石陽陽，劉光勇，吳金勇

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

智能軌道快運系統（autonomous-rail rapid transit，ART）是一種新型的中低運量城市交通制式，具備系統簡潔、成本低、運營靈活、適應性強、基礎建設周期短等特點，為緩解城市交通壓力提供了一種解決方案。近幾年，湖南株洲、江西永修、四川宜賓等城市先后建設了ART線路并投入運營[1]。

隨著ART的推廣，其線路場景越來越豐富，業(yè)主對ART運營有了進一步的認識，同時也對其信號系統提出了一些定制化的需求，比如進路防護、區(qū)段占用/空閑檢測、ART專用信號機的監(jiān)控、站臺發(fā)車指示、車門與站臺門對位隔離、庫內泊位管理等功能。

既有的ART信號系統無法完全滿足智軌電車在單線雙向運行區(qū)域、線路交匯處虛擬道岔區(qū)域內避免撞車/追尾的進路防護、進站/離站檢測、庫內泊位管理等功能需求[1]。為較好地滿足業(yè)主需求，本文提出了一種“地面防護+路口信號優(yōu)先”的解決方案，其可實現以下功能：

（1）進路防護。在可能存在行車沖突的區(qū)域，實施智軌電車進路防護功能，通過檢查進路沖突來保障智軌電車運行安全，避免撞車/追尾事故發(fā)生。

（2）虛擬區(qū)段占用/空閑檢測。在關鍵區(qū)域，對智軌電車位置進行實時監(jiān)測，為進路防護、調度管理等提供條件。

（3）ART專用信號機監(jiān)控。根據進路條件控制ART專用信號機顯示，并實時監(jiān)測信號機狀態(tài)。

（4）站臺發(fā)車指示。智軌電車停站后，系統根據調度計劃控制、顯示站臺發(fā)車倒計時，提示司機準時發(fā)車。

（5）站臺門控制。系統通過與站臺門系統的接口進行信息交互，實現站臺門聯動和對位隔離功能。

（6）庫內泊位管理。系統通過智軌電車檢測設備判斷車輛段/停車場的停車位占用/空閑狀態(tài)，并反饋給調度管理系統，實現庫內泊位管理。

（7）路口信號優(yōu)先。系統與市政道路交通信號控制系統接口，共同實現智軌電車在交叉路口處的優(yōu)先通行。

本文基于ART地面防護與路口優(yōu)先系統提出了對既有ART信號系統架構的優(yōu)化方案，分析描述ART地面防護及路口優(yōu)先系統的功能和特點，并通過測試驗證了效果。

1 ART信號系統架構優(yōu)化

既有的ART信號系統包括調度管理系統、路口信號優(yōu)先控制系統和車載信號系統。調度管理系統主要實現智軌電車運行監(jiān)視、信號設備狀態(tài)監(jiān)視、運行圖管理、運營調整和運營數據統計等功能。路口信號優(yōu)先控制系統根據接收到的智軌電車優(yōu)先命令，通過道路交通信號控制系統實現智軌電車在交叉路口處的優(yōu)先通行。車載信號系統主要實現車輛測速及定位、輔助駕駛曲線計算、站臺門聯動、路口優(yōu)先申請/取消、車輛工況檢測、車-地數據傳輸、數據記錄和存儲等功能。

既有架構要求在每個路口設置一臺路口信號優(yōu)先控制柜，其與市政道路交通信號控制系統接口，共同實現智軌電車在路口處的優(yōu)先通行權[2-3]。

根據智軌市場需求，在ATR信號系統中增加地面防護及路口優(yōu)先系統，并對既有的信號系統架構進行優(yōu)化，如圖1所示。圖中，白色圖框為既有信號系統設備，綠色圖框為新增地面防護及路口優(yōu)先系統設備，藍色圖框為信號系統之外的外部系統設備。

圖1 優(yōu)化后的信號系統架構示意圖Fig.1 Optimized structure of the signal system

從優(yōu)化后的系統架構可以看出，在控制中心設置一套地面防護及路口優(yōu)先系統控制器，主要用于實現系統邏輯控制功能；在每個站臺設置一套地面防護及路口優(yōu)先系統執(zhí)行器，主要用于實現與路口優(yōu)先信號機、道路交通信號控制柜、進路防護信號機、出站信號機、智軌電車檢測設備、站臺門系統的接口。

智軌電車在交叉路口位置的信號優(yōu)先功能由附近站臺區(qū)域的執(zhí)行器實現即可，每個交叉路口處不單獨設置路口信號優(yōu)先控制系統。

以宜賓市智軌交通T1線為例，其主線全長16.1 km，共設有車站14座，平均站間距約1.1 km，沿線有交叉口24個。既有方案需要設置24臺路口信號優(yōu)先控制器；優(yōu)化后的方案只需要設置“14臺執(zhí)行器+1臺控制器”，其既保留了路口信號優(yōu)先功能，又可以實現進路防護、區(qū)段占用/空閑檢測、智軌專用信號機監(jiān)控、站臺發(fā)車指示、車門與站臺門對位隔離等新功能，大大減少了設備數量，提高了資源利用率，同時降低了維護成本。

2 地面防護及路口優(yōu)先系統功能

地面防護及路口優(yōu)先系統主要具備進路防護、虛擬區(qū)段占用/空閑檢測、智軌專用信號機監(jiān)控、站臺發(fā)車指示、站臺門聯動控制、庫內泊位管理和路口優(yōu)先等功能。

2.1 進路防護

系統根據聯鎖邏輯在關鍵區(qū)域為車輛運行建立進路防護，以確保信號機、區(qū)段之間正確的聯鎖關系[4-5]。

為提高智軌電車在虛擬道岔區(qū)域處的行車安全性，在道岔區(qū)域前設置進路防護信號機，僅允許不沖突的進路防護信號機同時開放，司機根據進路防護信號機顯示行車，從而對虛擬道岔區(qū)域實現進路防護。

虛擬道岔區(qū)域示意如圖2所示，該虛擬道岔區(qū)域共存在8條進路。針對每條進路，分析可同時開放的進路和敵對進路，結果見表1。

圖2 虛擬道岔區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of the virtual turnout area

表1 虛擬道岔區(qū)域進路表Tab.1 Route table of the virtual turnout area

系統支持線路上部分區(qū)域單線雙方向運行，同一區(qū)間內同一時間僅允許一列車通行，即當其被電車占用時，控制對應的防護信號機顯示為禁止信號，直到電車出清。通過進路防護，避免同時授權多列車進入該區(qū)間。單線雙向運行區(qū)域示意如圖3所示。

圖3 單線雙向運行區(qū)域示意圖Fig.3 Schematic diagram of the single-line two-way operation area

2.2 智軌電車檢測

在智軌電車上和線路旁安裝配套的車輛檢測設備，如信標、超寬帶（ultra wide band，UWB）、環(huán)線等設備。當車載檢測設備與地面配套檢測設備在可通信范圍內時，系統檢測到車輛信息并判斷以下狀態(tài)，從而實現對線路上關鍵區(qū)域行車狀態(tài)的準確檢測和監(jiān)視：

（1）虛擬區(qū)段占用/空閑狀態(tài)，車輛檢測設備正常/故障狀態(tài)；

（2）智軌電車進站/停站/離站狀態(tài)；

（3）智軌電車接近/進入/離開路口區(qū)域狀態(tài)；

（4）充電位占用/空閑狀態(tài)。

2.3 信號機監(jiān)控

在進路防護區(qū)域，系統根據進路條件控制信號機顯示并實時采集信號機狀態(tài)信息。

在平交路口區(qū)域，系統根據道路交通信號控制機（traffic signal controller，TSC）反饋的優(yōu)先信息控制信號機顯示并實時采集信號機狀態(tài)信息。當TSC故障或系統與TSC通信發(fā)生異常時，系統控制信號機顯示禁止信號。

當進路防護信號機與路口優(yōu)先信號機合并設置時，在同時滿足進路開放條件、道路交通允許通行條件的前提下，系統才能控制該信號機開放。

在站臺區(qū)域，系統根據虛擬區(qū)段狀態(tài)、站臺門狀態(tài)等信息控制出站信號機顯示并實時采集信號機狀態(tài)信息。當接近路口側的出站信號機與路口優(yōu)先信號機合并設置時，須滿足出站防護條件且道路交通允許通行時，系統才能控制該信號機開放。

2.4 站臺門控制

系統與站臺門系統接口，以實現以下站臺門監(jiān)控功能[6]：

（1）支持車輛的控門命令。系統收到車輛的控門命令后，根據智軌電車檢測結果判斷車輛是否在站臺范圍內。若在，則向站臺門發(fā)送控門命令并把來自站臺門系統的狀態(tài)信息發(fā)送給車輛；若不在，則不發(fā)送。

（2）支持中心的控門命令。系統收到來自調度管理系統的控門命令后，向站臺門發(fā)送控門命令并把來自站臺門系統的狀態(tài)信息發(fā)送給調度管理系統和車輛。

在智軌電車進站停車開關門時，為保證車門與站臺門開閉的一致性，系統將來自車輛的車門故障信息發(fā)送給站臺門系統并將來自站臺門系統的站臺門故障信息發(fā)送給車輛。當單個車門或站臺門異常時，對應位置的站臺門或車門應保持為相同狀態(tài)，以保證上下車乘客的安全[7]。

2.5 路口優(yōu)先

系統檢測到智軌電車接近路口時，向道路交通信號控制系統TSC發(fā)送優(yōu)先申請；檢測到智軌電車離開路口時，向TSC發(fā)送結束優(yōu)先信息，與TSC一起實現智軌電車在路口處的優(yōu)先通行。確保ART專用信號機已與社會交通燈聯動，社會交通燈未開放通行時，對應的ART專用信號機顯示為禁止信號[8]。

系統支持調度中心優(yōu)先控制，具備同時管理多個路口的電車優(yōu)先功能。系統優(yōu)先策略如下：

（1）對早晚點車輛設置優(yōu)先級，晚點車輛可以獲得較高的優(yōu)先級。

（2）同優(yōu)先級的請求按照“先到先得”的原則向TSC申請，即先到的車輛優(yōu)先通過。

（3）高優(yōu)先級的請求可以插到低優(yōu)先級請求的前方。

（4）正在執(zhí)行的優(yōu)先請求不能被其他優(yōu)先請求打斷。

2.6 庫內泊位管理

在車輛段/停車場泊位區(qū)域設置車輛檢測設備（例如信標/UWB/環(huán)線設備等）。當車載檢測設備與地面配套檢測設備在可通信范圍內時，系統通過檢測得到的車輛信息來判斷虛擬區(qū)段的占用/空閑狀態(tài)，從而實現庫內泊位狀態(tài)檢測。

系統將庫內泊位狀態(tài)信息發(fā)送給中心調度管理系統，調度員根據泊位狀態(tài)調整調度計劃，從而實現泊位管理功能。

3 地面防護及路口優(yōu)先系統特點

該地面防護及路口優(yōu)先系統具備如下特點：

（1）實現電車在單線雙向運行區(qū)域、虛擬道岔區(qū)域的進路防護，提高運行安全性及運行效率。

（2）利用虛擬區(qū)段對站臺、路口等關鍵區(qū)域行車進行監(jiān)視，避免因基于全球衛(wèi)星定位系統（global positioning system，GPS）的智軌電車定位不準而導致的站臺門錯誤打開、站臺乘客信息系統（passenger information system ，PIS）/乘客廣播系統（passenger address system，PA）錯誤提示、過早/過晚申請優(yōu)先等問題的發(fā)生。

（3）在滿足地面防護功能需求的基礎上融合了路口優(yōu)先功能，并且支持同時管理多個路口，優(yōu)化了地面設備配置，減少了硬件投資，降低了運維成本。

（4）新增庫內泊位狀態(tài)檢測及管理功能，為車輛段/停車場管理提供便利。

（5）核心控制單元的安全完整性滿足SIL2等級要求。

（6）系統既支持中心集中控制，也支持本地分散控制，可根據具體項目需求進行靈活配置。

4 測試驗證

該地面防護及路口優(yōu)先系統已在吳江捷運系統T1工程項目中布設。該項目線路全長約5.1 km，設有5座車站（其中2座為預留車站）、1座停保場和1個控制中心。在停保場控制中心設置1臺地面防護控制器，以實現全線防護邏輯處理和管理等功能；在線路起點站（同里站）、線路中間（大廟路與崇本路交匯處）、線路終點站（同里古鎮(zhèn)站）、停保場各設置1臺地面防護執(zhí)行器，以實現地面防護及路口優(yōu)先系統的現地接口功能及智軌電車在交叉路口處的信號優(yōu)先功能。部分線路平面布置示意如圖4所示。

圖4 部分線路平面布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of partial line layout

該項目現階段已完成系統聯調，能夠實現進路防護、虛擬區(qū)段的占用/空閑檢測、通過控制ART專用信號機來給司機提供行車指示、智軌電車進站/離站檢測、路口優(yōu)先、庫內泊位狀態(tài)檢測及管理等功能。截至目前，此ART線路未發(fā)生過車輛碰撞、追尾等事故，相比不具備泊位管理的ART線路，地面防護及路口優(yōu)先系統的應用大大提高了庫內泊位利用率和管理效率，保障了運行安全，提高了運營效率，滿足項目需求，達到預期效果。

5 結語

本文提出了一種ART“地面防護+路口信號優(yōu)先”的解決方案，優(yōu)化了既有信號系統架構，通過自動化、智能化設備為智軌電車司機提供準確、實時的輔助行車信息，提供電車在單線雙向運行區(qū)域、多條線路交匯區(qū)域的行車安全防護功能，能夠有效避免撞車、追尾等事故發(fā)生；提供站臺發(fā)車指示、站臺門聯動控制功能，能夠優(yōu)化站臺作業(yè)；提供庫內泊位管理、路口優(yōu)先等功能，能夠提高作業(yè)效率。相比既有的基于調度計劃和司機目視行車避免沖突的方式，該方案能顯著降低工作人員勞動強度、提高運行安全性和運營效率，可為后續(xù)相關項目的建設提供參考，為將來ART線路成網運營、系統智能化發(fā)展提供條件。

隨著ART的逐步推廣，市場項目對ART信號系統的功能需求趨于多樣化和高度集成化[9-10]，后續(xù)將從以下幾個方面對系統持續(xù)優(yōu)化升級，以提高運行安全性和運營效率：

（1）車站PIS控制功能集成。系統集成車站PIS設備控制功能，包括PIS屏顯示控制、播放控制、時間顯示設置及同步設置等。

（2）車站PA控制功能集成。系統集成車站PA設備控制功能，包括廣播范圍控制、多音源支持、播放功能、接收功能、優(yōu)先級功能、預示音功能和廣播自動退出功能等。

（3）車站機電設備管理。系統預留與車站視頻監(jiān)控、緊急呼叫、自動售檢票、空調、照明、電扶梯、電源、消防等系統的通信接口，實時獲取所轄范圍內的機電設備工作狀態(tài)并反饋給調度管理系統/綜合運營一體化平臺，并通過地面防護及路口優(yōu)先系統實現對車站設備的聯動監(jiān)視、管理及控制，為實現智慧車站打下基礎。