全自動運行系統SPKS設置方案研究

陳紹文

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

近年來，國內無人駕駛[1]線路越來越多。上海地鐵10號線已于2014年8月具備GoA4 （Grade of Automation）[2]等級全自動運營的條件。2018年在建的GoA4等級線路有上海14、15、18號線，成都9號線及北京3號線。目前，全國有多條GoA4等級城市軌道交通線路已經規劃。

由于列車上將不再安排司機駕駛，一個不可回避的問題也擺在運營公司的面前：在現場發生故障需要人員下軌作業、搶修時，如何能確保作業人員的人身安全？如何對無人駕駛的列車進行有效的防護使其不能進入作業區域？由于無人駕駛正處于發展時期，目前關于無人駕駛方面的研究主要集中在系統功能實現[3]、全自動停車場[4]等方面。尚未對正線及自動動化停車場無人駕駛條件下現場工作人員安全防護問題進行系統性的研究。

本文從系統角度出發，以典型的線路配線、道岔設置為基礎，結合列車自動防護（ATP，Automatic Train Protection）[1]原理，論述了軌旁人員作業防護開關（SPKS，Staff Protection Key Switch ）的設置原則和防護原理，并給出了可工程化實施的解決方案。

1 SPKS功能介紹

1.1 SPKS使用場景

在全自動無人駕駛地鐵線路中，為了保證軌旁作業人員的人身安全，在信號系統設計時提出了人員作業防護開關（SPKS）的概念。

其功能是在軌旁設備故障需要下軌道進行作業時，由作業人員激活SPKS，在SPKS激活后，軌旁ATP在相應的區域生成防護區，并將防護區信息傳送給車載ATP系統，使列車不能越過防護區，以阻止無人駕駛的列車進入作業區域，從而確保軌旁作業人員的安全。

1.2 實現原理

圖 1 為SPKS的信息傳遞過程，其實現原理如下：（1）將線路劃分為若干SPKS防護區域，軌旁對應設置若干個SPKS鑰匙開關；

圖1 SPKS實現原理

（2）當SPKS鑰匙開關操作后，由聯鎖采集SPKS繼電器；

（3） 聯鎖將SPKS激活狀態發送給軌旁ATP系統；

（4）軌旁ATP生成相應的防護區域，如圖1軌道中紅色標示，同時將列車的移動授權設定在防護區域的末端并發送給車載ATP系統；

（5）車載ATP控制列車在防護區域末端停車。

2 工程應用

在實際的工程應用中需要考慮以下幾個因素：（1）SPKS鑰匙開關在軌旁的設置位置；

（2）SPKS鑰匙開關的設置數量與效率和安全的平衡；

（3）SPKS功能電路應用考慮故障-安全原則；（4）SPKS的運營管理原則。

2.1 SPKS鑰匙開關在軌旁的設置位置

對于無人駕駛線路，一般同時配置有自動化停車場，SPKS設置范圍包括正線車站和自動化場段。

正線SPKS按聯鎖集中站進行設置，由集中站統一管理。可以設置在站臺端部鑰匙開關箱或車控室的IBP(Integrated Backup Panel)盤上。從應用方便性來看，建議設置在車控室IBP盤上。

設置在IBP盤上有以下幾個優點：

（1）方便操作，因維護人員下軌作業前需要在車控室申請，申請完成后可以在車控室里直接操作。

（2）方便確認，在IBP盤上同時顯示有SPKS對應的區域防護范圍圖。因此在IBP盤上可以完成操作和確認的過程。

對于自動化場段，SPKS的主要作用是防止自動運行列車對維護人員和列車登車人員造成傷害。正常情況下登車人員需要通過防護地道到達列車。若必須在列車經路上通行時，需要將對應的SPKS激活。因此，自動化場段的SPKS鑰匙開關可以設置于場調室的IBP盤或軌旁。

在控制中心和車站的人機界面上應清楚地顯示相關SPKS區域的激活狀態，以便下軌作業人員與調度確認激活區域的一致性。

2.2 SPKS鑰匙開關設置數量

SPKS具體設置數量需要根據實際的線路情況合理設置，同時需要考慮效率和安全的平衡。不能由于少設了SPKS而對軌旁形成防護空白區；也不能由于某個SPKS激活后，對線路的其它部分運營形成較大的影響。

2.2.1 非集中站

對于非集中站，一般區間無道岔，如圖2所示，站臺B兩端為無岔區間。

圖2 SPKS配置（非集中站，無岔區間）

SPKS激活后，作業人員需要從對應的站臺端門下軌，因此站臺B可以在站臺上下行兩端分別設1個SPKS鑰匙開關。

注：根據《地鐵設計規范》[5]26.3.1條規定，每側站臺門兩端宜各設一樘端門。

每個SPKS對應的防護區域包括本站臺區域+相應的區間。

考慮到運營效率，如SPKS2，設置后盡量不影響站臺C接車。因此SPKS2所產生的防護區域需要考慮站臺C接車所需OVERLAP的長度。以讓列車可以進站精確停車以方便上下客。

無接車需求的站臺，SPKS的防護范圍可以到站臺端點，如SPKS1 和 SPKS4的防護區域。

2.2.2 有岔集中站

對于有岔集中站，需要考慮岔區的覆蓋范圍，如圖3所示，站臺B一端包含有單渡線P1-P2。

圖3 SPKS配置（有岔集中站）

這種情況下，SPKS1 和 SPKS3的防護區域需要分別包含P1-P2的一部分，可以以P1-P2之間的計軸為界。

SPKS激活后，作業人員需要從對應的站臺端門下軌，因此站臺B可以在站臺上下行兩端分別設1個SPKS鑰匙開關。

考慮運營效率，對于有折返需求的站臺，SPKS設置后，應盡量不影響列車折返作業。如圖4所示。

圖4 SPKS配置（不影響列車折返）

如果作業范圍為下圖中SPKS防護區域，站臺A設置SPKS后，在確保安全的情況下，應不影響列車在B站進行折返作業，以最大程度減少對運營的影響。

對于正線存車線或折返線，可以根據該原則進行合理的設置。

2.2.3 自動化場段

對于自動化場段，需要設置SPKS的區域包括：

（1）停車列檢庫；

（2）自動洗車線；

（3）試車線；

（4）出、入庫線；

（5）自動化牽出線。

對于停車列檢庫，從實際工程應用經驗看，不需要每個庫線設置1個SPKS，可以分組設置，如圖5所示，如每3個庫線為一組設置一個SPKS。

對于出、入庫線，可以分為兩個區域進行設置，如圖5中 SPKS4 和 SPKS5。這樣可以在SPKS4設置后，不影響SPKS5區域的出、入庫作業。

對于自動洗車線、試車線、自動化牽出線可以單獨設置SPKS。

圖5 SPKS配置（自動化場段）

2.3 SPKS故障-安全電路設計

SPKS功能為安全功能，應符合故障-安全原則。其功能安全完整性等級應符合CENELEC標準[6-7]中所定義的等級，通過安全分析，該功能為SIL4（Safety Integrity Level）級。

SPKS鑰匙開關通過安全繼電器和聯鎖采集單元接口，實際接口設計應做到：

（1）IBP盤上SPKS采用2位鑰匙開關；

（2）采用安全型繼電器作為接口繼電器；

（3）接口繼電器常態為勵磁狀態；

（4）聯鎖采用雙斷采集或前后節點采集方式[8-9]。

2.4 SPKS運營管理原則

實際運營管理中，應制定嚴格的規程對SPKS鑰匙進行管理。原則如下(參考《上海地鐵關于SPKS管理辦法》[10]）：

（1） 下軌作業時由作業人員自行激活鑰匙開關；

（2）鑰匙由作業人員隨身攜帶；

（3）作業完成后由作業人員恢復鑰匙開關；

（4）司機進入區間或在自動化場段登車的情況，可以由車控室工作人員激活后與司機確認。

3 結束語

對于全自動運行系統，工作人員防護是一個必要且安全相關的功能。軌旁SPKS鑰匙開關是全自動運行系統必須配備的一個設備。

本文從工程實際應用的角度，從SPKS鑰匙開關在軌旁的設置位置、SPKS鑰匙開關的設置數量與效率和安全的平衡、SPKS故障–安全原則及SPKS的運營管理原則方面對SPKS進行了系統性分析，并給出了設置方案。

給出的設置方案已經在上海10號線無人駕駛工程項目中得以應用，目前已經成為軌旁作業人員進行安全防護的主要手段。

該方案可為后續全自動運行地鐵線路SPK設置提供參考。