CBTC城市軌道交通工程車ATP應(yīng)用研究

黃 璞, 黃海榮

（1.新譽(yù)龐巴迪信號(hào)系統(tǒng)有限公司，江蘇常州 213166；2.蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050）

截至2019年12月31日，國(guó)內(nèi)累計(jì)有40座城市開(kāi)通城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到6 730.27 km，運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的上海市已經(jīng)達(dá)到801.34 km。目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路電客車均已裝備ATP列車超速防護(hù)系統(tǒng)，且近年新建線路均采用基于無(wú)線車-地通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）。但城市軌道交通工程車（簡(jiǎn)稱工程車）由于考慮到建設(shè)及運(yùn)維成本等原因，普遍未裝備ATP設(shè)備。隨著運(yùn)營(yíng)里程、線路設(shè)備的增多，對(duì)日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)也提出了更高的要求，工程車作為線路快速維護(hù)的運(yùn)輸工具，使用也更為頻繁。為更好地保障運(yùn)維作業(yè)的行車安全，避免人為因素導(dǎo)致的超速、闖紅燈等危害安全的事件發(fā)生，新建線路時(shí)，各軌道交通運(yùn)營(yíng)公司均已在考慮加裝CBTC車載ATP設(shè)備。

1 城市軌道交通工程車簡(jiǎn)介

1.1 工程車運(yùn)用環(huán)境

工程車的主要用途是在車輛段、停車場(chǎng)內(nèi)對(duì)故障列車或無(wú)電區(qū)域的列車進(jìn)行調(diào)車作業(yè)，日常運(yùn)維過(guò)程中對(duì)軌道交通設(shè)施設(shè)備的維護(hù)檢測(cè)、維修，以及在正線進(jìn)行維修物料的運(yùn)輸、故障列車的救援等。

1.2 工程車種類及其作用

工程車種類繁多，用途也各不相同，按動(dòng)力可分為內(nèi)燃機(jī)車、電力（蓄電池）工程車及無(wú)動(dòng)力工程車。但日常使用中，一般習(xí)慣按功能用途對(duì)工程車進(jìn)行分類，根據(jù)用途常用工程車詳細(xì)分類如表1所示。

表1 軌道交通工程車分類Tab.1 Classification of Urban Rail Transit Engineering Vehicle

2 CBTC工程車ATP安裝研究

2.1 工程車ATP系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)工程車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用車地雙網(wǎng)、雙司機(jī)HMI屏、單車載CBTC設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)方式，單套車載CBTC設(shè)備采用二乘二取二或三取二冗余方式，具體如圖1所示。

2.2 安裝環(huán)境

工程車ATP機(jī)柜設(shè)計(jì)、安裝時(shí)需考慮到工程車獨(dú)有的特點(diǎn)，在機(jī)柜工藝設(shè)計(jì)方面與電客車ATP機(jī)柜進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下方面。

圖1 工程車ATP系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of engineering vehicles ATP system

1）安裝位置空間的差異。電客車安裝位置一般在司機(jī)室左側(cè)（車頭、車尾各1套）或列車中央位置（單套），且均為豎放安裝；但工程車由于空間比較狹小且不同類型工程車空間各不相同，安裝位置無(wú)法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且根據(jù)實(shí)際位置需設(shè)計(jì)豎放或橫放機(jī)柜。

2）防塵措施的差異。工程車相比電客車空間密封性較差，且設(shè)備運(yùn)行環(huán)境可能灰塵較多，如鋼軌打磨車等。故在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮更加可靠的防塵措施。

3 CBTC工程車ATP功能研究

3.1 CBTC工程車篩選

CBTC列車篩選的目的是為了探測(cè)非CBTC列車和CBTC列車不存在于同一區(qū)段，只有確定列車前方無(wú)影子車時(shí)，該列車才能獲得向前運(yùn)行的移動(dòng)授權(quán)，只有確定列車前后方均無(wú)影子車時(shí)，該列車才可在CBTC追蹤模式下運(yùn)行。列車篩選過(guò)程如下。

1）未經(jīng)過(guò)篩選的通信列車，默認(rèn)該列車前后均存在影子車。

2）車頭篩選：若列車運(yùn)行前方區(qū)段空閑并且定位報(bào)告有效，列車最小車頭到前方計(jì)軸器的距離不大于系統(tǒng)允許的最小列車長(zhǎng)度時(shí)，則判定車頭篩選通過(guò)。

3）車尾篩選：若列車運(yùn)行后方區(qū)段空閑并且定位報(bào)告有效，列車最大車尾到后方計(jì)軸器的距離不大于系統(tǒng)允許的最小列車長(zhǎng)度時(shí)，則判定車尾篩選通過(guò)。

列車篩選如圖2所示。

圖2 列車篩選示意圖Fig.2 Schematic diagram of train sieve

其中列車最大車尾到后方計(jì)軸器的距離，由車頭根據(jù)自身的位置結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中列車車長(zhǎng)計(jì)算而來(lái)。但如上文所述，工程車種類繁多，且部分類型工程車常需連掛作業(yè)，作業(yè)工程車長(zhǎng)度并不像列車一樣是固定編組長(zhǎng)度。工程車編組方式靈活多樣，長(zhǎng)度不固定導(dǎo)致CBTC系統(tǒng)無(wú)法對(duì)工程車車尾進(jìn)行篩選，工程車無(wú)法根據(jù)移動(dòng)閉塞方式進(jìn)行追蹤作業(yè)。故對(duì)工程車篩選，提出以下兩種篩選方案。

方案一：按固定編組模式進(jìn)行車頭、車尾篩選

CBTC系統(tǒng)對(duì)每一列車包括裝備有ATP的工程車，均賦予唯一的ID身份識(shí)別號(hào)，以便為每一列車計(jì)算各自的移動(dòng)授權(quán)。針對(duì)工程車編組方式靈活多樣，需在CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立1個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)表，該靜態(tài)數(shù)據(jù)表需包括：工程車類型、編組數(shù)、工程車長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)初根據(jù)運(yùn)營(yíng)公司對(duì)工程車車體的編號(hào)規(guī)則錄入，并將每類型工程車對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度寫入系統(tǒng)，具體如表2所示。

完成編組的工程車上線作業(yè)時(shí)，運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員或工程車司機(jī)需在HMI界面上手動(dòng)輸入工程車類型及相應(yīng)編組數(shù)等信息數(shù)據(jù)，CBTC系統(tǒng)根據(jù)輸入的信息索引靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的工程車類型及長(zhǎng)度，并根據(jù)ATP設(shè)備ID號(hào)建立虛擬列車ID號(hào)，該列車ID號(hào)為CBTC系統(tǒng)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)唯一識(shí)別碼。依照固定編組長(zhǎng)度方式，CBTC系統(tǒng)即可進(jìn)行工程車車頭、車尾篩選，如圖3所示。

表2 工程車數(shù)據(jù)信息表Tab.2 Data information sheet of engineering vehicles

圖3 工程車司機(jī)HMI屏Fig.3 Driver display of engineering vehicles

方案二：工程車進(jìn)行車頭篩選，不進(jìn)行車尾篩選

由于編組后的工程車車長(zhǎng)不固定及考慮到工程車編組后，頭端的工程車和尾端的工程車可能無(wú)法進(jìn)行通信，系統(tǒng)無(wú)法確定工程車的列車長(zhǎng)度，導(dǎo)致車尾篩選無(wú)法進(jìn)行。故對(duì)工程車僅進(jìn)行車頭篩選，不進(jìn)行車尾篩選。列車完成篩選后，CBTC系統(tǒng)根據(jù)頭端ATP設(shè)備ID號(hào)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，車頭后編組的各車輛均視為非通信車，即該工程車依照移動(dòng)閉塞方式進(jìn)行前車追蹤，但后車依照固定閉塞方式追蹤該工程車。具體如圖4所示。

綜上所述，考慮到工程車使用的時(shí)間段主要集中在非運(yùn)營(yíng)時(shí)間，列車追蹤間隔較大，并且方案一在使用過(guò)程中存在人工輸入錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，故推薦使用方案二為工程車篩選方案。

圖4 工程車追蹤示意圖Fig.4 Schematic diagram of engineering vehicles tracking

另外，CBTC工程車篩選過(guò)程中系統(tǒng)允許的最小列車長(zhǎng)度，是系統(tǒng)預(yù)設(shè)的一個(gè)最小可篩選出的CBTC車長(zhǎng)，由各系統(tǒng)廠家的設(shè)備性能決定。如果工程車短于系統(tǒng)允許的最小車長(zhǎng)，系統(tǒng)將無(wú)法進(jìn)行篩選，故工程車上線時(shí)需保證其長(zhǎng)度大于系統(tǒng)允許最小車長(zhǎng)。

3.2 駕駛模式

ATP車載設(shè)備一般至少支持RM模式與CM人工駕駛模式，裝備ATO設(shè)備的還支持AM模式。但工程車類型復(fù)雜、編組靈活多樣，目前各信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備廠商一般均無(wú)法提供自動(dòng)駕駛功能。同時(shí)，CBTC工程車已具備ATP人工駕駛模式，綜合考慮設(shè)計(jì)成本，不建議提供后備點(diǎn)式ATP功能。工程車駕駛模式具體如表3所示。

表3 CBTC工程車駕駛模式Tab.3 Driving mode of CBTC engineering vehicles

3.3 功能受限項(xiàng)

根據(jù)工程車ATP的系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)結(jié)合工程車的工作特點(diǎn)，與運(yùn)營(yíng)電客車相比，CBTC工程車ATP功能的受限項(xiàng)主要?dú)w納如下：

1）上線列車編組長(zhǎng)度需大于系統(tǒng)允許最小車長(zhǎng)；

2）不提供列車自動(dòng)駕駛功能；

3）不建議提供點(diǎn)式ATP功能；

4）受限車門與屏蔽門無(wú)法對(duì)稱對(duì)齊，不提供車門控制功能。

4 安全影響分析

加裝ATP設(shè)備的CBTC工程車，上線運(yùn)行時(shí)將對(duì)既有CBTC信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生部分安全影響。通過(guò)危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析法進(jìn)行安全影響評(píng)估，所得風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)如表4所示。

通過(guò)安全影響評(píng)估，加裝了ATP的工程車可有效避免人為因素導(dǎo)致的工程車闖紅燈、工程車超速及列車追尾的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生；但加裝ATP的工程車解編后存在安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，故需通過(guò)運(yùn)營(yíng)規(guī)章制度嚴(yán)禁解編后的工程車使用CBTC模式繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通工程車裝備ATP設(shè)備，目前仍然處于前期探索應(yīng)用階段，用戶體驗(yàn)有待提高。隨著信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展革新，相信未來(lái)工程車均將列裝ATP設(shè)備，將更安全、更高效地服務(wù)于軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

表4 安全影響分析表Tab.4 Safety impact analysis table