非安全制动曲线，采用最合适的制动率控制列车准确平稳地停在规定的停车点。列车在车站站台的停车精度通常≤±0.3M。

（2）区间信号停车。区间信号停车功能根据区间停车信号控制列车停在停车信号之前，区间信号停车对于停车精度要求低于车站停车点精度要求。当地面设备允许列车向前行进（发送新的移动授权）时，不需司机任何操作，列车自动前进。

（二）自动折返

ATO系统可以在ATP的监督下控制列车进行自动折返。ATO在车头、车尾两端分别设有自动折返继电器（AR），其AR架构如图4所示，图4中AR1， AR2的动作，用以实现列车在自动折返时使车头车尾控制权互换。

列车自动折返作业分为站前折返和站后折返2种模式。

1.站前折返

如图5所示，列车以A方向通过渡线进人站台2，司机按压自动折返按钮并关闭A方向驾驶室，列车通过AR继电器的状态变化自动转换车辆控制端。此时，司机激活B方向驾驶室并控制列车以B方向离开站台2。

2.站后折返

如图6所示，列车以A方向进入站台1，此时，司机按压自动折返按钮并关闭A方向驾驶室，列车自动通过渡线运行至折返线，通过AR继电器的状态变化自动转换车辆控制端，列车以B方向自动运行进人站台2，司机激活B方向驾驶室并控制列车离开站台2。整个站后折返过程中AR继电器状态转换见表2。

上述折返进路均由折返车站的联锁系统按预定程序自动排列。

二、ATO硬件设计

C o m p a c t P C I（C P C I，Compact Peripheral Component Inter-connect），又称“紧凑型”PCI，是国际工业计算机制造者联合会（PICMG）于1994提出来的一种总线接口标准。是以PCI电气规范为标准的高性能工业计算机总线。基于CPCI总线架构的工业计算机具有高开放性、高可靠性、高通用性、可热插拔（Hot Swap）以及良好的抗振等技术特点，适用于城市轨道交通中高速数据传输和处理的车载ATO子系统。

CPCI关键技术要点：①标准化、通用化的PC工总线和和尺寸规范；②坚固耐用的欧式插卡及管脚连接技术；③优良的EMC架构设计；④丰富的主板及板卡的硬件资源，支持应用定制化。

所有的ATO板卡安装于19英寸3U机笼中。如图7所示，ATO系统主要包括电源板、CPU主板、模拟/数字混合I/O板、以太网卡。电源板为整套ATO设备供电；CPU板是ATO的运算核心和控是ATO的运算核心和控制核心；列车运行控制（牵引/制动）接口，车辆接口以及所有测速传感器接口都是通过模拟/数字I/O板采集和控制。ATO与其他VOBC组件都是通过100M以太网核心交换机连接通信。所有ATO部件都是依据-40℃到+85℃的宽温标准设计，环境适应性和电磁兼容（E M C）特性符合相应轨道交通车载设备技术标准。

三、ATO软件设计

1.操作系统

ATO采用具有很强的实时性和高可靠性的嵌人式LINUX操作系统，它具有可裁剪、可移植和抢占式的实时多任务操作系统内核。提供任务调度、内存管理、不同任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，其特征为：①执行效率高；②占用空间小；③实时性能优良；④源码开放，可扩展性强。

2.应用软件

根据CBTC系统的功能需求，ATO软件主要是对于命令的接收、处理，同时发出控制命令。在整个流程中需要保证软件运行的可靠性和安全性。此外ATO还需要就列车运行过程中的必要信息进行记录。

ATO系统主体结构采用多进程方式实现。不同的子功能在不同的进程中完成。主进程采用周期执行方式实现。系统应用程序在结构上是模块化的，这样可以提高程序的可复用性。操作系统可以同时处理多个程序（多任务处理），系统设计了按照优先级来管理和协调计算功能的处理方式。ATO软件具体实现流程如图8所示。

总结：列车自动驾驶（ATO）是完整CBTC系统的重要组成部分。从CBTC系统需求角度，对ATO子系统应实现的关键功能、硬件和软件架构所进行的分析和探讨，对于研究具有自主产权的城市轨道交通列车自动控制系统（CBTC）具有参考意义。

参考文献：

[1]黄良骥，唐涛.地铁列车自动驾驶系统分析与设计[J].北方交通大学学报，2002（3）.

[2]张强.基于遗传算法的列车自动驾驶系统研究与实现[D].北京：北京交通大学，2008.

[3]黄志平，康熊，周忠良.列车自动驾驶的仿真实现[J].铁道机车车辆，2001（6）