1、2 城际 ATO 系统需求分析2.1.城际铁路 ATO 功能需求分析根据上文城市轨道交通 ATO 系统提及的功能，下文主要进行城际线 ATO 的功能需求分析。(1)列车自动驾驶功能本文提及的城际线最高运行速度为 200km/h，线路长度一般在 100km 左右。和城市轨道交通类似，城际轨道交通也存在客流量巨大，站站停车的情况，这就要求列车频繁地进行启动、加速、制动、减速等操作，同时还需要满足准点、舒适、节能运行，这些对驾驶要求极高，使司机承受很大的体力、精神压力。因此完全有必要研发城际线列车自动驾驶系统，取代司机驾驶列车运行，一方面减轻司机工作压力，同时也提升列车运营能力。可通过对增加 ATO
2、 车载设备，同时在 CTC S-2 列控系统地面应答器组内增加相关线路数据报文，实现列车自动驾驶功能。(2)列车精确停车功能城际铁路站台上也设有屏蔽门，因此，列车驾驶必须要实现精确停车。城际铁路站间距离短，运量大，频繁起停车，仅靠司机人工驾驶很难保证精确停车。因此，ATO 系统的精确停车功能显得极其重要可以在车站股道内适当距离进行应答器布置，提高 ATP 系统的测距精度，提升对停车点的控制精度，实现列车精确停车功能。(3)列车车门管理功能和地铁类似，城际铁路车运行控制系统具有车门监控功能。通过 ATP 和ATO 系统与车辆系统的联动，对车门实现安全控制。列车车门管理功能应在ATP 的监控之下实
3、现，通过 ATO 子系统请求指令控制车门打开。2.2. ATO 系统定义列车自动驾驶子系统 ATO ( Automatic Train Operation )是 ATC 系统的重要子系统，它完成列车的自动调速包括牵引、巡航、惰性、制动、停车以及车门开关的控制功能，实现正线、折返线以及出入段(场) 线运行的自动控制，实现区间运行时分的调整控制。ATO 系统按照系统设定的运行曲线，根据 ATS 系统的指令选择最佳运行工况，确保列车按运行图运行，实现列车运行自动调整和节能控制。ATO 系统功能依靠 ATO 系统自身及信号各子系统协调共同完成。ATO系统不属于故障一安全系统，其运行控制速度始终低于 A
4、TP 系统的防护速度，实现ATP 安全。2.3 城际铁路 ATO 系统功能原理2.3.1 列车自动驾驶在 ATP 的防护下， ATO 系统根据时刻表、地面有源应答器码位以及发车指示器信息，并且在运营间隔的要求下，按目标速度曲线自动驾驶列车。下面以一列列车为例进行说明:(1)列车启动过程。列车首先在站台内停稳，车站为其设定了发车时间以及区间运行时间，列车主动发送请求触发联锁对列车进路进行设置;列车停站上下客时，ATS 将对停站时间进行计算，达到停站时间上线时将想列车发送驾驶命令，从而启动列车自动驾驶系统的发车程序，此时在 ATP 系统的监控下关闭车门，ATP 系统在确认所有车门关闭后，释放制动。
5、列车实现启动加速运(2)列车行驶过程。通过速度计等设备车载 ATP 系统实时更新列车相关位置信息，结合速度以及移动授权信息规划列车制动曲线，通过速度曲线对列车运行速度进行监控;借助线路、车辆、限速等信息，车载 ATO 系统实现列车自动驾驶，并实时将列车档位、实际运行速度、目标速度等信息通过 DMI 向进行显示; 根据地面精确应答器获取列车的精确位置信息，保证列车实现站内精确停车; ATP系统根据列车位置、速度信息实时生成移动授权并发送给列车。 (3)列车接近、到达下一车站过程。一日接受到停稳条件和停车位置信息， ATP 立即切断牵引力同时开启制动，保证列车精确停车;ATP 负责确认列车完全处于
6、安全状态后，允许 ATO 开启车门。此时 ATS 开始计算停站时间，并计算出下一段运行区间发车时间及到站时间。2.3.2 车站精确定位停车在 ATP 系统的监督下，ATO 根据获取的列车位置信息、线路信息等实现列车精确停车。为了提升停车精度，列车需要通过地面精确定位应答器接受到列车精确的位置信息，应答器的布置原则是:距离车站停车点越近，应答器布置的越密集。为了防止应答器信息丢失的情况，精确定位应答器的设置需要进行冗余。根据列车速度位置信息以及列车的性能实时生成制动曲线，通过相应的制动力使列车遵循制动曲线。城际铁路 ATO 系统还负责控制站台屏蔽门的开关，因此需要在距离停车点一定距离的位置设置精
7、确定位应答器。通过该应答器ATP 获得十分精确的安全停车位置并发送到 ATO 系统，用于生成制动曲线，列车停稳后授权开门。2.3.3 车门与屏蔽门联动城际线列车将在沿线的各车站站台区域安装屏蔽门/安全门，在 ATP 的监督下 ATO 系统负责车门的开关功能。当列车以自动驾驶模式进站时，将实现列车车门自动开关，如有突发情况可立即切换至人工开关门。当司机选择自动开关门时，只有在 ATP 系统确认有关列车门开关授权条件完全满足时，才能授权ATO 系统控制列车门以及屏蔽门同时开启。2.4 城际 ATO 系统构成ATO 系统设备主要由车载设备以及轨旁设备构成，图 2-2 为 ATO 系统设备构成图。A
8、T O 系统车载设备轨旁设备人机MMI车载ATO车载ATP车载TWC精确定位系统轨旁ATP轨旁ATS轨旁TWC图 2 - 2 A T O 系统构成图它们各自的功能如下:1、车载设备 :1)人机 MMI: 接收车载 ATP 和 ATO 的信息，显示当前列车的运行状态参数，并把司机在 MMI 上的操作及其 MMI 的工作状态传给车载 ATP 和车载 ATO。2)车载 ATO: 接收其它信号设备给车载 ATO 的信息，根据相应的优化控制算法计算出列车预期的运行状态，给出相应的控车命令，实现列车的自动驾驶，并实时反馈 ATO 当前的工作状态给其它相应的信号设备。3)车载 ATP: 用于对 ATO 自动
9、驾驶进行防护，保证 ATO 的安全运行，具有超速防护和车门、屏蔽门的开关防护等功能。4)车载 TWC:与地面 TWC 一起构成车地双向通讯系统，用于把列车的运行状态和相应参数下传给轨旁设备，同时接收轨旁设备的控制命令以及道路信息，实现地面和列车的通讯。2、轨旁设备 : 1)精确定位系统 :轨旁的精确定位系统在站台区域提供多个精确的位置点信息，车载 ATO 根据这些准确的定位点信息控制列车的精确停车。2)轨旁 ATP 用于控制站台安全门/屏蔽门等安全设备，当列车进站停稳后，轨旁 ATP 接收到轨旁 TWC 传递的列车停准停稳信息，给出安全门/ 屏蔽门的开门允许。3)轨旁 ATS: 用于传递地面
10、ATS 控制中心给列车的运行控制命令。列车把运行的初始化请求命令、列车的运行信息等传给轨旁 ATS. ATS 根据这些信息给出对列车的控制命令，例如:扣车、跳停、运行等级、自动折返命令等。4)轨旁 TWC:与车载 TWC 一起构成车地双向通讯系统，用于接收列车的运行状态和相应参数给轨旁设备，同时把地面的控制命令和信息上传给车载设备，实现地面和列车的通讯。2.5 ATO 功能测试系统ATO 系统功能测试系统主要是通过模拟城市轨道列车和其运行环境来测试 ATO、自动驾驶、自动出发、速度调整、精确停车和目标制动、车地双向通讯、车门/屏蔽门控制、人机交互等功能，所以构建仿真测试的动车模型和环境模型是
11、ATO 系统仿真测试的基础。图 2-3 所示为动车组模型参数，动车组模型参数包括三个主要的部分:牵引制动特性、电流电压特性、车辆固定数据，这些参数都是动车组牵引计算的必要条件。我们在设计该模型时可以考虑把这些参数设置成前面板可调参数，这样可以通过改变参数的值来模拟不同种类型的动车组。动 车 组 模 型 工 具牵 引 制 动 特 性1 . 牵 引 制 动 方式2 牵 引 制 动 级数3 . 牵 引 特 性 曲线4 制 动 特 性 曲线电 流 电 压 特性1 . 牵 引 受 电 弓电 流2 . 惰 性 受 电 弓电 流3 . 制 动 受 电 弓电 流车 辆 固 定 数据1 . 轮 径 值2 . 动
12、 车 组 重量3 . 构 造 速 度4 . 基 本 阻 力系 数选 择 动 车 参 数图 2 . 3 动车组模型参数如图 2-4 所示为环境模型参数，环境模型也包括两个主要的模块:线路数据和车站数据，由于线路上有坡度和曲线，所以计算线路时又包括线路、曲线、坡度三个部分。坡度是反映线路纵断面的一个重要的线路参数，由于坡道力的影响，会对列车运行产生一定的阻力，如图所示，坡道数据必须包括坡道的长度、坡度、坡道方向等重要的计算数据列车在曲线上要受到曲线阻力，并且列车在曲线段的运行速度要受到曲线半径大小的制约，即存在曲线限速。因此在曲线建模时，要反映曲线在线路上的位置、曲线长度、曲线半径等计算数据。车站
13、是线路数据上不可或缺的重要组成部分，根据车站的模型建立，以便ATO 准确计算当前位置距车站的距离以及判断是否进行停车制动的工况转换，达到精确停车的要求。所以车站数据必须包括车站的起始位置和站名相关信息线路设置限速的目的是为了保证列车的安全行驶，列车运行时必须低于当前列车所在区段的限速值，限速数据必须包括限速的起始位置、限速值，以便ATO 能够根据限速值推算出列车当前的控制速度和进入下一个区段的行驶速度、根据推算出的牵引制动点控制机车及时转换工况模式。整个线路的参数也和机车参数一样是可变参数，在设计测试模型时应该把该部分设置为可调整参数，这样就可以通过改变环境参数的值来选择不同的仿真测试环境。1
14、 . 站台位置2 . 站台名称3 . 所在区段4 . 停车位置5 停车时间6 进站限速环 境 模 型 参 数车站数据线路数据1 . 线路长度2 . 线路限速坡度数据1 . 坡度长度2 . 坡段位置3 . 坡段方向4 . 坡段千分数5 . 坡段限速曲线数据1 . 曲线长度2 . 曲线位置3 . 曲线半径4 . 曲线限速选 择 环 境 参 数图 2 . 4 环境模型参数ATO 系统仿真测试系统的总体架构如图 2-5 所示，整个仿真测试系统由软件测试平台和硬件测试平台以及 ATO 测试设备共同构成，仿真测试系统的基础是上述的动车组模型和环境模型，由软件测试平台来实现，通过硬件测试平台的接口与测试设备
15、的通讯共同完成仿真测试的任务，包括自动出发功能、自动驾驶功能、速度调整功能、精确停车功能、门控功能、车地双向通讯功能、人机交互功能这几大功能模块。 ATO 仿真测试系统与 ATO 系统的接口由硬件测试平台来实现，ATO 仿真测试系统通过模型的计算把各种数据量转化成信号量通过硬件测试平台来传输给 ATO 系统，硬件测试平台再回采 ATO 系统反馈回来的信号和各种开关量，从而实现两者的交互。A T O 仿真测试平台仿真测试硬件平台仿真测试软件平台动车模型环境模型自动出发自动驾驶精准停车门控速度调整车地双向通讯人机交互A T O / A T P 硬件测试设备图 2 . 5 A T O 系统仿真测试系统模块设计
