基于通信的列车自动防护系统（ATP）关键技术研究

陈乐旋

东莞市轨道交通有限公司运营分公司

摘要：作为自动列车控制系统（ATC）的安全核心，自动列车控制系统（ATP）是确保安全驾驶的重要设备。它可以自动实现列车间隔和超速保护控制，并负责车门与屏蔽门之间的联锁关系。有效避免误操作和其他事故造成人为错误的危险。先进的通信手段，提高列车定位精度，实现双向车对地数据传输，使其成为最强大，最高效的信号遮挡方法。本文重点研究了轨旁设备，车辆设备，无线通信系统和安防系统设备四个子系统的设计

关键词：列车自动防护系统；ATP；关键技术

一、列车自动防护系统的意义

近年来，我国经济快速增长，人民生活日益富裕，城市交通设施的建设不够完善，使我国的城市交通承受着特别大的压力。因此，解决城市交通问题已刻不容缓。保障轨道交通行车安全、提高交通效率核心的正是列车运行控制系统，它在城市轨道交通中一直扮演着“大脑”的角色，是各国轨道交通项目研究的重点之一。

目前世界各大城市新建或改建的城市轨道交通工程大多采用列车自动控制系统。ATC系统包括四个子系统：列车自动监控（ATS）、列车自动防护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）以及计算机联锁（IL），各个子系统之间通过信息交换网络构成闭环系统，实现对列车运行的自动控制。

ATC系统根据系统闭塞制式的不同可分为：1）传统固定闭塞方式的ATC系统；2）准移动闭塞方式的ATC系统；3）基于通信技术的移动闭塞方式的ATC系统。近年，随着无线和有线通信技术、计算机及网络技术的不断发展，研究基于通信的列车自动防护系统（ATP）关键技术，对实现列车高分辨率的定位，优化列车安全、稳定运行、减少CBTC系统的工程造价具有一定的技术积累作用。

二、ATP系统概述

（1）ATP系统结构

ATP系统由一般由区域控制中心、数字编码轨道电路（或计轴）、安全数据网、进路控制单元及车载ATP设备五部分组成。ATP系统的核心是区域控制中心，它有着两个重要的通信工作：首先是运用安全数据网将从信号机、道岔、轨道电路接收来的信息和列车自动监控系统ATS进行数据交换，实现安全逻辑的联锁，同时信号机、转辙机也是通过它的目标控制器自动控制的；其次是轨道电路的信息编码也是它通过分析轨道电路的线路曲线、运行状态、线路坡度等运行信息完成的，信息编码后传送给车载ATP设备；另外，它还在两个区域控制中心承担着传递安全信息的作用。列车在运行过程中主要由三个部分协同工作：安全数据网、数字编码轨道电路和进路控制单元。

（2）ATP系统主要功能

ATP系统是列车安全运行的保障，可避免人为错误操作和其他意外情况引起的行车危险。ATP系统功能由轨旁ATP设备、车载ATP设备共同完成，主要有：

（1）列车测速与定位

车载ATP设备通过速度传感器周期性的测定列车速度和行驶距离，检测和管理空转和轮滑的发生。列车测量的列车速度和行驶距离，由轨旁信标进行定位误差校准。

（2）列车的安全间隔控制

车-地双向通信设备正常时，限制速度、距离、前方列车占用状况、线路条件、进路状态等信息由轨旁ATP设备经车-地双向通信设备向车载ATP发送，车载ATP根据这些信息计算出列车的运行安全保护曲线，防护列车运行。车-地双向通信设备故障，由计轴等区段空闲检测设备检测列车位置时，后续列车禁止进入前行列车占用的轨道区段，或者禁止进入前行列车占用的进路，保障列车运行间隔。

（3）列车超速防护与安全制动

车载ATP不断地计算安全防护曲线，监督列车速度，确保列车始终低于允许的速度。当检测到列车实际速度超过ATP安全防护曲线时，将切除牵引并触发声光报警。当列车超过系统允许的超速限制时，将立即制动，这个制动措施可能是紧急制动或是受到监控的常规制动。常规制动时，系统监测并保证这个制动加速度在预计时间内是接受的，否则立刻实施紧急制动。

（4）车门及屏蔽门的安全监控

车载ATP连续检查车门的状态，车门状态异常，将触发紧急制动。当确认了列车停稳并准确停车后，车载ATP会授权打开正确侧的车门和屏蔽门。车门和屏蔽门确认关闭且锁闭后，才允许启动列车。

（5）紧急停车功能

车载ATP系统在超过允许的速度、非授权的移动等情况下触发紧急制动；每个车控室、站台设紧急停车按钮，当按下紧急停车按钮后，即将进入车站的列车和正在离开的列车立即紧急制动。

三、列车自动防护系统（ATP）关键技术的研究

1.无线扩频列车定位技术

无线扩频定位法是釆用无线扩频通信技术进行列车信息传递，用以实现列车的定位和控制。这种方法借助车站、轨旁和车载通信设备的无线扩频电台进行数据的收发，列车的运行信息及各种数据能够在三者之间进行自由的双向传输。

1.1扩展频谱通信技术

扩展频谱通信技术是一种常用的无线通信技术，它将信息发射的信号带宽扩展很多倍，远大于信息所需的最小带宽。扩频通信通过编码及调制方法来实现频带的展宽，与所传信息数据无关；在接收端，用相同的扩频码对数据进行相关的解调，使所传信息数据恢复。

1.2扩频方式分析

频谱扩展通信是近年来发展非常迅速的一门技术。它以不可比拟的优势，赢得了广大用户的亲睐，应用越来越广泛，扩频通信技术只是一种信息传输的方式。扩频通信方式一般包括直接序列扩频、跳时、跳频、宽带线性调频等。

常规的无线电通信分配方式有两种，频分和时分。这两种分配方式是把通信频率按照不同的使用规则分配给用户，使他们所需传送的信息互不干扰各不相同。

2.列车定位技术

在轨道交通运行中，列车定位技术是一项关键技术。准确、及时地获取列车位置信息，为列车安全、高效运行提供了保障。随着社会的发展，人们对列车服务也有了更高的要求：在任何时刻、任何地方精确确定列车位置，包括行车安全间隔、列车速度；对轨旁和车载设备进行资源分配和故障诊断；在出现故障，能够满足一定的精度要求，降级运行。

2.1定位方式分类

ATP系统中使用的列车定位方式种类较多。根据定位信息的产生方式来划分，可以分为三类：第一类是分段信息的方式，只有在某个固定的频段内，信息才能产生，最典型的有轨道电路和计轴定位，另外，交叉回线定位也属于这一类。

第二类是离散式的信息方式，这种方式需要首先排列一些固定点，信息在这些固定点上产生，采用这种方式的有信标-极距以及查询-信标定位等。

第三类是连续信息方式，信息在任意点上都可以产生，因此信息是连续的，无线扩频定位和卫星定位都归于这一类。

2.2列车定位和信息传输方式主要有以下几种：

2.2.1轨道电路定位

轨道电路是将两根钢轨作为导体并分段，各段始末端连接信号发送、接收设备，构成电气回路。各分段之间的绝缘有机械和电气两种：机械式是将钢轨按分区切断，安装轨道绝缘节，形成物理隔离；电气式运用自然衰落、短路线法将钢轨进行电气分区。随着技术的发展，数字音频轨道电路在城轨中应用非常广泛，它的电气隔离大多是采用“S棒”。这种数字轨道电路的工作原理是：通过钢轨以差分模式向轨道末端发送一个调制信号，轨道末端-收并逐位比较验证该信号，以确定接收的信息是否正确。列车在轨道上行驶时，列车轮对所到之处钢轨短路，相应区段信号发生变化，从而确定了列车运行的区段，实现了对列车的跟踪定位。

2.2.2计轴定位

计轴又称微机计轴，计轴定位是在区段端头的计轴点处安装车轴检测传感设备该设备能检测识别车轮，当有车轮经过，会产生一个脉冲信号，这个脉冲信号经处理，通过通信电揽传送给室内计轴板，室内计轴板结合运行方向记录（增轴或减轴），不断统计和比较轨道区段端头进入和离开的轮对数量，确认相应区段的占用或空闲状态，从而确定列车的位置。

计轴定位存着轨道电路定位无法比拟的优越性：它不受轨道绝缘、道床电附、轨面洁净状态及环境潮湿的影响，安装方便，不需切割轨道、加装绝缘节，计轴区段长度可达10-20km，而且可以判断列车运行方向。但计轴在掉电、电磁干扰等因素影响下，需要进行复位，不能进行断轨检查，定位受计轴区段长度限制，定位精度不高。

2.2.3应答器定位

信标安装在线路沿线，分有源信标和无源信标两种，由车载查询器、地面信标和轨旁电子单元（LEU）组成，有源信标传输可变信息，无源信标传输固定不变的数据，如：绝对位置信息、线路坡度、弯度等。列车在行驶过程中，只要车载查询器与地面信标对准时，车载查询器就会以电磁感应的方式启动地面信标工作，使其将内部存储的数据发送到车上。通常，将信标和里程计配合使用。由信标提供给列车绝对位置信息；车载里程计测距列车相对位置信息，这两个位置信息加在一起就成了列车的实际位置信息。信标安装点定位精度高，达厘米级，但定位信息传递是间断的，只能从每一个信标安装点更新信息，若地面情况发生变化，无法立即将变化的信息实时传递给列车，因此，信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段。

3、列车追踪技术

列车追踪是一个轨旁的安全功能，它负责安全计算线路可变闭塞分区的空闲状态。主要输入数据足列车位置报告，包括通过连续通信通道的列车的完整性以及轨旁空闲检测状态。计算得出的线路空闲状态，通过移动授权计算，发送给区间内列车，使列车能安全地跟踪前方的列车。列车追踪分三种模式：连续通信下的列车追踪、装备列车与非装备列车的混合运输模式下的列车追踪、点式通信下的列车追踪。

3.1连续通信下的列车追踪

在连续通信模式下，列车位置检测由车地信息传送完成，列车位置由列车经无线发送给轨旁ATP，来判断列车是否出清，与计轴器无关，但计轴器仍保持工作。轨旁ATP单元通过无线通信收到的列车位置和列车完整性来决定列车的移动授权。计轴故障不会干扰连续通信运行，由联锁系统检出。联锁控制道贫转辙机，道贫有在道贫区段计轴工作正常时才能够转动。

3.2混合运输模式下的列车追踪

ATP系统允许通信和非通信列车混合运输。装备连续通信的列车会向轨旁ATP设备报告列车位置，通过位置报告进行追踪；未装备的列车不会给轨旁ATP设备发送位置报告，轨道空闲信息由计轴系统检知，从联锁发送到轨旁ATP。就是说，当线路检测到有未通过通信信道报告自己位置的列车，轨旁ATP和联锁将以固定闭塞模式进行线路保护。

3.3点式通信下的列车追踪

点式通信模式下列车位置由计轴监测和追踪，车载ATP从轨旁点式ATP环线和信标获得移动授权的信息，实现列车的追踪运行。

结束语

列车自动防护（ATP）系统作为ATC系统的核心，是保障安全行车的重要设备，而基于通信的列车自动防护系统（ATP）关键技术研究对提高轨道运输效率，实现列车高分辨率的定位，优化列车的安全、稳定运行，逐步实现ATP核心技术的国产化等方面具有一定的现实意义本文综合运用现有的基础理论和专业知识，进行基础资料的收集整理，对基于通信的列车自动防护系统（ATP）关键技术进行了一定的研究，仔细研究了无线扩频技术、列车定位技术及列车追踪技术遵循“技术研究、注重实效”的指导思想，使用规范、科学、合理的方法和程序。

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