跨座式單軌全自動運行系統關鍵接口分析

邱 鵬，趙曉峰

作為典型的中運量軌道交通制式，跨座式單軌車輛在運行時，采用橡膠車輪騎跨在軌道梁上，兩側的導向輪和穩定輪抱住軌道梁，保證列車安全平穩行駛［1-2］。蕪湖1、2號線全長46.8 km，最快運營速度80 km/h，采用帶計軸的CBTC信號系統，最高支持無人值守UTO模式。本文以該項目為例，參考國際相關標準的同時，結合國內全自動運行地鐵信號系統［3］和既有跨座式單軌設計規范［4］，分析描述跨座式單軌全自動運行信號系統的關鍵接口。

1 系統架構

跨座式單軌信號系統采用自動化等級最高的GOA4級移動閉塞無線CBTC系統，最小列車運行間隔90 s，自動停站精度可達±15 cm，其系統架構見圖1。該系統由軌旁和車載ATP/ATO、全電子計算機聯鎖、列車自動監控ATS、數據通信DCS等組成。

圖1 跨座式單軌信號系統架構

軌旁ATP/ATO用于計算移動授權，每個集中站設置1套；車載ATP/ATO 用于超速防護和自動運行等，常用于4/6/7/8 節固定運營編組；全電子計算機聯鎖用于進路控制，主機設置在集中站，最具特色的遠程接口單元分布在每個車站機房，進行軌旁設備的采集和驅動［5］；ATS 設置中央和車站/車輛段2級，根據時刻表監控系統運營；DCS采用LTE-M 技術，在跨座式單軌應用時，配置和安裝更加靈活［6］。

2 關鍵接口

2.1 中心接口

ATS 和DCS 是控制中心的主要設備，在全自動運行系統應用時有不少新變化。ATS 子系統接口的特有功能如下。

1）位于中心的綜合監控ISCS 接口向ATS 提供牽引供電區段狀態，能夠觸發信號系統的聯動功能，對斷電區段自動施加零速限制，并根據該區段的長度和列車當前速度，自動控制列車滑過該區段或停在該區段前［7］。

2）位于折返站的氣象站設備通過軌旁高速有線網絡向ATS 發送線路的溫度、濕度、2 min 或5 min 的平均風速和風向。當風速達到8 級時，操作員核實后設置臨時限速；風速達到11 級時實施停運，以規避橫風激擾下車輛運行失穩甚至脫軌的風險［8］。

3）地震儀位于信號設備室內，能對地震活動進行監測，當地震期間地表活動達到一定極限（里氏5 級）時，通過軌旁高速有線網絡發送警報至控制中心，ATS系統會停運系統中所有列車［9］。

4）作為新型的全自動運行輔助監控設備，車輛調工作站屬于ATS，通過軌旁高速有線網絡、車地無線網絡直接獲取車輛設備的運行狀態，包括牽引電機、制動系統、轉向架、列車門、煙霧傳感器等，同時提供空調溫度調節和車內照明開關等遠程控制，并能根據列車位置自動匹配節能策略，如回段列車在最后一個站臺清客后，自動關閉空調和照明等。

DCS 子系統包括軌旁高速有線網絡和車地無線網絡。在實施LTE-M 網絡制式時，遇到如下2個接口問題：①LTE 網絡設備正常運行必須使用IEEE 1588 PTP（Precision Time Protocol，精確時鐘同步協議）時鐘源［10］，即需要安裝獨立的時鐘源系統，但傳統信號系統則要求與通信主時鐘進行同步，信號系統內部所有設備均應使用通信主時鐘，為此，車地無線LTE 相關設備采取使用1588時鐘為主的方案，并定期手動與通信主時鐘校核；②LTE 的演進分組核心網EPC 設備的冗余策略發生變化，通常2套EPC設備均設置于控制中心，但跨座式單軌軌道梁采用分段施工，導致在軌道梁貫通前，全線電光纜通道無法連接，因此需要將2 套EPC 分置在控制中心和車輛段，這樣每段線路在調試階段均有EPC，相應的無線設備也可正常工作。此外，試車線還需配置獨立的小型EPC，以便試車時與運營設備進行網絡隔離。

2.2 軌旁接口

軌旁外圍設備主要與全電子計算機聯鎖接口，包括計軸、道岔控制柜、信號機等，其功能與地鐵信號系統基本一致，但也有面向跨座式單軌的新功能。

由于跨座式單軌車輛膠輪無法直接檢測，因此需要計軸在安裝接口上進行定制設計［11］。為了便于施工和維護，計軸車輪傳感器和軌旁接線盒通常安裝在每個橋墩的高架平臺上，見圖2。傳感器與車輪之間的距離也保持在可靠檢測范圍內，不同廠商的計軸設備略有不同。最困難的部分是車輛車輪的可檢測性，走行輪、導向輪和穩定輪都被包裹在車體內部，只有穩定輪的下表面露出車外，但其表面不平整且面積小，因此需要額外安裝一片金屬擋板作為模擬輪，并留出穩定輪充氣的操作孔。每列車配置4 塊模擬輪，兩端最外側的穩定輪左右各安裝1片。

圖2 跨座式單軌計軸軌旁安裝

跨座式單軌系統的道岔有換梁型道岔和樞軸型道岔［12］2種。前者是2位置，根據曲率半徑的不同，最大側向通過速度23～32 km/h，多用于需要提高運行效率的終端折返站和出入庫咽喉區域；后者有2/3/4 位置等子類型，個別廠商還支持 5 位置［13］，但其可動梁分成關節小段，以保證列車通過所需要的曲率半徑，最大側向通過速度8～12 km/h，多用于車輛段和停車場，有助于降低場段的整體占地面積。

每組道岔均配有一套現地安裝的道岔控制柜，柜內包括控制面板、可編程控制器（PLC）、安全繼電器、整流器等。如圖3 所示，全電子計算機聯鎖通過遠程接口單元，與道岔控制柜進行采集和驅動交互。正常情況下，道岔控制柜處于遠程自動模式，接收全電子計算機聯鎖的遠程控制命令，通過交流電機帶動軌道梁和供電軌轉換位置；如遇故障維修或日常保養時，可通過控制面板上的開關，切換到現地手動模式進行單操和循環，這些功能和場景與傳統地鐵有很大不同。

圖3 跨座式單軌多位置樞軸型道岔接口

需要注意的是，當道岔從信號遠程自動轉為現地手動控制時，需按下設置在車控室綜合后備盤上的非自復式道岔人工授權按鈕，吸起道岔授權繼電器DCSQJ，點亮道岔授權表示燈DCSQD，觸發道岔控制柜內PLC 啟動50 s 延時保護，即該時間內道岔遠程和現地控制均無效，確保最長編組的人工駕駛列車也能完全通過道岔區域；現地維修工程師確認列車完全通過道岔后，由車控室人工恢復授權按鈕，同時熄滅表示燈。該按鈕操作狀態也會同步由維護支持系統MSS 進行采集。當道岔從現地控制轉為信號遠程控制時，則不需要人工確認按鈕和延時保護。

信號機接口與地鐵信號系統類似，只是由于安裝在線路外側，后期維護難度較大。

緊急停車按鈕和人員防護開關按照全自動運行地鐵信號系統要求設置，并進一步優化人員進出管理流程，將人員防護開關安裝在車控室內，施工人員登記要點、領鑰匙、激活開關一次性完成［14］。

站臺門接口功能滿足全自動運行信號系統的需要，值得一提的是跨座式單軌信號系統可以做到僅對單個故障門進行重復開關。

2.3 車載接口

車載信號設備在列車兩端各設置1 套，其車載控制接口見圖4。車載信號VATC 核心設備是車載信號控制器CoHP-2 和車載信號接口子架IFCD，外圍設備主要有速度傳感器、信標讀取器、車載無線單元、車載二層交換機等，與車輛之間的接口有列車線接口、列車管理系統TMS 接口、電源、接地等。車載顯示屏與車載信號無直接接口，相關列車運行信息由TMS接收后轉發。

圖4 跨座式單軌車載控制接口

由于膠輪關系，霍爾感應式的速度傳感器安裝在轉向架牽引電機的側面，采集的速度脈沖與走行輪的速度不盡相同，因此車載信號設備在計算實際速度時，需使用差速比系數進行折算。

信標讀取器用于讀取地面的信標，以便車載信號設備進行實際位置判定和消除定位誤差。由于軌道梁上平面十分狹窄，跨座式單軌的軌旁信標均安裝于側面，為了使不同朝向的列車都能讀到信標，同一位置需要在軌道梁兩側均安裝信標，并且使用相同編碼。

跨座式單軌列車的運行模式有全自動運行FAM 模式、受控人工駕駛MCS 模式和全人工EUM模式。FAM 模式是正常運營方式，列車在車輛段和正線的全程處于無人值守全自動運行狀態；當需要使用MCS 模式時，由于跨座式單軌列車沒有獨立的駕駛室，多職能巡視員通過距離列車兩端最近的第1 個客室門登乘列車，將平時鎖起的隱蔽式人工控制臺取出，然后實施有ATP 防護的人工駕駛；全人工模式下，信號ATP 防護功能被旁路切除，列車在車輛TMS 限速下運行，為提高故障列車的救援效率，通常正線限速45 km/h，而車輛段和停車場由于包含出入段線的長大坡道，一般限速25 km/h。

在全自動運行系統中，車載信號設備與車輛之間的列車線接口關系到列車運行控制的技術安全。安全輸入列車線有運行模式、車門關閉且鎖閉、列車完整性、緊急制動回采、車鉤狀態；輸出列車線分安全和非安全2 部分，具體功能見表1。對于輸出列車線所代表的控制命令，信號和車輛之間需根據不同運行模式進行嚴格的控制責任劃分。

表1 跨座式單軌車載控制與運行模式

除運行模式、門使能等常用列車線外，車載信號設備與車輛接口的特有功能如下。

1）左/右側門阻止。該列車線用于控制車門的緊急逃生設備，確保車門緊急手柄在非安全情況下，不會打開左側或右側車門，高電平禁止，低電平使能。當列車在區間故障不能繼續運行時，車載信號會觸發，將面向緊急疏散平臺一側的車門解鎖，解鎖后的車門不會直接打開，還需要車內或車外的工作人員觸發緊急手柄，或通過車門鑰匙才能手動開門。如遇列車在道岔區域側向位置停車，在極個別情況下，列車兩側均會有部分區域朝向緊急疏散平臺，這時車載信號解鎖兩側車門。

2）牽引電控和摩擦制動雙PWM 需求控制接口。與地鐵全自動運行車輛一個PWM 控制接口不同，跨座式單軌系統將電制動和摩擦制動的控制級位和切換補償時機均交由車載信號設備處理，從而保證最大程度地使用車輛的牽引力和制動力。

列車啟動時，車載信號觸發加速命令和100%牽引電控PWM 需求，并在到達目標速度時逐漸減小正向牽引級位；當列車處于惰行狀態時，車載信號按照±3.6 km/h 幅度控制牽引加速和減速；列車制動時，車載信號觸發減速命令和牽引電控PWM 需求，并根據停車距離逐漸增大反向牽引級位（電制動）；當列車速度減至5 km/h時，為彌補反向牽引輸出功率急劇減小造成的電制動不足，車載信號轉而觸發減速命令和摩擦制動PWM 需求，并根據停車位置快速增大至100%。在整個牽引電控和摩擦制動過程中，車載信號會從車輛TMS 接口接收列車重量指示，以確定牽引力/制動力與加速度/減速度的等效折算關系，具體公式為

式中：F列車最大牽引力/制動力是根據牽引單元和制動單元的配置，計算整列車的牽引力和制動力；M列車AW2/3/4質量為不同載重工況下的列車質量，車載信號根據收到的重量指示選取偏大的質量，以便留有一定的控制余量，這里列車AW2 質量為車輛座位數＋每平米4 名乘客，AW3 為車輛座位數＋每平米6名乘客，AW4為車輛座位數＋每平米8名乘客；M轉動質量由車輛專業按照每節車質量和車輪直徑進行計算，通常取最大定值。

只有等效折算關系明確，車載信號在計算出目標加速度/減速度后，才能正確換算為級位需求，并通過牽引電控/摩擦制動PWM發生器發送至車輛。

此外，車載信號通過車輛TMS 接口也會發送牽引/制動級位需求，并與硬線PWM 脈沖控制方式互為冗余備份，從而保證列車以低速（20～25 km/h）進站；如遇車載信號設備全部故障時，需采用全人工駕駛模式，駕駛車輛至最近的站臺進行清客，此時軌旁進路依然可以通過ATS 自動觸發和全電子計算機聯鎖執行［15］。

3）車輛待機模式命令，主要用于車載信號設備自動觸發退出運營車輛的休眠和喚醒。當車載信號設備通過車輛TMS 接口下發該命令時，車輛進入節能模式，即空調、照明、乘客信息關閉或息屏；反之，則啟動進入運營模式。該命令也可通過休眠/喚醒列車線接口方式實現。

3 輔助系統

跨座式單軌與其他軌道交通制式最大的不同在于，如果道岔沒有轉動到位，線路上會出現斷軌。為避免列車在此情況下沖出軌道梁的風險，FAM 和MCS 模式列車均由信號系統保證運行安全，但全人工模式列車需要單獨進行防護，所以通常會有一套獨立的手動駕駛輔助系統［16］，見圖5。

圖5 跨座式單軌手動駕駛輔助系統

手動駕駛輔助系統由軌旁和車載2 部分組成。軌旁包括道岔狀態分析柜、信標控制盒、有源信標和無源信標；道岔狀態分析柜用于和道岔控制柜接口，實時監測道岔位置和鎖定狀態；信標控制盒用于和有源信標接口；有源信標用于向列車發送道岔位置和狀態；無源信標用于標識線路需要限速的位置，如道岔區域、線路盡頭、車輛段/停車場等。手動駕駛輔助系統的信標與信號系統的信標是相互獨立的，兩者工作頻率不同，安裝位置也需避讓至少3 m。車載部分主要是手動駕駛輔助控制單元，根據沿線讀取的信標向司機提示相應限速，并在列車時速突破制動曲線時觸發緊急制動。

4 結語

我國第一條跨座式單軌開通十多年，但是該制式目前仍處在各集成商車不同、軌也不同的局面，本文從在建項目實踐著手，一方面借鑒鋼輪鋼軌制式的全自動運行系統系列標準，另一方面結合信號、道岔和車輛設備的自身特點，進行跨座式單軌全自動運行系統的設計。

從全自動運行系統架構、關鍵接口、輔助系統等方面分析后認為，跨座式單軌全自動運行系統的主要接口功能與地鐵全自動運行系統類似，但是因其特有工況，如膠輪車輛三面抱軌、軌道梁窄小、道岔不到位可能有斷軌等，使得該制式在控制中心更需要有完備的運行環境監測和聯動，如供電、氣象、地震等；軌旁有安全的道岔控制過程防護；車載有信號和車輛高度集成的列車運行控制方式；并通過增設獨立的輔助系統，完善跨座式單軌系統的運營手段。這些技術實現既可以作為跨座式單軌標準修編的參考，也能對全自動運行地鐵標準的進一步豐富提供輸入，進而有益于更好地推廣中運量軌道交通制式。