自動化車輛段內的車輛段信號系統與試車線信號系統整合方案研究

趙 亮 王喜軍 郭佳怡

(1. 中國鐵路設計集團有限公司， 300251， 天津；2. 武漢大學電子信息工程學院， 430072， 武漢∥第一作者， 高級工程師)

為滿足場段內列車自動運行的要求，自動化車輛段越來越受到城市軌道交通業主的青睞。自動化車輛段的本質是將正線信號系統引入車輛段，將車輛段作為一級集中站。車輛段內列車運行安全防護，也隨之由最初的提供固定限速人工駕駛模式發展為無人值守的全自動運行(UTO)模式。在車輛段自動化區范圍內，列車的喚醒、自檢、運行防護、休眠等操作均由設備自動完成，無需人工參與。

目前，我國大部分城市軌道交通的場段信號系統僅配置了計算機聯鎖系統，列車進路的安全由聯鎖設備和司機共同確保，車載ATP(列車自動防護)僅提供固定限速。而在自動化車輛段內，其信號系統配置了與正線標準一致的計算機聯鎖、ATP/ATO(列車自動運行)系統、ATS(列車自動監控)系統，從而實現了車-地無線覆蓋。自動化車輛段采用與正線一致的計軸設備作為區段占壓檢測設備。

自動化車輛段一般均配有試車線，并在試車線設有信號設備室及控制室。試車線主要用于對車輛本身的機械性能和車載信號設備進行測試、試驗。車輛在維修保養后、上線運營前，均需要利用試車線對車載信號設備進行動態測試及試驗。無論是車輛試車還是信號試車，都需通過試車線信號控制室值班員和車輛段信號控制室值班員辦理相應的交接手續，以取得試車線的控制權。

自動化車輛段信號系統與試車線信號系統彼此獨立，因此試車線設備與車輛段聯鎖設備的接口設計方案較多，外部接口電路復雜，不利于日常的應用和維護?；诖?，本文對自動化車輛段中信號系統的整合方案進行研究。

1 既有自動化車輛段中信號系統的主要功能及架構

與常規的城市軌道交通車輛段相比，自動化車輛段基于全自動運行系統，增加了休眠、喚醒、自動駕駛、車門管理、自動調整、自動發車、自動洗車、清客、遠程控制等列車全自動控制功能。列車可在試車線實現全自動運行模式和人工駕駛模式的轉換。由于增加了ATS系統，自動化車輛段還可為試驗列車分配目的地碼和指定運行工況等列車在正線運行時具備的功能。

自動化車輛段內有兩套信號系統，一套用以控制車輛段內除試車線外的自動化區域，另一套用以專門控制試車線。這兩套信號系統均為完整的ATC系統，相互獨立工作，通過繼電接口交接控制權限，其構成如圖1所示。

注：SPKS——人員防護開關；PCB——站臺門開關控制按鈕；RRU——射頻拉遠單元；AP——無線接入點；BBU——基帶處理單元。

試車線的功能定位為車輛試車和信號試車。信號試車是利用試車線有限的條件模擬列車運行的各種工況，驗證信號系統各種功能，檢驗設備的性能指標。但試車線信號系統不具備與站臺門、洗車機、車庫門的外部接口，也未安裝SPKS、PCB及緊急停車按鈕，故需外接模擬條件。系統外部模擬條件(站臺門、洗車機、車庫門)和系統內部模擬條件(SPKS、緊急停車按鈕、PCB)均與試車線的聯鎖系統接口，可實現聯鎖對模擬條件的采集，以及控制指令的輸出。

2 自動化車輛段中信號系統主要功能及架構的改進方案

在車輛段、試車線信號系統的既有架構基礎上，本研究對其ATC系統進行優化整合。改進方案如下：在既有的車輛段聯鎖以及ATP、ATO系統功能的基礎上，擴大其控制范圍，擴展試車線功能，完全將試車線納入自動化車輛段控制范圍。該方案下，車輛段ATS、ATP/ATO系統需增加試車線模塊，增加部分特殊模擬條件，以實現車輛段和試車線ATC系統的整合。改進后的車輛段信號系統的ATC系統構架如圖2所示。

圖2 自動化車輛段的ATC系統構架(改進方案)

改進方案中，試車線信號ATC系統仍由ATP/ATO、聯鎖、ATS和DCS(通信子系統)組成。ATP/ATO系統在正線、車輛段和試車線的軟件架構均相同，并根據不同物理位置配置數據，實現相應的功能。試車線ATP/ATO系統功能的集成度最高，將其與車輛段ATP/ATO系統整合，則要求改進后自動化試車線的ATP/ATO系統為全功能系統，需要增加試車線模塊，并配置試車線虛擬車站、虛擬列車的在線功能。

由于試車線受土建條件和工程綜合成本的限制，無法設置真實車站，因此，為了模擬列車運行，在試車線上設置了虛擬車站，以便更好地仿真正線列車之間的追蹤運行。為此，聯鎖系統增加模擬輸入條件和輸出表示接口，主要用于采集包括SPKS、緊急停車按鈕、PCB的節點狀態，站臺門、車庫門開/關狀態，洗車機開/閉狀態、站臺門單門故障數據等信息，以及輸出站臺門、車庫門開/關命令、站臺門隔離命令等命令。在試車線還需增加必要的信號機計軸設備，以模擬正線車站的接/發車作業。ATS系統需要增加試車模塊，使其具有正線和場段ATS系統全功能，并按照虛擬車站配置數據。DCS根據實際系統設置架構，構成了數據網絡傳輸體系。

3 改進后試車線信號系統的ATC功能

經改進方案對各子系統進行調整后，試車線信號系統具備了完整的ATC功能。具體功能描述如下：

1) 列車的休眠/喚醒功能。列車信號車載設備基于車輛段ATS休眠/喚醒指令和司機本地控制列車兩種模式，在試車線特定范圍內進行列車的休眠/喚醒。在喚醒過程中，車載信號設備除完成自檢外，還需配合車輛設備完成必要的自檢和功能測試。休眠/喚醒成功后，車載信號系統將列車的休眠/喚醒狀態反饋給ATS。

2) 列車的全自動運行功能。ATO在ATP的防護下，根據車輛段ATS指令生成試車線列車速度控制命令，實現對列車啟動、牽引、巡航、惰行和制動等的控制功能，并以較高的速度實現在試車線上的自動追蹤功能。車載ATO根據列車當前的運行速度、ATP限速、目標點位置(包括虛擬車站和虛擬列車)等信息，向列車發送控制命令，控制列車施加牽引力或制動力，在ATP的防護下實現列車的全自動運行，以及速度的自動調整。在ATP的防護下，ATO根據ATS的指令全過程控制列車在試車線上的運行，實現列車在虛擬車站自動停車、自動啟動及自動折返等自動化運行功能。

3) 列車車門管理功能。在試車線虛擬站臺范圍內，在車載ATP給出門允許條件并判斷列車停準后，車載ATO向ATP發送開門指令，通過聯鎖系統輸出模擬開門顯示。在進行全自動運行試驗的過程中， ATO自動控制列車關門，若車門因故未關閉，則ATO可執行人工遠程關門命令或站臺關門按鈕的關門命令，再次發出關門指令。此外，ATO還具備車門/站臺門故障隔離的功能。當列車車門或車站站臺門發生故障需要隔離時，車載設備、站臺門、車輛間將傳遞故障信息，在列車進站(虛擬車站)停穩后，ATO將自動打開車門，并輸出模擬打開站臺門顯示。

4) 列車進站停準功能。在試車線虛擬車站范圍內，ATO具有列車進站停準的自動調整功能。在試驗全自動運行模式時，列車進站停車時如停車誤差超出精度范圍，則列車車門和虛擬站臺門不能打開。

5) 自動發車功能。ATO根據ATS發送的停站(虛擬車站)時間控制列車，當列車停站接近發車時間時，ATO系統給出關門信號。一旦獲得列車車門和站臺門的關閉信號，ATO系統將自動或人工啟動列車運行。ATO可根據ATS指令調整列車的停站時間。列車喚醒成功后，在FAM(全自動運行模式)條件具備時，ATO自動控制列車啟動。在FAM下，ATO檢查確認列車具備發車條件后，可自動啟動列車在車站的發車功能。

6) 自動洗車功能。ATO控制下在試車線利用虛擬車站進行的模擬洗車作業可采用全自動方式。系統外部條件模擬模塊通過模擬條件向聯鎖系統發送洗車機狀態。在接收到聯鎖發來的洗車請求確認信息后， ATO向全自動運行列車發送洗車模式及牽引命令。列車收到命令后，將運行速度控制在3 km/h以內。在模擬洗車過程中，ATO控制列車定點停車及折返換端。收到模擬洗車機的移動指令后，ATO將控制列車運行至出清洗車庫(虛擬車站)停車點。待列車停穩后退出洗車模式，列車根據移動授權自動運行回庫(另一個虛擬車站)。

7) 清客功能。車載ATO根據電子地圖在終到站(虛擬車站)停車后，向車輛TCMS(列車控制與管理系統)發送清客指令。在清客結束前，車載信號設備保持車門打開。試車人員進行人工清客確認后，此時可通過試車人員按壓模擬站臺關門按鈕關閉現場列車車門和站臺門，也可由ATO發送清客確認指令，遠程關閉列車車門和站臺門。

8) 遠程控制功能。ATS具備的遠程控制功能主要包括：① 對試車線上特定列車下發立即停車命令的功能。當緊急制動緩解條件具備時，試車人員可遠程對列車緊急制動進行緩解。② 對列車車門的遠程控制功能，用于實現車門的遠程人工開閉控制。③ 針對線路區域和列車，設置允許/禁止FAM運行授權的功能。④ 具備預設列車空調/電熱參數、臨時設置單車空調/電熱參數功能。⑤ 可采用人工方式向故障列車發送遠程故障復位或旁路指令。⑥ 具備遠程打開或關閉全線全自動駕駛列車客室的照明功能。

4 結語

本文對自動化車輛段內的車輛段信號系統和試車線信號系統提出了整合改進方案。該改進方案與既有方案比較，可節省一套試車線ZC(區域控制器)、ATS、聯鎖及相關電源系統設備，試車線用房中信號系統所需的房間也可節省，且減少了信號系統自身與附屬工程(風水電)的投資。

基于改進方案，可將試車線調度和車輛段調度/值班員崗位進行合并，一來可以達到減員增效的目的，二來取消了車輛段調度和試車線調度間的工作交接，也可盡量避免產生人為失誤。此外，該改進方案將試車線的室外設備納入到車輛段信號系統中，取消原車輛段聯鎖與試車線聯鎖的接口電路，轉為采用設備內部邏輯控制，既降低了設備故障發生率，又可減輕設備的維修工作量。