面向全自動運行系統的ATP 自動過分相關鍵技術研究

李曉剛,呂文龍,賈慶東

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068;2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室,北京 100068;3.交控科技股份有限公司,北京 100070)

0 引言

統計顯示,截至2020 年5 月,中國大陸地區共有4座城市的10 條城市軌道交通運營線路采用全自動運行(fully automatic operation,FAO)系統,運營線路里程達209.43 km;10 座城市的39 條城市軌道交通在建線路采用FAO 系統,在建里程達1 278.08 km。 可以預見,中國大陸地區將有更多城市軌道交通新建線路及改造線路采用FAO 系統。 北京燕房線是國內首條具有完全自主知識產權的、按照全自動駕駛系統設計、開發、測試、部署的地鐵線路,已于2017 年年底開通運營。 2019 年9 月,設計速度達到160 km/h、具有市域快線特性的北京大興國際機場線開通運營。

大興機場線是全自動地鐵線路,采用高壓25 kV交流供電方式,在線路區間多個位置存在供電分區[1]。為提高線路運營效率、減少運營人員的工作量、提升全自動運行的智能化水平,需要具備實現全自動列車自動防護(automatic train protection,ATP)過分相功能。

1 傳統車輛過分相區方式分析

分相區指的是在交流牽引電氣化區段的兩個供電分區之間的接觸網無電區。 接觸網-受電弓-車輛-鋼軌形成一個完整的電流回路。 而相鄰的供電分區之間的電流方向是相反的,一個是A 相電,一個是B 相電。 如果機車車輛的受電弓同時跨接了兩個供電分區,會造成兩相相間短路,從而導致變電所跳閘、機車變壓器擊穿甚至接觸網塌架等嚴重事故。 所以《鐵路機車操作規程》中規定,嚴禁在分相區雙弓運行,在分相區必須斷開主斷路器[2]。 雙弓過分相短路故障如圖1 所示。

圖1 雙弓過分相短路故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of double pantograph passing neutral zone short circuit fault

動車組多采用通過感應地面磁鋼設備確定車輛與分相區的相對位置(地面磁鋼和車輛采集信號分別采用斜對稱埋設和備份接收,以保證自動過分相的安全和可靠)。 車輛根據其位置自動發出過分相信號,封鎖車輛牽引指令,斷開主斷路器;通過分相區后,自動閉合主斷路器/啟動牽引,從而實現車輛自動通過分相區[3]。 車輛自動過分相如圖2 所示。

圖2 車輛自動過分相示意圖Fig.2 Schematic diagram of vehicle automatic passing neutral zone

圖2 中:G1點為預告點位置,車輛接收到地面信號,進入預告模式;控制牽引電流下降至零,斷開輔機系統和主斷路器。 G2點為強迫斷點位置,車輛接收到強迫斷信號。 若按預告模式處理完畢,接收到強迫斷信號失效;否則,進入強迫斷模式,立即封鎖牽引電機電流,并分斷主斷路器。 G3為恢復點1,G4為恢復點2。 “恢復1”“恢復2”信號都可以使系統進入恢復模式,發出“合主斷”指令,并控制輔機系統重啟和恢復牽引電機電流。

除此之外,動車組可通過裝備車載ATP 設備實現自動過分相。 國內通常有以下3 種方式。

①ATP 控車并處于C2 等級時,通過接收地面應答器中的分相區信息,輸出過分相禁止信號和過分相控制信號,以實現自動過分相。

②ATP 控車并處于C3 等級時,通過接收無限閉塞中心發送的分相區信息,輸出過分相禁止信號和過分相控制信號,以實現自動過分相。

③在ATP 切除狀態下,通過車輛上的感應接收器接收地面磁鋼定位信號,確定動車組與分相點的相對位置,以實現自動過分相[4]。

綜上所述,動車組過分相時,在無信號系統參與情況下,車輛通過固定的磁鋼過分相。 在信號系統參與情況下,車載ATP 通過地面應答器或無限閉塞中心信息實現自動過分相。 但是信號系統兩種過分相方式中,車輛與信號系統交互彼此狀態信息有限,各自獨立完成。 在發生信號系統未輸出過分相或無效輸出時,需要立刻人工介入,切換人工過分相維持運營[5]。 司機需要在每次過分相時,通過顯示屏實時關注信號系統的過分相情況,以便隨時介入。 另外,采用自動過分相裝置時,如果在切斷牽引時車輛速度較低,極有可能發生車輛惰行停在分相區無電區內的情況。 若發生這種情況,則需由司機向控制中心匯報,由調度人員協助進行分相區供電,倒切車輛受電弓,從而實現車輛再次啟動。 這種方式操作復雜、耗費人力且影響行車效率。而在全自動運行中,車輛通過分相區時,司機可能未在車輛或司機室內,如發生上述過分相失敗,會降低全自動運行的可靠性和可用性。

2 全自動運行系統自動過分相分析

在全自動運行系統條件下,車輛運行過程中可能無司機值守。 而分相區設置在區間,如發生停在分相區事件,會大大降低全自動系統的可用性。 相對于有司機值守運行車輛,全自動運行情況下的分相區救援時間更長、影響范圍更廣,使安撫故障車輛乘客的難度更大。

在車輛ATP 自動過分相基礎上,針對全自動運行系統需要進一步優化車輛自動過分相功能,實現車輛全自動運行過程中的分相區位置校正、分相區車輛入口速度控制,以及結合車輛移動授權控制,保證車輛自動通過分相區,避免車輛帶電過分相區或在分相區停車的情況,從而提高全自動系統的可用性、減少因分相區失敗而救援的次數。

綜合考慮全自動系統特點及自動過分相區的功能,需要重點關注以下內容。

①結合車輛性能參數、網絡傳輸延遲、線路和分相區參數,確定用于分相區入口及出口位置的應答器設置地點,進行車輛接近及離開分相區的位置校正。

②通過一套計算方法,確保車輛惰行通過分相區的入口速度、出口速度,保證車輛自動通過分相區,避免車輛停在分相區內。

③根據確定的入口速度,計算允許的車輛啟動位置,確定分相區防護信號機的設置地點。

3 自動過分相的流程分析

分相區前,車載信號通過當前位置、速度和網絡通信狀態等元素進行判斷,向車輛發送過分相使能,使車輛網絡系統確認使用信號系統過分相功能;否則,網絡會忽略信號系統發送的指令,倒切為采用地面磁鋼過分相功能。 基于此,可實現無需司機參與,信號系統過分相功能和磁鋼過分相功能自動倒切的全自動系統過分相,使磁鋼過分相功能作為信號系統過分相的后備功能,提高整車過分相的可靠性和可用性。

信號系統自動過分相流程如下。

首先,車載ATP 通過地面應答器確認車輛位置,判斷即將到達分相區,向車輛持續發送ATP 自動過分相使能信號。 僅當車載ATP 設備判斷滿足以下所有條件時,方可向車輛發送“ATP 自動過分相使能信號”;否則,禁止向車輛發送該信號。 車載ATP 判斷發送使能信號的條件為:車輛當前模式在點式、基于通信的列車控制(communication based train control,CBTC)系統或FAO 模式;車輛運行速度高于過分相最小入口速度;車載ATP 與車輛通信正常。

其次,車輛網絡[6]根據收到的ATP 自動過分相使能信號,向車載ATP 系統反饋其接收狀態。 車載ATP在判斷其過分相使能有效和車輛準確接收到使能信號后,會向車輛發送ATP 自動過分相指令。 車輛網絡收到此信號后,開始降負載,斷開主斷路器,完成車輛過分相前準備[7]。 注意:若車輛持續超過一定時間(一般為1 s,可配置)未反饋接收到過分相使能,則車載ATP 立即撤銷ATP 自動過分相使能信號且不會發送過分相指令。 后續由車輛網絡直接通過軌旁磁鋼自動過分相區。 最后,車載ATP 在過分相區過程中,會主動控制切除車輛牽引,維持車輛惰行,實現配合車輛通過分相區。 車載ATP 通過地面應答器確認車輛已經離開分相區指示位置,車載ATP 立刻撤銷ATP 自動過分相使能信號及ATP 自動過分相指令,恢復正常控車輸出繼續運營。

ATP 自動過分相流程如圖3 所示。

圖3 ATP 自動過分相流程圖Fig.3 Flowchart of ATP automatic passing neutral zone

4 自動過分相的關鍵技術分析

4.1 分相區位置校正

在正向和反向即將到達分相區入口處的適當地點,設置用于校正分相區位置的無源應答器,使車載ATP 校正當前位置。 應答器位置應考慮到車載ATP處理應答器報文的延時、丟失應答器的位置誤差、信號系統與車輛列車控制監控系統(train control monitor system,TCMS)的通信延遲時間、車輛反饋時間以及車輛可能的運行速度等因素。 根據以上因素計算得出的距離值還需累加軌旁預告點G1的位置,從而實現信號系統過分相使能提前于磁鋼信息發給車輛網絡。

在正向和反向已經離開分相區出口后的適當地點,設置用于校正分相區位置的無源應答器,使車載ATP 確認已離開分相區范圍。 出口處應答器設置位置應保證車尾已出清分相區。

4.2 分相區入口速度及出口速度控制

在正向和反向進入分相區之前設置信號機。 此信號機與分相區之間的距離應滿足車輛在該信號機前方停車再啟動后,車輛到達分相區起點時的車輛速度。該設計能夠保證離開分相區終點時,車輛仍能具備一定的運行速度,避免車輛分相區內惰行至停車,造成分相區救援。

4.3 移動授權控制

為避免車輛過分相時停在無電區內,車載ATP 需將車輛移動授權與分相區位置匹配。 移動授權終點不得落在分相區內。

在CBTC 級別計算移動授權時,應保證分相區有車占用情況下,移動授權不允許越過分相區防護信號機;僅前方車輛出清分相區且距離分相區末端距離大于一定值時(一般考慮一列車輛長度),方可將移動授權越過分相區。

后備級別下,按后備進路模式進行防護,即進路完全空閑時方可開放分相區防護信號機。

分相區車輛移動授權如圖4 所示。

圖4 分相區車輛移動授權示意圖Fig.4 Schematic diagram of vehicle movement authorization in neutral zone

4.4 信號系統軌旁設備配置

下面將對結合上述流程和關鍵點分析,對全自動運行系統車載ATP 自動過分相的軌旁設備布置原則進行闡述。

ATP 自動過分相的雙向軌旁設備布置如圖5所示。

圖5 ATP 自動過分相的雙向軌旁設備布置示意圖Fig.5 Schematic layout diagram of two-way trackside equipment layout for ATP automatic passing neutral zone

分相區防護信號機及計軸:在正向和反向即將到達分相區起點處的S 信號機距離處,設置分相區防護信號機和計軸[8],保證車輛移動授權與分相區位置匹配,并滿足車輛自動過分相區的入口速度及出口速度要求。

分相區入口位置校正應答器:在正向和反向即將到達分相區入口處的S 預告距離處,設置用于校正分相區位置的無源應答器;由車載ATP 進行位置校正,并根據位置發出ATP 自動過分相指令。

分相區出口位置校正應答器:在正向和反向已經離開分相區出口后的S 出口距離處,設置用于匯報分相區位置的無源應答器;車載ATP 進行位置校正,并根據位置發出撤銷自動過分相區指令。

通過上述全自動運行系統ATP 自動過分相的軌旁設備布置,結合ATP 系統流程和關鍵點設計,可實現ATP 控制車輛自動通過分相區,以及ATP 控制無效時自動倒切磁鋼過分相功能。 該設計可避免車輛帶電過分相區或在分相區停車的情況。

5 自動過分相技術的應用前景

全自動運行系統新增的過分相功能對既有信號設計原則提出了更多、更復雜的要求。 只有在系統功能開發與軌旁信號設備布置配合到位、思路一致的條件下,才能整體保證全自動運行系統功能的準確性和穩定性。 本文提出的全自動運行系統ATP 自動過分相解決方案,可有效提高帶分相區的全自動系統的可靠性和可用性,可推廣應用于有分相區的全自動運行線路中。 需要特別說明的是,由于城市軌道交通不同線路車輛性能[9]及線路參數不盡相同,在實際應用中需對相關參數進行校核確認,并考慮一定裕量,從而得出適應實際工程的全自動ATP自動過分相實施方案。

6 結語

本文研究了適用于具備分相區的城市軌道交通全自動運行系統ATP 自動過分相的解決方案,并對ATP自動過分相的流程、關鍵點、配置原則等內容進行了闡述。 通過軌旁信號設備布置、車載ATP 系統功能和車輛網絡相結合的方式,實現在車輛運行過程中提前進行分相區使能確認,并保證車輛到達分相區之前具備一定速度,從而實現車輛自動惰行通過分相區,避免車輛帶電過分相區或在分相區停車的情況。 全自動運行系統ATP 自動過分相的應用降低了司機和調度人員的工作強度,并提高了乘客舒適度,提升了全自動系統過分相區的可靠性和可用性。