基于點式ATC系統(tǒng)的中低速磁浮信號系統(tǒng)提升建構(gòu)

王 冠，楊明春

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 磁浮文化旅游線路信號系統(tǒng)的技術(shù)需求

1.1 城市軌道交通點式系統(tǒng)的應用概況

點式ATC 系統(tǒng)是采用應答器、環(huán)線等進行地對車單向通信的列車控制系統(tǒng)，其安裝靈活、可靠性高，投資價格明顯低于連續(xù)式ATC 系統(tǒng)。點式ATC 系統(tǒng)在城市軌道交通中廣泛應用，一般作為基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）的后備系統(tǒng)。點式ATC 系統(tǒng)的閉塞制式屬于固定閉塞，列車間的安全間隔較大，其作為主用系統(tǒng)時，一般多用于運量較小的線路。

磁浮線路較地鐵和輕軌有其特殊的建設(shè)、運營及管理模式，將點式ATC 系統(tǒng)應用于磁浮線路以下幾點局限性。

1）磁浮線路一般采用三段定心式關(guān)節(jié)型道岔。在點式系統(tǒng)中一旦在進路始端獲得有效的行車許可后，將無法對進路內(nèi)突發(fā)緊急情況進行防護。若道岔故障發(fā)生轉(zhuǎn)動，可能導致“墜崖”風險。

2）點式系統(tǒng)的臨時限速功能，無法將突發(fā)性限速實時下達至列車，或在CBTC 降級為點式系統(tǒng)時，區(qū)域控制器（ZC）作為傳遞臨時限速信息的關(guān)鍵節(jié)點出現(xiàn)故障時，將無法實現(xiàn)臨時限速功能。

3）磁浮線路的測速測距原理與傳統(tǒng)輪軌列車不同，點式ATC 系統(tǒng)應解決安全性、抗干擾性、冗余性和測速測距精度的問題。

1.2 鳳凰磁浮文化旅游線信號系統(tǒng)的個性化需求

鳳凰磁浮文化旅游線運營特點為線路全長9.121 km，正線列車最高運行速度為100 km/h。設(shè)置磁浮高鐵、城北游客中心、古城攬勝、民俗園4 個車站，在高鐵站附近設(shè)車輛段一座，最大站間距2.496 km，最小站間距1.012 km，平均站間距1.777 km。有3 輛編組列車，滿足平季、淡季、旺季運行交路的要求，正線設(shè)計行車間隔為5 min。平季、旺季初期6 對，近期8 對，遠期10 對。淡季初期4 對，近期6 對，遠期8 對。最高運行速度100 km/h，全線旅行速度不低于40 km/h。

除以上點式ATC 系統(tǒng)應用于磁浮線路的局限性外，鳳凰磁浮文化旅游線路還存在兩個個性化需求：

站內(nèi)自動發(fā)車：為進一步提高車站作業(yè)的安全性、降低車站工作人員的勞動強度，將車門站臺門間隙探測納入系統(tǒng)防護范圍，實現(xiàn)站臺ATO自動發(fā)車；當車門和站臺門故障時，應具備對位隔離措施。

弱電專業(yè)整合：磁浮線路具有線路獨立、長度較短、行車間隔較大等特點，信號系統(tǒng)在滿足運營安全及能力指標的前提下，應合理整合資源以節(jié)約投資。本工程將弱電各專業(yè)設(shè)備用房進行整合，信號系統(tǒng)應考慮設(shè)備用房空間減少的實際情況，優(yōu)化系統(tǒng)配置。

2 基于磁浮文化旅游線路需求的點式ATC系統(tǒng)功能改進與提升

基于點式系統(tǒng)應用于磁浮線路的局限性及鳳凰磁浮旅游線信號系統(tǒng)的個性化需求，本工程采用的信號系統(tǒng)? 智能自主運行控制系統(tǒng)，是一種具備站內(nèi)自動化等級GoA2+自動駕駛功能（站內(nèi)自動發(fā)車、車門站臺門對位隔離、站臺間隙探測）的增強型點式列車運行控制系統(tǒng)。系統(tǒng)正常運行在連續(xù)式控制級別下，具有安全、可靠的降級運營控制模式（單一點式、聯(lián)鎖級）。列車在正線運行時，由地面安全控制中心（STC）實時向列車發(fā)送前方信號機狀態(tài)、道岔位置、線路空閑/占用等行車信息，車載ATP 根據(jù)前方進路的狀態(tài)，防護列車安全運行。本系統(tǒng)主要由車載控制器（VOBC）（包括ATP、ATO）、ATS 子系統(tǒng)和STC 子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能自主運行控制系統(tǒng)Fig.1 Block diagram of intelligent autonomous operation control system

2.1 升級點式ATC系統(tǒng)，形成智能自主運行控制系統(tǒng)

2.1.1 提高闖紅燈防護等級

根據(jù)中低速磁浮交通系統(tǒng)特點及國內(nèi)外工程應用經(jīng)驗，道岔一般采用三段定心式中低速磁浮關(guān)節(jié)型道岔。當防護進路的信號機未開放，若列車越過該信號機，車載ATP 立即觸發(fā)緊急制動。特別是對于磁浮道岔，闖紅燈防護的重點為防止列車“跳崖”。

以車輛段三開道岔為例，三開道岔由道岔活動梁和道岔垛梁構(gòu)成，其中道岔活動梁是可以轉(zhuǎn)動的，道岔垛梁不動，在正常線路和道岔活動梁之間起連接作用，如圖2 所示。

圖2 三開道岔平面示意Fig.2 Three-throw turnout

當列車1 從岔頭到岔尾方向運行時，考慮道岔轉(zhuǎn)動不到位或正在轉(zhuǎn)換過程中，列車1 存在跳崖風險；當列車2 從岔尾到岔頭方向運行時，道岔活動梁可能和正常線路1、2 中的一條連接而沒有和線路3 連接，列車2 向前運行時，也存在“跳崖”的風險。

基于以上風險分析，信號系統(tǒng)需要為磁浮線路提供更嚴格的闖紅燈防護措施。首先，列車在連續(xù)式控制級別下運行時，車載ATP 通過車地連續(xù)通信持續(xù)監(jiān)督前方的進路和信號顯示狀態(tài)，一旦信號顯示由允許變?yōu)榻够蜻B續(xù)式地車通信丟失，由車載ATP 觸發(fā)制動進行防護。

其次，當系統(tǒng)降級為點式系統(tǒng)時，列車可通過點式應答器監(jiān)督前方防護信號機狀態(tài)。點式級別下車載ATP 配置的開口速度應滿足列車以該速度通過有源應答器VB 中的紅燈報文后，能在前方“跳崖”危險區(qū)前停車。

最后，聯(lián)鎖級下，系統(tǒng)應考慮列車在RM 模式下的闖紅燈防護措施。

1） 正線

道岔防護信號機前方的闖紅燈防護應答器成組設(shè)置（由一個有源應答器VB 和無源應答器FB 組成），如圖3 所示。

圖3 正線闖紅燈防護應答器組設(shè)置Fig.3 Arrangement of balise groups for red-light protection for the main line

闖紅燈防護功能無方向性，即列車無論從任何方向讀取到有源應答器中的紅燈報文時，均會觸發(fā)緊急制動。

車載ATP 應對闖紅燈防護應答器組中有源應答器丟失、默認報文或報文無法解析、收到非預期報文的情況，按闖紅燈防護處理，觸發(fā)列車緊急制動。

2） 車輛段

闖紅燈防護應答器成組設(shè)置。如圖4 所示，F(xiàn)B1 與VB，F(xiàn)B2 與VB 各為一組闖紅燈防護應答器組。

圖4 車輛段闖紅燈防護應答器組設(shè)置Fig.4 Arrangement of balise groups for red-light protection for the vehicle depot

為避免回庫列車通過有源應答器讀到紅燈報文后，導致非預期的緊急制動，在出庫信號機內(nèi)方設(shè)置一個無源應答器FB2。

當列車依次通過FB1 與VB，且讀取到有源應答器VB 中的紅燈報文時，按闖紅燈防護處理，觸發(fā)緊急制動；當列車依次通過FB2 與VB 時，不執(zhí)行闖紅燈防護功能；若未收到FB1 或FB2 應答器而直接收到有源應答器VB 中的紅燈報文時，會觸發(fā)緊急制動。

當先收到應答器FB1 時，車載ATP 應對闖紅燈防護應答器組中有源應答器丟失、默認報文或報文無法解析、收到非預期報文的情況，按闖紅燈防護處理，觸發(fā)列車緊急制動；而當先收到應答器FB2 時，車載ATP 對上述情況不按闖紅燈防護處理，不觸發(fā)列車緊急制動。

2.1.2 由闖紅燈防護功能適配修改應答器報文

城軌項目在段場內(nèi)一般不設(shè)有源應答器，而磁浮線路中為實現(xiàn)闖紅燈防護功能設(shè)置了有源應答器。因此，在進行引導及調(diào)車作業(yè)時，車載ATP 應正確處理道岔防護信號機前為實現(xiàn)闖紅燈防護功能設(shè)置的有源應答器報文（引導報文、調(diào)車白燈報文）。

《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通接口規(guī)范》（T/CAMET 04011.1-2018）第1 部分：應答器報文中公共信息包定義（203 子包）對Q_SIGNAL_ASPECT 的部分取值如表1 所示。

表1 Q_SIGNAL_ASPECT的取值Tab.1 Value of Q_SIGNAL_ASPECT

由表1 可見，當信號機顯示狀態(tài)為引導時，Q_SIGNAL_ASPECT 按紅燈取值，應答器發(fā)送紅燈報文，導致車載ATP 輸出非預期的緊急制動；當信號機顯示狀態(tài)為調(diào)車進路白燈時，由于應答器報文規(guī)范中Q_SIGNAL_ASPECT 取值并未涉及，系統(tǒng)導向安全側(cè)按紅燈取值，同樣導致車載ATP 輸出非預期的緊急制動。

基于以上問題，首先修改應答器報文規(guī)范中的自定義包，增加引導、調(diào)車報文。修改后的公共信息包定義（203 子包）對Q_SIGNAL_ASPECT 的部分取值如表2 所示。

表2 Q_SIGNAL_ASPECT的取值（修改后）Tab.2 Value of Q_SIGNAL_ASPECT (after modif ication)

其次修改ATP 軟件邏輯：增加引導紅黃燈和調(diào)車白燈報文后，車載ATP 在限制人工駕駛模式（RM）下收到該報文不觸發(fā)非預期的緊急制動，在CM-I/AM-I 模式下收到該報文按紅燈處理；收到藍燈報文按紅燈處理。車載ATP 軟件適配修改后的邏輯如圖5 所示。

圖5 引導、調(diào)車作業(yè)下的車載ATP處理邏輯Fig.5 Onboard ATP processing logic for calling-on and shunting operations

2.1.3 完善點式臨時限速功能

在智能自主運行控制系統(tǒng)中，臨時限速功能的信息傳遞較CBTC 系統(tǒng)簡化為：由ATS 向STC 下達臨時限速命令，STC 同時具備無線和點式臨時限速功能。在無線通信設(shè)備正常時，STC 可支持5 km/h 一檔且以計軸區(qū)段為單位設(shè)置臨時限速，并通過車地無線通道發(fā)送至列車；在無線通信設(shè)備故障時，STC 可按5 檔限速（0/25/40/60/80 km/h）向下歸檔和進路歸檔，并通過LEU 發(fā)送至有源應答器后，傳送至列車實現(xiàn)安全防護。

該方案通過全線無線通信設(shè)備的覆蓋，使臨時限速信息可實時下達至列車，彌補了點式ATP 系統(tǒng)臨時限速功能的不足；同時，在CBTC 的后備點式控制級別下，由于在點式臨時限速命令信息傳遞環(huán)節(jié)中沒有ZC 的參與，避免了因ZC 故障而導致的點式臨時限速功能無法實現(xiàn)的局限性。在滿足安全防護的前提下，大大提高了運營效率，完善點式模式下臨時限速的系統(tǒng)功能。

2.1.4 提升站臺服務(wù)水平

站臺服務(wù)是車站服務(wù)的重要組成部分。在節(jié)假日或旅游旺季，旅游線路需承載激增的出行流量。當候車站臺出現(xiàn)人員擁擠的情況時，可能導致乘客無法擠上列車而身處車門與站臺門間隙，這使得車門與站臺門障礙物探測功能凸顯出重要性。當列車車門出現(xiàn)異常或某側(cè)站臺門異常不能打開時，會影響列車內(nèi)準備下車的乘客或者站臺候車準備上車的乘客。同時，作為旅游線路，旅行速度尤為重要，需將乘客迅速、安全地送抵景區(qū)。

為提升鳳凰磁浮旅游線的站臺服務(wù)水平和乘客出行體驗，智能自主運行控制系統(tǒng)主要從以下兩方面進行改進：一是從安全性能出發(fā)，將車門/站臺門間隙檢測納入系統(tǒng)防護范圍，利用信號系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)既有繼電接口，將間隙探測結(jié)果納入站臺門提供給信號系統(tǒng)的關(guān)閉且鎖閉信息的安全回路中。信號系統(tǒng)收到站臺門的關(guān)閉且鎖閉信息，即認為無障礙物，列車正常離站，保障乘客及運行安全。二是從服務(wù)品質(zhì)的角度出發(fā)：將間隙探測納入信號系統(tǒng)防護后實現(xiàn)ATO 自動發(fā)車，有效地縮短站停時間、提高平均旅行速度，并降低工作人員的勞動強度。同時，增加車門/站臺門對位隔離功能，控制列車到站車門和站臺門的開/關(guān)，為乘客上、下車提供便利條件。

2.1.5 提出適用于中低速磁浮的測速測距方案

首先，測速測距系統(tǒng)采集單端雙側(cè)渦流傳感器的脈沖數(shù)據(jù)，分別單獨計算列車速度和位置，比較和融合雙側(cè)渦流傳感器的速度和位置，通過二取二的方式，保證數(shù)據(jù)的正確性和安全性。其次，測速測距系統(tǒng)采集加速度計和單多普勒雷達數(shù)據(jù)，分別單獨計算列車的速度和位置。最后，測速測距系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)融合單元，在綜合考慮低速特性和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，融合渦流傳感器測速測距與加速度計測速測距和多普勒雷達測速測距的數(shù)據(jù)，得到列車速度、位置信息。

測速測距系統(tǒng)同時采用3 套傳感器實現(xiàn)測速測距，滿足列車高速和低速測速測距精度要求，滿足測速測距系統(tǒng)的安全性要求。測速測距融合算法如圖6 所示。

圖6 測速測距融合算法Fig.6 Fusion algorithm for speed and distance measurement

2.2 資源整合、節(jié)約投資

2.2.1 全電子平臺的構(gòu)建

本系統(tǒng)STC 采用全電子執(zhí)行單元。全電子接口與傳統(tǒng)繼電接口相比，在集成度、智能性、可擴展性、維護性和施工配線等方面都具有優(yōu)勢，對車站設(shè)備房用房面積需求較小，有利于減少土建投資。執(zhí)行機構(gòu)對比如表3 所示。

表3 執(zhí)行機構(gòu)對比Tab.3 Comparison of actuators

2.2.2 軌旁一體化控制系統(tǒng)及中央集中式布局

CBTC 系統(tǒng)軌旁信號系統(tǒng)由ZC 和計算機聯(lián)鎖（CI）組成，其中CI 是信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)，辦理進路和防護道岔，ZC 管理列車。而智能自主運行控制系統(tǒng)將軌旁控制系統(tǒng)一體化為STC，其功能包括進路辦理、道岔防護、列車管理等。該方案顯著降低了系統(tǒng)的耦合度，簡化系統(tǒng)和接口設(shè)計復雜度，提高系統(tǒng)的效率。

同時，STC 設(shè)備采用中央集中式布局，在控制中心集中設(shè)置一套STC 集中處理計算機，在相應的車站配置全電子執(zhí)行單元，有利于開通運營后設(shè)備的維護和數(shù)據(jù)/軟件更新，如圖7 所示。

圖7 傳統(tǒng)CBTC與一體化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 Architectures of traditional CBTC and integrated system

3 鳳凰磁浮文化旅游線路的應用效果及智能自主運行控制系統(tǒng)提升方向

本文描述的智能自主運行控制系統(tǒng)，其應用的鳳凰磁浮旅游線已于2022 年5 月開通運營，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

3.1 技術(shù)價值

站臺自動發(fā)車功能可減少，列車站停時間7 ～10 s，平均旅行速度提高10%以上，最小追蹤間隔滿足120 s；點式臨時限速功能進一步完善臨時限速的系統(tǒng)功能，提高運營控制的靈活性和系統(tǒng)安全性；多傳感器建構(gòu)的測速測距模型，在勻速、加速及減速過程中，測速測距誤差均小于1.5%。

3.2 經(jīng)濟價值

通過構(gòu)建全電子平臺以及軌旁一體化系統(tǒng)，信號系統(tǒng)投資總額較CBTC 項目減少60%；系統(tǒng)采用中央集中式布局，優(yōu)化人員配置，調(diào)度人員可減少28%，車站人員可減少23%，運營與維護定員可達≤13 人/公里的指標。

3.3 提升方向

智能自主運行控制系統(tǒng)的架構(gòu)支持遠期升級基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)，原有系統(tǒng)中的各軌旁設(shè)備仍能夠繼續(xù)使用，系統(tǒng)升級改造的成本及對既有運營的影響都很小。