高速列车安全控制技术ATP.pdf

列车自动保护系统（ATP）的简介（西南交通大学交通运输与物流学院，四川省成都市 610031）摘要：摘要：在高速铁路列车自动控制系统(ATC)中，列车自动防护(ATP)系统担负着列车运行间隔控制、进路控制、超速防护的重要作用，是列车运行自动控制的基础。其中，ATP 车载设备是 ATP 系统中保证行车安全的关键设备，它根据地面信息和机车信息生成列车速度控制曲线，并与列车实际速度进行比较，监督列车运行，实现超速防护、零速检测、无意识移动防护、制动确认和车门防护等功能。本文在详细阐述 ATP 设备功能及构成的基础上，阐述了高速铁路 ATP设备的不足，为后续研究提供参考。关键词：关键词：列车自动保护系统；高速铁路；安全；不足；中图分类号：中图分类号：U238 文献标识码：文献标识码：AIntroduction of Automatic Train Protection(ATP)System and the Current ResearchQIU Qian-qian（School of transportation and logistics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031）Abstract：Serving as the basis of Automatic Train Control(ATC)system of high-speed railway,Automatic Train Protection(ATP)system plays an important role in interval control,route control and over-speed protection.The onboard ATP,however,is the key component of ATP system to insure the train safety.It calculates the train speed-control curve based on the railway information stored in the host computer and the data received from wayside.It constantly compares the velocity calculated with the train actual velocity to supervise the train operation.It executes over-speed protection,zero-speed check,unexpected movement protection,brake confirmation and door protection.The paper introduces the function and the formation of ATP system and describes the shortage of ATP in details.The paper aimed to make a guidance for future research.Key words：Automatic Train Protection system;high-speed railway;safety;shortage;CLC number:U292.4 Document code:A0 简介简介高速铁路是解决交通拥挤的有效手段，它的最大特点是运营密度大、列车行车间隔时间短、安全、正点。因此，必须采用具有行车间隔控制、连续速度显示监督和防护的列车自动防护系统，以确保行车安全，提高行车效率。ATP，全称是自动超速保护、列车自动保护系统（Automatic Train Protection，简称：ATP），亦称列车超速防护系统，是应用于轨道交通装备领域，包括高速机车、动车组和地铁车辆的安全保护记录装置，被称为铁路领域的“黑匣子”，承担着保护铁路装备安全的重任。其功能主要为列车超过规定速度时自动制动，当车载设备接收地面限速信息，经信息处理后与实际速度比较，当列车实际速度超过限速后，由制动装置控制列车制动系统制动。ATP 系统自动检测列车实际运行位置，自动确定列车最大安全运行速度，连续不间断地实行速度监督，实现超速防护，自动监测列车运行间隔，以保证实现规定地行车间隔。1 列车自动防护列车自动防护(ATP)系统的功能系统的功能列车自动防护（ATP）子系统，即列车运行超速防护或列车运行速度监督，是保证行车安全、防止列车进入前方列车占用区段和防止超速运行的设备，实现列车运行安全间隔防护和超速防护。通过 ATP 子系统检测列车位置并向列车传送 ATP 信息（目标速度信息或目标距离信息），列车收到 ATP 信息，自动实现速度控制，确保列车在目标距离内不超过目标速度的前提下安全运行。它的主要功能有：（1）列车定位定位任务确定列车在路网中地理位置通常 ATP 系统都是利用查询应答器及测速电机和雷达完成列车定位安装在线路上某些位置应答器用于列车物理位置检测每个应答器发送包括识别编号（ID）应答器报文由列车接收在 ATP 车载计算机单元线路数据库里存有应答器位置列车就知道它在线路上确切位置由测速电机和雷达执行列车位移测量列车定位误差来自应答器检测精度、应答器安装精度和位移测量精度。（2）速度和距离测量列车实际运行速度是施行速度控制依据速度测量准确性直接影响到速度控制效果列车位置直接关系到列车运行安全通过确定列车实际位置才能保证列车之间运行间隔以及能够在抵达障碍物或限制区之前停下或减速。（3）ATP 监督功能 ATP 监督负责保证列车运行安全各监督功能管理列车安全并在它权限内产生紧急制动；所有监督功能在信号系统范围内提供了最大可能列车防护各种监督功能之间操作是独立且同时进行 ATP 监督包括速度监督、方向监督、车门监督、紧急制动监督、后退监督、报文监督、设备监督等。（4）超速防护 高速铁路中速度限制分为两种：是固定速度限制如区间最大允许速度、列车最大允许速度；另是临时性速度限制例如线路在维修时临时设置速度限制固定限速是在设计阶段设置 ATP 车载设备中都储存着整条线路上固定限速区信息。（5）停车点防护 停车点有时危险点危险点在任何情况下都是越过这会导致危险情况例如站内有车时车站起点即是必须停车点在停车点前方通常还设置一段防护段 ATP 系统通过计算得出紧急制动曲线即以该防护区段入口点为基础保证列车不超越入口点，有时也可在入口点处设置列车滑行速度值（如 5km/h）一旦需要列车可在此基础上加速或者停在危险点前方。（6）列车间隔控制 列车间隔控制是既能保证行车安全（防止两列车发生追尾事故）又能提高运行效率（使两列车间隔最短）信号概念在过去以划分闭塞分区、设立防护信号机为基础自动闭塞（固定闭塞）概念下列车间隔是靠自动闭塞系统来保证列车间隔以闭塞分区为单位；当采用准移动闭塞或移动闭塞时闭塞分区长度与位置均是不固定是随前方目标点（前行列车）位置、后续列车实际速度以及线路参数（如坡度）而不断改变。（7）站台屏蔽门控制 ATP 轨旁设备连续监测屏蔽门状态只有在屏蔽门“关闭且锁闭”情况下才允许列车进入站台区域如果屏蔽门状态不再为“关闭且锁闭”则 ATP 轨旁设备将站台区域作为封锁来处理在封锁区域边界处设置防护点因此接近列车将从ATP 轨旁设备得到仅至该防护点移动许可如果此时列车已经进入了站台区域屏蔽门状态从“关闭且锁闭”发生了变化 ATP 车载设备将触发紧急制动。（8）其他功能 除上述主要功能外视具体用户要求 ATP 系统还可具有其他一些功能：紧急停车功能：在特殊紧急情况下按压设在车站上紧急停车按钮（平时加铅封）就可通过轨道电路将停车信息传递给区间上列车启动紧急制动使列车停止运行。给出发车命令：ATP 系统检查有关安全条件（如车门是否关闭、司机操作手柄是否置于零位、ATO 系统是否处于正常工作状态）并确认符合安全后给ATO 系统信号在人工驾驶模式下司机在得到显示后即可进行人工发车；在自动驾驶模式下 ATO 系统得到 ATP 系统发车确认信息后却操纵列车自动启动。列车倒退控制：根据不同用户协议可以实现各种列车倒退控制例如当列车退行超过一定距离或者越过轨道电路分界点立即启动紧急制动。停稳监督：监控列车停稳是在站内打开车门和站台屏蔽门安全前提为了证实列车停稳要考虑来自雷达和测速电机信息 ATP 车载计算机单元将使用这些速度信息。2 列车自动防护列车自动防护(ATP)系统的构成系统的构成列车自动防护系统所包含的设备分别安装在列车上和地面上。安装在列车上的设备，简称为车载设备；安装在地面的设备简称为地面设备。2.12.1 车载设备的主要组成车载设备的主要组成列车自动防护系统的车载设备主要包括有车载主机、驾驶员状态显示单元、速度传感器、列车地面信号接收器、列车接口电路、电源和辅助设备等，如图1 所示。下面分别介绍有关设备的情况。电源驾驶员状态显示单元辅助设备速度传感器地面信号接收器列车接口电路车载主机图 1 车载主要设备(1)车载主机。列车自动防护系统的车载主机由各种印刷电路板、输人/输出接口板、安全继电器和电源等设备组成。这些设备分层放在机柜中，利用机柜上的总线进行通信。(2)状态显示单元。状态显示单元是车载系统与列车驾驶人员之间的人机界面，可以显示列车当前运行速度、列车到达某点的目标速度、列车到达某点的走行距离、列车的驾驶模式和有关设备的运行状况等与行车直接相关的信息，如图 2 所示；还设置有一些按钮，用于驾驶员操作，控制列车运行。图 2 列车司机显示屏（人机界面）(3)速度传感器（如图 3）。信号系统通常在列车上装有一个或多个速度传感器，安装在列车的车轴上，用于计算列车的运行速度和列车运行距离及列车运行方向的判定。列车的运行速度，还可以用雷达进行测定，但速度传感器技术成熟，测速精度高，安装使用简单方便，因此被广泛使用。图 3 速度传感器(4)列车地面信号接收器列车地面信号接收器（图 4），安装在列车底部，用于接收从轨道上传来的信息，这些信息可以由地面轨道电路发送，或由安装在地面的专门设备如应答器发送给列车。列车地面信号接收器，根据所接收的信息格式、容量和处理速度等因素，可以设计为感应线圈，或其他形式，以保证列车在一定的运行速度下能及时接收和处理所收到的信息。列车地面信号接收器的性能要求：抗机械冲击能力强，有很好的抗电磁干扰能力，偏息接收误码率低，不丢失信息。图 4 典型的信号接收设备(5)列车接口电路。列车自动防护系统的车载设备通过车载主机与列车进行接口，车载主机将控制信息通过接口电路传送给列车，同时车载主机通过接口电路从列车获得列车运行的状态信息。列车接口电路使用的继电器，根据使用的环境，需要体积小、力学性能好的继电器，一般使用弹簧继电器。(6)电源和辅助设备等列车为列车自动防护系统车载设备提供所需的电源，列车上还有列车运行模式选择开关，各种电源开关，和其他一些辅助设备等。3.23.2 地面设备地面设备列车自动防护系统的核心设备安装在列车上，它所需的主要信息来自地面设备。根据轨道交通信号系统的不同制式，列车自动防护系统地面设备，可以设置点式应答器或轨道电路，向列车传递有关信息，由安装在列车上的设备接收和处理这些信息。（1）点式应答器在速度距离曲线为阶梯式的图形的信号系统中，经常会在线路上间隔一定的距离设置点式应答器。这些应答器向线路保存有列车的行车信息，在列车经过时，由安装在列车车底的感应接收装置从中读取或接收信息，在对这些信息进行综合分析处理。点式应答器中所包含的信息，包括有线路位置、列车运行距离、基本线路参数、速度限制等信息，这些信息固化在应答器。应答器可分为有源应答器和无源应答器。有源应答器向线路实时发送信息，由列车接收；无源应答器，只有在列车经过时，由列车应答器中读取信息。典型的应答器如图 5。图 5 典型应答器（2）轨道电路轨道电路除了具有表示列车是否占用轨道的功能外，还可以向线路上实时发送列车运营所需的信息，由列车接收和处理。轨道电路所发送的信息，其容量大，有利于列车的车载系统时列车进行实时控制。因信号系统的处理能力和制式不同，轨道电路所发送的信息量可有所不同，一般来讲，轨道电路所发送的信息可以有以下内容：轨道电路基本信息如轨道电路的长度、坡道和曲线参数，所用的载波频率，轨道电路的编号等；线路速度是指该轨道区段线路上受坡道和曲线等因素的影响列车所允许运行的最大速度；目标速度列车到达下一目标时，列车的运行速度；运行距离列车到达下一目标时所需走行的距离；列车运行方向，指明列车上行运行或下行运行；道岔定反位列车前方经过道岔的定位或反位；列车停站信号指示列车处于停站状态；备用信息位预留用作其他的信息使用。这些信息以数字编码的方式，顺序排列，放在一个信息包里。列车收到信息后进行译码和实时处理，实时控制列车运行状态。4 列控车载设备主要工作模式列控车载设备主要工作模式列车 ATP 针对不同情形，共设置 5 种监控模式，ATP 的信息交换过程如图6 所示。图 6 ATP 信息接收示意图4.14.1 ATPATP 完全监控模式完全监控模式当车载设备具备列控所需的基本数据（轨道电路信息、应答器信息、列车数据）时，ATP 车载设备生成目标距离模式曲线，并能通过 DMI 显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等，控制列车安全运行。4.24.2 ATPATP 部分监控模式部分监控模式若 ATP 车载设备接收到轨道电路允许行车信息，但线路数据缺损时，ATP车载设备产生固定限制速度，控制列车运行。连续两组及以上应答器的线路数据丢失，列车在 ATP 车载设备已查询到的线路数据末端前触发常用制动，当列车运行速度低于 120km/h 后，提供允许缓解提示，司机缓解后，ATP 车载设备根据线路最不利条件，产生监控速度曲线（最高限制速度 120km/h），控制列车运行。侧线发车，ATP 车载设备根据股道轨道电路信息（根据道岔限速发送 UU码或 UUS 码），形成并保持固定限制速度（至出站口），控制列车运行。引导接车，ATP 车载设备收到接近区段的轨道电路信息（HB 码），形成并保持固定限制速度（20km/h），控制列车运行。4.34.3 目视行车模式目视行车模式在 ATP 车载设备显示禁止信号时，列车停车后，根据行车管理办法（含调度命令），司机经特殊操作（如按压专用按钮），ATP 生成固定限制速度（20km/h），列车在 ATP 监控下运行，司机对安全负责。4.44.4 调车监控模式调车监控模式车列进行调车作业时，司机经特殊操作（如按压专用按钮）后，转为调车模式，ATP 生成调车限制速度，控制车列运行。牵引运行时，限制速度40km/h；推进运行时，限制速度 30km/h。4.54.5 隔离模式隔离模式ATP 车载设备故障，触发制动停车后，根据故障提示，司机经特殊操作，ATP 车载设备控制功能停用，在该模式下司机按调度命令行车。若仅 BTM 失效，ATP 车载设备提供机车信号，可人工转换为 LKJ 控制列车。5 ATP 的发展与不足的发展与不足目前，我国正借鉴世界各国经验，结合我国国情路情，发展 CTCS，制定我国统一的 ATP 系列技术标准和规范。实行跨专业合作，坚持技术先进、系统成熟、经济合理、等级配置的原则，坚持通信信号一体化的方向，新线建设优先发展基于无线的 ATP。坚持新线建设与既有线改造并重，在总体规划的指导下，分步实施，有序发展，坚持机车信号主体化与发展 ATP 相结合。一般来说，ATP 根据地面设备提供的信号信息控制列车运行。当因轨道电路故障等原因，ATP 接收不到信号或接收到非正常的检测信号时，ATP 将采取自动制动措施控制列车停车。列车停车后如需继续前行，需要等待 2 分钟后将ATP 从完全监控模式转为目视行车模式，以低于 20 公里/小时的速度前进。目视行车模式期间，如接收到正常信号，ATP 将自动转为完全监控模式。所以，具有 ATP 设备的列车运行过程可以说是非常安全的。但是，在 723 甬温线特别重大铁路交通事故调查报告中，我们可以看到，D3115 次、D301 次列车均安装有 ATP，而 ATP 设备并没有成功使 D301 停下车来，造成 D3115 次、D301 次列车追尾的特别重大事故，可见，非常站控模式下的 ATP 安全性还有待商榷，我国的自主 ATP 技术仍然有待进一步发展和实践检验。