全自動運行系統中聯鎖設備新增功能研究及優化設計

李曉靜，張家銘

（1.卡斯柯信號有限公司，北京 100070；2.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

全自動運行系統（fully automatic operation system，FAO）是一種城市軌道交通系統，其運用計算機、通信、控制和系統集成等技術實現了列車運行全過程自動化，涉及車輛、信號、綜合監控、通信、站臺門、車庫門和洗車機等多個子系統。全自動運行系統中信號系統與其他系統聯動，自動實現列車喚醒/休眠、庫內發車、進出段、站臺停站/發車、對位調整、站臺清客、開/關門、自動折返、回庫和自動洗車的清掃等正常作業，以及乘客緊急呼叫、人員防護、車輛/站臺火災、障礙物檢測、車門/站臺門對位隔離、雨雪模式和蠕動模式等異常事件處理，實現列車全自動運行，不僅達到節能環保的目的，也能避免人為操作失誤導致的運營故障。信號系統由在傳統CBTC 信號系統升級為FAO 后，計算機聯鎖設備也相應新增了如人員防護開關（Staff Protection Key Switch，SPKS）防護、反向跳躍管理、站臺清客確認、再關門控制、間隙探測、列車全自動洗車和自動控制車庫門等適應FAO 的功能及接口。本文將對上述新增功能聯鎖邏輯控制及接口信息交互進行分析和說明。

1 全自動運行系統聯鎖設備新增功能

1.1 SPKS 防護

1.1.1 SPKS 使用場景

全自動無人駕駛地鐵線路，列車上無司機值守，當運營人員或者維護人員需要進入全自動運行區域搶修、排查故障或者日常巡檢等作業時，需要激活人員防護開關，建立一個封鎖區域來保護作業人員的人身安全。

1.1.2 SPKS 聯鎖功能

在正線各車站車控室綜合后備盤及車輛段控制室設置人員防護開關及相應指示燈時，聯鎖設備實現以下控制邏輯。

1）聯鎖設備和SPKS 開關通過硬線接口，獲取SPKS 開關狀態。

2）SPKS 激活時，聯鎖設備禁止排列通向SPKS 防護區域的進路；若通向SPKS 防護區域的進路始端信號已經開放，檢查到SPKS 激活條件應立即關閉。

3）信號機因SPKS 開關激活而關閉后，當SPKS 開關未處于激活狀態或旁路狀態，卻滿足聯鎖條件時，信號機應能人工重開信號。

4）SPKS 激活時，SPKS 防護區域內的道岔不可被聯鎖設備邏輯操動，如進路操作、保護進路觸發操作等，但可通過人工單操操動。

1.1.3 和其他系統信息交互

1）聯鎖設備采集到SPKS 處于激活狀態時，通過驅動SPKS 繼電器和門禁系統接口，實現與SPKS 防護區門禁設備聯動。

2）聯鎖設備將SPKS 開關激活信息發送給列車自動監控系統（Automatic Train Supervision，ATS）用于人機界面顯示，告知行調人員SPKS 已處于激活狀態。

3）聯鎖設備將SPKS 開關激活信息發送給軌旁列車自動保護系統（Automatic Train Protection，ATP），使列車不能越過防護區，以阻止無人駕駛的列車進入作業區域。

1.2 反向跳躍

1.2.1 反向跳躍使用場景

反向跳躍是全自動運行系統控制列車低速小距離運行的模式，應用于列車停車對標不準后在一定誤差范圍內允許列車二次對位停車的功能。

1.2.2 反向跳躍邏輯控制

列車停車對標不準時，車載設備向區域控制器（Zone Controller，ZC）發起反向跳躍請求，反向跳躍功能開始啟動。聯鎖收到來自ZC 的跳躍請求，判斷滿足跳躍條件（退行路徑上的道岔在規定位置沒有被反向操縱過，且退行路徑上的區段未被封鎖等）則回復ZC能夠反向跳躍；若條件不滿足，聯鎖設備回復ZC 無法反向跳躍。聯鎖設備實現以下控制邏輯。

1）某區域因執行反向跳躍作業而鎖閉，聯鎖設備禁止排列通過反向跳躍區域的進路。

2）聯鎖設備在執行跳躍業務鎖閉反向跳躍區域時需要滿足如下條件：反向跳躍區域內無對向進路和保護進路鎖閉、反向跳躍區域空閑、反向跳躍區域關聯的SPKS 未處于激活狀態、反向跳躍區域內無區段超限、聯鎖和ZC 通信狀態完好。

3）聯鎖設備觸發保護區段鎖閉時，檢查與保護區段方向相反且與保護區段有重合的反向跳躍區域未處于跳躍鎖閉狀態。

4）因跳躍條件不滿足而關閉的信號機，在跳躍條件滿足后可人工重開信號。

5）有道岔的跳躍區段，聯鎖設備根據ZC 的跳躍請求和解除信息對跳躍區段內道岔的鎖閉/解鎖進行控制。

1.2.3 和其他系統信息交互

1）聯鎖設備接收ZC 的跳躍請求，進行相應的邏輯處理后，向ZC 發送跳躍狀態信息。

2）聯鎖設備向ATS 系統發送跳躍狀態信息，在人機界面顯示。

1.3 站臺清客確認

1.3.1 站臺清客確認使用場景

進行站臺清客確認時，當列車運行至折返站或終點站停穩且停準后，打開車門及站臺門，ATS 下發清客指令，在清客期間車載設備保持車門打開不關閉。由站臺值班人員完成清客確認后，按壓站臺就地控制盤上的清客確認按鈕。聯鎖設備采集到站臺清客確認按鈕按下信息后，將信息發送給車載設備。車載設備收到站臺清客確認按鈕按下信息后，發送車門關閉及站臺門關閉命令關閉車門和站臺門，控制列車自動從當前站臺發車。

1.3.2 清客確認邏輯控制

聯鎖設備無邏輯控制，僅通過硬線接口采集清客確認按鈕狀態。

1.3.3 和其他系統信息交互

1）聯鎖設備獲取到清客確認按鈕按下狀態后，發送給車載設備，輔助車載設備管理車門及站臺門，控制列車自動從當前站臺發車。

2）聯鎖設備獲取到清客確認按鈕按下狀態后，發送給ATS 系統，在人機界面顯示。

1.4 間隙探測

1.4.1 間隙探測使用場景

在有人駕駛線路中，多由司機在關門過程中確認車門和站臺門之間是否存在乘客或者異物，確認后司機執行關門操作。由司機確認車門和站臺門間隙是否有乘客或者異物可能存在視覺盲區，一旦出現，就可能存在列車車門和站臺門夾人夾物未被及時發現而造成乘客傷亡事故及惡劣的社會影響。采用全自動運行系統后，不再需要人工參與車門和站臺門間隙內是否有乘客或者異物銜夾的探測工作，而由間隙探測系統執行探測，信號系統獲取相關信息進行運算后自動實現列車開關門及離站。間隙探測系統對車門和站臺門間隙進行探測，是確保乘客安全和列車行車安全、實現站車一體化的關鍵技術措施。

1.4.2 間隙探測邏輯控制

1）聯鎖設備和間隙探測系統通過硬線接口，聯鎖設備采集相關狀態并驅動相關命令發送給間隙探測系統。

2）聯鎖設備接收車載設備的間隙探測啟動命令，當列車在站臺停穩，站臺門已關閉且鎖緊時，聯鎖設備驅動間隙探測啟動命令給間隙探測系統。

3）聯鎖設備采集間隙探測工作狀態及障礙物狀態，若間隙探測工作正常時，檢測到存在障礙物，聯鎖設備禁止出站信號開放。

4）聯鎖設備接收車載設備的間隙探測停止命令后或者列車已完全駛離站臺，聯鎖設備驅動間隙探測停止命令給間隙探測系統。

1.4.3 和其他系統信息交互

1）聯鎖設備接收車載設備的間隙探測啟動命令和間隙探測停止命令，聯鎖設備給車載設備發送間隙探測工作狀態及障礙物狀態。

2）聯鎖設備給ATS 系統發送間隙探測工作狀態及障礙物狀態，用于人機界面顯示。

1.5 自動洗車

1.5.1 自動洗車場景

為實現全自動駕駛的相關要求，全自動運行系統下的車輛段/停車場新增全自動洗車作業。信號系統需增加與洗車設備的接口及控制邏輯，以實現全自動洗車功能。

1.5.2 自動洗車控制邏輯

1）聯鎖設備和洗車機通過硬線接口，獲取洗車機就緒狀態、移動授權通過狀態等，給洗車機發送前后端洗車請求命令。

2）聯鎖設備將獲取的洗車機就緒狀態和移動授權通過狀態納入洗車庫進路建立、信號開放的檢查邏輯中，當洗車機條件不滿足時，禁止排列洗車機庫區域相關的進路；與洗車庫區域相關的進路信號如果已經開放，洗車機條件不滿足時，應立即關閉。

1.5.3 自動洗車控制過程信息交互

1）聯鎖設備和ATP 系統接口，聯鎖設備將獲取的洗車機狀態、移動授權通過狀態及緊停狀態發送給ATP 系統控制待洗列車運行。

2）聯鎖設備接收ATS 的洗車請求命令并驅動給洗車機完成洗車功能，聯鎖設備將獲取的洗車機狀態、移動授權通過狀態等發送給ATS 系統用于人機界面顯示。

1.6 自動控制車庫門

1.6.1 自動控制車庫門使用場景

列車出庫前，信號系統根據運行計劃適時自動觸發打開車庫門或場段人員根據ATS 計劃提前遠程人工打開車庫門。當信號系統與車庫門處于聯動控制模式時，信號設備對車庫門系統進行監控。

1.6.2 自動控制車庫門邏輯

1）當信號系統與車庫門處于聯動控制模式時，聯鎖設備根據指令驅動車庫門的打開和關閉信息給車庫門系統。聯鎖設備收到了ATS 發送的開門命令，驅動車庫門打開信息；聯鎖設備收到ZC 發送的關門授權和ATS 的關門命令，檢查庫門區域相關區段空閑未鎖閉狀態后，驅動關門信息給車庫門系統。

2）當車庫門處于打開且鎖閉狀態時，才可以辦理進庫、出庫進路和開放進庫、出庫進路信號機；若檢測到車庫門未處于打開且鎖閉狀態或旁路狀態時，聯鎖設備立即關閉相應的信號機。

1.6.3 車庫門控制過程的信息交互

1）聯鎖設備和車庫門系統通過硬線接口，采集車庫門開門和鎖閉、車庫門關好、車庫門旁路及車庫門控制模式信息，驅動車庫門開門和關門命令給車庫門系統。

2）聯鎖設備接收ATS 子系統下發的車庫門開門命令和關門命令，聯鎖設備給ATS 子系統發送車庫門開門和鎖閉狀態信息、車庫門關好狀態信息、車庫門旁路狀態信息及車庫門控制模式信息。

3）聯鎖設備向ZC 發送庫門狀態及車庫門關門請求，接收ZC 發送的關門授權信息。

2 優化改進建議

目前，越來越多的城軌項目采用全自動運行系統，為實現相關功能，作為信號系統關鍵組成設備的計算機聯鎖設備增加了與SPKS、反向跳躍、清客確認及再開門、間隙探測、洗車機和車庫門等設備的接口后，雖有效保證了FAO 系統功能的正常實現，但是確實增加了相應的成本、空間用房及維護成本。因此，系統總體設計應根據全自動線路車站無人、中心直接管理在線列車等特點，對信號系統的結構組成、功能分配等做適應性調整，盡量使整個大系統向中央集中化、設備可靠化、響應快速化的方向優化。

2.1 建議采用全電子聯鎖設備

目前國內廣泛應用的聯鎖設備為計算機聯鎖設備，其安全性、可靠性、可用性雖均能滿足運營的要求，但執行部分大多仍采用繼電器組合，存在大量的繼電器節點，配線復雜、設備用房多、能耗成本高且在故障時維護檢修難度大、時間較長。隨著計算機、自動控制、電子電力和冗余等技術的發展，傳統繼電式聯鎖已經向全電子聯鎖系統逐步發展，采用模塊化設計的電子執行單元替代了接口柜、組合柜，單子執行單元更加小型化和智能化，使整個系統控制更加靈活簡潔，且采用冗余結構的全電子聯鎖電子執行單元具有信息采集、狀態監測、命令執行和過流保護等功能，并能通過自檢、故障監測和診斷等監測報警功能等提高系統的可靠性和可維護性，同時支持板卡熱插拔。

2.2 建議采用中心集中控制取消站控設備

既有線路中的計算機聯鎖設備，結構多采用分散式，將線路分成若干個集中控制區域，每個控制區域對應設置1 套聯鎖設備，控制中心不設置聯鎖設備。目前深圳20 號線和深圳16 號線均采用中心集中布置聯鎖邏輯主機的方式。中心集中布置聯鎖邏輯主機，改變了傳統信號設備的分布式布置方式，大大減少了車站設備，便于信號設備集中管理，實現各種信息實時匯聚，為大數據平臺、數據挖掘、智能運維系統提供基礎數據，提高了信號系統的穩定性和可靠性，同時減少了后期設備維護的工作量，降低了全生命周期內信號系統維護和管理成本，節省了車站機房面積，為城市軌道交通綠色低碳發展提供了技術支撐。

2.3 建議采用車輛段和試車線設備合設

既有大多數線路，車輛段和試車線會當作2 個獨立的控制車站，配置2 套獨立的聯鎖設備。全自動運行線路的車輛段一般采用自動化運行系統，會配備與全自動正線車站一致的信號系統，設置ZC。因此，自動化車輛段可作為一個聯鎖設備集中站，試車線作為該聯鎖區控制的非設備集中站，即車輛段與試車線可同時由車輛段信號系統統一控制，設置一套聯鎖設備，無須單獨設置聯鎖設備對試車線與車輛段進行物理隔離，可通過軟件增加隔離措施或者人機工作站劃分控制權限等手段實現業務功能，進而實現節省投資成本、節約設備空間、降低維護成本和減少施工量的目的。

3 結束語

隨著當前社會的發展和科學技術的不斷進步，全自動運行為軌道交通帶來了自動化技術和運營服務水平的提高，計算機聯鎖系統為配合FAO 功能的實現也在不斷更新控制邏輯和接口設備，但有一些技術方案和相應規章制度仍需再進一步研究完善，不能簡單一味地堆積和疊加，而應該以全自動行車需求為主導，制定更加適合全自動運行的設計方案，優化系統軟件控制邏輯，使系統架構更加清晰簡潔，功能更加完善，實現全自動駕駛系統節約環保的理念，同時給人們帶來更加安全、舒適、便捷的出行體驗。