王 冠，楊明春

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 磁浮文化旅游線路信號(hào)系統(tǒng)的技術(shù)需求

1.1 城市軌道交通點(diǎn)式系統(tǒng)的應(yīng)用概況

點(diǎn)式ATC 系統(tǒng)是采用應(yīng)答器、環(huán)線等進(jìn)行地對(duì)車單向通信的列車控制系統(tǒng)，其安裝靈活、可靠性高，投資價(jià)格明顯低于連續(xù)式ATC 系統(tǒng)。點(diǎn)式ATC 系統(tǒng)在城市軌道交通中廣泛應(yīng)用，一般作為基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）的后備系統(tǒng)。點(diǎn)式ATC 系統(tǒng)的閉塞制式屬于固定閉塞，列車間的安全間隔較大，其作為主用系統(tǒng)時(shí)，一般多用于運(yùn)量較小的線路。

磁浮線路較地鐵和輕軌有其特殊的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及管理模式，將點(diǎn)式ATC 系統(tǒng)應(yīng)用于磁浮線路以下幾點(diǎn)局限性。

1）磁浮線路一般采用三段定心式關(guān)節(jié)型道岔。在點(diǎn)式系統(tǒng)中一旦在進(jìn)路始端獲得有效的行車許可后，將無法對(duì)進(jìn)路內(nèi)突發(fā)緊急情況進(jìn)行防護(hù)。若道岔故障發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，可能導(dǎo)致“墜崖”風(fēng)險(xiǎn)。

2）點(diǎn)式系統(tǒng)的臨時(shí)限速功能，無法將突發(fā)性限速實(shí)時(shí)下達(dá)至列車，或在CBTC 降級(jí)為點(diǎn)式系統(tǒng)時(shí)，區(qū)域控制器（ZC）作為傳遞臨時(shí)限速信息的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，將無法實(shí)現(xiàn)臨時(shí)限速功能。

3）磁浮線路的測(cè)速測(cè)距原理與傳統(tǒng)輪軌列車不同，點(diǎn)式ATC 系統(tǒng)應(yīng)解決安全性、抗干擾性、冗余性和測(cè)速測(cè)距精度的問題。

1.2 鳳凰磁浮文化旅游線信號(hào)系統(tǒng)的個(gè)性化需求

鳳凰磁浮文化旅游線運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)為線路全長(zhǎng)9.121 km，正線列車最高運(yùn)行速度為100 km/h。設(shè)置磁浮高鐵、城北游客中心、古城攬勝、民俗園4 個(gè)車站，在高鐵站附近設(shè)車輛段一座，最大站間距2.496 km，最小站間距1.012 km，平均站間距1.777 km。有3 輛編組列車，滿足平季、淡季、旺季運(yùn)行交路的要求，正線設(shè)計(jì)行車間隔為5 min。平季、旺季初期6 對(duì)，近期8 對(duì)，遠(yuǎn)期10 對(duì)。淡季初期4 對(duì)，近期6 對(duì)，遠(yuǎn)期8 對(duì)。最高運(yùn)行速度100 km/h，全線旅行速度不低于40 km/h。

除以上點(diǎn)式ATC 系統(tǒng)應(yīng)用于磁浮線路的局限性外，鳳凰磁浮文化旅游線路還存在兩個(gè)個(gè)性化需求：

站內(nèi)自動(dòng)發(fā)車：為進(jìn)一步提高車站作業(yè)的安全性、降低車站工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，將車門站臺(tái)門間隙探測(cè)納入系統(tǒng)防護(hù)范圍，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)ATO自動(dòng)發(fā)車；當(dāng)車門和站臺(tái)門故障時(shí)，應(yīng)具備對(duì)位隔離措施。

弱電專業(yè)整合：磁浮線路具有線路獨(dú)立、長(zhǎng)度較短、行車間隔較大等特點(diǎn)，信號(hào)系統(tǒng)在滿足運(yùn)營(yíng)安全及能力指標(biāo)的前提下，應(yīng)合理整合資源以節(jié)約投資。本工程將弱電各專業(yè)設(shè)備用房進(jìn)行整合，信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)考慮設(shè)備用房空間減少的實(shí)際情況，優(yōu)化系統(tǒng)配置。

2 基于磁浮文化旅游線路需求的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)功能改進(jìn)與提升

基于點(diǎn)式系統(tǒng)應(yīng)用于磁浮線路的局限性及鳳凰磁浮旅游線信號(hào)系統(tǒng)的個(gè)性化需求，本工程采用的信號(hào)系統(tǒng)? 智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)，是一種具備站內(nèi)自動(dòng)化等級(jí)GoA2+自動(dòng)駕駛功能（站內(nèi)自動(dòng)發(fā)車、車門站臺(tái)門對(duì)位隔離、站臺(tái)間隙探測(cè)）的增強(qiáng)型點(diǎn)式列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。系統(tǒng)正常運(yùn)行在連續(xù)式控制級(jí)別下，具有安全、可靠的降級(jí)運(yùn)營(yíng)控制模式（單一點(diǎn)式、聯(lián)鎖級(jí)）。列車在正線運(yùn)行時(shí)，由地面安全控制中心（STC）實(shí)時(shí)向列車發(fā)送前方信號(hào)機(jī)狀態(tài)、道岔位置、線路空閑/占用等行車信息，車載ATP 根據(jù)前方進(jìn)路的狀態(tài)，防護(hù)列車安全運(yùn)行。本系統(tǒng)主要由車載控制器（VOBC）（包括ATP、ATO）、ATS 子系統(tǒng)和STC 子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)Fig.1 Block diagram of intelligent autonomous operation control system

2.1 升級(jí)點(diǎn)式ATC系統(tǒng)，形成智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)

2.1.1 提高闖紅燈防護(hù)等級(jí)

根據(jù)中低速磁浮交通系統(tǒng)特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，道岔一般采用三段定心式中低速磁浮關(guān)節(jié)型道岔。當(dāng)防護(hù)進(jìn)路的信號(hào)機(jī)未開放，若列車越過該信號(hào)機(jī)，車載ATP 立即觸發(fā)緊急制動(dòng)。特別是對(duì)于磁浮道岔，闖紅燈防護(hù)的重點(diǎn)為防止列車“跳崖”。

以車輛段三開道岔為例，三開道岔由道岔活動(dòng)梁和道岔垛梁構(gòu)成，其中道岔活動(dòng)梁是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，道岔垛梁不動(dòng)，在正常線路和道岔活動(dòng)梁之間起連接作用，如圖2 所示。

圖2 三開道岔平面示意Fig.2 Three-throw turnout

當(dāng)列車1 從岔頭到岔尾方向運(yùn)行時(shí)，考慮道岔轉(zhuǎn)動(dòng)不到位或正在轉(zhuǎn)換過程中，列車1 存在跳崖風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)列車2 從岔尾到岔頭方向運(yùn)行時(shí)，道岔活動(dòng)梁可能和正常線路1、2 中的一條連接而沒有和線路3 連接，列車2 向前運(yùn)行時(shí)，也存在“跳崖”的風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上風(fēng)險(xiǎn)分析，信號(hào)系統(tǒng)需要為磁浮線路提供更嚴(yán)格的闖紅燈防護(hù)措施。首先，列車在連續(xù)式控制級(jí)別下運(yùn)行時(shí)，車載ATP 通過車地連續(xù)通信持續(xù)監(jiān)督前方的進(jìn)路和信號(hào)顯示狀態(tài)，一旦信號(hào)顯示由允許變?yōu)榻够蜻B續(xù)式地車通信丟失，由車載ATP 觸發(fā)制動(dòng)進(jìn)行防護(hù)。

其次，當(dāng)系統(tǒng)降級(jí)為點(diǎn)式系統(tǒng)時(shí)，列車可通過點(diǎn)式應(yīng)答器監(jiān)督前方防護(hù)信號(hào)機(jī)狀態(tài)。點(diǎn)式級(jí)別下車載ATP 配置的開口速度應(yīng)滿足列車以該速度通過有源應(yīng)答器VB 中的紅燈報(bào)文后，能在前方“跳崖”危險(xiǎn)區(qū)前停車。

最后，聯(lián)鎖級(jí)下，系統(tǒng)應(yīng)考慮列車在RM 模式下的闖紅燈防護(hù)措施。

1） 正線

道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)前方的闖紅燈防護(hù)應(yīng)答器成組設(shè)置（由一個(gè)有源應(yīng)答器VB 和無源應(yīng)答器FB 組成），如圖3 所示。

圖3 正線闖紅燈防護(hù)應(yīng)答器組設(shè)置Fig.3 Arrangement of balise groups for red-light protection for the main line

闖紅燈防護(hù)功能無方向性，即列車無論從任何方向讀取到有源應(yīng)答器中的紅燈報(bào)文時(shí)，均會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。

車載ATP 應(yīng)對(duì)闖紅燈防護(hù)應(yīng)答器組中有源應(yīng)答器丟失、默認(rèn)報(bào)文或報(bào)文無法解析、收到非預(yù)期報(bào)文的情況，按闖紅燈防護(hù)處理，觸發(fā)列車緊急制動(dòng)。

2） 車輛段

闖紅燈防護(hù)應(yīng)答器成組設(shè)置。如圖4 所示，F(xiàn)B1 與VB，F(xiàn)B2 與VB 各為一組闖紅燈防護(hù)應(yīng)答器組。

圖4 車輛段闖紅燈防護(hù)應(yīng)答器組設(shè)置Fig.4 Arrangement of balise groups for red-light protection for the vehicle depot

為避免回庫(kù)列車通過有源應(yīng)答器讀到紅燈報(bào)文后，導(dǎo)致非預(yù)期的緊急制動(dòng)，在出庫(kù)信號(hào)機(jī)內(nèi)方設(shè)置一個(gè)無源應(yīng)答器FB2。

當(dāng)列車依次通過FB1 與VB，且讀取到有源應(yīng)答器VB 中的紅燈報(bào)文時(shí)，按闖紅燈防護(hù)處理，觸發(fā)緊急制動(dòng)；當(dāng)列車依次通過FB2 與VB 時(shí)，不執(zhí)行闖紅燈防護(hù)功能；若未收到FB1 或FB2 應(yīng)答器而直接收到有源應(yīng)答器VB 中的紅燈報(bào)文時(shí)，會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。

當(dāng)先收到應(yīng)答器FB1 時(shí)，車載ATP 應(yīng)對(duì)闖紅燈防護(hù)應(yīng)答器組中有源應(yīng)答器丟失、默認(rèn)報(bào)文或報(bào)文無法解析、收到非預(yù)期報(bào)文的情況，按闖紅燈防護(hù)處理，觸發(fā)列車緊急制動(dòng)；而當(dāng)先收到應(yīng)答器FB2 時(shí)，車載ATP 對(duì)上述情況不按闖紅燈防護(hù)處理，不觸發(fā)列車緊急制動(dòng)。

2.1.2 由闖紅燈防護(hù)功能適配修改應(yīng)答器報(bào)文

城軌項(xiàng)目在段場(chǎng)內(nèi)一般不設(shè)有源應(yīng)答器，而磁浮線路中為實(shí)現(xiàn)闖紅燈防護(hù)功能設(shè)置了有源應(yīng)答器。因此，在進(jìn)行引導(dǎo)及調(diào)車作業(yè)時(shí)，車載ATP 應(yīng)正確處理道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)前為實(shí)現(xiàn)闖紅燈防護(hù)功能設(shè)置的有源應(yīng)答器報(bào)文（引導(dǎo)報(bào)文、調(diào)車白燈報(bào)文）。

《城市軌道交通基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通接口規(guī)范》（T/CAMET 04011.1-2018）第1 部分：應(yīng)答器報(bào)文中公共信息包定義（203 子包）對(duì)Q_SIGNAL_ASPECT 的部分取值如表1 所示。

表1 Q_SIGNAL_ASPECT的取值Tab.1 Value of Q_SIGNAL_ASPECT

由表1 可見，當(dāng)信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)為引導(dǎo)時(shí)，Q_SIGNAL_ASPECT 按紅燈取值，應(yīng)答器發(fā)送紅燈報(bào)文，導(dǎo)致車載ATP 輸出非預(yù)期的緊急制動(dòng)；當(dāng)信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)為調(diào)車進(jìn)路白燈時(shí)，由于應(yīng)答器報(bào)文規(guī)范中Q_SIGNAL_ASPECT 取值并未涉及，系統(tǒng)導(dǎo)向安全側(cè)按紅燈取值，同樣導(dǎo)致車載ATP 輸出非預(yù)期的緊急制動(dòng)。

基于以上問題，首先修改應(yīng)答器報(bào)文規(guī)范中的自定義包，增加引導(dǎo)、調(diào)車報(bào)文。修改后的公共信息包定義（203 子包）對(duì)Q_SIGNAL_ASPECT 的部分取值如表2 所示。

表2 Q_SIGNAL_ASPECT的取值（修改后）Tab.2 Value of Q_SIGNAL_ASPECT (after modif ication)

其次修改ATP 軟件邏輯：增加引導(dǎo)紅黃燈和調(diào)車白燈報(bào)文后，車載ATP 在限制人工駕駛模式（RM）下收到該報(bào)文不觸發(fā)非預(yù)期的緊急制動(dòng)，在CM-I/AM-I 模式下收到該報(bào)文按紅燈處理；收到藍(lán)燈報(bào)文按紅燈處理。車載ATP 軟件適配修改后的邏輯如圖5 所示。

圖5 引導(dǎo)、調(diào)車作業(yè)下的車載ATP處理邏輯Fig.5 Onboard ATP processing logic for calling-on and shunting operations

2.1.3 完善點(diǎn)式臨時(shí)限速功能

在智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)中，臨時(shí)限速功能的信息傳遞較CBTC 系統(tǒng)簡(jiǎn)化為：由ATS 向STC 下達(dá)臨時(shí)限速命令，STC 同時(shí)具備無線和點(diǎn)式臨時(shí)限速功能。在無線通信設(shè)備正常時(shí)，STC 可支持5 km/h 一檔且以計(jì)軸區(qū)段為單位設(shè)置臨時(shí)限速，并通過車地?zé)o線通道發(fā)送至列車；在無線通信設(shè)備故障時(shí)，STC 可按5 檔限速（0/25/40/60/80 km/h）向下歸檔和進(jìn)路歸檔，并通過LEU 發(fā)送至有源應(yīng)答器后，傳送至列車實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。

該方案通過全線無線通信設(shè)備的覆蓋，使臨時(shí)限速信息可實(shí)時(shí)下達(dá)至列車，彌補(bǔ)了點(diǎn)式ATP 系統(tǒng)臨時(shí)限速功能的不足；同時(shí)，在CBTC 的后備點(diǎn)式控制級(jí)別下，由于在點(diǎn)式臨時(shí)限速命令信息傳遞環(huán)節(jié)中沒有ZC 的參與，避免了因ZC 故障而導(dǎo)致的點(diǎn)式臨時(shí)限速功能無法實(shí)現(xiàn)的局限性。在滿足安全防護(hù)的前提下，大大提高了運(yùn)營(yíng)效率，完善點(diǎn)式模式下臨時(shí)限速的系統(tǒng)功能。

2.1.4 提升站臺(tái)服務(wù)水平

站臺(tái)服務(wù)是車站服務(wù)的重要組成部分。在節(jié)假日或旅游旺季，旅游線路需承載激增的出行流量。當(dāng)候車站臺(tái)出現(xiàn)人員擁擠的情況時(shí)，可能導(dǎo)致乘客無法擠上列車而身處車門與站臺(tái)門間隙，這使得車門與站臺(tái)門障礙物探測(cè)功能凸顯出重要性。當(dāng)列車車門出現(xiàn)異常或某側(cè)站臺(tái)門異常不能打開時(shí)，會(huì)影響列車內(nèi)準(zhǔn)備下車的乘客或者站臺(tái)候車準(zhǔn)備上車的乘客。同時(shí)，作為旅游線路，旅行速度尤為重要，需將乘客迅速、安全地送抵景區(qū)。

為提升鳳凰磁浮旅游線的站臺(tái)服務(wù)水平和乘客出行體驗(yàn)，智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)主要從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是從安全性能出發(fā)，將車門/站臺(tái)門間隙檢測(cè)納入系統(tǒng)防護(hù)范圍，利用信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)既有繼電接口，將間隙探測(cè)結(jié)果納入站臺(tái)門提供給信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)閉且鎖閉信息的安全回路中。信號(hào)系統(tǒng)收到站臺(tái)門的關(guān)閉且鎖閉信息，即認(rèn)為無障礙物，列車正常離站，保障乘客及運(yùn)行安全。二是從服務(wù)品質(zhì)的角度出發(fā)：將間隙探測(cè)納入信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)后實(shí)現(xiàn)ATO 自動(dòng)發(fā)車，有效地縮短站停時(shí)間、提高平均旅行速度，并降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，增加車門/站臺(tái)門對(duì)位隔離功能，控制列車到站車門和站臺(tái)門的開/關(guān)，為乘客上、下車提供便利條件。

2.1.5 提出適用于中低速磁浮的測(cè)速測(cè)距方案

首先，測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)采集單端雙側(cè)渦流傳感器的脈沖數(shù)據(jù)，分別單獨(dú)計(jì)算列車速度和位置，比較和融合雙側(cè)渦流傳感器的速度和位置，通過二取二的方式，保證數(shù)據(jù)的正確性和安全性。其次，測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)采集加速度計(jì)和單多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別單獨(dú)計(jì)算列車的速度和位置。最后，測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)融合單元，在綜合考慮低速特性和動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，融合渦流傳感器測(cè)速測(cè)距與加速度計(jì)測(cè)速測(cè)距和多普勒雷達(dá)測(cè)速測(cè)距的數(shù)據(jù)，得到列車速度、位置信息。

測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)同時(shí)采用3 套傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)速測(cè)距，滿足列車高速和低速測(cè)速測(cè)距精度要求，滿足測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)的安全性要求。測(cè)速測(cè)距融合算法如圖6 所示。

圖6 測(cè)速測(cè)距融合算法Fig.6 Fusion algorithm for speed and distance measurement

2.2 資源整合、節(jié)約投資

2.2.1 全電子平臺(tái)的構(gòu)建

本系統(tǒng)STC 采用全電子執(zhí)行單元。全電子接口與傳統(tǒng)繼電接口相比，在集成度、智能性、可擴(kuò)展性、維護(hù)性和施工配線等方面都具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)車站設(shè)備房用房面積需求較小，有利于減少土建投資。執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)比如表3 所示。

表3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)比Tab.3 Comparison of actuators

2.2.2 軌旁一體化控制系統(tǒng)及中央集中式布局

CBTC 系統(tǒng)軌旁信號(hào)系統(tǒng)由ZC 和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）組成，其中CI 是信號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，辦理進(jìn)路和防護(hù)道岔，ZC 管理列車。而智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)將軌旁控制系統(tǒng)一體化為STC，其功能包括進(jìn)路辦理、道岔防護(hù)、列車管理等。該方案顯著降低了系統(tǒng)的耦合度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)和接口設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的效率。

同時(shí)，STC 設(shè)備采用中央集中式布局，在控制中心集中設(shè)置一套STC 集中處理計(jì)算機(jī)，在相應(yīng)的車站配置全電子執(zhí)行單元，有利于開通運(yùn)營(yíng)后設(shè)備的維護(hù)和數(shù)據(jù)/軟件更新，如圖7 所示。

圖7 傳統(tǒng)CBTC與一體化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 Architectures of traditional CBTC and integrated system

3 鳳凰磁浮文化旅游線路的應(yīng)用效果及智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)提升方向

本文描述的智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)，其應(yīng)用的鳳凰磁浮旅游線已于2022 年5 月開通運(yùn)營(yíng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.1 技術(shù)價(jià)值

站臺(tái)自動(dòng)發(fā)車功能可減少，列車站停時(shí)間7 ～10 s，平均旅行速度提高10%以上，最小追蹤間隔滿足120 s；點(diǎn)式臨時(shí)限速功能進(jìn)一步完善臨時(shí)限速的系統(tǒng)功能，提高運(yùn)營(yíng)控制的靈活性和系統(tǒng)安全性；多傳感器建構(gòu)的測(cè)速測(cè)距模型，在勻速、加速及減速過程中，測(cè)速測(cè)距誤差均小于1.5%。

3.2 經(jīng)濟(jì)價(jià)值

通過構(gòu)建全電子平臺(tái)以及軌旁一體化系統(tǒng)，信號(hào)系統(tǒng)投資總額較CBTC 項(xiàng)目減少60%；系統(tǒng)采用中央集中式布局，優(yōu)化人員配置，調(diào)度人員可減少28%，車站人員可減少23%，運(yùn)營(yíng)與維護(hù)定員可達(dá)≤13 人/公里的指標(biāo)。

3.3 提升方向

智能自主運(yùn)行控制系統(tǒng)的架構(gòu)支持遠(yuǎn)期升級(jí)基于車車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)，原有系統(tǒng)中的各軌旁設(shè)備仍能夠繼續(xù)使用，系統(tǒng)升級(jí)改造的成本及對(duì)既有運(yùn)營(yíng)的影響都很小。