城市軌道交通既有車輛段自動化改造方案研究

陳 逸 劉 燕

(通號城市軌道交通技術有限公司，100070，北京∥第一作者，高級工程師)

車輛段在整個交通運輸網絡中扮演著重要角色，段內列車的作業效率與整條線路的運行效率和準點率密切相關。國際公共交通協會將列車運行的自動化等級(GoA)劃分為：GoA0—GoA4[1-2]。FAO(全自動運行)系統根據自動化等級可分為：GoA3級DTO(有人值守的全自動運行)和GoA4級UTO(無人值守的全自動運行)[3]。目前，國內主流的車輛段仍然采用傳統的聯鎖控制和人工調度的方式，自動化水平基本上只具備GoA0級的水平。這種傳統形式的車輛段，由于沒有ATS(列車自動監控)的進路控制功能，信號樓值班員不得不在CI(計算機聯鎖)控顯機或聯鎖單元控制臺上，通過大量不間斷的人工排列進路方式，指揮段內列車進行出庫、入庫、洗車和檢修等作業。司機按照軌旁信號機的顯示，在一定限速下用限制人工駕駛模式行車。這種運營方式不但出入庫效率低下，在安全防護方面也無法獲得良好的保證，且該種方式也已逐漸成為制約既有線高效和安全運行的瓶頸。本文針對傳統車輛段的技術特點和既有設施，結合地鐵運營商對自動化車輛段的主要需求，研究出一種經濟、易實施、功能完善的整體改造方案，可為工程實踐提供良好的借鑒思路。

1 車輛段自動化改造方案概況

1.1 系統構成方案

目前，傳統的車輛段信號設備主要包括：ATS、CI、軌道占用檢測設備、信號機、轉轍機和電源等。為實現自動化車輛段里列車的篩選、安全位置的計算、移動授權的計算等功能，在既有車輛段中需新增ZC(區域控制器)和應答器等設備。結合自動化車輛段的自動進路以及安全防護等基礎功能，需要對ATS、CI/ZC以及ATP(列車自動防護)/ATO(列車自動運行)功能進行適度修改。

自動化車輛段的設備包括：ATS設備、CI設備、ATP/ATO設備、ZC設備、DCS(數據通信系統)設備以及維護監測設備等。自動化車輛段系統構成示意圖如圖1所示。

1.2 自動化區域劃分方案

自動化車輛段按需求可劃分為全自動運行區域、非全自動運行區域和模式轉化區域。全自動運行區域含停車列檢庫、洗車庫及(場內)無人區；非全自動運行區域含聯合檢修庫、工程車庫、鏇輪庫、物資庫及(場內)有人區；模式轉換區為牽出信號機所在牽出線。將列檢庫、洗車庫劃分為全自動區域有利于實現列車的自動休眠、喚醒和洗車等功能。

圖1 自動化車輛段系統構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic depot system

圖2 車輛段自動化運行區域示意圖Fig.2 Diagram of depot automatic operation zone

全自動運行車輛需列檢庫增設隔離網、地下通道及其防護分區門禁、電動庫門等土建和設施改造，從而增加了改造成本和施工難度。為在兼容既有傳統車輛段的同時，節約施工調試時間、降低改造成本和施工難度，本方案將列檢庫、洗車庫、非全自動運行區域納入自動化運行區域，不考慮這些區域內的列車自動休眠、喚醒和洗車等功能。

遵照上述原則，本文將舉例說明典型的既有車輛段劃分為自動化運行區域和非自動化運行區域的方案。車輛段自動化運行區域示意圖如圖2所示。其中：CD(出段)、JD(進段)、JK(進庫)、CK(出庫)為不同用途的信號機編號；A、B為一個列檢庫中的兩個相鄰同向信號機；虛線框為自動化運行區域示意范圍。該范圍包括了以下6種區域：

1) 出入段線(如JD1/JD2信號機右側)至停車列檢庫庫門(CK12A、CK13A、CK14A、CK38A、CK39A和CK40A)前；

2) 出入段線至洗車線洗車機(JK41A)前；

3) 牽出線至停車列檢庫庫門前；

4) 牽出線至洗車線洗車機前；

5) 停車列檢庫前庫列位至出入段線；

6) 停車列檢庫前庫列位至牽出線。

列車在全自動運行區域采用全自動運行模式，限速依照線路限速設置。非全自動運行區域作業按照地面信號機的顯示行車，其作業均為限制人工作業模式。

1.3 應答器布置

為滿足車輛段內的列車初始化以及定位要求，在車輛段停車列檢庫各庫線的出口、洗車線和牽出線處均需設置無源應答器，各處應答器的布置原則為：①在停車列檢庫各庫線庫門處設置2個無源應答器，用于列車的初始化；②在洗車線信號機外方設置2個無源應答器，用于列車的初始化；③在牽出線上布置5個無源應答器,用于列車進入牽出線時的定位停車。

1.4 信號機改造

傳統車輛段若均為全調車信號機，在自動化改造時，需按自動化區域劃分。采用列調分離的方案，將自動化運行區域的信號機修改為列車兼調車信號機。CI需滿足段內列車及調車進路人工辦理。

2 各子系統改造方案

2.1 ATS改造方案

傳統形式車輛段的ATS主要包括派班功能和監視功能，但仍需要人工排列出入庫的段內進路。為減輕信號樓值班員的工作強度，自動化車輛段的ATS改造方案核心為，在既有功能的基礎上，添加控制權轉換、進路自動觸發和自動添加上下線頭碼車功能。

2.1.1 控制權轉換

控制權轉換包括中控、站控以及聯鎖控制三級控制模式。中控模式下，由ATS根據派班計劃自動執行相應的控制，實現系統的全自動工作模式。此時，中心調度員具有所有調車及列車進路監控權，信號樓值班員僅具有監視權。站控模式下，控制權在車輛段，對于自動控制進路，ATS可根據派班計劃自動辦理相應的進路；對于人工控制進路，信號樓值班員可以在現地控制工作站上對車輛段內所有調車及列車進路進行人工辦理。此時，信號樓值班員具有監控權，中心調度員只具有監視權。中控與站控的轉換模式與正線一致。聯鎖控制模式下，自動化車輛段和既有傳統車輛段控制模式一致。

2.1.2 自動出入庫

ATS根據派班計劃中列車的上線時間以及上線軌，提前一定時間(提前時間可配置)將對應列車設置為頭碼車，結合列車所在的觸發軌，自動觸發列檢庫至轉換軌的列車進路；列車進入轉換軌后，ATS根據列車運行計劃自動生成列車識別號，并在正線自動進行列車識別號的連續跟蹤；當列車運營結束回到轉換軌并停穩時，ATS根據派班計劃中指定的列車回庫停車列檢線，自動將列車設置為頭碼車，同時自動觸發停車列檢線的列車進路；人工對列車設置頭碼車后，ATS可自動觸發停車列檢庫與牽出線、牽出線與洗車線之間的列車進路。

1) 單程運行路徑規劃。傳統車輛段中，ATS僅具有正線進路觸發功能。由于正線站型較為簡單，ATS一般依據配置文件中所記錄的唯一路徑(直接可達)，采用人工配置的方式為到達觸發軌的列車自動觸發至終點的進路。但這種直接可達的路徑搜索方式并不適用于車輛段這種復雜站型的路徑搜索。因此，自動化車輛段路徑搜索有必要實現自動搜索兩點之間的多條可達路徑。

2) 多次折返路徑規劃。路徑選擇除了單次可達路徑外，還有少數存在兩點之間多次折返可達的路徑，如圖3所示。在A處添加頭碼為B的列車，此時A與B之間不能直接到達，需要從C處進行折返換端。ATS可通過增加額外數據結構描述A、B、C之間的關系來解決該觸發問題。在A處添加目的地為B的列車時，系統根據該數據結構自動觸發先到達C的進路，當列車到達C處時，系統自動觸發到達B處的進路，從而達到多次折返的目的。

圖3 多次折返路徑示意圖Fig.3 Diagram of multi turn-back route

2.1.3 自動添加上下線頭碼車次號

ATS根據派班信息以及提前時間量自動添加頭碼車次號，并自動為回庫方向列車添加至庫內洗車或列檢庫的頭碼車次號。

2.2 地面CI/ZC改造方案

2.2.1 CI

為保證自動化車輛段內信號顯示與傳統形式的車輛段一致，需考慮車輛段內常態滅燈和常態亮燈兩種方式。若車輛段內的信號機常態為滅燈顯示，CI根據ZC發送的接近信息進行點燈，則CI按照正線方式處理；若車輛段內的信號機常態為亮燈顯示，則CI需考慮對ZC發送的接近信息進行處理。

2.2.2 ZC

若車輛段采用50 Hz軌道電路，可能出現分路不良的情況，考慮到安全問題，ZC不進行物理區段檢測設備的故障狀態ARB(計軸故障占用)判斷。對于車輛段范圍內的ARB區段，ZC判斷為UT(未裝備列車)占用。

自動化車輛段列車入庫停穩后，聯鎖對進路進行解鎖。按照ZC正線處理方式，由于列車所在進路解鎖，列車出庫升級時將無法獲得有效MA(移動授權)。為應對此場景，ZC需修改MA輸入條件，即在特定區段處可以不判斷進路狀態直接計算MA信息。

若車輛段內的信號機常態為亮燈顯示，列車為CTC(連續列車控制)控制等級，當列車包絡跨越信號機時，ZC會向CI發出跨越信號機和CTC占用信息，此時信號將從開放信號變為關閉信號，如圖4所示。

圖4 列車跨壓場景示意圖Fig.4 Diagram of train crossing signal scene

為防止此時司機看到關閉信號后進行誤操作，自動車輛段ZC需判斷列車實體進入信號內方計軸區段后，向CI發送列車跨壓狀態和邏輯區段的CTC占用狀態，此時CI再將信號機從開放信號變為關閉信號，如圖5所示。

圖5 ZC修改后的列車跨壓場景示意圖Fig.5 Diagram of train crossing signal scene with revised ZC

由于自動化車輛段未對庫門狀態進行采集，列車回庫時，ZC將安全防護點最遠設置于庫門前，并回縮一定安裝誤差，不能進入庫內。出庫時，ZC不對庫門進行防護。

2.2.3 ATS與CI接口改造

為滿足自動化車輛段的進路自動觸發需求，需修改CI與ATS通信協議，增加命令類型分配，包括非進路調車、非進路故障復原、停止股道檢查和取消停止股道檢查。非進路故障復原以及停止股道檢查為安全命令。

2.2.4 CI與ZC接口改造

為實現自動化車輛段列車的自動運行和防護功能，新增車輛段聯鎖與ZC接口，除既有接口功能外，還需增加列檢庫線、洗車線等特殊地點的移動授權管理功能。

2.3 ATP/ATO改造方案

對于傳統車輛段，列車在庫內上電后，以RM(限制人工)駕駛模式出庫，庫內無法實現CM-C(監控下人工駕駛模式)/AM-C(列車自動駕駛模式)運行。列車入庫并進入轉換軌后，無論列車運行級別是CBTC或點式級別，車載ATP均在車載MMI(人機交互界面)上提示司機“列車回段，降級至RM模式”，司機按壓確認按鈕后，車載ATP將轉為RM駕駛模式。

對于自動化車輛段，列車出庫時在庫內上電后，經過庫線兩個應答器后建立定位，向車輛段內ZC發起注冊。注冊成功后，ZC向車載ATP發送移動授權信息，車載ATP升級為CM-C/AM-C運行。入庫時，列車進入轉換軌后，當列車運行級別處于點式級別，ATP功能和傳統形式的車輛段一致，列車運行級別處于CBTC級別，則不進行降級RM 駕駛模式提示。列車以CM-C/AM-C進入車輛段運行。當列車進入庫門前軌道且速度低于25 km/h時，車載ATP在車載MMI上提示司機“列車回庫，降級至RM駕駛模式”，司機按壓確認按鈕后，車載ATP轉為RM駕駛模式。

為兼容自動化車輛段和傳統車輛段，ATP通過特殊數據配置，自動識別全自動化車輛段和非自動化車輛段。ATO與正線一致。

3 結語

本文針對傳統車輛段的既有設備布置特點和站場形狀，提出了自動化功能區域劃分方式以及信號系統ATS、CI、ZC和ATP的一攬子技術改造方式，可滿足自動化車輛段的自動出入庫需求。所提改造方案的優點在于投資小、易于施工和適用范圍廣，極大地減輕了信號樓值班員的工作強度。在提高出入庫效率的同時，在一定程度上提高了列車運行的安全性和作業效率。其缺點在于自動化程度不高，未涉及列車的自動休眠和喚醒等功能。根據試運營報告中的數據進一步驗證了該方案的可行性，本文研究結論對CBTC改建自動化車輛段具有一定的參考價值。