1、1,M,列车自动控制系统ATC（3）,2,以西门子公司TrainguardMT ATO为例介绍ATO子系统功能ATO子系统原理和性能：轨旁设备、车载设备、列车和轨旁之间的信息交换、列车驾驶控制原理、车站停车精度控制原理ATO子系统软件司机操作装置,主要内容,3,ATO子系统概述,TRAINGUARD MT系统中的列车自动驾驶ATO负责控制列车的运行，例如列车的自动启动，列车的速度调整，列车的目标制动以及车门、屏蔽门的开/关的启动控制。由于ATO始终在ATP的监督下运行，所以,就ATO设备而言并没有安全相关的要求。ATO的主要部件在列车上，以实现TRAINGUAND MT的自动驾驶模式。ATO的
2、功能是非安全型的，ATO车载单元是单通道的计算机。轨旁ATO的功能通过ATS，轨旁ATP和SICAS实现。所以，ATO轨旁功能不需额外的物理设备。,4,ATO子系统功能,自动驾驶模式 列车启动后，ATO系统完全自动控制列车运行至下一车站。在ATO模式（自动驾驶模式）下，可以根据ATS的调整指令调整区间走行时间。区间实际走行时间与规定值的误差不大于5%。列车速度控制 该功能控制和监督列车的速度，并且根据最大允许速度参数来保持列车的速度。列车目标制动 列车目标制动功能使列车精确地停在计划规定的位置。在ATO模式（自动驾驶模式）下，列车在车站站台的停车精度应不大于0.3m。,5,ATO 子系统功能,
3、车门、屏蔽门的打开和关闭 列车抵达车站并停稳后，ATO功能将会打开列车车门，经通信通道由报文触发打开站台屏蔽门。车门关闭将由司机或在停站时间到时触发。根据时刻表生成节能速度曲线 如果列车从一个车站到下一车站有充分的旅行时间，可以通过选择该项功能来得到一个节能优化的速度曲线，比如巡航/惰行。具备实时连续的自诊断功能 包括车载ATO设备的自动检测、故障报警记录并实时传送中央ATS的功能。,6,ATO驾驶模式,7,自动驾驶模式-正线ATO功能,ATO控制列车自动地从一个车站运行到另一车站。列车的出发可以由司机启动，且在所有的列车车门、屏蔽门关闭后（直到车门完全关闭以后）列车才会移动。ATP防止在任何
4、一个车门仍打开情况下的列车移动。ATO自动驾驶列车出发，运行中进行列车速度调整，在下一个车站执行目标制动，直到车门打开。同时，ATP系统保证在自动运行中任何时刻的列车安全。列车速度曲线基于节能和下一站间运行时间。ATO完成在车站的精确定位停车和自动开/关车门，ATO可以单独处理每一列车在每一个站台的停车点。在ATO自检成功以及ATP设备允许自动操作的前提下可以使用ATO驾驶。,8,自动驾驶模式-车辆段、试车线、折返ATO功能,在车辆段内不具备ATO功能。在列车进入正线运行之前，将在试车线上进行全部ATO正线功能测试。 ATP防护下的无人折返：列车折返驾驶由ATO控制并由ATP监督，用于列车的无
5、司机折返移动。 ATP防护下的人工折返：列车的折返操作由司机来执行，ATP进行监督。在这种情况下无ATO。 后备模式：该功能是折返的特殊情况，人工驾驶，而且系统处于联锁的后备模式下。司机人工驾驶列车，ATS系统自动设置进路。此情况下无ATP和ATO功能。,9,驾驶模式的转换-RM-SM,RM模式是列车上电时的初始模式（通常在车辆段）。在RM模式，司机驾驶列车。在列车经过两个固定数据应答器后，确定了列车的位置，建立了列车与轨旁设备的连续式通信通道，RM模式将转换为SM模式。从ATP轨旁设备接收到移动授权后，列车变为AM模式。 如果不能建立连续式通信通道，列车在RM模式下驾驶直到经过可变数据应答器
6、（连接到信号机）。经过可变数据应答器时，ATP接收到信号机发出移动授权，列车驾驶变为SM模式。,10,驾驶模式的转换-SM-AM,SM-AM：在下列所有前提条件满足后，允许SM模式转换为AM模式，通过点亮SM开始灯表示。所有门已关闭。驾驶/制动手柄在0位。钥匙开关在前进位置。当司机操作AM启动按钮时，ATP车载单元从SM模式转换为AM模式。该转换也可以在驾驶其间进行。AM-SM：如果司机将驾驶/制动手柄从零位移开，或将钥匙开关从前进的位置移开，ATP车载单元将从AM模式转换为SM模式。如果列车在站外停稳，司机按压门允许按钮打开车门，ATP车载单元将从AM模式转换为SM模式。,11,驾驶模式的转
7、换-AM/SM-RM,如果ATP车载单元启动紧急制动，ATP车载单元可以自动的从AM/SM模式切换到RM模式而无需司机的干预。如果司机想继续驾驶，他必须当列车停稳时启动RM按钮。如果列车在站外停稳，司机按压门允许按钮打开车门，ATP车载单元将从AM/SM模式转换为RM模式。 ATO或司机控制列车停在车辆段轨道的前面的停车点，当列车停稳后，司机按压RM按钮，ATP车载单元从AM/SM模式转换为RM模式。,12,驾驶模式的转换-SM-AR,SM-AR(automatic reversal 自动折返)：ATP车载单元接收到来自ATP轨旁单元的自动折返命令。前面和后面的ATP车载单元之间的通信正常。A
8、TP车载单元将从SM模式转换为AR模式。 AR-SM：当监督列车的ATP车载单元（前-后）转换成功时。司机解锁驾驶室。ATP车载单元将从AR模式转换为SM模式。,13,驾驶模式的转换-AR-RM，RM-旁路,AR-RM：如果ATP车载单元启动了紧急制动，则无须司机的任何额外操作，ATP车载单元将自动从AR模式转换为RM模式。如果司机想继续前进，必须在列车停稳后按压RM按钮。如果列车在停稳状态，司机按压了RM按钮，则ATP车载单元从AR模式转换为RM模式。RM-旁路：只有在ATP故障的情况下，才要求使用旁路。列车将自动停车，司机操作封闭的安全电路开关，转换至旁路。这个转换将被车载记数器记录。这个
9、转换程序也适用于AM模式和SM模式至旁路的转换。旁路时，列车的驾驶由司机负全部责任。,14,开/关车门,ATP和ATO均涉及该项功能。车门释放由ATP授权，接着ATO选择合适一侧的车门并提供开门命令。打开哪侧车门的信息包含在线路数据库里。车门关闭由司机或者停站时间的到时来触发。对于一些特殊列车（例如空车、观光列车或者特快列车），禁止打开车门，也就是说，如果某列车被标识为特殊列车，则其车门不能在某些车站或所有的车站打开。ATS使用一个特殊的车次号指定该类型的列车。输入信息：来自ATP的车门释放、来自线路数据库的开车门数据或人工车门功能模式的车辆接口。输出信息：输出车门开/关命令到负责车门的车辆系
10、统，如果具有连续式通信，车门开/关信息会传送给ATP轨旁设备用于操作站台屏蔽门的开/关。,15,站台屏蔽门的开/关,ATP轨旁和SICAS联锁涉及该功能。列车停稳后授权门释放，ATO车载设备通过通信通道发送一个报文去打开站台门。ATP轨旁通过SICAS ECC释放站台门，因为与站台门控制单元的技术接口是连接到SICAS联锁元件控制计算机的。站台门开/关功能的输入有：来自ATO车载的站台门的开/关命令，来自ATP的站台门释放命令，来自线路数据库的打开站台门的数据，站台门开/关功能的输出有：输出站台门开/关控制命令到站台门控制系统。,16,根据时刻表产生节能速度曲线,ATC系统的一个主要目标是根据
11、时刻表并结合ATS的列车自动调整功能ATR ( Automatic Train Regulation)来控制列车，并确保获得最大的能源效率，这就是ATO巡航/惰行功能的任务。该功能只能在连续式通信的前提下实现。节能曲线的计算要考虑加速和制动，以及坡度和曲线的影响。因此，ATO需要线路纵断面的信息，整个系统的线路纵断面信息保存在线路数据库里。ATO同时从目的地码来预见列车预期的路径，目的地码是一列车旅程的唯一标识码。该信息允许ATO确定列车在它的旅程中的位置，并能够检测到与预期路径的偏离。,17,根据时刻表产生节能速度曲线,应用最大加速度并结合巡航/惰行，ATO使用上述信息计算到下一个停车点的速
12、度距离曲线。当在某速度曲线采用巡航时，对于限速区段和停车点来说，惰行具有优先权。如果该曲线会导致列车抵达下一个停车点的时间提前，那么惰行的启动点就会前移一段时间；同时，在列车到达下一停车点制动曲线之前增加低速巡航（典型为30km/h）的时间。通过连续通信通道，ATS向ATO发送至下一站站间运行时间和车站停车时间等信息。在未规定旅行时间的情况下，从ATS功能里就不能得到抵达下站运行时间的信息，此时采用线路数据库里各站间旅行时间的缺省值。,18,根据时刻表产生节能速度曲线,将用于计算节能曲线的存储曲线同传送的ATP曲线相比较，如果曲线不同，则以传送的ATP曲线为基础，计算出列车由当前位置至下一停车
13、点的速度曲线。假如报文数据迫使列车使用一个比从线路数据库中计算出的曲线速度更低的曲线时，则使用速度更低的曲线。 节能曲线功能的输入信息：至下站停车为止的可用的列车运行时间和停站时间（它来自ATS），来自线路数据库的线路纵断面数据，来自ATP功能的ATP静态速度曲线（例如速度曲线）。节能曲线功能的输出信息：至ATO速度控制器的速度距离曲线。,19,ATO轨旁设备,20,ATO轨旁设备功能,在连续式通信情况下，轨旁ATO提供以下功能：通过连续式通信通道接收列车数据（比如驾驶模式、车次号、目的地号或者司机号），并且将这些信息提交ATS。 通过连续式通信通道，在司机和ATS之间传送文本消息。打开和关闭
14、站台屏蔽门。ATO没有自身的物理设备，功能由ATS，ATP和SICAS共同完成。 ATO和ATP采用相同的轨旁和车载设备之间的连续式通信系统。站台屏蔽门和安全门与SICAS ECC接口。SICAS ECC和ATP轨旁单元通过一个总线系统连接，ATP轨旁设备通过通信系统从ATO车载单元接收开门报文。 从ATO车载单元至ATS的信息将通过ATS总线直接传输到ATS。,21,ATO车载设备,ATO车载设备通过对列车牵引和制动系统的控制，负责列车在车站间的自动驾驶；当列车在一个运行停车点停稳后打开车门；当列车运行在ATO模式和AR模式下的无人折返运行期间封锁司机安全装置。列车离开车站前，ATO车载设备
15、关闭车门。ATP和ATO设备可以安装在一个共用的机架里，但在物理上是分离的。这样配置允许分别的更换模块。正常情况下，前面的ATO和ATP控制和监督列车驾驶，后面的ATP/ATO作为备用。在驾驶室切换期间，后面ATP/ATO接管控制而前面的ATP/ATO成为备用。在这种冗余模式下，两头的ATO都收到来自两个驾驶室的诸如按钮、开关和接点的输入。在没有故障时，后面的ATO跟随前面ATO的输出。如果前面ATO故障时，后面ATO将控制列车的移动。为了实现ATO的热备冗余，两个ATO的输出都连接到车辆。,22,车载设备配置图,23,车载设备主要部件,主要部件有：OBCU(on board control
16、unit)_ATP：安全型ATP车载单元。 OBCU_ATO：非安全型ATO车载单元。OBCU_ITF：非安全型接口单元。HMI：司机显示器。列车控制：与车辆接口（如，门控制、牵引和制动）。PIS: 旅客信息系统，通过串行连接。OBCU_ITF连接到无线通信单元。ATO车载单元通过OBCU_ITF发送和接收所有信息。,24,ATO非安全型车载设备的硬件,ATO车载设备的硬件和通信接口单元一起组成一个19机架，安装在ATC车载机柜中。ATO单元和接口单元在19的组匣中的配置如下图所示。对ATO和接口设备没有安全相关的要求，因为ATO总是运行在ATP的安全监督之下。,25,车载设备电路板,下列印刷
17、电路板提供ATO功能和要求的接口：电源板：将车辆提供的电压（+110V）变换为独立的直流控制电压(+5V DC，+3.3V DC，+12V DC，-12V DC)。ATO车载单元的中央处理板：控制ATO的输入和输出，计算速度曲线和管理接收到的安全码数据。模拟-数字输入/输出板：可以16位数字输出、16位数字输入、2个模拟输出。计时/计数板：管理速度计算和定位所需的硬件和软件的输入以及内部时间基准。,26,列车和轨旁之间的信息交换,ATO和ATP采用相同的轨旁和车载设备之间的连续式通信系统。采用连续式通信方式，下列信息从轨旁设备传输到车载设备：来自ATP轨旁设备的移动授权通过ATP车载设备到AT
18、O车载设备，计算自动驾驶曲线。从ATS到车载ATO的旅行时间和停站时间。 采用连续式通信方式，下列信息从ATO车载设备传输到轨旁设备：到ATS的列车数据（如，驾驶模式、车次号、目的地码）。到ATP轨旁的站台屏蔽门的开/关信息。,27,列车驾驶控制原理,ATO从ATP轨旁设备接收到的移动授权产生驾驶速度曲线，ATO根据下一停车点（比如车站）、实际位置、速度、列车特性和ATP停车点（防护点）计算常用制动曲线，ATO控制列车沿着常用制动曲线行驶直到列车停止。这个基于特定列车及其实际速度的计算方法使运行时的速度曲线得到最优化。列车的驾驶控制主要表现在以下三个方面：自动驾驶、牵引/制动控制、常用制动模式
19、。,28,列车驾驶控制原理-自动驾驶,AM模式是有装备列车的常用驾驶模式。 车载ATO自动控制牵引和制动单元，为此，ATO需要从车载ATP来的数据：从ATP轨旁单元来的ATP运行命令（移动授权）。测速电机和雷达数据（以决定实际速度）。位置识别和定位系统的信息（应答器信息）。列车长度。ATS/ATR（列车自动调整）根据时刻表和ATP轨旁单元的运行命令（发车命令、下一车站的计划到达时间）对列车自动运行进行干涉。,29,列车驾驶控制原理-自动驾驶原理,原理上自动驾驶基于闭环控制的原理（见下图）。测速电机和雷达通过ATP将列车实际速度传输给ATO，参考位置的输入来自于应答器的位置。因此，ATO提供设定
20、值的数据输出至牵引和制动系统。,30,AM模式激活条件,在ATO自检成功通过并且ATP设备释放自动驾驶后，就可以采用ATO驾驶。 AM模式在下列条件下激活：ATP在SM模式停站时间已过（运行停车点已被释放）从轨旁接收到移动授权 门已关闭驾驶手柄在零位置,31,AM模式工作过程,自动启动AM模式或由司机通过启动按钮启动AM模式。如果任何一个前提条件不满足，启动将被取消。ATP将ATO控制信号传输到牵引系统。在ATO由启动按钮激活后，列车加速直到计算出的速度曲线。当列车达到期望的速度后，系统控制列车按速度曲线运行。当达到制动触发点时，ATO设备将自动控制常用制动使列车跟随制动曲线。当列车停在车站预
21、定的停车区域后，ATO自动打开车门。类似的过程也应用于驾驶通过限速区，在列车通过限速区后，列车自动加速到计算出的速度曲线。,32,列车驾驶控制原理-牵引/制动控制,传统旋转电机列车依靠车轮和钢轨的摩擦来驱动列车。旋转电机的加速度和减速度转距会导致车轮的空转和打滑。车轮的滑动仅在机械制动的时候发生。因为速度和距离的测量采用雷达设备，因此列车定位不受车轮的滑动影响。这就会保证列车在紧急制动之后系统不会丢失位置信息。 测速电机（OPG）考虑不同车轮的加速或者制动动作来测量车速和位置。ATO控制而且ATP监督下的车速考虑到了车辆速度范围内的电机加速或者减速特性。,33,列车驾驶控制原理-常用制动曲线,
22、ATO车载设备依据下一停车点（如车站）计算出实际位置、速度、ATP安全停车点（防护点）和常用制动曲线。 常用制动曲线产生于紧急制动触发曲线和ATO停车点，所以，常用制动曲线不是在离线时的固定计算。根据这个原理，列车可以非常靠近防护点驾驶。,34,有两条常用制动曲线的ATO制动模型,35,车站停车精度控制原理,车站停车点由ATO根据线路数据库进行控制。ATO设备通过ATP与雷达和测速电机连接，并直接获得位置信息。ATO列车定位功能也在列车经过任一固定安装的同步应答器接收信息以提高测量精度。列车通过该应答器时ATO能够得到一个硬件信号。ATO制动列车使停车精度指标可以达到0.3m或更好。精确停车将
23、依靠车站区域安装的应答器实现。,36,软件,应用软件程序采用模块化结构。多任务操作系统可以同时处理多个程序或者程序段。该操作系统还可提供外部数据交换所必需的驱动程序。,37,主要功能模块,38,ATO主要模块,接口模块：列车，ATP，ATS，显示和PIS是与外部通信单元的接口，通过操作系统与外部单元进行接口。基本数据模块：存储从列车接口和ATP接口接收到的相关数据，该模块作为状态设备，具有ATO相关的状态，比如，车站接近，车站停车，跳停，折返。数据控制模块：存储不属于基本数据的数据，这些数据来自ATP（部分），ATS和PIS。 错误和故障处理模块：主要错误信息将显示在司机的显示器（HMI）上，
24、并通过连续式通信通道传输到地面的服务和诊断系统。,39,司机操作装置,司机操作装置（人机接口，HMI) 提供给司机所有必需的列车驾驶信息。它是车载ATP/ATO系统和司机的接口。HMI包括一个显示屏（用于给司机信息的显示）和一个数据输入部分（接收司机的输入和指令）。系统给司机提供一个高分辨率的彩色图形LCD显示器。特殊的触摸屏可以确保显示的按钮和操作之间强制性的对应，只有触摸以图形方式显示的相应的按钮才可以改变状态。不同的功能单元集成在窗口区，给司机提供简易的操作。一个窗口区负责一个集成的功能单元的任务。菜单区具有最高优先级，包含所有任务，可以从该菜单选择操作屏幕和概要屏幕。窗口页面都按照最新的人体工程学规则进行设计。,40,HMI可能的布局,A：目标信息 B：速度控制 C：辅助驾驶信息 D：菜单 M：模式和状态监控 E：监控 F：ACK信息,41,操作屏举例,问题和讨论?,Thank You !,
