自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

邱 鵬 孫思南

(新譽(yù)龐巴迪信號(hào)系統(tǒng)有限公司，213166，常州∥第一作者，高級(jí)工程師)

APM(自動(dòng)旅客運(yùn)輸)系統(tǒng)屬于中運(yùn)量城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行制式，主要用于短距離旅客運(yùn)輸，例如機(jī)場(chǎng)、園區(qū)等人流密集區(qū)域。其配備的信號(hào)系統(tǒng)為自動(dòng)等級(jí)中最高的GoA4(自動(dòng)控制等級(jí)4)，采用區(qū)域控制器直連全電子目標(biāo)控制器的方式，且無(wú)次級(jí)列車(chē)檢測(cè)占用裝置。本文以香港機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)為例，將其與傳統(tǒng)CBTC(基于通信的列車(chē)控制)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 香港機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介及特色

香港機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)主要由ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)子系統(tǒng)、DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))子系統(tǒng)、軌旁ATP/ATO(列車(chē)自動(dòng)保護(hù)/列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)子系統(tǒng)和車(chē)載ATP/ATO子系統(tǒng)等組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 香港機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 ATS子系統(tǒng)

ATS子系統(tǒng)提供系統(tǒng)監(jiān)督和列車(chē)調(diào)整功能。ATS子系統(tǒng)可在正常或異常的運(yùn)行情況下，為調(diào)度人員提供與操作相關(guān)的信息，處理調(diào)度人員與標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)相關(guān)的請(qǐng)求。香港機(jī)場(chǎng)APM的中心控制ATS結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 香港機(jī)場(chǎng)APM中心控制ATS結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，APM除具備傳統(tǒng)地鐵相關(guān)功能外，也支持將外部子系統(tǒng)完全集成到ATS中，包括配電系統(tǒng)、音頻通信和閉路電視等在內(nèi)的各專業(yè)子系統(tǒng)，并通過(guò)中央ATS發(fā)出操作命令。如：變電所或應(yīng)急藍(lán)光站(用于線路施工人員保護(hù)指示，藍(lán)燈亮表示人員可安全施工)的供電斷路器/開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，中央將顯示報(bào)警并自動(dòng)實(shí)施無(wú)電區(qū)信號(hào)防護(hù)功能，以保證車(chē)輛和人員安全。在滿足系統(tǒng)安全性、可靠性及功能的前提下能夠極大地提高各專業(yè)系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)和自動(dòng)化水平。

1.2 DCS子系統(tǒng)

DCS子系統(tǒng)包括軌旁DTS和TWC(車(chē)地通信)系統(tǒng)。DTS網(wǎng)絡(luò)為各ATC組件間傳輸數(shù)據(jù)提供有線通道，采用IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。TWC系統(tǒng)為區(qū)域ATC和車(chē)載ATC通信提供無(wú)線通道，采用LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)或WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))技術(shù)。

DCS子系統(tǒng)最大程度采用成熟的設(shè)備，基于開(kāi)放的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，提供各設(shè)備間信號(hào)的數(shù)據(jù)交換通道，同時(shí)采用IP Tunnel信息傳輸加密技術(shù)，可有效保證整個(gè)雙向傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

1.3 軌旁ATP/ATO子系統(tǒng)

RATP/RATO(軌旁列車(chē)自動(dòng)防護(hù)/軌旁列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)設(shè)置在區(qū)域控制站，實(shí)現(xiàn)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的列車(chē)正常運(yùn)行。其包括開(kāi)放移動(dòng)閉塞進(jìn)路以及為列車(chē)提供移動(dòng)授權(quán)(MA)限制。RATP/RATO支持混合模式運(yùn)行，處理CBTC列車(chē)和非CBTC列車(chē)混合運(yùn)行。

1.3.1 RATP子系統(tǒng)

RATP子系統(tǒng)是一個(gè)安全軌旁子系統(tǒng)，采用2乘2取2的結(jié)構(gòu)，通過(guò)TWC子系統(tǒng)對(duì)列車(chē)位置、速度信息進(jìn)行監(jiān)控，連續(xù)地追蹤全線列車(chē)位置以確保列車(chē)的安全間隔運(yùn)行；計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，并傳送信息到所有裝載CBTC通信設(shè)備列車(chē)的VATC(車(chē)載列車(chē)自動(dòng)控制)上。

與傳統(tǒng)地鐵信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目不同的是，APM全線還會(huì)獨(dú)立設(shè)置一個(gè)RRS(區(qū)域恢復(fù)服務(wù)器)遠(yuǎn)程備份服務(wù)器，用于儲(chǔ)存和恢復(fù)RATP運(yùn)行時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)RATP故障進(jìn)行重啟時(shí)，會(huì)在冷啟動(dòng)階段通過(guò)讀取RRS存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來(lái)迅速恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，無(wú)需人工干預(yù)。

除此之外，在APM項(xiàng)目中將傳統(tǒng)的聯(lián)鎖子系統(tǒng)的功能集成到RATP子系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)。軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息(如道岔)由目標(biāo)控制器(OCS)采集，RATP通過(guò)OCS來(lái)執(zhí)行軌旁設(shè)備的控制。

單道岔時(shí)，RATP在道岔的正向和側(cè)向每個(gè)位置設(shè)置虛擬沖突點(diǎn)；多道岔時(shí)，僅在入口處設(shè)置沖突點(diǎn)。沖突點(diǎn)的設(shè)置考慮到了防護(hù)側(cè)面沖突。每個(gè)沖突點(diǎn)有對(duì)應(yīng)的道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)，信號(hào)機(jī)的位置在沖突點(diǎn)之前，以確保當(dāng)列車(chē)在信號(hào)機(jī)前不會(huì)因?yàn)檎加玫啦韰^(qū)段而無(wú)法操作道岔。道岔沖突點(diǎn)見(jiàn)圖3。

圖3 道岔沖突點(diǎn)示例

1.3.2 RATO子系統(tǒng)

RATO子系統(tǒng)是一個(gè)非安全軌旁子系統(tǒng)，采用雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)，雖然都采集其所在區(qū)域的數(shù)據(jù)，但只有激活的系統(tǒng)才發(fā)出命令和請(qǐng)求。RATO子系統(tǒng)提供了與所轄區(qū)域CBTC系統(tǒng)其它子系統(tǒng)如RATP、ATS之間的接口,能實(shí)現(xiàn)以下功能：轉(zhuǎn)送列車(chē)位置信息，門(mén)控功能，轉(zhuǎn)送更新的列車(chē)停站時(shí)間，轉(zhuǎn)送車(chē)站扣車(chē)命令，轉(zhuǎn)送跳停、下一車(chē)站命令，區(qū)域移交，控制VATC及其切換，傳送速度限制信息，時(shí)鐘同步，記錄子系統(tǒng)間交換的數(shù)據(jù)消息，等等。

值得注意的是，對(duì)于APM的信號(hào)系統(tǒng)，在ATS宕機(jī)之后，RATO可以自動(dòng)接管系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)，列車(chē)可以繼續(xù)在運(yùn)行線行駛或者在下一站臺(tái)扣車(chē)。

1.4 車(chē)載ATP/ATO子系統(tǒng)

VATC提供車(chē)載列車(chē)自動(dòng)防護(hù)(VATP)和車(chē)載列車(chē)自動(dòng)駕駛(VATO)功能。

與傳統(tǒng)地鐵信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目不同的是，APM支持列車(chē)的靈活編組。在靈活編組的場(chǎng)景下，每節(jié)車(chē)都有一個(gè)VATC，因此一列車(chē)上取決于車(chē)輛編組情況可能有2、3或4個(gè)VATC。運(yùn)行時(shí)，選擇任意一節(jié)做為主控，其主控VATC可直接通過(guò)PWM(脈寬調(diào)制)方式分別給每節(jié)車(chē)發(fā)送列車(chē)牽引力和制動(dòng)力命令；若有TCMS(列車(chē)控制管理系統(tǒng))時(shí)，則只需發(fā)送給本節(jié)車(chē)的TCMS，由其網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)其它節(jié)車(chē)。在APM項(xiàng)目中主控VATC是通過(guò)ATS或RATO來(lái)選擇的。ATS操作員可以遠(yuǎn)程手動(dòng)切換不同的VATC，也有RATO來(lái)自動(dòng)判斷和選擇。

2 香港機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)多樣化接口及舉例介紹

香港機(jī)場(chǎng)APM的信號(hào)系統(tǒng)外部接口包括中央級(jí)、車(chē)站級(jí)和列車(chē)級(jí)3個(gè)部分，如圖4所示。中央級(jí)接口有:通信主時(shí)鐘、乘客廣播/乘客信息系統(tǒng)(PA/PIS)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)等接口，車(chē)站級(jí)接口有道岔控制柜、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)門(mén)和侵入監(jiān)測(cè)等接口；列車(chē)級(jí)接口包括TCMS和列車(chē)網(wǎng)絡(luò)電話無(wú)線系統(tǒng)(VORS)等接口。除了以上與地鐵類似的接口外，香港機(jī)場(chǎng)APM還能滿足更加多樣的接口要求，如防火門(mén)接口、氣象站接口和地震監(jiān)測(cè)接口。

圖4 機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)接口

2.1 防火門(mén)接口

防火門(mén)用于在火災(zāi)期間防止火災(zāi)/煙霧蔓延到正線區(qū)域，香港機(jī)場(chǎng)APM的信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)與自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域的防火門(mén)接口，來(lái)保護(hù)列車(chē)不受防火門(mén)的撞擊。

信號(hào)系統(tǒng)與防火門(mén)之間的接口應(yīng)滿足以下要求：①在正常情況下，防火門(mén)應(yīng)不斷向信號(hào)系統(tǒng)提供“完全打開(kāi)和鎖定”狀態(tài)的信號(hào)；②防火門(mén)的控制系統(tǒng)應(yīng)確保其真實(shí)狀態(tài)和給定狀態(tài)一致；③當(dāng)防火門(mén)檢測(cè)到火警時(shí)，如果沒(méi)有列車(chē)接近，應(yīng)立即關(guān)閉；④當(dāng)防火門(mén)檢測(cè)到火警時(shí)，如果列車(chē)已進(jìn)入接近區(qū)域，則應(yīng)在計(jì)數(shù)結(jié)束后45 s關(guān)閉；⑤防火門(mén)將計(jì)數(shù)45 s，即使在計(jì)時(shí)結(jié)束后還有列車(chē)在防火門(mén)下，防火門(mén)仍將關(guān)閉。

信號(hào)系統(tǒng)和防火門(mén)之間應(yīng)采用安全繼電器接口。安全繼電器接口電路應(yīng)該為每個(gè)功能做單獨(dú)設(shè)計(jì)，使得斷電狀態(tài)為安全狀態(tài)。此外，所有的重要功能都應(yīng)該是雙重切除的。信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)請(qǐng)求和當(dāng)前的列車(chē)運(yùn)行情況，確定是否向防火門(mén)授權(quán)“允許關(guān)閉”命令。

2.2 氣象站接口

氣象站將自動(dòng)感知對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行和系統(tǒng)服務(wù)可用性至關(guān)重要的各方面天氣狀況條件，其中包括風(fēng)速、風(fēng)向、降水量(降雨量、降雪、結(jié)冰)、洪水監(jiān)測(cè)、低能見(jiàn)度(霧、沙、雪)等。這些數(shù)據(jù)來(lái)自一個(gè)或多個(gè)感測(cè)站，將被連續(xù)地提供給ATS。ATS將會(huì)記錄這些數(shù)據(jù)并將相關(guān)信息顯示給ATS操作員。

對(duì)于每個(gè)氣象條件要素，系統(tǒng)會(huì)設(shè)置警告界限。當(dāng)氣象條件要素超出安全操作限制時(shí)，在ATS中會(huì)發(fā)出可聽(tīng)或可視的警報(bào)，同時(shí)ATS操作員有權(quán)限實(shí)施相關(guān)流程，如修改運(yùn)營(yíng)等級(jí)、設(shè)置臨時(shí)限速、取消進(jìn)路等。ATS將記錄由遠(yuǎn)程氣象站生成的氣象數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)源的位置以及表示項(xiàng)目生成時(shí)間的時(shí)間戳。ATS操作員有權(quán)限選擇打印天氣報(bào)告。

2.3 地震監(jiān)測(cè)接口

根據(jù)客戶的需求，信號(hào)系統(tǒng)會(huì)在自身確定的位置上提供一個(gè)地震遙感站。通過(guò)冗余的傳感裝置收集地震活動(dòng)信息，同時(shí)在ATS界面上顯示當(dāng)前的地震監(jiān)測(cè)情況。在ATS顯示的中央地震數(shù)據(jù)將以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的形式從各個(gè)遙感站獲取所有數(shù)據(jù)，并應(yīng)標(biāo)識(shí)出數(shù)據(jù)的來(lái)源位置。在任何時(shí)間，顯示器將至少顯示2個(gè)遙感站的數(shù)據(jù)。

相比傳統(tǒng)無(wú)人駕駛地鐵中的基本功能，如休眠、喚醒、遠(yuǎn)程復(fù)位等外，香港機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)還支持列車(chē)靈活編組運(yùn)營(yíng)，遠(yuǎn)程選擇VATC，以及適配機(jī)場(chǎng)不同區(qū)旅客(陸側(cè)和空側(cè))的極復(fù)雜門(mén)控邏輯等。

3 結(jié)語(yǔ)

從香港機(jī)場(chǎng)APM信號(hào)系統(tǒng)可以看出，相比傳統(tǒng)的地鐵信號(hào)系統(tǒng)，其與外部專業(yè)更多的接口使得APM信號(hào)系統(tǒng)與外部專業(yè)的連接更加緊密，而靈活的功能配置可以滿足更多樣化的客戶需求，在大量新建及改造機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目的助推下，匹配APM的信號(hào)系統(tǒng)將大有可為。