文：謝欣，陳建廣｜北京和利時系統(tǒng)工程有限公司

昆明長水國際機場空側(cè)捷運系統(tǒng)項目是基于ATO 自動駕駛技術(shù)的七模塊浮車型有軌電車項目，也是民航系統(tǒng)自動駕駛模式的儲能式有軌電車項目。項目根據(jù)空側(cè)捷運系統(tǒng)項目的需求，結(jié)合有軌電車車輛特性，設(shè)計了一套以綠色、智慧、安全、多元為特色的新型旅客捷運列車運行控制系統(tǒng)解決方案，為機場旅客捷運工程建設(shè)提供了有益參考。

城市軌道交通已邁入綠色、智慧建設(shè)新階段，有軌電車作為城市軌道交通低運能系統(tǒng)之一，具有節(jié)能環(huán)保、舒適安全、運營靈活、成本適宜的特點，目前已在多個城市開通運營，但受到開放式路權(quán)的限制，大多數(shù)已開通的有軌電車線路均存在采用人工駕駛方式、旅行速度低、安全性不足等問題。

機場空側(cè)捷運具有24 小時不間斷運營、客流隨航班動態(tài)變化、高強度折返換端、空間集約、全壽命周期的高效運維、對標航空高品質(zhì)、高效率的客戶服務(wù)等要求。目前已建設(shè)的空側(cè)捷運項目大多采用APM 系統(tǒng)，國內(nèi)信號系統(tǒng)廠商都在積極探索，努力找尋更多更優(yōu)的解決方案，有軌電車便是優(yōu)選之一。昆明機場空側(cè)捷運系統(tǒng)采用完全封閉路權(quán)，采用獨立路權(quán)的有軌電車，若仍以常規(guī)的人工駕駛模式，不能實現(xiàn)自動駕駛及自動折返，嚴重影響運營效率，同時造成運營成本及強度的增加。因此，在有軌電車的車輛基礎(chǔ)上，研制一套新型的滿足有軌電車自動駕駛的捷運智能控制系統(tǒng)，可以有效提升運輸能力、提高安全性能和自動化能力、降低建設(shè)和運維成本、縮短建設(shè)周期、實現(xiàn)低碳環(huán)保。

一、昆明長水機場旅客捷運工程概況

昆明長水機場航站區(qū)改擴建工程旅客捷運工程線路起自長水機場T1 前中心區(qū)，利用既有汽車通道敷設(shè)，在后中心區(qū)設(shè)置第二座車站，之后繼續(xù)沿通道至新建衛(wèi)星廳S1，設(shè)置S1 站，雙正線全長1.88千米。為了靈活運營，各站前后均設(shè)置了交叉渡線。衛(wèi)星廳S1 前設(shè)停車場一處。線路采用7 模塊編組有軌電車。初期配屬運用車5 列，預(yù)留了遠期延伸接口條件。

圖1 昆明長水機場旅客捷運線路示意圖

昆明長水機場旅客捷運智能控制系統(tǒng)的技術(shù)要求如下：

閉塞制式：基于連續(xù)無線通信的移動閉塞；

自動運行等級：基于司機操作的自動駕駛（GOA2 級）；

行車間隔：初期4.5 分鐘，遠期2.5 分鐘；遠期正線列車最小運行間隔時間滿足3 分鐘運營的要求，設(shè)計間隔時間為153 秒；

最高運營速度：70 公里/ 小時；旅行速度不小于30 公里/小時。

二、捷運智能控制系統(tǒng)智能化、綠色化設(shè)計

（一）集中式控制架構(gòu)設(shè)計

為了降低系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量、減少車站設(shè)備室面積、減少人員配置、實現(xiàn)車站無人值守等目的，系統(tǒng)采用了集中式控制架構(gòu)設(shè)計：一是調(diào)度系統(tǒng)采用控制中心集中控制，配以現(xiàn)地級后備控制；二是正線計算機聯(lián)鎖主機、區(qū)域控制器ZC 集中設(shè)置在控制中心；三是車站僅設(shè)置聯(lián)鎖遠程執(zhí)行設(shè)備；四是采用綜合電源系統(tǒng)，減少電源設(shè)備配置。集中式控制架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了整個捷運系統(tǒng)的集中監(jiān)視、調(diào)度控制和維護管理，提高了運營調(diào)度效率，降低了建設(shè)成本，非常貼合機場空側(cè)旅客捷運系統(tǒng)的特點與需求。

（二）基于有軌電車車輛特性的ATO 自動駕駛

捷運智能控制系統(tǒng)采用ATO自動駕駛技術(shù)，以提高系統(tǒng)的自動化程度，降低司機勞動強度，提高列車運行效率。由于有軌電車車輛的特殊性，基于地鐵的ATO 控車算法無法直接應(yīng)用于有軌電車。針對這些難點，在自動速度控制算法建模時將其納入到算法模型中，并建立適用于有軌電車的自動速度控制算法模型，從而提升該系統(tǒng)的適應(yīng)性和運輸效能。

1.影響速度控制的主要因素對比及算法控制指標確定

通過有軌電車與地鐵列車牽引制動特性對比研究，確定需特殊控制的點，并根據(jù)項目需要確定了達成準點、精確停車、舒適、節(jié)能目標的具體數(shù)值。

從表1 可以看出，相比地鐵列車，要實現(xiàn)自動駕駛技術(shù)在有軌電車的應(yīng)用，在滿足相同的自動駕駛技術(shù)指標的前提下，必須根據(jù)有軌電車控制特點對牽引、制動做特殊處理，同時還要檢測、補償載荷。

表1 影響自動速度控制的主要因素對比

昆明長水國際機場空側(cè)捷運系統(tǒng)項目是自動駕駛技術(shù)在有軌電車的首次應(yīng)用，沒有常規(guī)技術(shù)指標進行約束。因此，本項目綜合參考地鐵和高鐵對于自動速度控制的技術(shù)指標及項目需求，確定有軌電車自動駕駛技術(shù)指標見表2。

表2 有軌電車自動駕駛技術(shù)指標

2.算法控制策略

針對有軌電車的特點，結(jié)合算法控制指標，本項目對算法的牽引制動輸出控制進行約束。

一是輪徑值偏小易發(fā)生空轉(zhuǎn)、滑行問題?？辙D(zhuǎn)和滑行的發(fā)生均是因為牽引力或制動力大于粘著力導(dǎo)致的。為了減少車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)、滑行的問題，算法通過對比最大牽引加速度、制動減速度和粘著加速度的關(guān)系，限制牽引、制動控制輸出，從而避免出現(xiàn)牽引力或制動力大于粘著力的情況，避免空轉(zhuǎn)滑行發(fā)生。

二是沖擊率過大問題。有軌電車本身的沖擊率較大，因此必須限制牽引制動輸出的速率，即自動速度控制算法輸出控制時，需要按照舒適性需求逐漸增大或減小牽引制動率輸出，從而保證舒適性。同時，由于在不同速度下列車的最大牽引加速度均不同，因此在牽引控制方面還需要結(jié)合列車的最大牽引加速度來控制牽引輸出的速率，兼顧效率和舒適性。考慮到機場捷運的旅客攜帶行李物品的出行特征，本項目ATO 在控車加速和制動過程中采用的最大沖擊率參數(shù)是 0.25 米每立方秒，較常規(guī)地鐵最大沖擊率0.315 米每立方秒有所降低，提高了旅客乘坐的安全性及舒適性。

三是牽引制動加速度過大問題。針對牽引/制動加速度過大問題，自動速度控制算法需要提高輸出分辨率以及提高控制器的魯棒性，從而避免振蕩調(diào)節(jié)，加快控制的收斂速度。

四是載荷補償。有軌電車的載荷補償只能做到±15%，導(dǎo)致精確停車時由于制動系統(tǒng)的不穩(wěn)定性引起的相同速度下的制動距離偏差較大。針對這個問題，通過減小精確停車對標速度來減少誤差。同時，在自動速度控制算法中增加載荷誤差計算功能。列車起步后，自動控制算法通過輸出的牽引率和制動率計算應(yīng)產(chǎn)生的加減速度，然后與實際反饋的加減速度進行對比，從而計算載荷補償誤差。最后，在精確停車制動距離計算時，考慮該誤差，從而提高精確停車精度。

3.算法控制器設(shè)計

針對有軌電車的自動速度控制模型，采用閉環(huán)方式，以目標速度為調(diào)節(jié)目標，同時考慮粘著控制、沖擊率控制和載荷補償控制，進行控制輸出調(diào)節(jié)，設(shè)計了速度調(diào)節(jié)控制器（圖2）。從圖中可以看出，速度調(diào)節(jié)控制在控制輸出計算模塊后，基于有軌電車應(yīng)用增加了粘著控制、沖擊率控制和載荷補償控制，從而達到適應(yīng)有軌電車特殊性的應(yīng)用。

圖2 速度調(diào)節(jié)控制器

（三）多專業(yè)深度融合的智能綜合調(diào)度系統(tǒng)

為了達到降低成本、提升效率和服務(wù)質(zhì)量的目標，在深入調(diào)研了捷運系統(tǒng)客流特征、線路特點、車輛結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)立足于頂層設(shè)計，研發(fā)了集行車調(diào)度、電力監(jiān)控、設(shè)備運維為一體的多系統(tǒng)深度集成的智能綜合調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速響應(yīng)的多系統(tǒng)一體化聯(lián)動。其中，對調(diào)度指揮涉及的主要專業(yè)進行架構(gòu)簡化、功能整合和軟硬件深度集成，減少了專業(yè)之間的接口，以及設(shè)備數(shù)量和人員配置數(shù)量，不僅使調(diào)度人員能更快速、更全面了解現(xiàn)場情況，準確應(yīng)對突發(fā)事件，而且實現(xiàn)了一崗多能，優(yōu)化了調(diào)度崗位職責設(shè)置和運營管理機制。

優(yōu)化后的調(diào)度工作界面以行車指揮和應(yīng)急處置為核心，在保持關(guān)鍵頁面布局和調(diào)度使用習(xí)慣的前提下，增加了綜合調(diào)度界面用于展示多個專業(yè)的運營關(guān)鍵信息，并突出告警、視頻、消防、安防等子系統(tǒng)之間的聯(lián)動和圖符文字指示，呈現(xiàn)多專業(yè)、多角度、立體化的完整運營場景，此應(yīng)用可最大限度地消除突發(fā)問題對線路運營所造成的影響，在不降低列車運行安全系數(shù)的前提下，實現(xiàn)列車流對乘客流的均衡吸納，大幅節(jié)約設(shè)備、人力和經(jīng)營管理成本，充分滿足用戶需求。

1.綜合調(diào)度崗位優(yōu)化

優(yōu)化崗位的融合以及值班管理的融合。其中崗位的融合主要是指一崗多能，培養(yǎng)一些能夠身兼數(shù)職的優(yōu)秀員工，提升調(diào)度指揮工作的質(zhì)量和效率，促進企業(yè)人才發(fā)展和人員成本節(jié)約。值班管理的融合主要是指對調(diào)度人員（總調(diào)、行車調(diào)、環(huán)調(diào)、電調(diào)、客運調(diào)、設(shè)備維修調(diào)、車站值班員）進行合理合并，提升工作人員與各項業(yè)務(wù)之間的熟練程度。

具體措施如下，一是針對崗位設(shè)置分析人機界面設(shè)計，以便適應(yīng)綜合調(diào)度的調(diào)度操作需求以行車指揮為核心，并保持既有的頁面布局，保證調(diào)度使用習(xí)慣；在既有按照專業(yè)劃分的頁面基礎(chǔ)上，增加綜合調(diào)度界面；綜合調(diào)度界面展示各專業(yè)信息，為綜合調(diào)度人員呈現(xiàn)完整行車調(diào)度場景，方便處理各種突發(fā)事件。二是集成CCTV 視頻監(jiān)視器、FAS 界面、安防接口等。三是故障應(yīng)急時突出應(yīng)急告警事件及圖形符號。

2.共享數(shù)據(jù)平臺

實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)和設(shè)備資源的共享，減少各個系統(tǒng)之間的復(fù)雜接口關(guān)系，簡化故障分析層次；增強多專業(yè)之間的聯(lián)動策略，提高各系統(tǒng)的主動控制性。

3.空鐵運輸協(xié)同

為了充分發(fā)揮捷運線路運能，實現(xiàn)根據(jù)機場航空客流動態(tài)調(diào)整捷運列車運行計劃，充分發(fā)揮捷運運能，防止旅客在機場區(qū)域滯留而降低運輸體驗，將捷運系統(tǒng)與機場信息中心接口，獲取航班集中起飛和到達架次、客座率及機場突發(fā)事件等信息，同步動態(tài)調(diào)整捷運線路列車行車密度和時刻表，精準匹配機場客流峰谷變化趨勢，快捷調(diào)整運輸計劃，并適時指導(dǎo)旅客行進方向及路線，減少旅客途中的滯留時間，提高旅客換乘效率。該項創(chuàng)新成果對減少能源消耗、降低運營成本、提升機場整體服務(wù)質(zhì)量有重要的意義，在空運出現(xiàn)突發(fā)事件，急需快速緩解運輸壓力情況下其作用尤為明顯。

同時，為對標航空高品質(zhì)服務(wù)質(zhì)量，針對影響運營的關(guān)鍵動態(tài)因素（如道岔故障、計軸故障、客流變化、車門故障、車輛照明故障、列車空調(diào)故障等），結(jié)合捷運線路系統(tǒng)特點，將各種動態(tài)因素出現(xiàn)時的期望聯(lián)動反應(yīng)和正確應(yīng)對步驟進行了定義，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可執(zhí)行的聯(lián)動方案，提升系統(tǒng)應(yīng)急水平，滿足機場捷運線路較高服務(wù)質(zhì)量的要求。具體措施：一是捷運行車指揮與機場現(xiàn)場指揮信息中心聯(lián)動。系統(tǒng)實時銜接航班動態(tài)，針對航班集中起降架次、客座率和突發(fā)事件，精準對接客流。在航班、客流密集的時間段自主增加車輛數(shù)量，減少車輛運行間隔；在其它時間段根據(jù)需求適時分配車輛資源。及時適應(yīng)機場客流的動態(tài)變化，能夠有效減少能源消耗，降低運營成本，并適時指導(dǎo)旅客行進方向及路線，減少旅客在中轉(zhuǎn)流程的轉(zhuǎn)換時間，提高旅客換乘效率。二是豐富現(xiàn)有多專業(yè)聯(lián)動策略和程控化。針對異常狀況，如道岔故障、計軸故障、客流變化、車門故障、車輛照明故障、列車空調(diào)故障等，并根據(jù)捷運運營的需求，制定指定狀況下能達到特定目標的動作序列和步驟，將此序列和步驟轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以自動和半自動執(zhí)行的聯(lián)動方案，自動聯(lián)動執(zhí)行或人工確認后自動執(zhí)行。

（四）多專業(yè)綜合運維

智能綜合調(diào)度系統(tǒng)中配置了多專業(yè)綜合運維系統(tǒng)，將機電、信號、通信、供電、車輛等多專業(yè)運維集成于統(tǒng)一的運維平臺，實現(xiàn)多專業(yè)融合、多數(shù)據(jù)共享，有效提高運維效率和減少運維成本。

捷運智能控制系統(tǒng)在控制中心集中設(shè)置一套多專業(yè)綜合運維系統(tǒng)，通過遠端采集設(shè)備將各專業(yè)維護信息匯集到控制中心數(shù)據(jù)庫，通過多功能終端人機界面展示所有專業(yè)的維護信息，并通過用戶權(quán)限管理實現(xiàn)不同用戶在相同終端上的信息展示和操作權(quán)限控制。

三、旅客捷運智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

捷運智能控制系統(tǒng)已在昆明長水國際機場首次實現(xiàn)了國產(chǎn)化捷運系統(tǒng)的應(yīng)用，于2021 年7 月26 日投入載客運營。昆明長水國際機場空側(cè)捷運系統(tǒng)項目是首個應(yīng)用新型旅客捷運智能控制系統(tǒng)的有軌電車項目，在傳統(tǒng)有軌電車上增加了列車自動防護、自動駕駛、自動運營調(diào)整等自動化功能，大幅提高了資源利用率，降低系統(tǒng)的建設(shè)和運維成本，提高運營靈活性，減少了調(diào)度人員需求，提高了技術(shù)的自動化水平和安全防護強度，降低了司機勞動強度，在運營安全、運輸效率、節(jié)能環(huán)保、降本增效等方面取得了顯著效果并得到了實際工程的應(yīng)用驗證，得到用戶的高度認可。

昆明長水機場旅客捷運系統(tǒng)列車最高時速70 公里，單項行程最快3 分50 秒，行車間隔小于5分鐘，實現(xiàn)了T1 航站樓和遠距離S1 衛(wèi)星廳之間的無縫對接。該系統(tǒng)基于無線通信信號系統(tǒng)，在傳統(tǒng)有軌電車上增加列車自動防護、自動駕駛、自動運營調(diào)整等自動化功能，從列車自動駕駛、智能調(diào)度、智慧出行、智能運維四個方面，提升了調(diào)度中心、車站、場段、列車運行、運維管理的智能化水平及效率，實現(xiàn)了列車平穩(wěn)進站、精準停車、無人自動折返以及雙折返軌全自動折返功能。

系統(tǒng)的成功應(yīng)用，在經(jīng)濟效益方面也取得顯著進步。一是采用多專業(yè)融合的綜合調(diào)度系統(tǒng)，對服務(wù)器和工作站資源進行了整合，減少設(shè)備投資，降低約20%的調(diào)度相關(guān)專業(yè)建設(shè)成本。二是減少至少中心設(shè)備室機柜的物理空間，節(jié)省車站機房總面積10%左右。

三是整合孤立的運維系統(tǒng)，統(tǒng)一終端，減少人員投入，提升運維效率20%以上。四是通過扁平化調(diào)度，減少中心調(diào)度人員，節(jié)省人力成本30%。五是24 小時全天候運行，列車人均百公里消耗不足1 度電，相比一般機場擺渡車，每列有軌電車每年可減少二氧化碳排放超過2300 噸。

四、應(yīng)用前景及展望

昆明長水機場旅客捷運智能控制系統(tǒng)在機場捷運封閉路權(quán)場景下的應(yīng)用，對有軌電車應(yīng)用市場的拓寬和發(fā)展具有重要意義，對于基于無線通信的移動閉塞信號技術(shù)應(yīng)用于封閉路權(quán)的城市軌道交通低運能系統(tǒng)領(lǐng)域也有重要的示范意義。鑒于機場捷運系統(tǒng)的典型特征，以及低運能運行系統(tǒng)自主化裝備的技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)升級趨勢及發(fā)展機遇，通過應(yīng)用示范，將新型旅客捷運列車運行控制系統(tǒng)推廣至國內(nèi)樞紐機場的旅客捷運線路和低運能系統(tǒng)線路，建立產(chǎn)業(yè)規(guī)范與體系，有助于提升我國機場空側(cè)捷運系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，從而帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，培育多元化市場環(huán)境，推動軌道交通高端裝備的產(chǎn)業(yè)化，助力軌道交通產(chǎn)業(yè)走向國際化市場，為后續(xù)乃至在全球空側(cè)軌道交通以及低運能系統(tǒng)線路的運用打下堅實基礎(chǔ)。