牛建華 吳 亮

(通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 海外老舊軌道交通信號系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅速，截止2018 年底，我國內(nèi)地開通城市軌道交通的城市已達35 座，運營總里程達5 766 km。起步較早的北京、上海、廣州和南京等城市已基本形成軌道交通網(wǎng)絡化系統(tǒng)，運營里程躋身世界前十的行列，城市軌道交通越來越成為人們不可或缺的出行方式。我國內(nèi)地已開通的線路中，信號系統(tǒng)多采用最先進的移動閉塞制式，安全，穩(wěn)定，自動化程度高。但在美洲、非洲及東南亞一些國家和地區(qū)，其軌道交通線路使用的信號技術(shù)還停留在20 世紀六七十年代水平，列車未安裝自動防護系統(tǒng)，主要靠人工瞭望信號，列車行車安全由人工保證，因此，由于列車未按要求行駛導致的交通事故屢屢發(fā)生，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。此外，這些地區(qū)沒有統(tǒng)一的信號系統(tǒng)標準規(guī)范，在同一條線路上，可能存在幾個信號廠商的信號制式，不利于管理。基于以上現(xiàn)狀，相關(guān)國家迫切需要在既有線路上進行信號系統(tǒng)的升級改造，以解決這些問題，同時提出了以下需求：

1） 不改變既有信號系統(tǒng)運營規(guī)則；

2） 改造方便，施工工期短；

3） 造價低廉。

2 傳統(tǒng)列車自動防護系統(tǒng)概述

2.1 基于應答器的列車自動防護系統(tǒng)

基于應答器的列車自動防護系統(tǒng)由車載控制主機、人機顯示界面（HMI）、聯(lián)鎖系統(tǒng)、計軸設備、LEU 及應答器構(gòu)成，其主要實現(xiàn)列車超速防護和危險點防護功能，如圖1 所示。

圖1 基于應答器的列車自動防護系統(tǒng)Fig.1 Automatic train protection system based on balises

該系統(tǒng)實現(xiàn)原理為：聯(lián)鎖系統(tǒng)實現(xiàn)列車進路控制功能，控制信號機的顯示并將信號機的顯示狀態(tài)經(jīng)LEU發(fā)送給地面可變應答器。車載控制主機控制列車在線路允許的最高限速下運行，若列車速度超過允許限速，則車載控制主機輸出緊急制動迫使列車停車，實現(xiàn)頂棚速度防護功能。當列車經(jīng)過可變應答器上方時，車載控制主機通過應答器天線接收來自可變應答器的信號機顯示信息。若信號機為紅燈，則車載控制主機輸出緊急制動迫使列車停車，從而實現(xiàn)危險點防護功能。

本系統(tǒng)的優(yōu)點在于成本較低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。缺點在于車地通信為點式通信，列車僅在距信號機較近距離時方可獲取前方信號機的顯示信息，在收到信號機紅燈信息時，無法保證停在信號機外方，故其需在信號機外方設置獨立的閉塞分區(qū)作為保護區(qū)段（如：滿足雙紅燈防護（Red-over-Red）原理的閉塞制式）。

2.2 基于WLAN或LTE無線通信的列車自動防護系統(tǒng)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于無線通信（Radio）的列車自動防護系統(tǒng)得到蓬勃發(fā)展，目前市場運用較為廣泛的是基于WLAN 或LTE 無線通信的列車自動防護系統(tǒng)?；赪LAN 或LTE 無線通信的列車自動防護系統(tǒng)由車載控制主機、HMI、聯(lián)鎖系統(tǒng)、地面區(qū)域控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其主要實現(xiàn)列車超速防護、列車追蹤控制、危險點防護等功能，如圖2 所示。

該系統(tǒng)實現(xiàn)原理為：聯(lián)鎖系統(tǒng)實現(xiàn)列車進路控制功能，并將軌道占用情況發(fā)送給地面區(qū)域控制系統(tǒng)。地面區(qū)域控制系統(tǒng)通過無線通信實時與車載控制主機保持通信，獲取列車實時位置，并依據(jù)軌道占用情況及列車位置生成行車許可，將行車許可發(fā)送給車載主機。車載主機依據(jù)收到的行車許可信息，生成目標—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該行車許可終點前停車，保證列車行車安全。行車許可終點位置可能為前車尾部或信號機前方。

圖2 基于WLAN或LTE無線通信的列車自動防護系統(tǒng)Fig.2 Automatic train protection system based on WLAN or LTE wireless communication

本系統(tǒng)的優(yōu)點在于車地通信為連續(xù)式通信，列車可實時獲取列車前方進路狀態(tài)，保證列車能在紅燈或前車車尾前停車。且可實現(xiàn)移動閉塞，運營效率高。本系統(tǒng)缺點在于系統(tǒng)實現(xiàn)較為復雜，且造價高，改造難度較大。

2.3 其他列車自動防護系統(tǒng)

除了上述兩種列車自動防護系統(tǒng)外，應用較廣泛的還有如下典型的列車自動防護系統(tǒng)。

1）基于軌道電路（Track circuit）的列車自動防護系統(tǒng)：其優(yōu)點是可實現(xiàn)連續(xù)式通信。缺點是改造施工不方便，且成本較高，不利于維護。

2）基于環(huán)線（Loop）的列車自動防護系統(tǒng)：其優(yōu)點是可實現(xiàn)連續(xù)式通信。缺點是需大面積鋪設，施工成本較高，且易損壞，不利于維護。

針對國外業(yè)主提出的3 點需求，以及傳統(tǒng)列車自動防護系統(tǒng)的缺點，本文擬采用無線WaveMesh網(wǎng)絡，對海外既有老舊線路進行改造，實現(xiàn)列車自動防護系統(tǒng)功能。

3 適用于海外改造的列車自動防護系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線WaveMesh 網(wǎng)絡的列車自動防護系統(tǒng)由WaveMesh 集中器、車載主機、人機顯示界面、無線天線和信號機采集裝置構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，車載主機、人機顯示界面、無線天線在車頭和車尾各設置一套，首尾互為冗余。

圖3 基于無線WaveMesh網(wǎng)絡的列車自動防護系統(tǒng)Fig.3 Automatic train protection system based on wireless WaveMesh network

系統(tǒng)與既有聯(lián)鎖系統(tǒng)無接口，WaveMesh 集中器接收信號機狀態(tài)采集裝置發(fā)送的信號機顯示信息，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給車載主機，WaveMesh 集中器安裝于列車中部。

單端車載主機由主控單元、WaveMesh 節(jié)點、GPS 模塊組成。主控單元負責進行核心的邏輯運算，實現(xiàn)危險點防護功能。WaveMesh 節(jié)點負責與WaveMesh 集中器通信。GPS 模塊負責對列車進行定位（注：此定位方式僅適用于較空曠的區(qū)域，如市郊鐵路、輕軌等，地鐵線路需選用其他定位方式）。

信號機采集裝置由信號采集電路和WaveMesh節(jié)點組成。信號采集電路負責采集信號機的狀態(tài)信息，WaveMesh 節(jié)點負責與WaveMesh 集中器通信。

3.2 系統(tǒng)原理及功能

WaveMesh 網(wǎng)絡技術(shù)是分布式的對等網(wǎng)絡，采用私有路由協(xié)議，能夠充分利用網(wǎng)絡中的路由冗余，可以時刻感知網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)變化，迅速平滑切換路由同時保持流暢的數(shù)據(jù)傳輸，其主要有幾個方面優(yōu)勢。

1）分布式對等網(wǎng)絡，網(wǎng)絡容量大。

2）可靠數(shù)據(jù)傳輸，抗干擾能力強，健壯和自愈性好。

3）低功耗，設備成本低，喚醒時間快。

4）組網(wǎng)快：整個網(wǎng)絡完全沒有初始化的過程，節(jié)點上電后可以立即進行通信，節(jié)點可以隨時加入、離開網(wǎng)絡。

5）安裝簡單、免維護：現(xiàn)場安裝不需要任何手工設置。

當列車前方信號機顯示為禁止信號，時（紅燈），如圖4 所示，信號機狀態(tài)采集裝置將采集到的信號機顯示信息并通過WaveMesh 網(wǎng)絡發(fā)送給車載WaveMesh 集中器，車載WaveMesh 集中器將該信息發(fā)送給兩端的車載主機，車載主機根據(jù)車載電子地圖及GPS 定位信息確定列車當前的位置，進而確定列車距前方信號機的距離，生成目標—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該曲線下運行。當列車速度超過該曲線限速時，車載主機輸出緊急制動，確保列車在紅燈前停車。

圖4 系統(tǒng)防護原理（列車前方信號機為紅燈）Fig.4 System protection principle(the signal ahead of the train is red)

當列車前方信號機顯示允許信號（綠燈或黃燈）時，如圖5 所示，信號機狀態(tài)采集裝置將采集到的信號機顯示信息通過WaveMesh 網(wǎng)絡發(fā)送給車載WaveMesh 集中器，車載WaveMesh 集中器將該信息發(fā)送給兩端的車載主機，車載主機根據(jù)車載電子地圖及GPS 定位信息確定列車當前的位置，生成以線路最高運營速度為限制的固定速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該曲線下運行。當列車速度超過該固定限速時，車載主機才輸出緊急制動。

圖5 系統(tǒng)防護原理（列車前方信號機為綠燈或黃燈）Fig.5 System protection principle(the signal ahead of the train is green or yellow)

3.3 故障場景分析

若列車前方信號機故障，信號機采集裝置認為信號機顯示為禁止信號，向列車發(fā)送禁止信號，車載主機生成目標—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該信號機前停車，保證列車行車安全。當列車在該信號機前停車后，可通過某種運營方式，監(jiān)控司機以某一低速駕駛列車越過該信號機。

若信號機采集裝置故障，車載主機無法獲取列車前方信號機信息，默認該信號機為禁止信號，車載主機生成目標—距離速度監(jiān)控曲線，監(jiān)控列車在該信號機前停車，保證列車行車安全。當列車在該信號機前停車后，可通過某種運營方式，監(jiān)控司機以某一低速駕駛列車越過該信號機。

若首端車載主機故障，系統(tǒng)自動切換為尾端控車，不影響司機駕駛。

若尾端車載主機故障，系統(tǒng)保持為首端控車，不影響司機駕駛。

當雙端車載主機均故障時，系統(tǒng)可被切除，由司機按照既有運營規(guī)則駕駛列車回庫檢修。

當WaveMesh 集中器故障時，系統(tǒng)將無法工作，為了提高系統(tǒng)可用性，WaveMesh 集中器宜設計為冗余結(jié)構(gòu)。

4 各類系統(tǒng)對比

針對用戶的需求，從結(jié)構(gòu)、功能、改造難度及成本方面對基于無線WaveMesh 網(wǎng)絡的列車自動防護系統(tǒng)與傳統(tǒng)列車自動防護系統(tǒng)進行對比，結(jié)果如表1 所示。

綜上，基于無線WaveMesh 網(wǎng)絡的列車自動防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于施工，成本低廉，完全滿足用戶的需求，特別適合國外老舊軌道交通線路的改造。

5 結(jié)語

本文提出一種基于無線WaveMesh 的危險點防護系統(tǒng)，對國外老舊軌道交通線路的改造進行了初步探索，借此拋磚引玉。盼軌道交通領(lǐng)域相關(guān)工程技術(shù)人員積極對此深入研究，根據(jù)不同地區(qū)運營需求，提出更加適宜的解決方案，以加快我國城市軌道交通“走出去”戰(zhàn)略的步伐。隨著“一帶一路”建設的開展，我國軌道交通信號技術(shù)必將進一步獲得世界的認可。

表1 列車自動防護系統(tǒng)對比Tab.1 Comparison of automatic train protection systems