上海地鐵一號線車載信號系統

一、 概述
為了適應地鐵速度快、效率高和安全準點的要求，上海地鐵一號線的信號系統采用了列車自動控制ATC（Automatic Train Control，以下簡稱ATC），它由三個子系統組成，即列車自動保護（Automatic Train Protection，以下簡稱ATP）、列車自動運行（Automatic Train Operation，以下簡稱ATO）和列車自動監控（Automatic Train Supervision，以下簡稱ATS）。
ATP子系統由車載ATP子系統和軌旁ATP子系統構成，列車運行時車載ATP子系統正確地執行軌旁ATP子系統生成的ATP命令，確保類車運行的安全。 ATO子系統由車載ATO子系統和軌旁ATO子系統組成，其主要功能是象一個熟練的司機那樣自動駕駛列車，包括平穩加速、調速和車站程序定點停車。
ATS子系統由控制中心ATS子系統、軌旁和車載ATS/車地通信（Train Wayside Communication，以下簡稱TWC）子系統組成，控制中心ATS子系統主要包括以下功能：跟蹤列車、調度列車、維護列車運行時刻表、顯示系統狀況、統計匯編、仿真與診斷。軌旁和車載ATS/TWC子系統的主要功能是接受并執行控制中心的命令，同時將軌旁和車載的運行信息反饋至控制中心。
上海地鐵一號線車載信號設備由美國通用鐵路信號公司（General Railway Signaling，以下簡稱GRS）提供，它采用了當前世界先進的Micro Cabmatic列車自動控制技術，這是一個以微處理器為基礎的車載控制系統，主要應用了固態微處理器以代替分立元件為基礎的繼電邏輯電路，從而使現有的車載信號系統比以前更緊湊、性能更好、更容易維護，而且隨著計算機技術的不斷發展，本系統更易于升級換代。
二、 系統構成
車載信號系統是列車的輔助系統，地鐵一號線列車按照6節車（以后擴展為8節車）編組運行，車輛類型有三種：A車是帶有司機室的無動力車，B車和C車是有動力的車輛，但前者帶有受電弓；其中A車位于列車二端。車載信號系統設備置于每節A車司機室內，地鐵一號線現有16列電動客車，計32套車載信號系統設備。車載信號系統按其功能要求也分為三個子系統，即車載ATP子系統、車載ATO子系統和車載ATS/TWC子系統。
1． 車載ATP子系統
該子系統是車載信號系統的核心部分。它把從沿線軌道電路接收到的ATP限速命令安全、可靠地譯碼并且顯示出來。同時，將列車實際速度與之比較，保證列車在ATP限速命令所允許的速度之下工作，當列車運行超過ATP允許速度時，該子系統將自動施行全常用制動，直到列車車速低于允許速度。車載ATP子系統具有超速防護、制動保護、零速度檢測和車門控制等功能，為了使主機設備發生故障情況時有冗余，它設有主、副ATP二個模塊，互為備用，以保證系統的正常運行。
2． 車載ATO子系統
該子系統能替代電動客車司機智能化地駕駛列車，它包括平穩地加速列車、自動調整車速和列車到站后的定點停車等。
3． 車載ATS/TWC子系統
列車和地面之間的雙向通信由該子系統完成，它和中央列車控制系統協同操作，共同完成列車自動運行過程中的信息交換。
三、 設備組成與工程
車載信號設備由二部分組成，第一部分是司機室設備，第二部分是車底設備。
（一）司機室設備
主要包括ATC設備機架、速度表、信號顯示盤和日檢測試盤。
1． ATC設備機架
ATC設備機架含有：主、副ATC電源、主用和備用ATP模塊（以下稱為ATP1、ATP2）、ATO/ATS模塊、主、副制動保證裝置及車輛接口繼電器。該機架設在司機室非控制側，每節A車一個。
——主、副ATC電源
這是一個DC/DC轉換器，它裝在ATC機架的背面，用以將車輛的110V直流低電壓轉換為28V和10V直流供車載信號系統的電子設備使用，其輸入電壓范圍為132V—54V，每個電源的最大功耗為230W。
——ATP模塊
ATP1模塊和ATP2模塊分別置于ATC機架的第一層和第二層，每個模塊有10塊印刷電路板（Printed Circuit Board，以下簡稱PCB），它們是：
·放大/濾波板
·DC/DC轉換器
·中央處理單元
·安全輸入板（二塊）
·非安全輸入/輸出板
·制動輸出板（二塊）
·超速中央處理單元
·安全電源控制器 ——ATO/ATS模塊
該模塊置于ATC機架的第二層，內含7塊PCB，分別是：
·DC/DC轉換器
·ATO接口板
·ATO接口控制器
·日檢測試板
·TWC調制/解調器
·ATO/ATS中央處理器
·功率放大器
——主、副制動保證裝置（Brake Assurance Unit，以下簡稱BAU）
主、副制動保證裝置和主、副ATP配套，其功能是證實當ATP檢出超速狀態3—4秒內，列車至少以最小的減速率0.715米/秒/秒減速，若在規定時間里未達到最小制動率，制動保證裝置將輸出指令，即施加不可逆轉的緊急制動，一旦采取緊急制動后，一直要到列車停下，該制動才能緩解。
地鐵一號線使用的BAU包括一個機械擺和一個位置感應系統，列車加速和減速的慣性力推動機械擺的移動，擺的移動由紅外檢測器檢測，該檢測器允許光通過以產生要求的最小制動率所達到的輸出信號，BAU的輸出信號饋入ATP安全輸入板，并送給ATP中央處理器，在中央處理器檢測到超速狀態時，它就檢測BAU的輸出，以此確定是否已施加全常用制動。若在3—4秒鐘內未測到BAU的輸出，它就會通過緊急制動繼電器失磁來施加緊急制動。此外，列車停車時，中央處理器如果收到BAU的輸出，則會認為BAU故障，也會提示ATP子系統施加緊急制動。
——車輛接口繼電器
車輛接口繼電器安裝在ATC機架右測，它們分為安全和非安全二種，車載信號系統與車輛系統接口之間的命令通過這些繼電器完成。
安全型繼電器有5只（B4型），用于將信號指令送給安全電路，它們是：
·緊急制動繼電器（Emergency Brake Relay，簡稱EBR）：當設備故障或操作人員未響應時，提供緊急制動施加的條件。
·全常用制動繼電器（Service Brake Relay，簡稱SBR）：在檢測到超速狀態時，提供常用制動施加的條件。
·允許開左門繼電器（Enable Door Left，簡稱EDL）：它能使列車左側門可以開啟的車輛開門電路工作。
·允許開右門繼電器（Enable Door Right，簡稱EDR）：它能使列車右側門可以開啟的車輛開門電路工作。
·測試繼電器（TEST Relay，簡稱TESTR）：提供從車載測試設備到ATP接受線圈和速度探測器輸入的接口。
非安全型繼電器有3只（JT型），用于將信號指令送給非安全電路，分別是：
·故障繼電器（FAULT Relay，簡稱FAULTR）：提供到車輛故障識別系統的接口，并向司機告知ATC系統有故障。
·牽引繼電器（Drive Relay，簡稱DR）：僅在列車自動駕駛模式（ATO）期間工作，為由ATO生成的牽引控制信號提供一個到車輛牽引控制裝置的接口。
·制動繼電器（Brake Relay，簡稱BR）：僅在列車自動駕駛模式（ATO）期間工作，為由ATO生成的制動控制信號提供一個到車輛制動控制裝置的接口。
2． 速度表
這是一個雙指針式速度表，紅色的外針用以顯示列車收到的ATP限速命令，黃色的內針則表示由車載信號系統測得的實際車速，每輛A車司機控制臺上都有一只速度表。
3． 信號顯示盤（Aspect Display Unit，以下簡稱ADU）
每輛A車司機控制臺上都有一個ADU，ADU上面含有ATP、ATO和ATS/TWC的控制和表示按鈕/指示燈。
·“ATO發車”按鈕/指示燈
這是一個背面帶指示燈的按鈕，僅適用于ATO自動駕駛模式。當出現下列情況時指示燈閃綠光：列車首次建立ATO模式準備啟動前或列車在站臺停車時關門程序已結束又重新收到ATP指令后。壓下此按鈕，指示燈轉為穩定綠光，列車便可自動啟動。
·“ATO停車”按鈕/指示燈
這也是一個背面帶指示燈的按鈕，僅適用于ATO自動駕駛模式。如果列車以ATO模式行駛時，“ATO發車”指示燈會亮穩定的綠光，按壓此按鈕“ATO停車”指示燈亮白光且“ATO發車”指示燈熄滅，由ATO系統控制列車以全常用制動方式停車。之后，若司機再按下此按鈕，“ATO停車”白燈熄滅，“ATO發車”指示燈又會亮綠燈，同時列車將重新自動啟動并恢復到ATO自動駕駛模式。
·“慢速前行”指示燈
只限于ATP人工駕駛模式。當鋼軌上無ATP限速命令、列車停下且主控制器手柄在全常用制動位時，指示燈亮黃燈，司機可以用不超過20公里/小時的速度駕駛列車，一旦ATP限速命令出現，此燈即刻熄滅，司機則可按收到的ATP限速命令駕駛列車了。
·“超速”指示燈
在ATO自動駕駛模式或ATP人工駕駛模式時，列車一旦超速，該指示燈立即亮紅燈，當車速低于ATP限速命令后，紅燈才隨之熄滅。
·“ATS手動”按鈕/指示燈
當司機超越中央控制手動輸入車次號、目的地和運行等級等ATS/TWC參數時，按下此按鈕，指示燈亮黃燈，設置好的參數便在對應的LED上顯示，只要此燈亮，表明是司機優先中央設置ATS/TWC參數。
·“列車停站”指示燈
僅限于ATP人工駕駛模式。列車進站停穩后，該指示燈亮綠燈，則表明列車停站精度達到規定要求（±0.25M）。
·“列車車次號”顯示器（LED）
列車車次號位三位數顯示，供中央跟蹤列車使用，它由中央或司機設置。
·“目的地”顯示器（LED）
“目的地”為二位數顯示，是由中央或司機設置給列車作為系統自動出發和列車跟蹤之用。如上海地鐵一號線新客站目的地號為12，莘莊站目的地號是96。
·“運行等級”顯示器（LED）
“運行等級”為一位數顯示，僅限于ATO自動駕駛模式。不同的運行等級有不同的加速度和ATP限速，地鐵一號線采用1至4個運行等級，通常用節電的運行等級2（系統缺省值是運行等級1）。
·“ATS速度”顯示器（LED）
“ATS速度”為二位數顯示，僅限于ATO自動駕駛模式。由它來顯示ATO子系統應該執行的速度控制命令，單位為公里／小時。
·人工ATS開關
　這是一組六個拇指輪式的開關，供人工輸入ATS信息，從而使列車進入中央列車自動控制系統。其中三位數用作列車車次號，二位數用作目的地號，一位數用作運行等級。
4． 日檢測試盤
日檢測試盤置于司機背面的車輛設備柜內，每天列車出發前由信號人員根據測試步驟檢查ATP1、ATP２子系統和ATO/TWC車地通信子系統是否正常。
（二） 車底設備
GRS信號系統車底設備包括：ATP/TWC接受線圈、TWC發送天線、車輛對位天線、車輛標志天線和速度探測器。
·ATP/TWC接受線圈
該線圈裝于Ａ車第一根車軸前面，每節Ａ車有二個，分設于鋼軌上方。其主要功能是：通過耦合感應以接受地面ATP限速命令、允許車門打開控制命令及TWC信息。
·TWC發送天線
　TWC發送天線是一個裝在PVC管子中的10匝環線，它沿車輛中心線裝于第一根車軸的前方，天線中心對準鋼軌的中心線，其功能是將變化的TWC數據從車上感應至鋼軌，然后再被變換到與阻抗連結器相連的軌旁TWC模塊中。
·車輛對位天線
　該天線用于檢測位于站臺鋼軌之間的地面有源對位天線，后者在列車程序停車結束時提供準確的對位信號，該天線還用于發送和接受控制車輛的信號。每輛Ａ車裝一個對位天線，它沿車輛的中心線設置。
·車輛標志天線
　其功能是檢測列車離站臺停車點350米、150米、25米和8米距離的地面標志器，由這些固定的地面標志器信息更新車載ATO系統生成的車站停車曲線。每輛Ａ車裝一個標志器天線，它也是沿車輛中心線安裝的。
·速度探測器
　車載信號系統利用速度探測器來獲得實際列車速度和距離信息，為了使ATP1和ATP2正常工作，每輛A車有二個速度探測器，它們分別裝于第二、第三根車軸的軸箱上。
四、 運行模式
上海地鐵ATC系統運行模式有三種：自動駕駛模式ATO、ATP人工駕駛模式和后退模式。模式選擇是通過裝在司機控制臺上的“模式方向手柄”（Mode Direction Handle，以下簡稱MDH）來實現的，MDH有以下四個位置：“０”位（斷開）、“ATC”位（ATO自動駕駛模式）、“ATP人工前進”位（ATP人工駕駛模式）和“后退”位（后退模式）。模式轉換必須在列車停下時進行，否則將導致一次緊急制動。
１． 自動駕駛模式ATO
自動駕駛模式，也稱ATO模式，是上海地鐵ATC系統的正常操作模式。將MDH放在“ATC”位置來選擇該模式。在此模式中，司機僅做啟動列車和開／關門的操作。ATO子系統將和提供超速防護的ATP子系統一起自動控制列車的加速、調速和定點停車。一旦列車實際速度超出了ATP限速，車載ATP子系統通常會在400ms內給ATO一個指令，撤除列車的牽引電流，并自動施加全常用制動，同時ADU上的超速指示燈亮紅燈，制動保證裝置檢測列車的減速率是否達到車輛安全制動率。如果減速率在３—４秒內未達到規定值，則ATP子系統將使緊急制動繼電器落下，實施緊急制動，直至列車停下；反之，減速率達到要求并一直保持到列車速度低于ATP限速，則禁止施加緊急制動。當列車車速重新又低于ATP限速命令時，ADU上的超速表示燈熄滅且ATO子系統繼續對列車進行調速。列車經過站外350米處的第一對地面標志器時，ADU上的“程序停車”指示燈亮藍燈，定點停車曲線便由此啟動。如果這時“跳停”指示燈也亮的話，則“程序停車”指示燈不會亮，由地面標志器感應到車上的距離信息也作廢，列車將在ATS的速度指令下不停該站前行，“跳停”指令可以由中央或司機設置，若在列車進入“程序停車”時司機按下了“跳停”按鈕，也可同樣取消停車指令而使列車繼續運行。總之，在列車沒有發出“列車停站”信號之前，“程序停車”都可以被取消。當ATS速度與定點停車曲線速度相同時，列車轉入定點停車控制模式，該模式將列車的減速率控制在一個恒定值上，列車經過150米、25米地面標志器時，它離開最后停車點的距離信息被不斷更新。在接近停車曲線終端時，列車經過8米有源地面標志器上方，并收到由該標志器發送的頻率為14352HZ的信號，列車收到此信號后即刻轉為停車模式，它使列車的減速率進一步降低以使車輛對位天線與地面對位天線對齊，達到定點停車目的（±0.25m）。當車載ATO收到地面對位天線發送的頻率為13235HZ的信號立刻實施全常用制動，之后，向車載ATP傳送一個“列車停站”信號，系統便可進入控制車門的工作周期。
２． ATP人工駕駛模式
這是上海地鐵ATC系統的后備操作模式，將MDH放在“ATP人工前進”位置來選擇此模式。列車的啟動、加速、調速和定點停車都由司機在ATP子系統的防護下進行。在該模式中，列車的安全由ATP保證，它不允許司機在超速點或者高于超速點上駕駛列車，若列車速度大于等于超速點，ATP子系統都會在ADU上發出報警聲并點亮超速表示燈以提高司機警覺，同時會自動施加全常用制動，司機必須在3秒內將主控制器手柄置于全常用制動位來確認超速并保持在那個位置直至列車速度低于ATP限速。假如司機不采取上述措施，即未對列車超速狀態作出確認，這時列車實施的全常用制動在停車之前是不能緩解的（我們稱之為懲罰性制動），ATC機架里的懲罰性制動計數器將對此進行一次技術。同樣，在超速情況下制動保證裝置會監督全常用制動的制動率，如果在3—4秒內未達到規定的制動率，將實施緊急制動。
上海地鐵一號線中，ATP人工駕駛模式主要用于下列三種情況：
（1） ATO子系統故障
列車運行過程中，若發現ATO子系統故障，比如，“ATO發車按鈕不起作用、程序停車故障等等，經中央控制室信號調度員同意，列車可使用ATP人工駕駛模式繼續運行。
（2） 雨天
地鐵一號線上海南站站、虹梅路站、蓮花路站、外環路站和莘莊站是5個地面站，雨天軌面受濕后，致使車輛輪緣與鋼軌之間的粘著系數變小，列車一旦制動，輪子很容易打滑或被抱牢，為防止損傷車輪，這時車輛防滑系統會起作用，為此，列車經常停在區間，對運行時間造成不必要的影響。鑒于此，列車雨天在地面車站運行時要用ATP人工駕駛模式。
（3） 鋼軌涂油
對那些線路曲率半徑小于400米的彎道，為減少鋼軌和車輪之間的磨耗，延長二者的使用壽命，每周需對這些區段的鋼軌涂油二次，而像衡山路站—常熟路站區間，彎道離車站很近，涂油期間車輪常常將油帶進站內，軌面粘著系數因此減小，在ATO自動駕駛模式中，列車進站時往往要滑過停車點10米左右，司機必須將車后退到停車點上才能接受打開車門的信號。因此，遇到鋼軌涂油，要求司機用ATP人工駕駛模式運行幾圈后才換用ATO自動駕駛模式。
ATP人工駕駛模式中，有一個“慢速前行”（CLOSE—IN）操作，當鋼軌上不存在ATP限速命令、列車速度為零而司機主控制器手柄在全常用制動位置時，可使用CLOSE—IN操作使列車繼續運行。此時，ADU上面的“慢速前行”表示燈亮黃燈，它表示“慢速前行”生效，司機可以用不超過20公里/小時的速度駕駛列車，若車速超過20公里/小時，則超速指示燈亮紅燈，同時報警聲鳴響，“慢速前行”黃燈由穩定光變為閃爍光，司機必須在3秒內將主控制器手柄放在全常用制動位置以確認報警直到列車完全停下。列車停下時，報警聲消失，超速指示燈熄滅，而且“慢速前行”燈又變為穩定光。若司機對超速狀態未予以確認，則列車會自動施加一次不可逆的全常用制動，這時只有當列車完全停下后，司機將主控制器手柄放在全常用制動位置才能恢復“慢速前行”操作。在“慢速前行”操作時，當列車收到ATP限速命令后，將自動取消慢速前行而進入ATP人工駕駛模式。
３． 后退模式
當MDH放在“后退”位置上，該模式才生效，它允許司機手工駕駛列車逆向運行，此時仍有超速保護，但車速不超過10公里/小時。
后退模式一般用在列車進站時超過停車點若干米，為了接受允許開車門信號，列車必須后退到地面對位天線上方（±0.25m）才能進行車—地雙向通信。此外，該模式還常常用于列車停運后的晚間測試。
五、 測試
為了保證車載信號系統各項功能的正確實施，在車輛各子系統尤其是牽引和制動子系統測試完畢后，必須進行車載信號設備的測試，該測試主要由靜態測試和動態測試二部分組成。
（一） 靜態測試
靜態測試的目的是為了驗證車載ATC設備與車輛的牽引和制動子系統接口是否正確，同時為動態測試作準備，靜態測試的電動客車必須是一完整的6節編組或8節編組列車。
１． 測試設備
· 一臺便攜式測試裝置（Portable Test Unit，以下簡稱PTU）
· 一臺便攜式計算機（內裝靜態測試程序）
· RS—232串行通信電纜二根
· 一只標志器測試天線
· 一只保證水平標尺
２． 測試準備
· 將保證水平標尺置于ATC機架內以確認機架處于水平位置。
· 將標志器測試天線放在被測端A車車底的標志器天線下方約25cm處以模擬軌旁 ATO天線。
· PTU通過二根RS—232串行通信電纜與車載ATC設備相接，所有ATC系統的功能測試將通過PTU按照靜態測試步驟完成。
３． 測試內容
（1） 燈泡測試
驗證ADU上所有表示燈功能發揮正常。
（2） ATP人工駕駛模式測試
這些測試包括ATP速度命令譯碼/超速點檢測、全常用制動繼電器的工作、緊急制動繼電器的工作、車門控制、故障表示、反向運行和慢速前行等。上述測試需對ATP1模式、ATP2模式和并聯模式分別進行。
（3） ATO模式測試
測試內容包括速度調節、車站程序停車、跳停和運行等級等。
（4） ATS/TWC測試
該測試用于驗證TWC接受和發送的信息是否正確。
（二） 動態測試
在完成靜態測試的全部內容后，可進入動態測試階段，動態測試的目的在于進一步核實列車在實際運行時車載ATC系統是否滿足全部功能。
１． 測試準備
· 測量裝有供ATP1和ATP2用的ATP速度探測器的車軸輪徑，并據此設定ATP
模塊中超速CPU插板上的輪徑補償跳線。
· 將車載ATP1和ATP2電路的斷路器接通。
· 將車輛鑰匙旋轉至ON（通）位置。
· 將ATC機架的電源開關接至ON（通）位置。
２． 測試內容
（1） ATP人工駕駛模式測試
這些測試包括ATP命令的檢測、超速后ADU上的表示燈顯示、報警器鳴響和司機對此確認或不確認車載ATC系統控制列車的不同結果、TWC信息的發送/接收和車門操作等。通過將ATP選擇開關轉到ATP1位供ATP1模式測試，轉到ATP2位供ATP2模式測試，轉到并聯位供并聯模式測試。此外，還需要對列車反向運行、ATP切除和溜車防護進行測試。
（2） ATO模式
該測試是在靜態測試基礎上再次驗證ATO模式時的ATC系統動態工作情況，內容包括：速度調節、運行等級、車站程序停車、惰行控制和跳停等。
六、 結束語
以上介紹了上海地鐵一號線車載信號系統設備的組成及功能，該系統正式起用至今已六年有余，設備運行情況良好，為保證地鐵列車的行車安全和快速準點打下了基礎，其中智能化的自動駕駛模式（ATO）更是大大減輕了司機的勞動強度，得到司機的歡迎。但在系統設備測試和運行過程中，也發現一些問題和不足，大致歸納如下，以便今后系統改進和完善：
１． ATO停車曲線制動率不能調整
如上面提到的，列車自動駕駛模式（ATO）每逢雨天或鋼軌涂油時要換成ATP人工駕駛模式。這主要是由于本系統ATO停車曲線的制動率不能隨軌面粘著系數的改變而變化，從而影響了停車精度，也限制了ATO的正常使用范圍。在以后的系統設置時應考慮將ATO停車曲線的制動率分成幾檔，使中央或集中站能根據線路軌面狀況進行動態調整。
２． 缺乏故障自動記錄功能
車載信號系統設備中沒有日檢和列車運行中的自動故障記錄功能，因此不能對設備發生故障時進行有效的分析和提供良好的維護保養依據。為使系統更加完善，應增加此項功能。
３． 沒有速度探測器的斷線檢查
現有車載信號系統自檢中沒有速度探測器的斷線檢查，而速度探測器測得的列車實際速度要與ATP限速命令比較，其結果是確保行車安全。因此，每日列車出發前系統自檢時，速度探測器接線是否完好應予檢查，因為如果速度探測器斷線，列車運行時系統認為車速為零，只要ATP限速命令為非零碼，列車便可繼續運行，其結果并非故障——安全。