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近年来,随着城市轨道交通系统的自动化程度不断提升,全自动无人驾驶系统(FAO)成为信号系统最新的发展方向,而传统的信号系统越来越不能适应城市轨道交通高速度、高密度、高稳定性和高安全性的行车要求。因此需对现有的车载ATO和ATP子系统的自动化程度、可靠性和安全性进一步提高。为此,本文以北京燕房线FAO系统中的车载ATO和ATP子系统作为研究对象。结合FAO系统的整体需求,对目前国内采用单机主控的ATO子系统和二取二主控的ATP子系统从稳定性上进行了重新设计,在硬件上采用可靠性更高的元器件,软件上提高控制算法的鲁棒性,系统架构上提高系统的冗余度,从而进一步提升整个系统的稳定性。论文的主要研究工作如下:首先,本文对车载冗余ATO和三取二ATP子系统的原理和主要功能进行详细的阐述,并着重与现有的单机ATO和二取二ATP子系统进行分析比较,冗余ATO和三取二ATP设计方案在安全性,稳定性,可用性和可维护性上较单机ATO和二取二ATP的设计方案更为优越。同时对冗余ATO子系统的运行时的故障监测和无缝切换机制进行详细的分析说明。其次对三取二ATP子系统的硬件上实现三取二的取值原理,列车受力分析和速度-距离曲线的计算进行详细的分析,并进行仿真分析说明。然后,针对FAO系统的高安全性和稳定性的要求。本文采用Isograph计数法与可靠性框图法相结合的思想对车载冗余ATO和三取二ATP子系统进行可靠性性分析。将冗余ATO和三取二ATP设备从电子元器件、模块、单板卡、系统四个约定层次逐层进行可靠性分析论证,最终得出整个设备的可靠性,符合工业设计的指标要求。最后,对冗余ATO和三取二ATP子系统的硬件设计方案进行详细的设计说明。其中包括:冗余ATO和三取二ATP子系统输入板、输出板与主机板MCU通信的SPI方案的FPGA实现;主机板与各个板卡和模块之间的通信协议的硬件设计;冗余ATO和三取二ATP主机板的原理图和PCB设计;ATP公共板对三个主机板MCU进行同步控制输出的FPGA设计方案;TMS板接口板MVB协议的硬件设计;冗余ATO与三取二ATP系统电源板的110V转24V和110V转5V的设计方案。同时本文对ATO和ATP的安全量、非安全量与车辆接口的设计上在电磁兼容和稳定性上进行详细设计,并给出了车载设备系统故障安全原则的具体措施。