周曉明、宗斌、朱亨國(guó)、許錦濤

（1、2 湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司 1 教授級(jí)高級(jí)工程師 2 工程師 長(zhǎng)沙 湖南 410000）（3、4 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 3 高級(jí)工程師 4 工程師 株洲 湖南 412000）

中低速磁浮軌道交通作為一種新興的軌道交通方式，由于相對(duì)傳統(tǒng)軌道交通具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已被納入公共交通運(yùn)輸體系之中。長(zhǎng)沙磁浮快線工程作為國(guó)內(nèi)首條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮軌道交通系統(tǒng)，成功投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，得到社會(huì)的持續(xù)關(guān)注。為更好地服務(wù)中低速磁浮軌道交通建設(shè)，本文就中低速磁浮軌道交通信號(hào)系統(tǒng)方案的選擇做一初步的探討。

1 總體需求特點(diǎn)

與高速鐵路解決城市之間的快速運(yùn)輸需求、地鐵輕軌解決城市內(nèi)部居民日常出行需求相對(duì)應(yīng)，中低速磁浮軌道交通一般被作為一種中運(yùn)量的城市軌道交通或市域軌道交通的交通方式。

城市軌道交通和市域軌道交通在系統(tǒng)運(yùn)能、敷設(shè)形式、運(yùn)營(yíng)組織等方面都存在不同，最主要的差異體現(xiàn)在車輛旅行速度和車站間距上。城市軌道交通服務(wù)于市區(qū)內(nèi)部中長(zhǎng)距離出行，車站間距相對(duì)較小，旅行速度一般小于40 km/h；而市域軌道交通由于服務(wù)于城市邊緣地區(qū)與城市組團(tuán)、郊區(qū)之間，為城鄉(xiāng)居民提供通勤式交通服務(wù)，一般線路較長(zhǎng)，因此車站間距較長(zhǎng)，旅行速度較高，一般大于50 km/h。

表1是關(guān)于城市軌道交通與市域軌道交通的有關(guān)情況對(duì)比統(tǒng)計(jì)。

表1 城市軌道交通與市域軌道交通對(duì)比統(tǒng)計(jì)

中低速磁浮軌道交通的工程特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）環(huán)保舒適：運(yùn)行平穩(wěn)、舒適、噪音低。線路兩側(cè)10 m 以外的峰值噪聲為64 dB，低于常規(guī)地鐵A、B型車的80～85 dB。

2）線路自由度大：采用非粘著驅(qū)動(dòng)方式，不受粘著系數(shù)限制，擺脫車輪與鋼軌摩擦力制約，爬坡能力強(qiáng)，線路坡度≤70‰，高于常規(guī)地鐵A、B 型車的30‰；采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，轉(zhuǎn)彎半徑小，最小曲線半徑R=50m，小于常規(guī)地鐵A、B 型車的R=300 m。

3）安全系數(shù)高：采用“F”軌，列車抱軌運(yùn)行，無(wú)脫軌危險(xiǎn)；制動(dòng)采用三層制動(dòng)：電制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)、緊急情況落車制動(dòng)。

4）中運(yùn)量：車長(zhǎng)12～15 m，寬2.6～3.0 m，定員100～150 人，3 輛編組列車載客量可達(dá)450 人左右，最高運(yùn)行速度為100 Km/h～160 km/h，運(yùn)輸能力為1.0～3.0萬(wàn)人次/h。

4）線路形式多采用地面和高架形式。

鑒于上述城市軌道交通與市域軌道交通的運(yùn)營(yíng)需求和中低速磁浮的工程特點(diǎn)，日本在2005年建成名古屋市區(qū)通向愛(ài)知世博會(huì)的磁懸浮線路，全長(zhǎng)約9 km，最高時(shí)速100 km。韓國(guó)于2013年建成仁川機(jī)場(chǎng)磁懸浮線，全長(zhǎng)6.1 km，最高時(shí)速80 km。我國(guó)也在2016年5月6日開通運(yùn)營(yíng)了長(zhǎng)沙高鐵站至長(zhǎng)沙機(jī)場(chǎng)站的首條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的常導(dǎo)中低速磁浮快線，全長(zhǎng)18.55 km，最高時(shí)速100 km。2017 年12 月30 日，連接北京城區(qū)和門頭溝區(qū)的北京S1 磁浮線（石廠站——金安橋站區(qū)間）正式開通試運(yùn)營(yíng)，里程約8.9 km，設(shè)計(jì)最高時(shí)速100 km。

由此可見(jiàn)，中低速磁浮軌道交通可用于城市軌道交通線路，或者市域軌道交通線路，也可以用作城市與市域相結(jié)合的混合型線路。

2 中低速磁浮軌道交通信號(hào)系統(tǒng)說(shuō)明

針對(duì)城市軌道交通和市域軌道交通的工程特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)需求，信號(hào)系統(tǒng)需從結(jié)構(gòu)方案等方面給予響應(yīng)。

一般說(shuō)來(lái)，磁浮信號(hào)系統(tǒng)的功能與普通輪軌交通類似。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，本文先就滿足常規(guī)信號(hào)系統(tǒng)功能（具備常規(guī)的自動(dòng)調(diào)度，自動(dòng)駕駛，自動(dòng)安全防護(hù)等功能）的GoA2 自動(dòng)化等級(jí)的信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

GoA2 自動(dòng)化等級(jí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)輪軌交通基本一致，均由列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)ATS、列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)ATO、列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)ATP、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖CI等子系統(tǒng)構(gòu)成。如下圖所示：

圖1 GoA2自動(dòng)化等級(jí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到磁浮車輛是懸浮在軌道上的，與傳統(tǒng)的輪軌關(guān)系有所不同，所以磁浮的信號(hào)系統(tǒng)也與傳統(tǒng)輪軌交通信號(hào)系統(tǒng)存在一定的差別，具體表現(xiàn)在測(cè)速測(cè)距以及定位、軌道占用檢測(cè)、以及相關(guān)的道岔控制系統(tǒng)、車輛牽引制動(dòng)系統(tǒng)等。表2 為傳統(tǒng)輪軌軌道交通與中低速磁浮軌道交通對(duì)比情況。

表1 傳統(tǒng)輪軌軌道交通與中低速磁浮軌道交通對(duì)比

由于磁浮軌道交通與傳統(tǒng)輪軌的差異，使用軌道電路的信號(hào)系統(tǒng)不能直接使用，無(wú)法兼容既有干線鐵路信號(hào)系統(tǒng)。

3 磁浮常見(jiàn)信號(hào)方案介紹

雖然在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在一些差異，但是中低速磁浮信號(hào)的信號(hào)方案和閉塞原理與普通輪軌交通信號(hào)系統(tǒng)并無(wú)明顯的不同。

從ATP 控制方式來(lái)分，中低速磁浮主流信號(hào)系統(tǒng)主要分為點(diǎn)式控制和基于無(wú)線通信的連續(xù)式控制，前者主要采用固定閉塞或者準(zhǔn)移動(dòng)閉塞，后者通常采用移動(dòng)閉塞輔以后備的固定閉塞?？紤]到實(shí)際工程的特點(diǎn)，也有采取以點(diǎn)式控制為主，在站臺(tái)及道岔等區(qū)域提供無(wú)線覆蓋和相應(yīng)防護(hù)的點(diǎn)連式控制方式。下文逐一介紹點(diǎn)式控制方式、點(diǎn)連式控制方式及CBTC控制方式方案。

3.1 點(diǎn)式控制方式 點(diǎn)式控制方式是通過(guò)可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器向列車發(fā)送移動(dòng)授權(quán)報(bào)文的方式建立地-車單向通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式列車控制。點(diǎn)式控制方式又可細(xì)分為：填充應(yīng)答器方式，ETCS1 級(jí)及其類似方式。

3.1.1 點(diǎn)式（填充應(yīng)答器方式）控制 是指根據(jù)軌旁物理占用檢測(cè)設(shè)備和信號(hào)機(jī)狀態(tài)，通過(guò)信號(hào)機(jī)前方有源應(yīng)答器向車載ATP 發(fā)送移動(dòng)授權(quán)，該移動(dòng)授權(quán)覆蓋下一個(gè)閉塞分區(qū)范圍，為避免列車降速，同時(shí)最大限度地縮小追蹤間隔，在信號(hào)機(jī)的主應(yīng)答器前相應(yīng)位置增加填充應(yīng)答器，提前預(yù)告前方狀態(tài)。列車經(jīng)過(guò)可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器，根據(jù)當(dāng)前信號(hào)機(jī)顯示（進(jìn)路設(shè)定），它將得到一個(gè)移動(dòng)授權(quán)。根據(jù)線路數(shù)據(jù)庫(kù)信息（坡度，靜態(tài)速度曲線），列車完全地監(jiān)督它接收到的移動(dòng)授權(quán)。通過(guò)在制動(dòng)距離前布置填充應(yīng)答器，列車可獲得前方信號(hào)機(jī)顯示的預(yù)告，避免減速。如果信號(hào)機(jī)顯示“前進(jìn)”，則列車獲得一個(gè)直到下一個(gè)信號(hào)機(jī)的移動(dòng)授權(quán)。列車司機(jī)將會(huì)駕駛列車前行，并按照ATP 推薦速度曲線的指示在信號(hào)機(jī)前停車。如果信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)變?yōu)椤扒斑M(jìn)”，則列車可以通過(guò)下一個(gè)可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器獲得新的移動(dòng)授權(quán)。

聯(lián)鎖系統(tǒng)將信號(hào)機(jī)的顯示以報(bào)文形式通過(guò)LEU發(fā)送到可變應(yīng)答器。表3為點(diǎn)式控制方式下應(yīng)答器傳輸信息情況。

表3 點(diǎn)式控制方式下應(yīng)答器傳輸信息

該方案的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在點(diǎn)式情況下可以最大限度地發(fā)揮追蹤能力，地鐵后備系統(tǒng)大多采用此種方案。缺點(diǎn)是，較為適合80 Km/h 以下的城市軌道交通，對(duì)于速度等級(jí)較高的市域鐵路，需要調(diào)整填充應(yīng)答器位置和調(diào)整區(qū)段長(zhǎng)度。

3.1.2 ETCS1級(jí)及其類似方式

1）ETCS1級(jí)點(diǎn)式控制方式

主要采用計(jì)軸設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道區(qū)段占用、檢測(cè)功能。

列車按照點(diǎn)式方式行車，通過(guò)有源應(yīng)答器向列車發(fā)送移動(dòng)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式ATP 系統(tǒng)的超速防護(hù)。表4為ETCS1級(jí)點(diǎn)式控制下應(yīng)答器傳輸信息情況。

表4 ETCS1級(jí)點(diǎn)式控制下應(yīng)答器傳輸信息

ETCS1級(jí)方案可以較好地適應(yīng)較高速度列車的運(yùn)行，方案成熟完整，有較多的應(yīng)用案例（如京津線，溫州S1 線），同樣可以較好地滿足追蹤能力的需求。此外一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是車載不需要存儲(chǔ)線路數(shù)據(jù)，這使得新車的投入運(yùn)行或者列車跨線延伸運(yùn)行變得簡(jiǎn)單，因此只需要將地面設(shè)置完成即可，列車整備的工作較少或者沒(méi)有。缺點(diǎn)是，方案較為復(fù)雜，應(yīng)答器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多，布置的應(yīng)答器的數(shù)量也較多。

2）ETCS1級(jí)點(diǎn)式控制類似方式

作為折中，一種ETCS1 級(jí)方案的變形也是可以考慮的，即可變應(yīng)答器僅傳輸應(yīng)答器ID和前方區(qū)間空閑數(shù)以及行進(jìn)路徑，車載設(shè)備存放線路數(shù)據(jù)信息。此種方案兼顧了填充應(yīng)答器方式的簡(jiǎn)單和ETCS1級(jí)的速度適應(yīng)性，但是方案尚未有較多實(shí)踐，需要在進(jìn)一步在實(shí)踐中驗(yàn)證成熟。

當(dāng)前長(zhǎng)沙磁浮區(qū)間采用點(diǎn)式填充應(yīng)答器方式，最高時(shí)速可達(dá)100 km/h。若同樣采用點(diǎn)式填充應(yīng)答器方式，而最高時(shí)速要升至160 km/h，則需要信號(hào)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1）ATS 方面。為滿足160 km/h 制動(dòng)距離，根據(jù)制動(dòng)距離要求和運(yùn)營(yíng)要求（如滿足進(jìn)站、出站需求），可將多條進(jìn)路組合成進(jìn)路組，進(jìn)行捆綁觸發(fā)；考慮列車的追蹤運(yùn)行，進(jìn)路組中進(jìn)路按照由近及遠(yuǎn)的順序進(jìn)行觸發(fā)；進(jìn)路組觸發(fā)區(qū)段的設(shè)置，需按照聯(lián)鎖調(diào)整后的接近區(qū)段配置；

2）可變應(yīng)答器方面。除現(xiàn)有信號(hào)燈信息和臨時(shí)限速之外，增加一個(gè)預(yù)告前方已排好進(jìn)路空閑區(qū)間數(shù)以及前方進(jìn)路號(hào)（表明進(jìn)路方向）信息，視速度等級(jí)，最多可增加4～5個(gè)空閑區(qū)間。

3）聯(lián)鎖方面。為滿足提速要求和高低速列車追蹤運(yùn)行，通過(guò)增加信號(hào)機(jī)顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)不同速度授權(quán)的控制（如鐵路中LLUUH四顯示自動(dòng)閉塞），對(duì)應(yīng)的可變應(yīng)答器填充應(yīng)答器根據(jù)不同的信號(hào)機(jī)顯示實(shí)時(shí)變更速度碼，滿足低速追蹤、高速通過(guò)靈活的運(yùn)營(yíng)需求；提速后制動(dòng)距離將延長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)信號(hào)機(jī)的接近區(qū)段、總?cè)私庋訒r(shí)時(shí)間需延長(zhǎng)；由于速度提升，延時(shí)長(zhǎng)度會(huì)比較大，為避免對(duì)運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)線的影響，建議在有轉(zhuǎn)線道岔處設(shè)置通信環(huán)境，在有通信的情況下，車載可發(fā)送停車保證信息給聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)及時(shí)解鎖。

4）車載ATP 方面。增加對(duì)空閑數(shù)和進(jìn)路號(hào)的判斷能力，根據(jù)這兩個(gè)信息在車載數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相應(yīng)的線路信息，并結(jié)合信號(hào)燈信息，還原成完整的移動(dòng)授權(quán)。

3.1.3 結(jié)論 點(diǎn)式控制方式由于系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單，區(qū)間設(shè)備少，后期維護(hù)小，工程造價(jià)低，適用于市域軌道交通初、近期中運(yùn)量運(yùn)營(yíng)需求，性價(jià)比較高。遠(yuǎn)期客流上升，也可擴(kuò)容升級(jí)至CBTC。

可以預(yù)計(jì)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的更趨成熟和成本的降低，無(wú)線以及相應(yīng)的移動(dòng)閉塞技術(shù)不再是一個(gè)難點(diǎn)。而無(wú)線技術(shù)所帶來(lái)的高速通信的優(yōu)勢(shì)將能夠很好地支撐無(wú)人駕駛等先進(jìn)功能的應(yīng)用。提供點(diǎn)式功能僅作為后備，以提升系統(tǒng)的可用性。

此外，隨著技術(shù)進(jìn)步，將來(lái)要更新ZC 數(shù)據(jù)和車載數(shù)據(jù)會(huì)越來(lái)越容易，而要更新應(yīng)答器數(shù)據(jù)會(huì)相對(duì)比較困難。因此應(yīng)答器中應(yīng)主要考慮ID信息，可變應(yīng)答器除ID 信息，僅考慮少量可變信息即可，線路長(zhǎng)度坡度等信息不宜放到應(yīng)答器中。

3.2 點(diǎn)連式控制方式 點(diǎn)連式控制方式是在正線局部區(qū)域（站臺(tái)、道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)防護(hù)外側(cè)），通過(guò)專用雙冗余的無(wú)線通道，實(shí)現(xiàn)車-地之間的雙向無(wú)線通信。點(diǎn)連式控制在上述點(diǎn)式控制方式的基礎(chǔ)上，在站臺(tái)和道岔區(qū)域區(qū)域增加配置有無(wú)線覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)道岔防護(hù)，站臺(tái)門防護(hù)，站臺(tái)門車門聯(lián)動(dòng)功能，可以較好地彌補(bǔ)點(diǎn)式控制方式在安全防護(hù)和自動(dòng)駕駛功能方面的不足。

目前這種方式因其較好的性能，適中的成本，已經(jīng)在溫州S1線和長(zhǎng)沙磁浮快線得到應(yīng)用。

3.3 CBTC控制方式 CBTC控制方式是基于無(wú)線通信的一個(gè)列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有高分辨的列車位置確定方式，連續(xù)的、大容量的車-地雙向數(shù)據(jù)通信。CBTC 控制方式能提供全線路無(wú)線覆蓋，可實(shí)現(xiàn)車地持續(xù)的雙向高速數(shù)據(jù)傳輸，使得信號(hào)系統(tǒng)的控制能力得到極大的提升，被稱為目前城市軌道交通的主流控制方式。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通線路信號(hào)系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)閉塞的90 s 追蹤間隔，和達(dá)到GoA2 等級(jí)的自動(dòng)化駕駛，為滿足城市軌道交通大運(yùn)量高密度、起停頻繁的列車運(yùn)行提供良好的支持。

同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步，達(dá)到GoA3 等級(jí)或者GoA4 等級(jí)的全自動(dòng)駕駛技術(shù)日益成為軌道交通趨勢(shì)，信號(hào)跟蹤和監(jiān)控等系統(tǒng)將會(huì)高度集成，而CBTC控制方式正是全自動(dòng)駕駛方案的一個(gè)重要支撐。

城市軌道交通CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，之前主要采用WIFI 無(wú)線通信技術(shù)，為進(jìn)一步提高技術(shù)性能（抗干擾能力、傳輸速度、支持較高速度等級(jí)的列車、支持綜合承載等），依照中城協(xié)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，近年來(lái)已快速轉(zhuǎn)向LTE-M無(wú)線通信技術(shù)。

之前因?yàn)閃IFI 在列車運(yùn)行時(shí)越區(qū)切換過(guò)于頻繁，不能較好適應(yīng)。在速度等級(jí)較高的市域軌道交通中，無(wú)法沿用。而可以滿足較高速度等級(jí)的LTEM 無(wú)線通信技術(shù)的出現(xiàn)打破了這一困境，使得在市域交通中使用CBTC控制方式成為可能。LTE-M的出現(xiàn)使得CBTC控制方式可以同時(shí)滿足城市軌道交通和市域軌道交通的需求，從而也使得全自動(dòng)駕駛技術(shù)可以在城市和市域軌道交通中得以較好的實(shí)現(xiàn)。

CBTC 控制方式因其優(yōu)越的控制性能和可升級(jí)到全自動(dòng)駕駛，在城市軌道交通已成為主流的控制方式，而在市域軌道交通中也日益成為主要的發(fā)展方向。在成本允許的情況下，是中低速磁浮軌道交通的首選方案。

此種方式的缺點(diǎn)是，設(shè)備建設(shè)成本相對(duì)點(diǎn)式、點(diǎn)連式均較高。

出于進(jìn)一步提高可用性的考慮，CBTC 控制方式通常會(huì)帶有后備的點(diǎn)式控制方式，具體后備。

4 結(jié)束語(yǔ)

中低速磁浮主要用于城郊結(jié)合部的城市軌道交通和市域軌道交通，其信號(hào)系統(tǒng)可根據(jù)情況選擇采用CBTC（LTE-M）或者點(diǎn)連式的信號(hào)系統(tǒng)方案。僅從性能考慮，CBTC 控制方式可作為主要的發(fā)展方向；同時(shí)其后備方式宜采用ETCS1 級(jí)或其類似方案，以兼顧城市軌道交通和市域軌道交通的需求。預(yù)計(jì)隨著更加深入的研發(fā)和工程實(shí)踐，通過(guò)對(duì)有關(guān)信號(hào)系統(tǒng)方案的深化應(yīng)用，將會(huì)進(jìn)一步完善和細(xì)化有關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，使磁浮信號(hào)系統(tǒng)能夠更好地為磁浮運(yùn)輸服務(wù)。