轨道交通系统详解，以及地铁如何精准停靠站台

ATC系统

全称“自动列车控制系统”，Automatic Train Control，ATC

ATC是地铁运行的核心系统，它包括列车自动防护（ATP）、列车自动运行（ATO）和列车自动监控（ATS）三个子系统。

ATS系统

全称“自动列车监控系统”，Automatic Train Supervision，ATS

主要负责列车运行状态的监控和管理。

ATS系统通常由控制中心、车站设备和车辆设备组成，它们通过通信网络相互连接。

• 控制中心是系统的核心，负责接收和处理来自车站和车辆设备的信息，监控列车的状态和运行情况，并生成列车时刻表和调整列车运行时刻。
• 车站设备包括用于监测列车运行状态、显示车次信息以及控制车站的设备。
• 车辆设备则包括用于监控车速、门状态和车辆控制的设备。

ATO系统

全称“自动列车驾驶系统”，Automatic Train Operation，ATO

列车自动驾驶系统，是在实现列车自动行驶、精确停车、站台自动化作业、无人折返、列车自动运行调整等功能的列车自动控制系统。

• 其分为三种模式：

  • 加速（包括启动）；
  • 巡行；
  • 制动（包括惰行）。

• ATO系统的功能：

  • 自动调整列车运行速度：ATO系统能够根据地面信息、列车位置和速度等信息，自动控制列车的速度。它能够在保证安全的前提下，尽量提高列车的运行速度，以减少旅行时间。
  • 自动停靠列车：在进站时，ATO系统能够根据预定的程序和控制策略，自动调整列车的速度和停靠位置，确保列车精确停靠在站台上。这样，乘客可以更加方便地上下车。

• ATO系统的工作原理

  ATO系统的工作原理是一个闭环反馈控制过程。它首先从ATS系统处获得列车运行任务命令，然后通过轨道电路或其他地面设备将命令传送到列车上。车载设备接收到命令后，结合当前列车的实际位置和速度信息，以及线路情况，开始计算运行速度并得出控制量。然后，它执行控制命令，使列车按照预定的速度和方向运行。在接近制动启动点时，ATO设备将自动控制常用制动使列车运行跟随制动曲线，确保列车平稳停靠。

ATP系统

全称“自动列车保护系统”，Automatic Train Protection，ATP

是一种关键的安全控制系统，它属于ATC系统的一部分。ATP系统的核心功能是确保列车运行的安全，防止列车超速、追尾等事故的发生。

• ATP系统的功能

  • 超速防护：ATP系统通过实时监测列车的实际速度，并将其与预设的限速值进行比较。一旦发现列车速度超过限速，ATP系统会立即采取制动措施，使列车减速至安全速度范围内，从而防止超速事故的发生。
  • 安全间距监控：ATP系统还负责监控列车间的安全间距，确保后续列车与前行列车之间保持足够的安全距离。这通过地面设备和车载设备之间的信息交换实现，包括位置信息、速度指令等，以确保列车在行驶过程中不会发生追尾事故。
  • 车门和站台屏蔽门监控：ATP系统还负责监控列车车门和站台屏蔽门的开启和关闭状态，确保它们在安全的情况下进行操作。这有助于防止因车门或屏蔽门未正确关闭而导致的安全事故。

• ATP系统的工作原理

  ATP系统通过地面设备和车载设备共同协作来实现其功能。

  • 地面设备包括轨道电路、应答器等，它们负责向列车发送位置信息、速度指令等关键数据。
  • 车载设备则包括车载计算机、速度传感器等，它们负责接收地面设备发送的信息，并根据这些信息计算出列车的实际速度和距离，与预设的安全速度和安全间距进行比较，从而实现速度控制和安全间距监控。

  当列车运行时，ATP系统会不断接收地面设备发送的信息，并根据这些信息实时调整列车的运行速度。如果列车速度超过限速或安全间距不足，ATP系统会立即触发制动装置，使列车减速或停车。

补充

• 冒进信号：

  在地铁停靠中，“冒进信号”指的是一种非常危险的行为。

  具体指的是：列车前端任何一部分在未经授权的情况下越过进路防护信号机显示的停车信号。

  通俗解释：可以类比为红灯了，但是车子有一部分过线了。

• 轨道DCS：

  轨道DCS，即数据控制系统（Data Control System）。

  系统组成：

  • 中央控制室：作为整个系统的核心，中央控制室负责接收、处理并发送各种控制指令和数据信息，实现对地铁列车的远程监控和调度。
  • 轨旁设备：包括信号机、应答器、轨道电路等，这些设备分布在轨道沿线，用于与列车进行通信和数据交换，确保列车能够按照预定的运行计划行驶。
  • 车载系统：安装在列车上的各种设备和系统，如ATP（列车自动防护）、ATO（列车自动运行）等，它们与DCS系统紧密配合，实现对列车运行状态的实时监测和控制。

  DCS系统作为数据传输的桥梁和纽带，为ATC系统的正常运行提供了必要的数据支持；同时，它与ATP、ATO等系统紧密配合，共同实现列车的自动监控、自动防护和自动运行等功能，确保城市轨道交通的安全、高效和自动化。

• 轨道电路：

  • 定义：轨道电路是由钢轨线路、钢轨绝缘、电源、限流设备、接收设备等组成的电路系统。
  • 功能：主要用于自动、连续检测轨道区段是否被机车车辆占用，同时也用于控制信号装置或转辙装置，以保证行车安全。
  • 工作原理：
    • 空闲状态：当轨道空闲时，电流从电源经由轨道流经继电器，使继电器激磁并带动接点接通绿灯电路，信号机显示绿色灯光，表示前方线路空闲，允许机车车辆占用。
    • 占用状态：当机车车辆进入轨道区段时，由于轮对电阻很小，使轨道电路短路，继电器因失去电流而失磁，接点接通红灯电路，信号机立即显示险阻禁行信息，禁止其他列车进入该区段。

• 应答器（Balise）：

  • • 定义与功能：应答器是一种用于接收和发送信息的设备，在轨道交通中主要用于实现车-地间数据交换，并在特定地点校准列车位置。应答器分为固定（无源）应答器和可变（有源）应答器两种类型，它们通过电磁耦合原理与车载设备进行通信，传递列车控制信息和位置校准信息。
    • 一个完整的应答器系统由地面设备和车载设备两部分组成，其中地面设备包括无源应答器、有源应答器及轨旁电子单元（LEU），而车载设备则包括查询主机、车载天线及天线电缆等。
    • 工作原理：
      • 接收信号：应答器通过接收天线接收到来自车载设备的询问信号。
      • 发送回应：应答器将询问信号中蕴含的能量转换为工作电源，对接收到的信号进行解码和处理后，发送相应的应答信号给车载设备（一般是预先存储或LEU传送来的1023位应答器传输报文循环发送出去，直至电能消失，LEU通常和有源应答器结合使用）。这个应答信号包含了列车控制信息和位置校准信息等重要数据。
      • 应答器能给列车提供的信息是：①线路基本参数（包括线路坡度、轨道区段等参数）；②线路速度信息（线路最大允许速度、列车最大允许速度等）；③临时限速信息（当由于施工、天气或其他原因需要对列车运行速度进行临时限制时，应答器会向列车提供相关的临时限速信息）；④道岔信息（给出前方道岔侧向允许列车运行的速度）；⑤其他定位信息。

  • 图片（样式多样，但都大同小异）：

    
    

    每个应答器的侧面都会有一个信息框，写明了设备信息、位置和编号，并且该编号在全国铁路范围内是唯一的。

  • 其与RFID的联系和区别：

    应答器与RFID在数据传输方面，本质上是一样的，只是应答器系统比RFID系统复杂得多。

    • 相似点：应答器的技术原理与RFID技术相似，都是利用电磁感应或微波进行非接触双向通信，并通过交换数据来达到识别目标或传输信息的目的。特别是无源应答器和RFID系统中的无源标签，他们的工作原理基本一致。
    • 区别：应答器系统是一个复杂的系统，包括地面设备和车载设备两部分，而RFID系统则主要由阅读器和标签两部分组成。并且应用场景和功能定位都不相同。

• 轨旁电子单元（Lineside Electronic Unit, LEU）:

  轨旁电子单元是一种数据采集与处理单元，主要用于轨道交通系统中与有源应答器之间的接口。它通常安装在室内，通过与列控中心（TCC）等设备的连接，周期性地接收实时变化的报文或信息，并将这些信息连续地发送给有源应答器。LEU的主要功能包括：

  • 数据传输：作为列控中心与有源应答器之间的桥梁，LEU负责将列控中心的指令和数据传输给应答器，确保列车能够接收到正确的行车指令。
  • 信号处理：LEU对接收到的信号进行处理，以满足应答器上行链路数据传输的需要，确保信号的准确性和可靠性。

• 列车速度的获取方式：

  • 轮轴速度传感器：这是列车测速的主要方式之一。通过在列车每端安装轮轴速度传感器，可以测量车轮的转动速度，并通过计算得出列车的行驶速度。这种方式具有测量准确、可靠性高的特点。
  • 非轮轴速度传感器：如多普勒雷达、加速度计等，这些传感器主要用于处理空转或打滑等特殊情况下的列车测速问题。它们通过测量列车与轨道之间的相对运动或加速度来推算列车的速度。
  • GPS测速法：通过在列车上安装GPS设备，接收卫星信号来测量列车的位置和速度。这种方法可以提供精确的列车速度数据，并且具有较高的可靠性。但需要注意的是，在某些情况下（如隧道内），GPS信号可能会受到干扰或无法接收。
  • 应答器辅助测速：虽然应答器本身不直接测量列车速度，但它提供的线路速度信息和临时限速信息可以作为列车速度控制的参考。当列车通过应答器时，可以通过读取应答器中的信息来校验或调整列车的实际运行速度。

自动驾驶模式下，地铁精准停靠的方法

地铁通常都是通过ATC系统来自动驾驶。在临近停靠点时，列车会和轨道 DCS 系统进行信号交换（在这一区域内，会大量出现应答器，就是一个小黄盒子），以确定出列车当前的位置，然后 ATC 系统测出列车的瞬时速度，生成一条平滑的降速曲线，以计算出加速度来确保精准停车。在制动过程中，ATC 主要的方案是，在距离站台一定距离时进行减速，在减速到足够的速度时，进行匀速行驶（惰行），最终在即将到达停车点时，瞬间降速。但是即使是自动驾驶，也会出现对不准的情况，这时候就需要人工干预，然后进行对准。误差在99%的情况，都会小于30cm。