蕪湖跨座式單軌交通信號系統應用方案及關鍵技術創新

王 力

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

蕪湖是國內首個全網建設跨座式單軌交通的城市,相較于已開通運營的重慶單軌,蕪湖跨座式單軌交通主要適應中低運量客流,可滿足中小城市軌道交通建設需求[1]。

信號系統擔負著指揮列車運行、保證行車和乘客安全、提高運輸效率的重要任務[2]。國內跨座式單軌已運營項目為重慶軌道交通2 號線、3 號線,2 號線一期工程于2005 年6 月開通運營,3 號線一、二期工程于2011 年底開通運營,開通運營距今已有較長時間。信號系統采用當時較為先進技術,但難以滿足目前跨座式單軌信號系統建設的新需求。針對蕪湖輕型跨座式單軌交通建設需求[3],開展信號系統部分關鍵技術創新,確保信號系統先進性,并為安全運營提供保障。

1 國內跨座式單軌交通信號系統應用現狀

1.1 重慶2 號線

重慶2 號線采用日信公司的ATP/TD 環線,為速度碼方式的固定閉塞制式系統。根據牽引計算結果,將線路劃分成固定的閉塞分區,并在軌道梁肩部預埋每個閉塞分區的TD 環線。TD 環線接收來自車頭及車尾發出的TD 信號,用以確定列車的位置。系統根據TD 環線中列車位置以及列車前方空閑的區段數,列車的停車點等信息,確定列車的速度等級,并通過TD 環線向列車發送速度碼,從而實現對列車實施連續控制和列車安全間隔的控制[4]。

車輛段僅采用TD 環線檢測列車位置,而不向列車發送ATP 碼。在車輛段內按照地面信號機的顯示行車,采用限速人工駕駛模式。在信號機前方通過環線向列車發送M 碼,實現防誤出發功能。重慶2 號線南延線信號系統采用國內大成公司的ATP/TD 環線系統。

1.2 重慶3 號線

重慶3 號線正線采用了日立公司基于無線通信的移動閉塞(CBTC)系統,為保證CBTC 系統故障下列車具備運行能力,設置了聯鎖級降級模式[5],列車位置檢測采用計軸設備。計算機聯鎖和ATS 子系統均采用國產設備(交大微聯和鐵科)。CBTC 系統原理配置與鋼輪鋼軌制式完全相同,只是在軌旁及車載設備安裝和使用方式上有所不同。

車輛段采用計軸作為車輛占用檢測設備[6],以地面信號機顯示行車,采用人工限速駕駛模式。在出入庫以及咽喉區設置有源應答器,實現列車的防誤出發功能。

2 蕪湖跨座式單軌交通信號系統建設需求

2.1 工程概況

蕪湖軌道交通先期建設項目為蕪湖1 號線、2 號線一期工程。1 號線全長30.460 km,全線高架敷設,共設車站25 座,設有車輛段及停車場各1 座;2 號線一期全長15.787 km(地下線長1.409 km,地面及高架線14.378 km),共設車站11 座(高架站10 座、地下站1 座)及車輛段1 座。設置全網5 條線路共用的控制中心1 座,負責各線路運營調度指揮。正線困難地段線路最大坡度60‰,最小曲線半徑50 m。軌道梁為30 m 跨度的連續鋼構PC 軌道梁,整體梁型道岔;單軌車型為龐巴迪INNOVIA Monorail 300 系(無人駕駛列車);供電采用DC750V 接觸軌側面受流方式。

2.2 運營組織需求

線路為雙線,右側行車。全線運營時間為5:30～23:30,全天共計運營18 h,其余時間用于線路維護和設備檢修。列車最高運行速度為80 km/h,列車旅行速度35 km/h。1 號線初、近、遠期均為6 輛編組,2 號線初期為4 輛編組,近、遠期為6 輛編組。1 號線、2 號線遠期高峰小時最大列車開行對數分別為30 對、28 對。

2.3 系統功能需求

(1)系統基本功能需求

為適應運營組織需求,信號系統應包括以下基本功能。

①保列車安全運行

為列車提供安全進路,確保列車安全間隔,確保列車移動速度,提供移動授權,監督列車移動等。

②列車自動駕駛

確定運行曲線,根據運行速度曲線控制列車運行,車站定點停車等。

③監督軌道

防止列車與障礙物相撞,防止列車與站臺進入軌道區域人員相撞,保護軌道上的作業人員等。

④監督乘客乘降

控制列車門和站臺門,防止乘客掉落在站臺與列車間隙受傷,確認列車啟動條件等。

⑤列車運行管理

管理列車駕駛模式,管理車輛段和停車區,改變列車運行方向,監督列車狀態等。

⑥運營調度管理及監督

時刻表管理,管理人機交互界面,維護管理等。

⑦適應救援方式

適應動力牽引列車救援和地面救援等方式[7]。

(2)系統特殊功能需求

已建成的重慶跨座式單軌采用日立技術,而蕪湖跨座式單軌基于龐巴迪技術進行國產化技術創新,在車輛、道岔、軌道梁等核心技術方面與重慶單軌有一定差異(見表1)。蕪湖跨座式單軌應用了全自動運行技術,使信號系統較重慶跨座式單軌在一些特殊功能需求上存在一定差異,信號系統主要功能差異見表2。此外,由于車輛制式差異及道岔控制通過軌旁道岔控制柜實現等原因,結合軌道梁及道岔設置情況,信號系統還需合理確定軌旁設備安裝方式,做好與道岔控制系統接口[8]。

表1 蕪湖與重慶跨座式單軌核心技術差異

表2 蕪湖與重慶跨座式單軌信號系統主要功能差異

3 蕪湖跨座式單軌信號系統應用方案

3.1 信號系統總體方案

蕪湖跨座式單軌信號系統采用基于通信的列車自動控制系統(CBTC)制式,正線與車輛段/場一體化設計,應用新譽龐巴迪公司CITYFLO 650 系統。系統運營自動化等級按滿足GOA4 級設計,可實現UTO(無人值守列車自動運行)等級下列車全自動無人駕駛。CITYFLO 650 系統主要由ATS(列車自動監控)、ATP(列車自動防護)、ATO(列車自動運行)、CBI(計算機聯鎖)、DCS(數據通信)和MSS(維護監測)6 個子系統組成。

CBTC 系統降級采用聯鎖級控制方式,主要由地面信號機、計軸設備與聯鎖設備共同構成基本降級系統。正常運行模式下,正線室外信號機點燈[9]。

信號系統車地通信采用TD-LTE 技術,利用一套LTE 設備綜合承載CBTC、PIS/CCTV(緊急狀態下)、車輛、緊急報文(緊急狀態下)和車載調度系統信息。

信號CBTC 系統駕駛模式包括FAM(全自動模式)、CM(ATP 監督下的人工駕駛模式)和EUM(全人工模式)[10]。

信號系統信息安全防護按等級保護(三級)基本要求,考慮全方位的技術防護措施[11]。

3.2 系統構成

(1)ATS 子系統

ATS 子系統為分布式監控系統,分別在控制中心、備用控制中心、一級設備集中站、二級設備集中站、非設備集中站、車輛段/停車場、試車線以及培訓中心設置相應的ATS 設備,系統設備通過DCS 系統連接,構成一個高度智能的自動化網絡行車調度系統。系統對關鍵設備(如CTC(服務器、TMS 服務器、本地ATS 服務器、網關計算機、調度工作站和列車控制工作站等),均采用雙機熱備或集群配置的冗余方式,以保證系統可靠性。

(2)ATP 子系統

ATP 子系統主要由RATP(軌旁ATP)及VATP 組成(車載ATP)。RATP 設備主要包括在每個一級設備集中站設置的“2 乘2 取2”安全冗余結構的區域自動控制器(ZC),控制中心設置了RRS(區域恢復服務器)。每列車在車頭車尾分別配置1 套車載VATP 設備,2 套VATP 共同構成“2 乘2 取2”的安全冗余結構。除車載顯示屏外,當主設備故障時會自動切換到備用設備(為無擾切換),不影響列車正常運行或司機正常駕駛。

(3)ATO 子系統

ATO 子系統主要由RATO(軌旁ATO)及VATO組成(車載ATO)。RATO 子系統設備位于一級設備集中站、車輛段/停車場的RATO 機柜內。RATO 子系統采用熱備冗余結構。每列車在車頭車尾分別配置1 套車載ATO 設備,2 套VATO 共同構成熱備冗余。

(4)CBI 子系統

聯鎖子系統采用EBI Lock 950 型全電子計算機聯鎖系統,主要由聯鎖主機和目標控制器(OC)組成。聯鎖主機設置于一級設備集中站,目標控制器設置于一級集中站和二級集中站。聯鎖主機采用“2 乘2 取2”安全冗余架構,目標控制器(OC)通過全電子執行電路,直接連接信號機、計軸和緊急停車按鈕等軌旁控制對象,以采集設備狀態,并對其進行控制。

(5)DCS 子系統

數據通信子系統(DCS)是一個專有通信系統,由數據傳輸系統(DTS)、車地通信系統(TWC)及網絡管理系統(NMS)構成。DCS 子系統在各設備之間通過有線網絡和無線網絡實現雙向通信,用以提供各設備子系統之間的有線信息傳輸以及地面設備與車載設備之間的無線信息傳輸。

(6)MSS 子系統

維護監測子系統(MSS)由維修中心、正線、控制中心、車輛段/停車場的維護監測設備組成,主要包括:維修服務器、維護工作站、信號集中監測設備、打印機和交換機等設備。

3.3 系統功能

(1)ATS 子系統

ATS 子系統可實現列車運行自動追蹤、調整,列車運行時刻表管理及自動調整,系統設備監視以及對運行圖的管理功能,以實現行車指揮自動化管理。具體功能包括:調度命令操作及顯示管理、列車識別號管理、操作權限管理、自動進路排列、列車運行調整、車輛段自動運行、時刻表管理、車輛調度、系統監控與診斷和排班控制等。

(2)ATP 子系統

ATP 子系統可實現超速防護等控制列車運行的主要安全功能,由RATP 和VATP 共同實現。具體功能主要包括:列車初始位置確認、列車安全追蹤、列車移動授權計算、臨時限速、站臺門狀態監控、列車定位、超速防護、車門監督、列車完整性監督和列車自檢等。

(3)ATO 子系統

ATO 子系統實現列車自動駕駛等非安全功能,由RATO 和VATO 共同實現。具體功能包括:站停時間控制、列車移除、通知列車下一停靠站、站臺扣車/釋放、車門和站臺門聯動控制、站臺精確停車、自動對位調整和提供乘客信息系統觸發命令等。

(4)CBI 子系統

全電子聯鎖系統是系統核心安全設備,通過軌旁設置的目標控制器接收聯鎖主機的命令,并控制軌旁對象(如信號機,道岔控制柜)動作,同時監視軌旁設備狀態,并將其發送給聯鎖主機[12]。具體功能包括:進路排列/解鎖、信號機控制、道岔控制、側防和侵限保護、緊急關閉、車站扣車、區段封鎖和系統報警顯示等。

(5)DCS 子系統

DCS 子系統實現的功能主要包括:提供雙向可靠的數據通信通道、對可能的無線干擾進行防護、提供網絡安全防護、提供通信安全防護和網絡管理等。

(6)MSS 子系統

MSS 子系統為全線信號設備的工作狀態提供在線監控和實時報警,可幫助維護人員對報警與維護列表及報告結果導出進行統計和分析。具體功能包括:信號各子系統維護信息采集、軌旁基礎設備狀態及電氣性能監測、報警及事件管理、數據處理及控制和維護信息終端界面顯示等。

3.4 信號系統特色應用方案

(1)全自動運行

蕪湖跨座式單軌采用龐巴迪INNOVIA Monorail 300 無人駕駛列車,車輛原來未設置司機室。全自動運行系統按具備UTO 功能建設,初期按DTO 模式運營。根據運營模式運用方案,車輛增加了可推拉的司機室隔斷。

蕪湖跨座式單軌供電方式為通過安裝在軌道梁兩側的供電軌供電、回流,供電電壓為DC750V。當全自動運行列車處于休眠狀態時,車輛段停車庫接觸軌不斷電,列車早間喚醒時間較全自動運行地鐵線路短;車輛段未設置動態檢測功能,列車不需進行向前和向后跳躍操作。

結合車輛制動性能和信號系統安全防護距離要求,雙列位停車線盡頭端距離車擋6 m,停車線兩列車之間距離為13 m,停車庫線長度較地鐵全自動運行線路短;蕪湖跨座式單軌列車TMS(列車管理系統)系統采用CAN 總線通信方式,在車輛網絡故障或車輛網絡和信號網絡通信故障時,信號系統仍然能通過PWM 控制列車牽引制動運行,故未設置CAM(蠕動模式)模式。

(2)主要軌旁信號設備安裝

跨座式單軌軌旁信號設備安裝條件較地鐵更為困難,軌旁信標與計軸等主要信號設備安裝是工程應用需要重點解決的問題(見圖1)。蕪湖跨座式單軌采用低地板車輛,車輛底板至軌道梁面距離較重慶單軌小,受軌旁設備限界影響,軌旁設備安裝方案與重慶完全不同。

重慶3 號線采用歐標應答器,應答器在橋墩安裝。蕪湖跨座式單軌采用了更加小型化的美式信標,安裝于軌道梁側面以避開接觸軌。為使列車正反向運行均能讀取信標,同一位置信標在軌道梁兩側均需安裝;重慶3 號線計軸設備安裝在軌腰,設置了套管和固定鋼板作為計軸安裝預埋件;蕪湖跨座式單軌在車輛穩定輪加裝了計軸感應鋼板,計軸傳感器安裝于橋墩上,靠近軌道梁,傳感器的上平面平行于軌道梁上表面,同時平行于車輪,探測車輪上的感應鋼板,軌道模擬支架則靠近傳感器支架安裝。計軸設備安裝示意如圖1。

圖1 蕪湖跨座式單軌計軸設備安裝示意

(3)全電子聯鎖

蕪湖跨座式單軌正線及車輛段/停車場均采用全電子聯鎖設備,與傳統的以繼電器為接口電路的聯鎖系統相比,增加了系統的可用性、靈活性以及高可靠性,減少了信號設備占用機房面積。

全電子聯鎖系統設備主要包括聯鎖主機和目標控制器。聯鎖主機包括聯鎖處理單元、IPU(中央處理單元)、與維護終端接口連接實現維護/服務功能的接口。目標控制器(OCS),通過全電子執行電路直接連接軌旁控制對象,采集軌旁設備狀態,并對其進行控制。全電子聯鎖系統構成見圖2。

圖2 蕪湖跨座式單軌全電子聯鎖系統示意

4 蕪湖跨座式單軌信號系統關鍵技術創新

4.1 跨座式單軌全自動運行

信號系統與通信、BAS、車輛、站臺門等配合,在不同場景下完成特定功能,實現了UTO 等級全自動運行。全自動運行系統運營場景主要包括正常、故障、緊急3 類。相較于地鐵全自動運行系統,其自動休眠、道岔故障和區間疏散等場景內容存在一定差異[13]。

結合全自動運行跨座式單軌車輛性能確定的雙列位自動化場段停車庫線長度較地鐵更短,有效控制了土建建設規模。

4.2 開關門快速響應

應用站臺門控制柜(PDCU),該設備完全獨立于聯鎖和區域控制器,實現列車和站臺門系統直接相互通信和安全判斷,做到車停穩后,車門和站臺門同時打開的時間小于1s,使乘客體驗到全自動運行系統的流暢控制過程。

4.3 多類型工程車調度監控系統

單軌工程車作業任務復雜,非運營時段作業相對較多,當前完全依靠司機瞭望的目視行車方式,存在較大安全隱患[14]。蕪湖跨座式單軌以北斗衛星為主要定位與測速手段,以專網LTE 為無線傳輸通道,建設安全可靠的單軌工程車調度監控系統,向司機提供完善的輔助提示功能,為工程車安全運行與高效調度提供技術支撐。

4.4 多個軌旁對象控制

信號系統采用全電子計算機聯鎖系統EBI Lock 950,聯鎖主機采用“2 乘2 取2”架構,與室外設備接口采用全電子化的目標控制器OCS,根據聯鎖主機控制容量,可以控制多達3 000 個目標點,控制距離達30 km 以上。目標控制器通過通信控制單元接收聯鎖主機命令報文,并轉換為控制信號動作軌旁設備。同時,目標控制器檢測軌旁設備狀態和報警信息,通過通信控制單元,將檢測到的信息提供給聯鎖主機。

4.5 單軌交通計軸設備應用

對于采用單軸轉向架車輛的輕型跨座式單軌交通,克服了軌道梁設備安裝條件嚴苛的困難,結合計軸系統電磁感應原理,將車輪傳感器安裝于橋墩上,實現信號系統降級情況下的車輛輔助檢測。

4.6 綜合承載車地通信系統

信號系統的數據通信DCS 子系統中車地無線承載系統采用基于3GPP 標準的LTE 無線移動通信技術建設[15],采用A/B 雙網冗余架構設計,承載包括CBTC 列車運行控制業務的全線車地間綜合業務。如有特殊要求,LTE 網絡還可承載列車緊急文本下發業務、列車運行狀態監測業務、車載視頻監控業務以及緊急情況下的PIS 下傳業務等。

5 結語

蕪湖跨座式單軌交通信號系統應用了全自動運行技術、全電子聯鎖、站臺門控制柜和LTE 無線技術,以及工程車調度監控系統,解決了項目建設中遇到的單軸轉向架跨座式單軌車輛的輔助檢測設備安裝難題,通過以上多項關鍵技術創新,為蕪湖輕型跨座式單軌交通的順利開通運營奠定了基礎,可為后續跨座式單軌交通建設提供借鑒。