3. ATP监督人工驾驶模式的超速防护验证

验证对象与判据

ATP监督人工驾驶模式（通常记为ATPM或SM）下，司机负责牵引与制动操作，ATP只做监督：持续比较列车实际速度与当前最严格限速（线路静态限速、临时限速、进路/道岔限速、停车点防护、MA终点等取最小值），一旦触及超速阈值即输出制动。验证的核心不是"车能不能开"，而是超速防护曲线是否在正确的位置触发、触发后是否把速度压回安全包络内。

本例采用一个可复现的仿真验证方案：以分段限速的线路数据构造"最严格限速包络"，用列车运动学模型模拟司机持续牵引（最不利操作）下的速度上升，观察ATP在报警阈值与常用制动/紧急制动阈值处的动作，并检查制动介入后速度是否回落到限速以下。判据有三条：

• 报警点出现在限速值处（允许±0.5 km/h测量误差），常用制动触发点不高于限速+制动干预余量；
• 触发制动后，列车速度峰值不超过限速+超调量上限（本例设为2 km/h）；
• 制动解除后速度稳定在限速以下，且不出现反复触发—解除的抖动。

超速防护的触发逻辑

ATP的监督量是"允许速度"，它由若干约束逐段取小得到。工程上常把监督曲线抽象为三级：报警（接近限速）、常用制动（轻微超速）、紧急制动（明显超速或越过停车点）。三级阈值相对限速的偏移量由信号系统参数决定，本例取报警偏移0 km/h、常用制动偏移+3 km/h、紧急制动偏移+5 km/h作为教学示例参数，实际值须以线路ATP参数表为准。

关键点在于：限速包络是分段阶跃的，列车进入更低限速区段时，允许速度会瞬间下降，此时若列车速度高于新限速，ATP应立即触发制动，而不是等司机反应。这正是人工驾驶模式下最容易被忽视的验证点——司机可能"看着前方"却没注意限速台阶。

仿真验证实现

下面用一段自洽的Python脚本完成验证。它把线路限速表、ATP三级阈值、列车运动学模型串起来，模拟司机"一直拉最大牵引"的最不利操作，输出每次制动触发的位置、速度与超调量，并按前述三条判据给出通过/不通过结论。脚本不依赖任何外部库，可直接运行。

import math

# ---------- 1. 线路限速表（教学示例参数） ----------
# (起点m, 终点m, 限速km/h)
speed_profile = [
    (0,    1200, 80),
    (1200, 2400, 60),
    (2400, 3200, 40),
    (3200, 5000, 60),
]

# ---------- 2. ATP监督参数（教学示例，实际以线路参数表为准） ----------
ALARM_OFFSET   = 0.0   # 报警阈值相对限速偏移 km/h
SERVICE_OFFSET = 3.0   # 常用制动触发偏移 km/h
EMERG_OFFSET   = 5.0   # 紧急制动触发偏移 km/h
OVERSHOOT_MAX  = 2.0   # 允许超调量上限 km/h

# ---------- 3. 列车运动学模型（简化） ----------
DT = 0.1               # 仿真步长 s
A_TRACTION = 0.8       # 最大牵引加速度 m/s^2
A_SERVICE  = -0.9      # 常用制动减速度 m/s^2
A_EMERG    = -1.2      # 紧急制动减速度 m/s^2

def limit_at(pos):
    for s, e, v in speed_profile:
        if s <= pos < e:
            return v
    return speed_profile[-1][2]

def run():
    pos, v = 0.0, 0.0          # m, m/s
    braking = None             # None / 'service' / 'emerg'
    events = []
    peak_over = 0.0
    t = 0.0
    while pos < 5000 and t < 600:
        v_kmh = v * 3.6
        lim = limit_at(pos)
        # 监督判定：取当前最严格限速
        if braking is None:
            if v_kmh >= lim + EMERG_OFFSET:
                braking = 'emerg'
                events.append((pos, v_kmh, lim, '紧急制动'))
            elif v_kmh >= lim + SERVICE_OFFSET:
                braking = 'service'
                events.append((pos, v_kmh, lim, '常用制动'))
        else:
            # 制动解除条件：速度回落到限速以下并留0.5km/h余量
            if v_kmh <= lim - 0.5:
                braking = None

        # 超调统计（仅在制动期间）
        if braking is not None:
            peak_over = max(peak_over, v_kmh - lim)

        # 加速度选择：司机持续最大牵引，ATP制动优先
        if braking == 'emerg':
            a = A_EMERG
        elif braking == 'service':
            a = A_SERVICE
        else:
            a = A_TRACTION

        v = max(0.0, v + a * DT)
        pos += v * DT
        t += DT
    return events, peak_over

events, peak_over = run()

print("=== ATP超速防护触发记录 ===")
for pos, v, lim, kind in events:
    print(f"位置 {pos:7.1f} m | 速度 {v:5.1f} km/h | 限速 {lim:3d} km/h | {kind}")

print(f"\n最大超调量: {peak_over:.2f} km/h (上限 {OVERSHOOT_MAX} km/h)")

# ---------- 4. 判据检查 ----------
ok_trigger = all(v <= lim + EMERG_OFFSET + 0.5 for _, v, lim, _ in events)
ok_overshoot = peak_over <= OVERSHOOT_MAX
print("\n=== 验证结论 ===")
print(f"[{'通过' if ok_trigger else '不通过'}] 触发点不高于紧急制动阈值")
print(f"[{'通过' if ok_overshoot else '不通过'}] 超调量在允许范围内")

运行后预期会看到两类触发：一是在80 km/h区段末端速度升至约83 km/h时触发常用制动；二是在进入40 km/h限速台阶（x=2400 m）瞬间，由于允许速度从60骤降到40，若列车当时速度仍高于43 km/h，会立即触发制动。这正是人工驾驶模式下"限速台阶"验证的关键——司机未必及时减速，ATP必须兜底。

结果判读与常见问题

验证完成后，应把触发位置、触发速度、限速值、超调量四项记录进测试记录表，作为该线路ATPM模式超速防护功能的验收依据。只有三条判据全部通过，才能确认人工驾驶时列车速度被有效限制在安全包络内。