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城市轨道交通CBTC系统关键技术探讨 　　摘要：本文基于自主研发的城轨交通完整CBTC系统，描述了ATO子系统所具备的列车自动驾驶、自动折返等关键功能及其工作原理，重点研究其ATO系统的关键功能及硬、软件架构。 　　关键词：城市轨道交通 CBTC 系统关键技术 列车自动驾驶子系统（ATO） 　　目前我国城市轨道交通运行速度和运行密度的不断提高，实现高水平列车自动驾驶的系统功能则成为CBTC信号系统的关键。列车自动驾驶子系统（ATO， Automatic Train Operation）利用先进的计算机技术对列车的运行过程进行计算，并获得合理、优化的列车操纵方案。列车自动驾驶不仅能做到降低驾驶人员的工作强度、提升旅客乘车的舒适性，还能有效地提高列车运行效率并节约能耗。 　　一、ATO关键功能描述 　　如图1所示，作为车载控制器 （VOBC）的重要部件，每组列车共具有2套ATO控制单元，分别设置在车头和车尾端，只有激活端驾驶室的ATO单元处于控制状态并接收、处理来自测速传感器的速度脉冲信号、计算当前列车速度，对列车控制电路输出数字牵引、制动命令以及模拟电流环信号（即牵引力或制动力大小），其信号的取值范围在0-20 mA之间，实现对列车速度的无级连续控制，同时还根据采集的门控模式开关状态以及ATP的开门使能信号，控制相应侧车门的开关。对列车驾驶台输出ATO启动、ATO模式、自动折返等指示信息，辅助司机进行激活ATO、模式选择和自动折返等操作。 　　整个ATO系统的算法和处理过程全部由主控CPU实现。CPU通过对所有输人信息代人控制算法进行处理，并将控制命令通过输出模块输出。实现功能的主要过程是接收从ATS来的行车命令，在列车安全防护子系统（ATP）监控下，通过车辆接口控制列车自动完成所在区间的列车行驶过程。ATO与ATP之间通过以太网交互信息。 　　（一）自动驾驶功能 　　自动驾驶能做到完全自动控制列车在站间的运行过程并可根据列车自动监控子系统（ATS）的调整指令调整区间运行时间，其区间运行时间与规定值误差≤±5%。自动驾驶功能由车站发车、区间速度控制和列车目标制动3部分功能组成（图2为列车速度绿色曲线变化过程）。需要考虑的运行指标包括运行时间、能耗、安全性、舒适性、跟随性、停站精度。 　　1.车站发车功能 　　（1）在满足ATO启动条件下，允许司机启动ATO系统。 　　（2）启动ATO后，控制列车速度到目标推荐速度。 　　2.区间速度控制功能 　　ATO负责在自动驾驶（AM）模式下驾驶列车。ATO对列车的速度控制通过伺服控制模块实现，其核心是基于比例、积分、微分（PID）控制原理的伺服控制软件结合模拟0-20 mA电流环硬件电路实现的。伺服控制模块包括实际速度和设定速度（推荐速度）2个基本输入。 　　（1）实际速度由ATO综合自身计算和ATP发送的速度信息判定，ATO与ATP使用相同的速度传感器，从而确保ATO所确定的速度与同ATP所确定的一个安全速度值相匹配。 　　（2）设定速度（推荐速度）则由ATO根据从ATP接收安全限速，固定限速以及临时限速等信息，同时，依据非安全制动曲线计算得来的当前点非安全限速综合形成。非安全制动曲线由ATO根据能力守恒的原理实时计算和维护。设定速度是当前列车位置的1个函数，对于设定速度的计算和每一个限速（停车点或限速）相关联，对每一个限速产生1个当前列车位置（图3中的P点）的局部设定速度。总体的设定速度为所有局部设定速度的最小值。 　　图3中，Vp为ATP防护的安全停车点（POP）作用于位置点P处的最大允许速度；Vo为ATO防护的非安全运营停车点（OSP）作用于位置点P处的最大允许速度；Vl为列车限制速度在位置点P处的最大允许速度；Va为列车限速曲线作用于位置点P处的最大允许速度。 　　所有设定速度最小值的集合最终形成ATO控车所遵循的推荐速度曲线。基于PID控制的伺服控制模块控制列车在区间跟踪推荐速度曲线，最大限度地保证列车速度贴近推荐速度运行。在加速和减速阶段，为了提升列车运行的平稳度和精确度，ATO采用了恒定的加速度和减速度。 　　3.列车目标制动功能 　　列车目标制动功能使列车精确地停在目标停车位置。 　　（1）站台定点停车。 　　站台的运营停车点由线路数据库来提供。ATO根据下一停车点，综合列车实际位置、速度、列车特性和ATP停车点计算非安全制动曲线，采用最合适的制动率控制列车准确平稳地停在规定的停车点。列车在车站站台的停车精度通常≤±0.3M。 　　（2）区间信号停车。区间信号停车功能根据区间停车信号控制列车停在停车信号之前，区间信号停车对于停车精度要求低于车站停车点精度要求。当地面设备允许列车向前行进（发送新的移动授权）时，不需司机任何