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1、第5章列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng) 5.1 ATP系統(tǒng)的基本概念 ATP是ATC的基本環(huán)節(jié)，是列車(chē)運(yùn)行超速防護(hù)或列車(chē)運(yùn)行速度監(jiān)督的系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括：對(duì)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行超速防護(hù)，對(duì)與安全有關(guān)的設(shè)備實(shí)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)列車(chē)位置檢測(cè)，保證列車(chē)間的安全間隔，保證列車(chē)在安全速度下運(yùn)行，完成信號(hào)顯示，故障報(bào)警，降級(jí)提示，列車(chē)參數(shù)和線路參數(shù)的輸入，與ATS、ATO及車(chē)輛系統(tǒng)接口并進(jìn)行信息交換等。 ATP系統(tǒng)不斷將來(lái)自聯(lián)鎖設(shè)備和操作層面上的信息、線路信息、前方目標(biāo)點(diǎn)的距離和允許速度信息等從地面通過(guò)軌道電路等設(shè)備傳至車(chē)上，從而由車(chē)載設(shè)備計(jì)算得到當(dāng)前所允許的速度，或由行車(chē)控制中心計(jì)算出目標(biāo)速度傳至車(chē)上，由車(chē)載設(shè)備測(cè)得實(shí)際運(yùn)

2、行速度，依此來(lái)對(duì)列車(chē)速度實(shí)行監(jiān)督，使之始終在安全速度下運(yùn)行。當(dāng)列車(chē)速度超過(guò)ATP裝置所指示的速度時(shí)，ATP的車(chē)上設(shè)備就發(fā)出制動(dòng)命令，使列車(chē)自動(dòng)地制動(dòng)；當(dāng)列車(chē)速度降至ATP所指示的速度以下時(shí)，可自動(dòng)緩解。這樣，可縮短列車(chē)運(yùn)行間隔，可靠地保證列車(chē)不超速、不冒進(jìn)。 5.2 ATP系統(tǒng)設(shè)備的組成 ATP系統(tǒng)的設(shè)備主要由軌旁設(shè)備和車(chē)載設(shè)備兩部分組成。 采用軌道電路傳送ATP信息時(shí)，ATP系統(tǒng)由設(shè)于控制站的軌旁單元、設(shè)于線路上各軌道電路分界點(diǎn)的調(diào)諧單元和車(chē)載ATP設(shè)備組成，并包括與ATS、ATO、聯(lián)鎖設(shè)備的接口設(shè)備。ATP軌旁單元主要是計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)所獲得信息的處理、發(fā)送和接收。因?yàn)锳TP系統(tǒng)是安全系統(tǒng)，

3、軌旁單元至少要有結(jié)構(gòu)相同、程序相同且獨(dú)立的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行處理和比對(duì)，采用2取2的結(jié)構(gòu)，或者3取2系統(tǒng)。 連續(xù)式ATP系統(tǒng)利用數(shù)字音頻軌道電路，向列車(chē)連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)，允許連續(xù)監(jiān)督和控制列車(chē)運(yùn)行。由軌道電路反映軌道狀態(tài)，傳輸ATP信息，在軌旁無(wú)需其他傳輸設(shè)備。當(dāng)軌道電路區(qū)段空閑時(shí)，發(fā)送軌道電路檢測(cè)電碼。當(dāng)列車(chē)占用時(shí)，向軌道電路發(fā)送ATP信息。軌道旁的軌道電路連接箱內(nèi)（發(fā)送、接收端各一個(gè)）僅有電路調(diào)諧用的無(wú)源元件，包括軌道耦合單元及長(zhǎng)環(huán)線。 車(chē)載ATP設(shè)備完成命令解碼、速度探測(cè)、超速下的強(qiáng)制執(zhí)行、特征顯示、車(chē)門(mén)操作等任務(wù)。ATP車(chē)載設(shè)備主要功能是對(duì)所接收信息進(jìn)行處理，其包括接收裝置（天線）

4、、信息處理器和測(cè)速單元。ATP車(chē)載設(shè)備將地面?zhèn)鱽?lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)ATP接收裝置接收，然后與預(yù)先儲(chǔ)存的列車(chē)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行計(jì)算，得出列車(chē)的允許最大速度，將此速度和來(lái)自測(cè)速單元（速度傳感器）的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行比較，超速時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警和制動(dòng)。同時(shí)，ATP車(chē)載設(shè)備還通過(guò)與列車(chē)接口，將所得的速度信息傳給TOD顯示，借助TOD司機(jī)能按照ATP系統(tǒng)的指示駕駛，以保證安全。ATP車(chē)載設(shè)備也采用2取2或者3取2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以保證系統(tǒng)最大限度的可用性。 5.3 ATP系統(tǒng)的主要功能5.3.1 列車(chē)速度監(jiān)督和超速防護(hù)功能 列車(chē)速度監(jiān)督是ATP系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，也是最重要的功能。如果列車(chē)實(shí)際速度超過(guò)允許速度的一個(gè)設(shè)定偏差，則列車(chē)會(huì)采取

5、相應(yīng)的自動(dòng)報(bào)警或制動(dòng)措施進(jìn)行安全防護(hù)。 圖5-1所示，為車(chē)載中央控制單元根據(jù)地面設(shè)備傳至車(chē)上的信息以及列車(chē)自身的制動(dòng)率，計(jì)算得出的兩個(gè)防護(hù)點(diǎn)（信號(hào)點(diǎn)或列車(chē)）之間的超速防護(hù)速度監(jiān)控曲線。v0為所允許的最高列車(chē)速度，v1,v2,v3，分別為所測(cè)得的實(shí)時(shí)速度，則ATP會(huì)根據(jù)不同情況采用不同的方法，以保證列車(chē)運(yùn)行的安全和平穩(wěn)。 ATP不僅可用來(lái)保證列車(chē)之間的運(yùn)行安全，還用于受曲線等線路條件、通過(guò)道岔、慢行區(qū)間等限制而需要限速的區(qū)段。因此限速等級(jí)是根據(jù)后續(xù)列車(chē)和先行列車(chē)之間的距離、線路條件等來(lái)決定的。ATP可對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度進(jìn)行分級(jí)或連續(xù)監(jiān)督。 超速防護(hù)一般的速度限制分為固定限速、臨時(shí)限速、區(qū)域限速、閉塞

6、分區(qū)限速等多種類(lèi)型。 固定限速。固定限速是在設(shè)計(jì)階段設(shè)置的。車(chē)載ATP和ATO設(shè)備都儲(chǔ)存著整條線路上的固定限速區(qū)信息。速度梯降級(jí)別為1 km/h。它決定了“目標(biāo)距離”工作模式下的可能給出的最優(yōu)行車(chē)間隔。 臨時(shí)限速。限制速度在某些條件下（施工現(xiàn)場(chǎng)、臨時(shí)危險(xiǎn)點(diǎn)）可以被降低。臨時(shí)速度限制區(qū)段的范圍總是限制在一個(gè)或多個(gè)軌道電路。在緊急情況下，通過(guò)特殊速度碼，可立即將任何一段軌道電路上的速度設(shè)置為25km/h。如果需要設(shè)置臨時(shí)性限速區(qū)，可以在地面安裝應(yīng)答器。這些應(yīng)答器允許以5 km/h為一個(gè)階梯，降到25 km/h。在帶有允許臨時(shí)速度限制編碼的軌道電路里，可通過(guò)設(shè)置信標(biāo)來(lái)實(shí)施。 區(qū)域限速。區(qū)域速度限制是

7、針對(duì)軌道電路內(nèi)的預(yù)定區(qū)域設(shè)定的限制速度，可分為15 km/h、30 km/h、45 km/h、60 km/h。區(qū)域限速可由ATP軌旁設(shè)備設(shè)置，也可在需要時(shí)由控制中心控制，但控制中心只能復(fù)位控制中心設(shè)置的區(qū)域限速。如果控制中心離線或通信失敗，則本地軌旁設(shè)備可直接設(shè)置區(qū)域限速。一旦設(shè)置了限速，集中站的ATP軌旁設(shè)備就將產(chǎn)生到速度限制區(qū)的新的目標(biāo)距離和實(shí)際的目標(biāo)限制速度，通過(guò)軌道電路傳送給接近限速區(qū)域的列車(chē)，列車(chē)在該區(qū)域中的運(yùn)行速度就不允許超過(guò)限速。如果列車(chē)速度超過(guò)限速，則車(chē)載ATP將啟動(dòng)緊急制動(dòng)，直到列車(chē)速度低于限速。 閉塞分區(qū)限速。閉塞分區(qū)限速是對(duì)單獨(dú)的軌道電路設(shè)置最大的線路速度和目標(biāo)速度。通過(guò)

8、ATP軌旁設(shè)備選擇最大速度，所選的速度作為軌道電路的最大允許速度。 一般速度監(jiān)督功能的輸入，包括車(chē)載速度距離功能中的列車(chē)現(xiàn)行速度和位置信息，以及服務(wù)自診斷功能中的列車(chē)數(shù)據(jù)（例如列車(chē)最大允許速度）。速度監(jiān)督功能的輸出，包括向司機(jī)人機(jī)接口功能提供最大允許速度和列車(chē)速度警告；向列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)提供緊急制動(dòng)命令；向服務(wù)自診斷功能提供列車(chē)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、處理和記錄數(shù)據(jù)，以及出錯(cuò)的信息。 5.3.2安全性停車(chē)點(diǎn)防護(hù)功能 安全性停車(chē)點(diǎn)防護(hù)，以保證列車(chē)停在停車(chē)點(diǎn)（不超過(guò)停車(chē)點(diǎn)）為目的。在ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式( ATPM)、列車(chē)自動(dòng)駕駛模式(ATO)和列車(chē)自動(dòng)折返模式(STBY)中，當(dāng)前方列車(chē)占用的軌道區(qū)段內(nèi)

9、有安全或危險(xiǎn)停車(chē)點(diǎn)時(shí)，該監(jiān)督防護(hù)功能都有效。 按照列車(chē)至停車(chē)點(diǎn)的距離，ATP車(chē)載設(shè)備根據(jù)列車(chē)制動(dòng)性能以及接收到的前方線路的信息等，計(jì)算一條最終為零的制動(dòng)曲線。列車(chē)的速度限制連續(xù)地改變，并通過(guò)最終為零的制動(dòng)曲線實(shí)施定點(diǎn)制動(dòng)。 5.3.3測(cè)速測(cè)距功能 ATP的測(cè)速測(cè)距功能是基于測(cè)速單元的輸入，負(fù)責(zé)列車(chē)運(yùn)行速度、運(yùn)行距離、運(yùn)行方向和位置的測(cè)定，是車(chē)載設(shè)備的關(guān)鍵部分。對(duì)于采用數(shù)字音頻軌道電路的ATC系統(tǒng)，距離是根據(jù)各軌道電路的始端來(lái)測(cè)量的，并通過(guò)使用測(cè)速單元的輸入和固定數(shù)據(jù)（車(chē)輪直徑）來(lái)確定。計(jì)算距離準(zhǔn)許車(chē)輪直徑、脈沖發(fā)生和車(chē)輪黏著打滑而造成的誤差。 測(cè)速有車(chē)載設(shè)備自測(cè)和系統(tǒng)測(cè)量?jī)煞N方法。車(chē)載設(shè)備自測(cè)

10、有測(cè)速發(fā)電機(jī)、路程脈沖發(fā)生器、光電式傳感器和霍爾式脈沖轉(zhuǎn)速傳感器等，它們安裝在無(wú)動(dòng)力車(chē)輛的輪軸上。系統(tǒng)測(cè)量有衛(wèi)星測(cè)速和雷達(dá)測(cè)速等方法。 測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在車(chē)輪軸頭上，它發(fā)出的電壓與車(chē)速成正比，該電壓經(jīng)處理后產(chǎn)生模擬量和數(shù)字量?jī)蓚€(gè)輸出，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)速度表和進(jìn)入車(chē)上主機(jī)用于速度比較。測(cè)速發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)單，但在低速范圍內(nèi)精度較差，可靠性也不高。 里程脈沖發(fā)生器。其核心部件是一個(gè)16極的凸輪，隨著車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生一系列脈沖，車(chē)速越快，脈沖數(shù)越多，只要在一定時(shí)間內(nèi)記錄下脈沖的數(shù)目，即能換算成列車(chē)的實(shí)際速度。 光電式傳感器。光電式傳感器應(yīng)用光電傳感技術(shù)，它有一個(gè)多列光圈盤(pán)，隨著車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，光線不斷地通

11、過(guò)和被隉擋，使光電式傳感器產(chǎn)生電脈沖，記錄脈沖數(shù)目來(lái)測(cè)量車(chē)速。 霍爾式脈沖轉(zhuǎn)速傳感器。車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使霍爾式傳感器產(chǎn)生頻率正比于車(chē)輪轉(zhuǎn)速的信號(hào)，來(lái)進(jìn)行測(cè)速。 在目標(biāo)距離模式中，列車(chē)位置對(duì)于安全性至關(guān)重要。如何測(cè)量距停車(chē)點(diǎn)的精確距離是列車(chē)運(yùn)行超速防護(hù)系統(tǒng)的重要任務(wù)。通過(guò)連續(xù)確定列車(chē)行駛距離，ATP車(chē)載設(shè)備可以隨時(shí)查找列車(chē)的精確位置。距離信息以音頻軌道電路的分界來(lái)定位，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)軌道電路的分界時(shí)，距離測(cè)量被同步。 測(cè)距一般是通過(guò)測(cè)速和輪徑完成的，同過(guò)測(cè)速設(shè)備獲得車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，考慮運(yùn)行方向和車(chē)輪直徑來(lái)計(jì)算走行距離。測(cè)距系統(tǒng)使用兩個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，為了保證安全，當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)不一致時(shí)，取其中的最大值。列車(chē)

12、定位也是通過(guò)測(cè)距完成的，在有軌道電路的線路上，將軌道電路的分割點(diǎn)作為列車(chē)絕對(duì)位置，列車(chē)的實(shí)際位置可以通過(guò)絕對(duì)位置加測(cè)距距離得出，同時(shí)考慮到列車(chē)空轉(zhuǎn)打滑的情況，每隔一段距離應(yīng)對(duì)列車(chē)實(shí)際位置進(jìn)行校核。 5.3.4車(chē)門(mén)監(jiān)控功能 ATP對(duì)車(chē)門(mén)控制主要是對(duì)車(chē)門(mén)狀態(tài)的監(jiān)督。當(dāng)列車(chē)沒(méi)有在站臺(tái)停穩(wěn)時(shí)，ATP不允許打開(kāi)車(chē)門(mén)；當(dāng)ATP檢測(cè)到列車(chē)在移動(dòng)，而車(chē)門(mén)沒(méi)有鎖在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，ATP實(shí)施緊急制動(dòng)。列車(chē)在車(chē)站預(yù)定停車(chē)區(qū)域內(nèi)停穩(wěn)且停車(chē)點(diǎn)的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，ATP才允許車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)操作；當(dāng)列車(chē)停靠站臺(tái)的精度偏離0. 5m或1m時(shí)，允許列車(chē)以5 km/h移動(dòng)，以精確停車(chē)。ATP不斷監(jiān)視安全門(mén)，確保車(chē)門(mén)無(wú)異常打開(kāi)。 5.3.

13、5TOD顯示功能 TOD是信號(hào)系統(tǒng)和司機(jī)的接口（見(jiàn)圖2-2），借助于TOD，司機(jī)能夠按照ATP系統(tǒng)的指示安全運(yùn)行。TOD向司機(jī)顯示列車(chē)的實(shí)際速度、目標(biāo)速度、最大允許速度以及ATP設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。另外TOD還顯示列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的重要故障信息，在部分情況下還有音響警報(bào)功能。 5.3.6列車(chē)安全間隔控制功能 列車(chē)安全間隔功能負(fù)責(zé)保持（移動(dòng)閉塞時(shí)）列車(chē)之間的最小安全距離，還負(fù)責(zé)發(fā)出運(yùn)行授權(quán)。只有在進(jìn)路已經(jīng)排列完成時(shí)，聯(lián)鎖功能才發(fā)出列車(chē)運(yùn)行授權(quán)，準(zhǔn)許列車(chē)進(jìn)入進(jìn)路。當(dāng)前行列車(chē)仍在進(jìn)路中時(shí)，可為后續(xù)列車(chē)再次排列進(jìn)路。 由ATP軌旁功能發(fā)出的運(yùn)行授權(quán)，根據(jù)相應(yīng)的安全停車(chē)點(diǎn)的選擇和激活而定。這些安全停車(chē)點(diǎn)的選定

14、依賴(lài)于進(jìn)路內(nèi)軌道區(qū)段的狀態(tài)。安全停車(chē)點(diǎn)的位置在信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中確定，這方面的信息保存在ATP軌旁設(shè)備中。位置的選定是為了在各安全停車(chē)點(diǎn)以外提供一安全的距離。在列車(chē)控制中，安全距離提供了差錯(cuò)的限度。速樣，在ATP監(jiān)督下，列車(chē)絕對(duì)不可能發(fā)生通過(guò)危險(xiǎn)點(diǎn)的情況。 5.4 ATP系統(tǒng)的控制模式及原理5.4.1 階梯式分級(jí)制動(dòng)控制模式 階梯式分級(jí)制動(dòng)控制模式是以固定閉塞分區(qū)為單元，各閉塞分區(qū)采用不同的低頻頻率調(diào)制，指示不同的控制限制速度等級(jí)。 階梯式分級(jí)制動(dòng)控制模式俗稱(chēng)大臺(tái)階式，速度控制限制曲線如圖5-2所示。它將一個(gè)列車(chē)全制動(dòng)距離劃分為若干個(gè)（一般34個(gè)）固定閉塞分區(qū)單元，每一閉塞分區(qū)根據(jù)與前行列車(chē)的距

15、離來(lái)確定限速值。當(dāng)列車(chē)實(shí)際速度高于檢查值時(shí)，列車(chē)自動(dòng)制動(dòng)。這種控制方式的制動(dòng)曲線呈階梯狀，故稱(chēng)速度階梯分級(jí)控制模式。固定閉塞制式的ATC系統(tǒng)通常采用階梯式分級(jí)制動(dòng)模式。 速度階梯控制是利用軌道電路傳輸多個(gè)低頻信息，將這些低頻信息賦予不同的速度碼含義，車(chē)載控制設(shè)備根據(jù)接收到的不同低頻頻率信息速度碼，實(shí)施不同的速度控制方式，從而保證列車(chē)在不同的閉塞系統(tǒng)下，都可以實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。 階梯式分級(jí)制動(dòng)控制模式有出口檢查和人口檢查兩種控制方式，分別稱(chēng)為滯后速度控制和提前速度控制，如圖5-3所示。 階梯式分段速度控制模式的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，需要地車(chē)傳輸?shù)男畔⒘啃?，不需要知道列?chē)的準(zhǔn)確位置，只需要知道列車(chē)占用哪個(gè)區(qū)

16、段即可。缺點(diǎn)是為保證安全，需依照行車(chē)性能最壞的列車(chē)設(shè)定目標(biāo)限制曲線，不能充分發(fā)揮行車(chē)效率，不能滿足高密度行車(chē)的需要。 5.4.2速度一距離模式曲線制動(dòng)控制模式 速度一距離模式曲線（簡(jiǎn)稱(chēng)模式曲線），是根據(jù)目標(biāo)速度、線路參數(shù)、列車(chē)參數(shù)、制動(dòng)性能等確定的反映列車(chē)允許速度與目標(biāo)距離間關(guān)系的曲線，包括從任何速度計(jì)算出列車(chē)制動(dòng)到停止的不同模式曲線，它反映了列車(chē)在各點(diǎn)實(shí)時(shí)允許運(yùn)行的速度值。 速度一距離模式曲線制動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)模式曲線制動(dòng)），是依靠連續(xù)式速度一距離模式曲線實(shí)現(xiàn)列車(chē)實(shí)時(shí)安全追蹤運(yùn)行控制的方式，可滿足提高行車(chē)密度的需要。曲線模式按照是否保留地面固定閉塞分區(qū)，又分為曲線式分級(jí)制動(dòng)模式和一級(jí)制動(dòng)模式兩種類(lèi)型

17、。 曲線式分級(jí)制動(dòng)模式，是保留地面固定閉塞分區(qū)，根據(jù)閉塞分區(qū)提供的允許速度（目標(biāo)速度）值、目標(biāo)距離及列車(chē)本身的性能參數(shù)和線路常數(shù)等，由車(chē)載計(jì)算機(jī)計(jì)算出制動(dòng)模式速度曲線，或?qū)⒏鞣N制動(dòng)模式曲線儲(chǔ)存調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)制動(dòng)控制的模式。 采用曲線式分級(jí)制動(dòng)模式（也有叫準(zhǔn)移動(dòng)閉塞模式）時(shí)，追蹤目標(biāo)點(diǎn)為前行列車(chē)所占用閉塞分區(qū)的始端，通過(guò)地車(chē)信息傳輸系統(tǒng)向列車(chē)傳送目標(biāo)速度、目標(biāo)距離等信息，由車(chē)載計(jì)算機(jī)計(jì)算制動(dòng)模式速度曲線，實(shí)現(xiàn)模式曲線制動(dòng)。 一級(jí)制動(dòng)模式，是取消地面固定閉塞分區(qū)，完全按目標(biāo)距離實(shí)現(xiàn)目標(biāo)制動(dòng)控制。列車(chē)空間間隔的長(zhǎng)度是不固定的，隨著前行列車(chē)的移動(dòng)而變化。根據(jù)距前行列車(chē)的距離或距運(yùn)行前方停車(chē)站的距離，由控制中心（或由車(chē)載計(jì)算機(jī)）根據(jù)目標(biāo)距離、列車(chē)參數(shù)和線路參數(shù)等計(jì)算出列車(chē)一級(jí)制動(dòng)模式曲線，按制動(dòng)模式曲線實(shí)施制動(dòng)，控制列車(chē)運(yùn)行。 復(fù)習(xí)思考題：1簡(jiǎn)述ATP系統(tǒng)的基本內(nèi)容。2簡(jiǎn)述ATP系統(tǒng)設(shè)備的組成及作用。3ATP系統(tǒng)的主要功能有哪幾種？4速度監(jiān)督功能的輸入和輸出信息有哪些？5在什么情況下，ATP車(chē)載單元實(shí)施緊急制動(dòng)？6ATP對(duì)車(chē)門(mén)的控制功能有哪些？7何謂階梯式分級(jí)制動(dòng)模式和模式曲線制動(dòng)模式？各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？8出口檢查和入口檢查兩種控制方式有何主要不同點(diǎn)？9曲線式分級(jí)制動(dòng)模式和一級(jí)制動(dòng)模式的實(shí)現(xiàn)方式有何不同？10.為什么說(shuō)一級(jí)制動(dòng)模式是列車(chē)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向？