上海地铁一号线车载信号系统
一、 概述
为了适应地铁速度快、效率高和安全准点的要求，上海地铁一号线的信号系统采用了列车自动控制ATC（Automatic Train Control，以下简称ATC），它由三个子系统组成，即列车自动保护（Automatic Train Protection，以下简称ATP）、列车自动运行（Automatic Train Operation，以下简称ATO）和列车自动监控（Automatic Train Supervision，以下简称ATS）。
ATP子系统由车载ATP子系统和轨旁ATP子系统构成，列车运行时车载ATP子系统正确地执行轨旁ATP子系统生成的ATP命令，确保类车运行的安全。 ATO子系统由车载ATO子系统和轨旁ATO子系统组成，其主要功能是象一个熟练的司机那样自动驾驶列车，包括平稳加速、调速和车站程序定点停车。
ATS子系统由控制中心ATS子系统、轨旁和车载ATS/车地通信（Train Wayside Communication，以下简称TWC）子系统组成，控制中心ATS子系统主要包括以下功能：跟踪列车、调度列车、维护列车运行时刻表、显示系统状况、统计汇编、仿真与诊断。轨旁和车载ATS/TWC子系统的主要功能是接受并执行控制中心的命令，同时将轨旁和车载的运行信息反馈至控制中心。
上海地铁一号线车载信号设备由美国通用铁路信号公司（General Railway Signaling，以下简称GRS）提供，它采用了当前世界先进的Micro Cabmatic列车自动控制技术，这是一个以微处理器为基础的车载控制系统，主要应用了固态微处理器以代替分立元件为基础的继电逻辑电路，从而使现有的车载信号系统比以前更紧凑、性能更好、更容易维护，而且随着计算机技术的不断发展，本系统更易于升级换代。
二、 系统构成
车载信号系统是列车的辅助系统，地铁一号线列车按照6节车（以后扩展为8节车）编组运行，车辆类型有三种：A车是带有司机室的无动力车，B车和C车是有动力的车辆，但前者带有受电弓；其中A车位于列车二端。车载信号系统设备置于每节A车司机室内，地铁一号线现有16列电动客车，计32套车载信号系统设备。车载信号系统按其功能要求也分为三个子系统，即车载ATP子系统、车载ATO子系统和车载ATS/TWC子系统。
1． 车载ATP子系统
该子系统是车载信号系统的核心部分。它把从沿线轨道电路接收到的ATP限速命令安全、可靠地译码并且显示出来。同时，将列车实际速度与之比较，保证列车在ATP限速命令所允许的速度之下工作，当列车运行超过ATP允许速度时，该子系统将自动施行全常用制动，直到列车车速低于允许速度。车载ATP子系统具有超速防护、制动保护、零速度检测和车门控制等功能，为了使主机设备发生故障情况时有冗余，它设有主、副ATP二个模块，互为备用，以保证系统的正常运行。
2． 车载ATO子系统
该子系统能替代电动客车司机智能化地驾驶列车，它包括平稳地加速列车、自动调整车速和列车到站后的定点停车等。
3． 车载ATS/TWC子系统
列车和地面之间的双向通信由该子系统完成，它和中央列车控制系统协同操作，共同完成列车自动运行过程中的信息交换。
三、 设备组成与工程
车载信号设备由二部分组成，第一部分是司机室设备，第二部分是车底设备。
（一）司机室设备
主要包括ATC设备机架、速度表、信号显示盘和日检测试盘。
1． ATC设备机架
ATC设备机架含有：主、副ATC电源、主用和备用ATP模块（以下称为ATP1、ATP2）、ATO/ATS模块、主、副制动保证装置及车辆接口继电器。该机架设在司机室非控制侧，每节A车一个。
——主、副ATC电源
这是一个DC/DC转换器，它装在ATC机架的背面，用以将车辆的110V直流低电压转换为28V和10V直流供车载信号系统的电子设备使用，其输入电压范围为132V—54V，每个电源的最大功耗为230W。
——ATP模块
ATP1模块和ATP2模块分别置于ATC机架的第一层和第二层，每个模块有10块印刷电路板（Printed Circuit Board，以下简称PCB），它们是：
·放大/滤波板
·DC/DC转换器
·中央处理单元
·安全输入板（二块）
·非安全输入/输出板
·制动输出板（二块）
·超速中央处理单元
·安全电源控制器 ——ATO/ATS模块
该模块置于ATC机架的第二层，内含7块PCB，分别是：
·DC/DC转换器
·ATO接口板
·ATO接口控制器
·日检测试板
·TWC调制/解调器
·ATO/ATS中央处理器
·功率放大器
——主、副制动保证装置（Brake Assurance Unit，以下简称BAU）
主、副制动保证装置和主、副ATP配套，其功能是证实当ATP检出超速状态3—4秒内，列车至少以最小的减速率0.715米/秒/秒减速，若在规定时间里未达到最小制动率，制动保证装置将输出指令，即施加不可逆转的紧急制动，一旦采取紧急制动后，一直要到列车停下，该制动才能缓解。
地铁一号线使用的BAU包括一个机械摆和一个位置感应系统，列车加速和减速的惯性力推动机械摆的移动，摆的移动由红外检测器检测，该检测器允许光通过以产生要求的最小制动率所达到的输出信号，BAU的输出信号馈入ATP安全输入板，并送给ATP中央处理器，在中央处理器检测到超速状态时，它就检测BAU的输出，以此确定是否已施加全常用制动。若在3—4秒钟内未测到BAU的输出，它就会通过紧急制动继电器失磁来施加紧急制动。此外，列车停车时，中央处理器如果收到BAU的输出，则会认为BAU故障，也会提示ATP子系统施加紧急制动。
——车辆接口继电器
车辆接口继电器安装在ATC机架右测，它们分为安全和非安全二种，车载信号系统与车辆系统接口之间的命令通过这些继电器完成。
安全型继电器有5只（B4型），用于将信号指令送给安全电路，它们是：
·紧急制动继电器（Emergency Brake Relay，简称EBR）：当设备故障或操作人员未响应时，提供紧急制动施加的条件。
·全常用制动继电器（Service Brake Relay，简称SBR）：在检测到超速状态时，提供常用制动施加的条件。
·允许开左门继电器（Enable Door Left，简称EDL）：它能使列车左侧门可以开启的车辆开门电路工作。
·允许开右门继电器（Enable Door Right，简称EDR）：它能使列车右侧门可以开启的车辆开门电路工作。
·测试继电器（TEST Relay，简称TESTR）：提供从车载测试设备到ATP接受线圈和速度探测器输入的接口。
非安全型继电器有3只（JT型），用于将信号指令送给非安全电路，分别是：
·故障继电器（FAULT Relay，简称FAULTR）：提供到车辆故障识别系统的接口，并向司机告知ATC系统有故障。
·牵引继电器（Drive Relay，简称DR）：仅在列车自动驾驶模式（ATO）期间工作，为由ATO生成的牵引控制信号提供一个到车辆牵引控制装置的接口。
·制动继电器（Brake Relay，简称BR）：仅在列车自动驾驶模式（ATO）期间工作，为由ATO生成的制动控制信号提供一个到车辆制动控制装置的接口。
2． 速度表
这是一个双指针式速度表，红色的外针用以显示列车收到的ATP限速命令，黄色的内针则表示由车载信号系统测得的实际车速，每辆A车司机控制台上都有一只速度表。
3． 信号显示盘（Aspect Display Unit，以下简称ADU）
每辆A车司机控制台上都有一个ADU，ADU上面含有ATP、ATO和ATS/TWC的控制和表示按钮/指示灯。
·“ATO发车”按钮/指示灯
这是一个背面带指示灯的按钮，仅适用于ATO自动驾驶模式。当出现下列情况时指示灯闪绿光：列车首次建立ATO模式准备启动前或列车在站台停车时关门程序已结束又重新收到ATP指令后。压下此按钮，指示灯转为稳定绿光，列车便可自动启动。
·“ATO停车”按钮/指示灯
这也是一个背面带指示灯的按钮，仅适用于ATO自动驾驶模式。如果列车以ATO模式行驶时，“ATO发车”指示灯会亮稳定的绿光，按压此按钮“ATO停车”指示灯亮白光且“ATO发车”指示灯熄灭，由ATO系统控制列车以全常用制动方式停车。之后，若司机再按下此按钮，“ATO停车”白灯熄灭，“ATO发车”指示灯又会亮绿灯，同时列车将重新自动启动并恢复到ATO自动驾驶模式。
·“慢速前行”指示灯
只限于ATP人工驾驶模式。当钢轨上无ATP限速命令、列车停下且主控制器手柄在全常用制动位时，指示灯亮黄灯，司机可以用不超过20公里/小时的速度驾驶列车，一旦ATP限速命令出现，此灯即刻熄灭，司机则可按收到的ATP限速命令驾驶列车了。
·“超速”指示灯
在ATO自动驾驶模式或ATP人工驾驶模式时，列车一旦超速，该指示灯立即亮红灯，当车速低于ATP限速命令后，红灯才随之熄灭。
·“ATS手动”按钮/指示灯
当司机超越中央控制手动输入车次号、目的地和运行等级等ATS/TWC参数时，按下此按钮，指示灯亮黄灯，设置好的参数便在对应的LED上显示，只要此灯亮，表明是司机优先中央设置ATS/TWC参数。
·“列车停站”指示灯
仅限于ATP人工驾驶模式。列车进站停稳后，该指示灯亮绿灯，则表明列车停站精度达到规定要求（±0.25M）。
·“列车车次号”显示器（LED）
列车车次号位三位数显示，供中央跟踪列车使用，它由中央或司机设置。
·“目的地”显示器（LED）
“目的地”为二位数显示，是由中央或司机设置给列车作为系统自动出发和列车跟踪之用。如上海地铁一号线新客站目的地号为12，莘庄站目的地号是96。
·“运行等级”显示器（LED）
“运行等级”为一位数显示，仅限于ATO自动驾驶模式。不同的运行等级有不同的加速度和ATP限速，地铁一号线采用1至4个运行等级，通常用节电的运行等级2（系统缺省值是运行等级1）。
·“ATS速度”显示器（LED）
“ATS速度”为二位数显示，仅限于ATO自动驾驶模式。由它来显示ATO子系统应该执行的速度控制命令，单位为公里／小时。
·人工ATS开关
这是一组六个拇指轮式的开关，供人工输入ATS信息，从而使列车进入中央列车自动控制系统。其中三位数用作列车车次号，二位数用作目的地号，一位数用作运行等级。
4． 日检测试盘
日检测试盘置于司机背面的车辆设备柜内，每天列车出发前由信号人员根据测试步骤检查ATP1、ATP２子系统和ATO/TWC车地通信子系统是否正常。
（二） 车底设备
GRS信号系统车底设备包括：ATP/TWC接受线圈、TWC发送天线、车辆对位天线、车辆标志天线和速度探测器。
·ATP/TWC接受线圈
该线圈装于Ａ车第一根车轴前面，每节Ａ车有二个，分设于钢轨上方。其主要功能是：通过耦合感应以接受地面ATP限速命令、允许车门打开控制命令及TWC信息。
·TWC发送天线
TWC发送天线是一个装在PVC管子中的10匝环线，它沿车辆中心线装于第一根车轴的前方，天线中心对准钢轨的中心线，其功能是将变化的TWC数据从车上感应至钢轨，然后再被变换到与阻抗连结器相连的轨旁TWC模块中。
·车辆对位天线
该天线用于检测位于站台钢轨之间的地面有源对位天线，后者在列车程序停车结束时提供准确的对位信号，该天线还用于发送和接受控制车辆的信号。每辆Ａ车装一个对位天线，它沿车辆的中心线设置。
·车辆标志天线
其功能是检测列车离站台停车点350米、150米、25米和8米距离的地面标志器，由这些固定的地面标志器信息更新车载ATO系统生成的车站停车曲线。每辆Ａ车装一个标志器天线，它也是沿车辆中心线安装的。
·速度探测器
车载信号系统利用速度探测器来获得实际列车速度和距离信息，为了使ATP1和ATP2正常工作，每辆A车有二个速度探测器，它们分别装于第二、第三根车轴的轴箱上。
四、 运行模式
上海地铁ATC系统运行模式有三种：自动驾驶模式ATO、ATP人工驾驶模式和后退模式。模式选择是通过装在司机控制台上的“模式方向手柄”（Mode Direction Handle，以下简称MDH）来实现的，MDH有以下四个位置：“０”位（断开）、“ATC”位（ATO自动驾驶模式）、“ATP人工前进”位（ATP人工驾驶模式）和“后退”位（后退模式）。模式转换必须在列车停下时进行，否则将导致一次紧急制动。
１． 自动驾驶模式ATO
自动驾驶模式，也称ATO模式，是上海地铁ATC系统的正常操作模式。将MDH放在“ATC”位置来选择该模式。在此模式中，司机仅做启动列车和开／关门的操作。ATO子系统将和提供超速防护的ATP子系统一起自动控制列车的加速、调速和定点停车。一旦列车实际速度超出了ATP限速，车载ATP子系统通常会在400ms内给ATO一个指令，撤除列车的牵引电流，并自动施加全常用制动，同时ADU上的超速指示灯亮红灯，制动保证装置检测列车的减速率是否达到车辆安全制动率。如果减速率在３—４秒内未达到规定值，则ATP子系统将使紧急制动继电器落下，实施紧急制动，直至列车停下；反之，减速率达到要求并一直保持到列车速度低于ATP限速，则禁止施加紧急制动。当列车车速重新又低于ATP限速命令时，ADU上的超速表示灯熄灭且ATO子系统继续对列车进行调速。列车经过站外350米处的第一对地面标志器时，ADU上的“程序停车”指示灯亮蓝灯，定点停车曲线便由此启动。如果这时“跳停”指示灯也亮的话，则“程序停车”指示灯不会亮，由地面标志器感应到车上的距离信息也作废，列车将在ATS的速度指令下不停该站前行，“跳停”指令可以由中央或司机设置，若在列车进入“程序停车”时司机按下了“跳停”按钮，也可同样取消停车指令而使列车继续运行。总之，在列车没有发出“列车停站”信号之前，“程序停车”都可以被取消。当ATS速度与定点停车曲线速度相同时，列车转入定点停车控制模式，该模式将列车的减速率控制在一个恒定值上，列车经过150米、25米地面标志器时，它离开最后停车点的距离信息被不断更新。在接近停车曲线终端时，列车经过8米有源地面标志器上方，并收到由该标志器发送的频率为14352HZ的信号，列车收到此信号后即刻转为停车模式，它使列车的减速率进一步降低以使车辆对位天线与地面对位天线对齐，达到定点停车目的（±0.25m）。当车载ATO收到地面对位天线发送的频率为13235HZ的信号立刻实施全常用制动，之后，向车载ATP传送一个“列车停站”信号，系统便可进入控制车门的工作周期。
２． ATP人工驾驶模式
这是上海地铁ATC系统的后备操作模式，将MDH放在“ATP人工前进”位置来选择此模式。列车的启动、加速、调速和定点停车都由司机在ATP子系统的防护下进行。在该模式中，列车的安全由ATP保证，它不允许司机在超速点或者高于超速点上驾驶列车，若列车速度大于等于超速点，ATP子系统都会在ADU上发出报警声并点亮超速表示灯以提高司机警觉，同时会自动施加全常用制动，司机必须在3秒内将主控制器手柄置于全常用制动位来确认超速并保持在那个位置直至列车速度低于ATP限速。假如司机不采取上述措施，即未对列车超速状态作出确认，这时列车实施的全常用制动在停车之前是不能缓解的（我们称之为惩罚性制动），ATC机架里的惩罚性制动计数器将对此进行一次技术。同样，在超速情况下制动保证装置会监督全常用制动的制动率，如果在3—4秒内未达到规定的制动率，将实施紧急制动。
上海地铁一号线中，ATP人工驾驶模式主要用于下列三种情况：
（1） ATO子系统故障
列车运行过程中，若发现ATO子系统故障，比如，“ATO发车按钮不起作用、程序停车故障等等，经中央控制室信号调度员同意，列车可使用ATP人工驾驶模式继续运行。
（2） 雨天
地铁一号线上海南站站、虹梅路站、莲花路站、外环路站和莘庄站是5个地面站，雨天轨面受湿后，致使车辆轮缘与钢轨之间的粘着系数变小，列车一旦制动，轮子很容易打滑或被抱牢，为防止损伤车轮，这时车辆防滑系统会起作用，为此，列车经常停在区间，对运行时间造成不必要的影响。鉴于此，列车雨天在地面车站运行时要用ATP人工驾驶模式。
（3） 钢轨涂油
对那些线路曲率半径小于400米的弯道，为减少钢轨和车轮之间的磨耗，延长二者的使用寿命，每周需对这些区段的钢轨涂油二次，而像衡山路站—常熟路站区间，弯道离车站很近，涂油期间车轮常常将油带进站内，轨面粘着系数因此减小，在ATO自动驾驶模式中，列车进站时往往要滑过停车点10米左右，司机必须将车后退到停车点上才能接受打开车门的信号。因此，遇到钢轨涂油，要求司机用ATP人工驾驶模式运行几圈后才换用ATO自动驾驶模式。
ATP人工驾驶模式中，有一个“慢速前行”（CLOSE—IN）操作，当钢轨上不存在ATP限速命令、列车速度为零而司机主控制器手柄在全常用制动位置时，可使用CLOSE—IN操作使列车继续运行。此时，ADU上面的“慢速前行”表示灯亮黄灯，它表示“慢速前行”生效，司机可以用不超过20公里/小时的速度驾驶列车，若车速超过20公里/小时，则超速指示灯亮红灯，同时报警声鸣响，“慢速前行”黄灯由稳定光变为闪烁光，司机必须在3秒内将主控制器手柄放在全常用制动位置以确认报警直到列车完全停下。列车停下时，报警声消失，超速指示灯熄灭，而且“慢速前行”灯又变为稳定光。若司机对超速状态未予以确认，则列车会自动施加一次不可逆的全常用制动，这时只有当列车完全停下后，司机将主控制器手柄放在全常用制动位置才能恢复“慢速前行”操作。在“慢速前行”操作时，当列车收到ATP限速命令后，将自动取消慢速前行而进入ATP人工驾驶模式。
３． 后退模式
当MDH放在“后退”位置上，该模式才生效，它允许司机手工驾驶列车逆向运行，此时仍有超速保护，但车速不超过10公里/小时。
后退模式一般用在列车进站时超过停车点若干米，为了接受允许开车门信号，列车必须后退到地面对位天线上方（±0.25m）才能进行车—地双向通信。此外，该模式还常常用于列车停运后的晚间测试。
五、 测试
为了保证车载信号系统各项功能的正确实施，在车辆各子系统尤其是牵引和制动子系统测试完毕后，必须进行车载信号设备的测试，该测试主要由静态测试和动态测试二部分组成。
（一） 静态测试
静态测试的目的是为了验证车载ATC设备与车辆的牵引和制动子系统接口是否正确，同时为动态测试作准备，静态测试的电动客车必须是一完整的6节编组或8节编组列车。
１． 测试设备
· 一台便携式测试装置（Portable Test Unit，以下简称PTU）
· 一台便携式计算机（内装静态测试程序）
· RS—232串行通信电缆二根
· 一只标志器测试天线
· 一只保证水平标尺
２． 测试准备
· 将保证水平标尺置于ATC机架内以确认机架处于水平位置。
· 将标志器测试天线放在被测端A车车底的标志器天线下方约25cm处以模拟轨旁 ATO天线。
· PTU通过二根RS—232串行通信电缆与车载ATC设备相接，所有ATC系统的功能测试将通过PTU按照静态测试步骤完成。
３． 测试内容
（1） 灯泡测试
验证ADU上所有表示灯功能发挥正常。
（2） ATP人工驾驶模式测试
这些测试包括ATP速度命令译码/超速点检测、全常用制动继电器的工作、紧急制动继电器的工作、车门控制、故障表示、反向运行和慢速前行等。上述测试需对ATP1模式、ATP2模式和并联模式分别进行。
（3） ATO模式测试
测试内容包括速度调节、车站程序停车、跳停和运行等级等。
（4） ATS/TWC测试
该测试用于验证TWC接受和发送的信息是否正确。
（二） 动态测试
在完成静态测试的全部内容后，可进入动态测试阶段，动态测试的目的在于进一步核实列车在实际运行时车载ATC系统是否满足全部功能。
１． 测试准备
· 测量装有供ATP1和ATP2用的ATP速度探测器的车轴轮径，并据此设定ATP
模块中超速CPU插板上的轮径补偿跳线。
· 将车载ATP1和ATP2电路的断路器接通。
· 将车辆钥匙旋转至ON（通）位置。
· 将ATC机架的电源开关接至ON（通）位置。
２． 测试内容
（1） ATP人工驾驶模式测试
这些测试包括ATP命令的检测、超速后ADU上的表示灯显示、报警器鸣响和司机对此确认或不确认车载ATC系统控制列车的不同结果、TWC信息的发送/接收和车门操作等。通过将ATP选择开关转到ATP1位供ATP1模式测试，转到ATP2位供ATP2模式测试，转到并联位供并联模式测试。此外，还需要对列车反向运行、ATP切除和溜车防护进行测试。
（2） ATO模式
该测试是在静态测试基础上再次验证ATO模式时的ATC系统动态工作情况，内容包括：速度调节、运行等级、车站程序停车、惰行控制和跳停等。
六、 结束语
以上介绍了上海地铁一号线车载信号系统设备的组成及功能，该系统正式起用至今已六年有余，设备运行情况良好，为保证地铁列车的行车安全和快速准点打下了基础，其中智能化的自动驾驶模式（ATO）更是大大减轻了司机的劳动强度，得到司机的欢迎。但在系统设备测试和运行过程中，也发现一些问题和不足，大致归纳如下，以便今后系统改进和完善：
１． ATO停车曲线制动率不能调整
如上面提到的，列车自动驾驶模式（ATO）每逢雨天或钢轨涂油时要换成ATP人工驾驶模式。这主要是由于本系统ATO停车曲线的制动率不能随轨面粘着系数的改变而变化，从而影响了停车精度，也限制了ATO的正常使用范围。在以后的系统设置时应考虑将ATO停车曲线的制动率分成几档，使中央或集中站能根据线路轨面状况进行动态调整。
２． 缺乏故障自动记录功能
车载信号系统设备中没有日检和列车运行中的自动故障记录功能，因此不能对设备发生故障时进行有效的分析和提供良好的维护保养依据。为使系统更加完善，应增加此项功能。
３． 没有速度探测器的断线检查
现有车载信号系统自检中没有速度探测器的断线检查，而速度探测器测得的列车实际速度要与ATP限速命令比较，其结果是确保行车安全。因此，每日列车出发前系统自检时，速度探测器接线是否完好应予检查，因为如果速度探测器断线，列车运行时系统认为车速为零，只要ATP限速命令为非零码，列车便可继续运行，其结果并非故障——安全。
