1、地鐵通信與信號列車自動防護系統 一、列車自動防護系統基本原理 理論內容 城市軌道交通的信號控制系統中，列車自動防護系統是信號控制系統非常重要的組成部分，它為列車行駛提供安全保障，有效降低列車駕駛員的勞動強度，提高行車作業效率。如果沒有列車自動防護系統，列車的行車安全需要由列車駕駛員人工來保障，這樣會造成列車駕駛員過度疲勞，產生安全隱患，對行車作業效率也會帶來負面影響。因此在城市軌道交通中，尤其是在運營作業繁忙的線路上，信號控制系統中設置列車自動防護系統是非常必要的，它是行車作業的安全保障和體現。 列車自動防護系統，其英文名稱為“Train Automatic Protect System”，簡

2、稱為ATP系統。7/27/20222 1列車運行的幾個基本概念 在介紹列車自動防護系統如何控制列車運行速度時，需要簡單了解列車如何起動和停車，以及列車常用制動和列車緊急制動的基本概念。 (1)列車起動和停車 列車在人工駕駛時，列車駕駛員操作駕駛手柄，通過列車的牽引系統施加牽引力使列車向前加速行駛，或通過列車的制動系統施加制動力使列車減速行駛。列車駕駛手柄平常放中間位置，將駕駛手柄從中間位置向前推時，列車向前加速行駛，越往前推施加的牽引力越大；將駕駛手柄從中間位置向后推時，列車減速行駛，越往后推施加的制動力越大，這時列車在制動力的作用下減速運行，如圖8一l所示。7/27/20223圖81 列車駕

3、駛室牽引制動 手柄和緊急制動按鈕駕駛室 駕駛室內景 7/27/20224 (2)列車常用制動和緊急制動 列車常用制動就是列車在正常行駛過程中，由列車的制動系統施加給列車的制動。 列車緊急制動就是列車在超速行駛，或遇到其他不正常會危及列車行車安全的情況時，對列車施加的制動。列車緊急制動時所產生的制動力，是列車的制動系統所能提供的最大制動力。列車緊急制動的響應時間比列車常用制動的響應時間要短；一旦對列車施加了緊急制動，只能通過特殊處理才能將緊急制動從列車上解除。7/27/202257/27/20226 (3)速度限制 城市軌道交通中，列車在軌道線路上行駛時，受軌道線路彎道、坡道、列車自身構造以及運

4、營需求等因素的影響，列車只能在規定的速度范圍內運行，如果列車運行速度比規定的最大速度值高，則會危及到列車的行車安全，導致列車相撞、出軌或顛覆等事故的發生。為確保列車行車安全，列車必須在所規定的速度范圍內運行，以防止安全事故的發生。 列車自動防護系統在每列車上都裝有速度傳感器，速度傳感器安裝在列車的車軸上，如圖82所示，對列車的運行速度進行實時測定，并把速度值傳送給列車自動防護系統主機，由列車自動防護系統主機對速度進行分析和處理。圖82速度傳感器7/27/202277/27/20228 (4)列車自動防護系統與列車之間的接口 列車自動防護系統主機是列車自動防護系統的核心控制部分，列車自動防護系統

5、主機與列車自身的牽引系統和制動系統由專門的接口電路連接，如圖83所示。列車自動防護系統主機實時接收從地面信號傳來的信號，通過實時分析和計算，實時向列車的牽引系統或制動系統發出控制指令，列車的牽引系統或制動系統在接收到控制指令后，對列車施加牽引力或制動力，以控制列車的運行速度，使列車在允許速度的范圍內運行。列車自動防護系統主機安裝在駕駛室內。圖83列車自動防護系統與列車之間的接口關系7/27/20229 2列車自動防護系統基本原理 列車自動防護系統控制列車運行速度有兩種基本方式：點式疊加方式和速度距離模式曲線方式。 (1)點式疊加方式 列車自動防護系統以點式疊加方式控制列車運行速度，其速度距離曲

6、線呈階梯狀，稱為階梯曲線，如圖84所示。圖84階梯曲線 圖中橫坐標表示距離值，縱坐標表示列車運行速度值。 圖84中列車受到制動力的作用，減速運行。列車從某點O處以不超過S1的速度值運行，在運行到D1點時，對列車施加一定的制動力，使列車允許運行的最大速度值從S1速度值降為S2速度值；列車從D1點運行到D2點處，在這一區間，列車運行的最大允許速度值為S2;在S2點，再次對列車施加制動力，使列車減速運行。7/27/202210 列車運行在OD1區段，允許運行的最高速度為S1；在D1D2區段，允許運行的最高速度為S2；在D2 D2區段，允許運行的最高速度為S3。圖84階梯曲線7/27/202211 在

7、每個區段，如果列車運行速度超過了在該運行區段所對應的最大速度值，列車自動防護系統會向列車的制動系統發出常用制動命令，列車的制動系統對列車施加制動力，使列車運行速度在系統所設定的時間內，降到允許的運行速度范圍內，以保證列車安全運行；如果列車運行速度持續超過該運行區段所對應的最大速度值，在持續的時間超過系統設定的時間后，列車自動防護系統將對列車實施緊急制動，強制列車停車，以防止意外事故的發生。7/27/202212 階梯曲線控制速度的方式所需要的硬件結構簡單，容易實現。在圖8-4中列車以不超過S1速度值運行，運行速度從S1變為S2時，使得列車的運行速度發生突變，這時強烈的減速會給列車上的乘客一種沖

8、擊，容易產生不適感。速度變化越大，沖擊感越強，不利于旅客乘車的舒適度。圖84階梯曲線7/27/202213 (2)速度距離模式曲線 列車受到制動力的作用，使列車減速運行，速度一距離圖形曲線形狀是連續平滑的曲線，這種列車速度控制方式稱為速度距離模式曲線方式，如圖8-5所示。 圖中橫坐標表示距離值，縱坐標表示列車運行速度值。圖85速度距離模式曲線7/27/202214 圖85中，列車自動防護系統根據運營計劃，使列車從O點減速運行到D1點。列車自動防護系統根據各種數據，計算出列車從O點運行到前方D2點的區段內，各處所需的運行速度，并向列車的牽引和制動系統發出指令，控制列車按照速度距離模式曲線所繪制的

9、速度值平滑穩定地從在0點減速運行到前方D2點。圖85速度距離模式曲線7/27/202215 在上圖模式曲線的每點，都對應有一個速度值，如果列車運行速度超過了在該點所對應的速度值，列車自動防護系統實時向列車的制動系統發出常用制動命令，對列車施加制動力，使列車運行速度降到模式曲線的下方，保證列車以允許的速度運行，確保列車安全運行；如果列車運行速度持續超過模式曲線所規定的速度值，運行在模式曲線的上方，若所持續的時間超過系統設定的時間，列車自動防護系統將對列車實施緊急制動，強制列車停車，以防止意外事故的發生。7/27/202216 速度距離模式控制速度的方式，需要比較復雜的軟件和硬件支持，系統調試過程

10、比較復雜。列車平滑減速運行，運行速度沒有發生突變，列車運行速度控制穩定，可以有效提高列車乘客的舒適度。 防止列車超速運行是列車自動防護系統最重要的功能，也是城軌信號系統保障列車運行安全的核心。列車自動防護系統對列車速度的有效控制，保持列車速度運行不超過所允許的速度范圍，能有效降低列車駕駛員的勞動強度，提高作業效率，避免人工操作帶來的安全隱患保障列車安全運行。7/27/202217 二、列車自動防護系統主要功能 列車自動防護系統不僅能控制列車運行速度，還有其他許多重要功能，它們是列車安全穩定運行的可靠保障。 列車自動防護系統主要功能包括有： 1防止運營列車超速運行 運營列車在線路上運行有多種速度

11、限制，列車運行速度不能超出速度限制值。 (1)防止運營列車超過線路限制速度超速運行 城市軌道交通中，線路在曲線段或坡道處，往往有速度限制，運營列車不能超過線路限速運行，否則容易出現列車脫軌或顛覆事件。 (2)防止運營列車超過列車允許最高速度超速運行 車輛的自身構造決定了車輛所能運行的最大速度，超過這個速度值，列車可能會出現故障，危及車輛和行車安全。7/27/202218 (3)防止運營列車超過道岔彎軌限制速度超速運行 城市軌道交通中，線路上設有道岔，在列車通過道岔彎軌時，不能超過道岔彎軌限制速度超速運行。 (4)防止運營列車超過限速區段超速限速城市軌道交通中，線路上有故障或作業需要運營列車限速

12、行駛，列車應按運營規定運行。 (5)防止運營列車超過臨時限速城市軌道交通中，線路上有臨時作業，需要運營列車限速行駛，列車應按運營規定運行。 (6)防止運營列車超過其他限速 城市軌道交通中，運營作業需要任何限速的地方，列車應按運營規定運行。7/27/202219 2接收和處理來自地面的信息 列車運行在軌道上，地面軌道電路或地面的其他設備，將列車運行所需的信息發送出去，安裝在列車車體上的列車自動防護系統設備會實時接收這些信息，并對這些信息進行實時分析和處理，以及時對列車的運行狀態和運行速度進行控制。通常這些信息中包含有列車允許運行的最大速度值、線路位置等。7/27/202220 3防止列車相撞 城

13、市軌道交通中，在某條線路上，往往會有很多列車同時運營作業，列車自動防護系統可以防止列車相撞，為這些平行作業的實施提供了安全保障，它有效提高了城市軌道交通線路的利用效率，增強了城市軌道交通的運營能力。列車自動防護系統可以防止列車相撞包括以下內容： 1)防止運營列車撞上前面的列車； 2)防止運營列車進入未開通的進路； 3)防止運營列車沖出盡頭線； 4)防止運營列車進入封鎖區段； 5)防止運營列車進入發生故障的進路等。7/27/2022214車輛安全停靠站臺 城市軌道交通中，列車停靠站臺時，需要列車完全停穩不動，確保乘客安全上下車。列車自動防護系統會檢測列車的速度和列車所處的位置，保證列車在站臺區域

14、內安全停靠。7/27/202222 5列車車門控制 城市軌道交通中，列車左右兩側都有車門，列車停靠站臺后，列車自動防護系統會控制列車開啟靠近站臺的車門，保證乘客安全上下車。7/27/202223 6空轉、打滑防護 列車在線路上正常運行時，列車車輪在鋼軌上滾動運行，因某種原因，列車車輪會發生空轉，或列車車輪在線路上滑動運行，這種情況一方面會對車輛的車輪造成損傷，另一方面會危及列車行車安全。列車自動防護系統會實時檢測列車空轉和打滑情況，并及時采取措施，控制列車運營狀態。 7防止列車發生溜車 列車如果在線路的坡道處停車或在站臺處停車，列車自動防護系統會給列車施加一定的制動力，保證列車不會發生溜車現象

15、，防止發生安全事故。 列車自動防護系統除了以上的重要功能外，根據城市軌道交通信號系統的配置情況和復雜程度，還可以有一些其他功能，如控制列車的運行方向，提供駕駛員操作接口界面等。7/27/202224 三、列車自動防護系統車載設備組成 列車自動防護系統所包含的設備分別安裝在列車上和地面上。安裝在列車上的設備，簡稱為車載設備；安裝在地面的設備簡稱為地面設備。 1、車載設備主要組成 列車自動防護系統的車載設備主要包括有車載主機、駕駛員狀態顯示單元、速度傳感器、列車地面信號接收器、列車接口電路、電源和輔助設備等，如圖86所示。下面分別介紹有關設備的情況。 圖86車載主要設備7/27/202225(1)

16、車載主機 列車自動防護系統的車載主機由各種印刷電路板、輸人輸出接口板、安全繼電器和電源等設備組成。這些設備分層放在機柜中，各板利用機柜上的總線進行通信。 列車定位： 測速電機（TACHO） 多普勒雷達（Doppler Radar） 絕對位置信標（APR）。 7/27/202226(2)狀態顯示單元 狀態顯示單元是車載系統與列車駕駛人員之間的人機界面，可以顯示列 車當前運行速度、列車到達某點的目標速度、列車到達某點的走行距離、列車的駕駛模式和有關設備的運行狀況等與行車直接相關的信息；還設置有一些按鈕，用于駕駛員操作，控制列車運行。在下面詳細介紹狀態顯示單元各個表示單元和按鈕。列車司機顯示屏（人機

17、界面） 顯示屏 7/27/202227(3)速度傳感器 信號系統通常在列車上裝有一個或多個速度傳感器，安裝在列車的車軸上，用于計算列車的運行速度和列車運行距離及列車運行方向的判定。列車的運行速度，還可以用雷達進行測定，但速度傳感器技術成熟，測速精度高，安裝使用簡單方便，因此被廣泛使用。7/27/202228(4)列車地面信號接收器 列車地面信號接收器，安裝在列車底部，用于接收從軌道上傳來的信息，這些信息可以由地面軌道電路發送，或由安裝在地面的專門設備如應答器發送給列車。列車地面信號接收器，根據所接收的信息格式、容量和處理速度等因素，可以設計為感應線圈，或其他形式，以保證列車在一定的運行速度下能

18、及時接收和處理所收到的信息。列車地面信號接收器的性能要求：抗機械沖擊能力強，有很好的抗電磁干擾能力，信息接收誤碼率低，不丟失信息。應答查詢器 B型應答器 7/27/202229(5)列車接口電路 列車自動防護系統的車載設備通過車載主機與列車進行接口，車載主機將控制信息通過接口電路傳送給列車，同時車載主機通過接口電路從列車獲得列車運行的狀態信息。 列車接口電路使用的繼電器，根據使用的環境，需要體積小、力學性能好的繼電器，一般使用彈簧繼電器。 (6)電源和輔助設備等 列車為列車自動防護系統車載設備提供所需的電源，列車上還有列車運行模式選擇開關，各種電源開關，和其他一些輔助設備等。7/27/2022

19、30 2狀態顯示單元 列車上的狀態顯示單元，作為車載系統與列車駕駛員的人機界面，可以使用觸摸屏，或使用面板的形式，來實現列車狀態信息的顯示和對列車進行操控。其面板或觸摸屏上的主要內容一般包括操作按鈕部分、信息顯示部分、表示燈和報警器，如圖8-7所示。 圖87 面板狀態顯示單元 7/27/202231下面對面板狀態顯示單元各部分進行介紹。 (1)按鈕部分 以面板型的狀態顯示單元為例，其按鈕一般包括有發車按鈕、慢速前行按鈕、調光按鈕、燈泡按鈕、內容切換按鈕等。其中發車按鈕和慢速前行按鈕用于操縱列車運行，其他幾個按鈕用于對面板亮度調整、顯示內容的切換和自檢等。 列車發車按鈕。 列車發車按鈕通常帶有燈

20、光，當列車發車按鈕燈光點亮時，列車駕駛員按壓列車發車按鈕，起動列車向前運行。如果列車這時處于自動駕駛模式下，列車將按照行車作業要求自動運行；若列車處于列車自動防護系統控制模式下，人工駕駛，列車駕駛員操縱牽引制動手柄，控制列車運行。 列車發車按鈕燈光熄滅時，按壓列車發車按鈕，屬于無效操作。7/27/202232 慢速前行按鈕。列車處于列車自動防護系統控制模式下，當列車自動防護系統不能從地面收到信息時，列車駕駛員按下慢速前行按鈕，請求列車以不超過設定的速度值慢速前行。 列車慢速前行設定的最高速度值，根據不同的運營需求，可以設為20kmh，或其他值。這個速度值比列車正常運行的平均速度一般要小，慢速前

21、行模式適合列車辦理進出停車廠或車輛段作業時，控制列車慢速運行，遇到危險情況，可以采取措施，盡快讓列車停車。 顯示模式按鈕。面板上的顯示模式按鈕，用來在切換某些顯示區域內的不同信息，可以增加顯示的信息容量。 調光器按鈕。按壓調光器按鈕，可以改變狀態顯示單元顯示屏和指示燈的亮度。 燈光測試按鈕。按壓燈光測試按鈕，可以執行顯示屏、指示燈和聲音報警測試。7/27/202233 (2)信息顯示部分 速度顯示。觸摸屏和面板上，一般把表示速度的區域放在屏或板的中央，便于直觀顯示列車運行速度值。速度顯示同時用模擬方式顯示和數字方式顯示，表示速度范圍從零到線路允許的最大值，并留有一定的余量。 圖8-7中，速度顯

22、示以100kmh作為最大允許運行速度值。中間的方框用數字顯示當前速度值；正圍繞方框的環上，標有刻度值，表示對應的列車速度值。通常用紅色環指示列車當前允許運行的最大速度值，用綠色環表示列車當前的實際運行速度值。當綠色環超過紅色環時，列出駕駛員可以直觀看出，列車發生了超速，并有報警提示，這時提醒列車駕駛員要采取措施，控制列車速度，將速度綠環降低到速度紅環以內，保證列車安全正常運行。7/27/202234 兩種不同顏色的速度環，直觀的將列車的實際運行速度和當前允許運行的最大速度表示出來，可以方便列車駕駛員對列車速度進行有效控制，提高作業效率，降低作業強度。 目標速度。在速度距離模式曲線的系統中，可以

23、顯示列車從當前地點運行到下一目標處，所對應的目標處的速度值。如下一目標是在站臺停車，則顯示目標速度為零；如果下一目標是通過站臺，則顯示允許通過站臺的速度限制值。 目標距離。在速度距離模式曲線的系統中，可以顯示列車從當前地點運行到下一目標處，列車所需走行的距離值。 時間。在速度距離模式曲線的系統中，可以顯示列車從當前地點運行到下一目標處，列車所需運行的時間。7/27/202235 (3)指示燈 面板上或觸摸屏上有多個指示燈，用來表示列車的運行狀態。 超速指示燈。當列車運行速度超過當前的允許的速度值時，超速指示燈點亮。 慢速前行指示燈。當慢速前行模式被激活時，慢速前行指示燈點亮。 列車自動運行指示

24、燈。當列車的模式選擇開關放在ATO擋位時，這時列車在自動運行模式下運行(ATO模式)，列車自動運行指示燈點亮。 列車自動防護控制下的人工駕駛模式指示燈(簡稱人工ATP)。當列車的模式選擇開關放在ATP擋位時，列車在列車自動防護控制下，由列車駕駛員人工駕駛列車運行，這時該指示燈點亮。7/27/202236 旁路指示燈。當列車的模式選擇開關，放在旁路擋位時，該列車的車載信號系統被切除，這時旁路指示燈點春 發車測試指示燈。列車在發車進入運營線路前，要進行信號車載系統靜態測試，如果該測試失敗或沒有啟動該測試，該指示燈熄滅；如果測試成功該指示燈被點亮；如果測試正在進行中，該指示燈將不斷閃爍。 列車自動防

25、護系統故障指示燈。當列車自動防護系統發生故障時，該指示燈點亮。 運行方向指示燈。當列車自動防護系統知道列車運行方向，并且在列車對位停車時能夠自動控制車門時，該指示燈點亮。 另外，還有一些指示燈，當列車處于自動駕駛(AT0)狀態時，相應的事件發生時，指示燈會點亮，如跳停指示燈和停站結束指示燈等。7/27/202237 (4)報警器 當列車發生超速運行，或有設備故障，或目標距離、速度參數發生變化時，報警器會發出報警聲，提醒列車駕駛員注意。 圖87 面板狀態顯示單元 7/27/202238四、列車自動防護系統地面設備 列車自動防護系統的核心設備安裝在列車上，它所需的主要信息來自地面設備。根據城市軌道

26、交通信號系統的不同制式，列車自動防護系統地面設備，可以設置點式應答器或軌道電路，向列車傳遞有關信息，由安裝在列車上的設備接收和處理這些信息。移動閉塞原理 7/27/202239 1點式應答器 在速度距離曲線為階梯式的圖形的信號系統中，經常會在線路上間隔一定的距離設置點式應答器。這些應答器向線路保存有列車的行車信息，在列車經過時，由安裝在列車車底的感應接收裝置從中讀取或接收信息，對這些信息進行綜合分析處理。 點式應答器中所包含的信息，包括有線路位置、列車運行距離、基本線路參數、速度限制等信息，這些信息固化在應答器。應答器可分為有源應答器和無源應答器。有源應答器向線路實時發送信息，由列車接收；無源

27、應答器，只有在列車經過時，由列車從應答器中讀取信息。 7/27/202240 點式應答器安裝在線路上，調試和安裝工藝比較簡單，容易實施，成本相對較低，應用廣泛，如圖88所示。圖88點式應答器B型應答器 A型應答器 7/27/202241 2軌道電路 城市軌道交通信號系統，軌道電路除了具有表示列車是否占用軌道的功能外，還可以向線路上實時發送列車運營所需的信息，由列車接收和處理。軌道電路所發送的信息，其容量大，有利于列車的車載系統對列車進行實時控制。 因信號系統的處理能力和制式不同，軌道電路所發送的信息量可有所不同，一般來講，軌道電路所發送的信息可以有以下內容： (1)軌道電路基本信息 如軌道電路

28、的長度、坡道和曲線參數，所用的載波頻率，軌道電路的編號等。 (2)線路速度 是指該軌道區段線路上受坡道和曲線等因素的影響列車所允許運行的最大速度。7/27/202242 (3)目標速度 列車到達下一目標時，列車的運行速度。 (4)運行距離 列車到達下一目標時所需走行的距離。 (5)列車運行方向 指明列車上行運行或下行運行。 (6)載波頻率 列車接收下一個信息的載波頻率。 (7)道岔定反位 列車前方經過道岔的定位或反位。 (8)列車停站信號 指示列車處于停站狀態。 (9)備用信息位 預留用作其他的信息使用。 這些信息以數字編碼的方式，順序排列，放在一個信息包里。列車收到信息后進行譯碼和實時處理，

29、實時控制列車運行狀態。7/27/202243五、列車自動防護系統小結 列車自動防護系統從廣義上講，應包括處理列車行車安全邏輯的所有設備，因此其地面設備包括聯鎖設備，也可以歸結為列車自動防護系統范疇，它們與車載設備一起完成對列車的控制和安全防護功能。休息、休息7/27/202244項目實施 任務一認識列車自動防護系統車載設備 1目標 1)熟悉列車自動防護系統車載設備的安裝位置。 2)掌握列車自動防護系統車載各個設備的功能。 3)掌握駕駛員顯示單元的使用方法。 2設備 一列完整的車輛編組、速度傳感器、地面信號接收設備、駕駛員顯示單元、列車牽引制動操縱手柄、緊急停車按鈕等。 3實作內容 1)閉合列車自動防護系統電源，啟動系統。 2)在列車自動防護系統控制模式下，啟動慢速前行模式，觀察駕駛員顯示單元上各指示信息的變化。 3)控制列車，分別用常用制動和緊急制動使列車停車。 4)試驗開關車門作業。7/27/202245任務二認識列車自動防護系統地面設備 1目標 1)掌握列車自動防護系統地面設備所發送信息的主要內容。 2)掌握列車自動防護系統地面設備的安裝和設置方式。 2設備 軌道電路、應答器、便攜式計算機、串行