地鐵列車自動運行（ATO）系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)（TMS）的接口

（成都地鐵有限責(zé)任公司，610081，成都∥工程師）

地鐵列車自動運行（ATO）系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)（TMS）的接口

傅國欣

（成都地鐵有限責(zé)任公司，610081，成都∥工程師）

介紹了地鐵列車自動運行（ATO）系統(tǒng)的構(gòu)成及功能。以成都地鐵1號線為例，闡述了地鐵ATO系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)（TMS）接口的硬件構(gòu)成、軟件協(xié)議，以及冗余配置、異常機(jī)制和初上電機(jī)制。

地鐵；列車自動運行系統(tǒng)；列車控制系統(tǒng)；接口

Author's address Chengdu Metro Co.，Ltd.，610081，Chengdu，China

地鐵列車自動運行能最大程度地保證列車運行安全，提高運輸效率，減輕運營人員勞動強(qiáng)度，同時還具有停靠站點準(zhǔn)時及定位準(zhǔn)確等優(yōu)點。列車自動運行（ATO）系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)（TMS）的接口是實現(xiàn)地鐵列車自動駕駛的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以成都地鐵1號線的應(yīng)用為例，介紹了地鐵ATO與TMS的接口。

1 地鐵ATO系統(tǒng)簡介

ATO是地鐵信號系統(tǒng)的子系統(tǒng)。ATO采用先進(jìn)的列車自動控制技術(shù)，其相關(guān)的技術(shù)構(gòu)成包括列車自動監(jiān)視（ATS）、地域控制器（DC）、車載控制器（CC）。

TMS是現(xiàn)代地鐵列車中采用的列車控制系統(tǒng)。它以列車中央控制單元（CCU）為核心，由列車控制級和車輛控制級的多臺計算機(jī)和一系列專業(yè)設(shè)計的總線組成，對列車進(jìn)行控制、信息傳輸，以及實時監(jiān)控和診斷。

對ATO系統(tǒng)各部分的功能可以作一個形象的比喻：ATS相當(dāng)于行車調(diào)度員，DC相當(dāng)于車站值班員，CC相當(dāng)于列車駕駛員，而TMS就相當(dāng)于列車。ATO和TMS都是地鐵的關(guān)鍵系統(tǒng)。ATO與TMS的接口是通過CC實現(xiàn)的，CC通過該接口對列車進(jìn)行控制，并取得列車狀態(tài)。

ATO系統(tǒng)使各趟列車的出庫、到站、發(fā)車、回庫均按照時刻表有條不紊地進(jìn)行。對于列車的運行，系統(tǒng)計算出對應(yīng)各種區(qū)間走行時間下的最佳運行速度曲線，控制列車的起動、加速、巡航、惰行、制動及精確停車。

ATO不需要司機(jī)駕駛列車。通常值守的司機(jī)只是監(jiān)控列車運行，并在列車遇到意外的情況下采取緊急措施，以及在必要的情況下轉(zhuǎn)人工駕駛，同時進(jìn)行一些如空調(diào)、升降受電弓等輔助性工作。

2 ATO與TMS接口的硬件構(gòu)成

ATO與TMS的接口包括RS 485接口和一組110 V的電纜線。RS 485接口為三線式半雙工通信方式，由帶屏蔽的雙絞電纜組成，傳輸速率為38.4 kbit/s，如圖1所示。TMS通過RS 485與ATO連接，再通過CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線連接到列車CCU，由CCU進(jìn)行計算處理，對列車進(jìn)行控制。

110 V電纜線用于列車運行方向的控制。如圖2，F(xiàn)WD（向前）和REW（向后）分別連接到列車兩端司機(jī)室的電鑰匙接點，得電后電路上等同于閉合司機(jī)鑰匙。當(dāng)且僅當(dāng)FWD或REW有一根得電時，列車運行回路才能建立。同時，列車車門“左側(cè)/右側(cè)”的方向定義也隨運行方向而確定。

圖1 RS 485接口

圖2 列車運行方向控制

3 ATO與TMS接口的軟件協(xié)議

3.1 信息幀格式和傳送時序

信息幀格式如圖3所示。

圖3 信息幀格式

Message Header（幀頭）：長度為1字節(jié)，表示信息幀開始的編碼，同時表示信息的傳送方向。當(dāng)Message Header=0xF6時，信息由ATO傳向TMS；當(dāng)Message Header=0xF2時，表示信息由TMS傳向ATO。

Spare（備用）：無定義，長度為1字節(jié)。

Serial Check Number（序列號檢測碼）：長度為1字節(jié)，每次信息傳送時遞增1，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大值255后返回0，以此循環(huán)。該碼用于檢測每次傳送的幀的序列號，以檢測是否有幀丟失或應(yīng)答異常。

Message Contents（數(shù)據(jù)信息內(nèi)容）：由數(shù)個字節(jié)構(gòu)成，表示ATO向TMS發(fā)送或TMS向ATO發(fā)送的信息的內(nèi)容。

CRC_Low：CRC（循環(huán)冗余校驗碼）冗余校驗的低位，長度為1字節(jié)。

CRC_High：CRC冗余校驗的高位，長度為1字節(jié)。

Terminator（幀結(jié)束位）：長度為1字節(jié)，表示信息幀結(jié)束。

信息的傳送是以ATO為主機(jī)、TMS為從機(jī)的主-從方式進(jìn)行的。每次傳送以一次主叫（Call）、一次應(yīng)答（Ack）作為一個Polling循環(huán)，如圖4所示。每次Polling循環(huán)，數(shù)據(jù)幀的序列號檢測碼遞增1，到達(dá)255后返回0。無論ATO主叫有沒有收到TMS的應(yīng)答，ATO都會按傳送周期T1進(jìn)行主叫（T1=50 ms）。如果連續(xù)三次主叫都沒有收到應(yīng)答，則會轉(zhuǎn)入異常機(jī)制。

圖4 Polling循環(huán)

3.2 從ATO向TMS發(fā)送的信息

當(dāng)信息幀的Message Header=0x F6時，表示該幀為主叫（Call）幀，即從ATO向TMS發(fā)送信息。該幀的Message Contents定義見表1。

3.3 從TMS向ATO發(fā)送的信息

當(dāng)信息幀的Message Header=0x F2時，表示該幀為應(yīng)答（Ack）幀，即從TMS向ATO發(fā)送信息。該幀的Message Contents定義見表2。

4 冗余配置、異常機(jī)制和初上電機(jī)制

4.1 冗余機(jī)制

ATO采用高可靠性的硬件結(jié)構(gòu)，按主備冗余方式配置，當(dāng)主ATO單元發(fā)生故障時自動切換到備用ATO。主ATO和備用ATO單元運行同樣的軟件，使用相同的傳感器輸入，但獨立計算。ATO的軟件安裝在與車載ATP（列車自動防護(hù)）子系統(tǒng)共用的計算機(jī)中，但使用獨立于ATP的CPU進(jìn)行運算處理。ATO與TMS接口也按主備方式配置，在同一個時間，只有一個接口在運行。

表1 從ATO向TMS發(fā)送信息的定義

表1 （續(xù)）

表2 從TMS向ATO發(fā)送信息的定義

4.2 異常機(jī)制

如果發(fā)生下述三種情況：①ATO在發(fā)出主叫信息后經(jīng)過20 ms沒有收到TMS的應(yīng)答；②ATO收到的TMS的應(yīng)答存在CRC錯誤；③ATO收到的TMS應(yīng)答的幀的序列號檢測碼存在異常，沒有遞增或編號不正確。則ATO判斷為應(yīng)答信息錯誤，應(yīng)答幀被忽略或不予采納，ATO繼續(xù)呼叫。如果連續(xù)3次以上Polling周期都發(fā)生Ack接收信息錯誤（見圖5），則ATO判斷TMS有異常并采取必要的措施。

圖5 ATO判斷TMS有異常

對于TMS，如果發(fā)生下述三種情況：①在一個Polling周期內(nèi)沒有收到主叫；②收到的信息存在CRC錯誤；③收到的主叫幀的序列號檢測碼存在異常，沒有遞增或編號不正確。則TMS判斷ATO發(fā)生發(fā)送信息錯誤，主叫幀被忽略或不予采納。不能正常收到從ATO傳來的指令時，TMS繼續(xù)應(yīng)答。但如果經(jīng)過3次以上Polling周期的時間，即3×50 ms=150 ms，連續(xù)發(fā)生上述ATO發(fā)送信息錯誤（如圖6），則TMS判斷ATO有異常并采取必要的措施。

當(dāng)檢測到異常時，系統(tǒng)會根據(jù)之前有效的Polling循環(huán)的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，并采取對應(yīng)的措施，如冗余切換、實施緊急制動、轉(zhuǎn)人工駕駛等。

4.3 初上電機(jī)制

投入電源初上電時，TMS對第一次接收到的ATO主叫信息不進(jìn)行幀序列號檢測碼檢查，ATO對第一次接收到的TMS應(yīng)答信息也不進(jìn)行幀序列號檢測碼檢查。在TMS初上電后的一段時間（T2）內(nèi)，主叫幀將被TMS視為無效并不予采納，同時將屏蔽ATO傳送來的信息錯誤檢測。經(jīng)過T2之后，TMS將解除對錯誤檢測的屏蔽，并把主叫幀視為有效。T2一般約為10 s。同時，在初上電的一段時間內(nèi)，ATO將無視從TMS傳來的應(yīng)答信息，直到收到的TMS應(yīng)答中的“message validity”變?yōu)?（見表2），開始將應(yīng)答信息的內(nèi)容視為有效。初上電時序如圖7所示。

圖6 TMS判斷ATO有異常

圖7 初上電時序

［1］ 黃濤，李云川，賈棟勝.基于CAN總線的RS485冗余網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2008，31（6）：30.

［2］ 張大海，施承有.成都地鐵1號線列車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)車電傳動，2009，6（6）：41.

On the Interface between ATOand TMS Applied in Metro Automatic Operation

Fu Guoxin

The constitution and functions of automatic train operation（ATO）system adopted in metro trains are briefly introduced.Based on the running of Chengdu metro Line 1，the hardware，software protocol，spare assembly and the fault processor of the interface between ATO and TMSapplied in automatic driving are discussed in detail.

metro；automatic train operation（ATO）；train management system（TMS）；interface

U 231.6

2012-05-04）