基于点式ATC系统的中低速磁浮信号系统提升建构

2022-07-25杨明春

铁路通信信号工程技术 2022年7期

王冠，杨明春

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 磁浮文化旅游线路信号系统的技术需求

1.1 城市轨道交通点式系统的应用概况

点式ATC 系统是采用应答器、环线等进行地对车单向通信的列车控制系统，其安装灵活、可靠性高，投资价格明显低于连续式ATC 系统。点式ATC 系统在城市轨道交通中广泛应用，一般作为基于通信的列车自动控制系统（CBTC）的后备系统。点式ATC 系统的闭塞制式属于固定闭塞，列车间的安全间隔较大，其作为主用系统时，一般多用于运量较小的线路。

磁浮线路较地铁和轻轨有其特殊的建设、运营及管理模式，将点式ATC 系统应用于磁浮线路以下几点局限性。

1）磁浮线路一般采用三段定心式关节型道岔。在点式系统中一旦在进路始端获得有效的行车许可后，将无法对进路内突发紧急情况进行防护。若道岔故障发生转动，可能导致“坠崖”风险。

2）点式系统的临时限速功能，无法将突发性限速实时下达至列车，或在CBTC 降级为点式系统时，区域控制器（ZC）作为传递临时限速信息的关键节点出现故障时，将无法实现临时限速功能。

3）磁浮线路的测速测距原理与传统轮轨列车不同，点式ATC 系统应解决安全性、抗干扰性、冗余性和测速测距精度的问题。

1.2 凤凰磁浮文化旅游线信号系统的个性化需求

凤凰磁浮文化旅游线运营特点为线路全长9.121 km，正线列车最高运行速度为100 km/h。设置磁浮高铁、城北游客中心、古城揽胜、民俗园4 个车站，在高铁站附近设车辆段一座，最大站间距2.496 km，最小站间距1.012 km，平均站间距1.777 km。有3 辆编组列车，满足平季、淡季、旺季运行交路的要求，正线设计行车间隔为5 min。平季、旺季初期6 对，近期8 对，远期10 对。淡季初期4 对，近期6 对，远期8 对。最高运行速度100 km/h，全线旅行速度不低于40 km/h。

除以上点式ATC 系统应用于磁浮线路的局限性外，凤凰磁浮文化旅游线路还存在两个个性化需求：

站内自动发车：为进一步提高车站作业的安全性、降低车站工作人员的劳动强度，将车门站台门间隙探测纳入系统防护范围，实现站台ATO自动发车；当车门和站台门故障时，应具备对位隔离措施。

弱电专业整合：磁浮线路具有线路独立、长度较短、行车间隔较大等特点，信号系统在满足运营安全及能力指标的前提下，应合理整合资源以节约投资。本工程将弱电各专业设备用房进行整合，信号系统应考虑设备用房空间减少的实际情况，优化系统配置。

2 基于磁浮文化旅游线路需求的点式ATC系统功能改进与提升

基于点式系统应用于磁浮线路的局限性及凤凰磁浮旅游线信号系统的个性化需求，本工程采用的信号系统⸺ 智能自主运行控制系统，是一种具备站内自动化等级GoA2+自动驾驶功能（站内自动发车、车门站台门对位隔离、站台间隙探测）的增强型点式列车运行控制系统。系统正常运行在连续式控制级别下，具有安全、可靠的降级运营控制模式（单一点式、联锁级）。列车在正线运行时，由地面安全控制中心（STC）实时向列车发送前方信号机状态、道岔位置、线路空闲/占用等行车信息，车载ATP 根据前方进路的状态，防护列车安全运行。本系统主要由车载控制器（VOBC）（包括ATP、ATO）、ATS 子系统和STC 子系统组成。系统架构如图1 所示。

图1 智能自主运行控制系统Fig.1 Block diagram of intelligent autonomous operation control system

2.1 升级点式ATC系统，形成智能自主运行控制系统

2.1.1 提高闯红灯防护等级

根据中低速磁浮交通系统特点及国内外工程应用经验，道岔一般采用三段定心式中低速磁浮关节型道岔。当防护进路的信号机未开放，若列车越过该信号机，车载ATP 立即触发紧急制动。特别是对于磁浮道岔，闯红灯防护的重点为防止列车“跳崖”。

以车辆段三开道岔为例，三开道岔由道岔活动梁和道岔垛梁构成，其中道岔活动梁是可以转动的，道岔垛梁不动，在正常线路和道岔活动梁之间起连接作用，如图2 所示。

图2 三开道岔平面示意Fig.2 Three-throw turnout

当列车1 从岔头到岔尾方向运行时，考虑道岔转动不到位或正在转换过程中，列车1 存在跳崖风险；当列车2 从岔尾到岔头方向运行时，道岔活动梁可能和正常线路1、2 中的一条连接而没有和线路3 连接，列车2 向前运行时，也存在“跳崖”的风险。

基于以上风险分析，信号系统需要为磁浮线路提供更严格的闯红灯防护措施。首先，列车在连续式控制级别下运行时，车载ATP 通过车地连续通信持续监督前方的进路和信号显示状态，一旦信号显示由允许变为禁止或连续式地车通信丢失，由车载ATP 触发制动进行防护。

其次，当系统降级为点式系统时，列车可通过点式应答器监督前方防护信号机状态。点式级别下车载ATP 配置的开口速度应满足列车以该速度通过有源应答器VB 中的红灯报文后，能在前方“跳崖”危险区前停车。

最后，联锁级下，系统应考虑列车在RM 模式下的闯红灯防护措施。

1）正线

道岔防护信号机前方的闯红灯防护应答器成组设置（由一个有源应答器VB 和无源应答器FB 组成），如图3 所示。

图3 正线闯红灯防护应答器组设置Fig.3 Arrangement of balise groups for red-light protection for the main line

闯红灯防护功能无方向性，即列车无论从任何方向读取到有源应答器中的红灯报文时，均会触发紧急制动。

车载ATP 应对闯红灯防护应答器组中有源应答器丢失、默认报文或报文无法解析、收到非预期报文的情况，按闯红灯防护处理，触发列车紧急制动。

2）车辆段

闯红灯防护应答器成组设置。如图4 所示，FB1 与VB，FB2 与VB 各为一组闯红灯防护应答器组。

图4 车辆段闯红灯防护应答器组设置Fig.4 Arrangement of balise groups for red-light protection for the vehicle depot

为避免回库列车通过有源应答器读到红灯报文后，导致非预期的紧急制动，在出库信号机内方设置一个无源应答器FB2。

当列车依次通过FB1 与VB，且读取到有源应答器VB 中的红灯报文时，按闯红灯防护处理，触发紧急制动；当列车依次通过FB2 与VB 时，不执行闯红灯防护功能；若未收到FB1 或FB2 应答器而直接收到有源应答器VB 中的红灯报文时，会触发紧急制动。

当先收到应答器FB1 时，车载ATP 应对闯红灯防护应答器组中有源应答器丢失、默认报文或报文无法解析、收到非预期报文的情况，按闯红灯防护处理，触发列车紧急制动；而当先收到应答器FB2 时，车载ATP 对上述情况不按闯红灯防护处理，不触发列车紧急制动。

2.1.2 由闯红灯防护功能适配修改应答器报文

城轨项目在段场内一般不设有源应答器，而磁浮线路中为实现闯红灯防护功能设置了有源应答器。因此，在进行引导及调车作业时，车载ATP 应正确处理道岔防护信号机前为实现闯红灯防护功能设置的有源应答器报文（引导报文、调车白灯报文）。

《城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通接口规范》（T/CAMET 04011.1-2018）第1 部分：应答器报文中公共信息包定义（203 子包）对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 可见，当信号机显示状态为引导时，Q_SIGNAL_ASPECT 按红灯取值，应答器发送红灯报文，导致车载ATP 输出非预期的紧急制动；当信号机显示状态为调车进路白灯时，由于应答器报文规范中Q_SIGNAL_ASPECT 取值并未涉及，系统导向安全侧按红灯取值，同样导致车载ATP 输出非预期的紧急制动。

基于以上问题，首先修改应答器报文规范中的自定义包，增加引导、调车报文。修改后的公共信息包定义（203 子包）对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 软件逻辑：增加引导红黄灯和调车白灯报文后，车载ATP 在限制人工驾驶模式（RM）下收到该报文不触发非预期的紧急制动，在CM-I/AM-I 模式下收到该报文按红灯处理；收到蓝灯报文按红灯处理。车载ATP 软件适配修改后的逻辑如图5 所示。

图5 引导、调车作业下的车载ATP处理逻辑Fig.5 Onboard ATP processing logic for calling-on and shunting operations

2.1.3 完善点式临时限速功能

在智能自主运行控制系统中，临时限速功能的信息传递较CBTC 系统简化为：由ATS 向STC 下达临时限速命令，STC 同时具备无线和点式临时限速功能。在无线通信设备正常时，STC 可支持5 km/h 一档且以计轴区段为单位设置临时限速，并通过车地无线通道发送至列车；在无线通信设备故障时，STC 可按5 档限速（0/25/40/60/80 km/h）向下归档和进路归档，并通过LEU 发送至有源应答器后，传送至列车实现安全防护。

该方案通过全线无线通信设备的覆盖，使临时限速信息可实时下达至列车，弥补了点式ATP 系统临时限速功能的不足；同时，在CBTC 的后备点式控制级别下，由于在点式临时限速命令信息传递环节中没有ZC 的参与，避免了因ZC 故障而导致的点式临时限速功能无法实现的局限性。在满足安全防护的前提下，大大提高了运营效率，完善点式模式下临时限速的系统功能。

2.1.4 提升站台服务水平

站台服务是车站服务的重要组成部分。在节假日或旅游旺季，旅游线路需承载激增的出行流量。当候车站台出现人员拥挤的情况时，可能导致乘客无法挤上列车而身处车门与站台门间隙，这使得车门与站台门障碍物探测功能凸显出重要性。当列车车门出现异常或某侧站台门异常不能打开时，会影响列车内准备下车的乘客或者站台候车准备上车的乘客。同时，作为旅游线路，旅行速度尤为重要，需将乘客迅速、安全地送抵景区。

为提升凤凰磁浮旅游线的站台服务水平和乘客出行体验，智能自主运行控制系统主要从以下两方面进行改进：一是从安全性能出发，将车门/站台门间隙检测纳入系统防护范围，利用信号系统与站台门系统既有继电接口，将间隙探测结果纳入站台门提供给信号系统的关闭且锁闭信息的安全回路中。信号系统收到站台门的关闭且锁闭信息，即认为无障碍物，列车正常离站，保障乘客及运行安全。二是从服务品质的角度出发：将间隙探测纳入信号系统防护后实现ATO 自动发车，有效地缩短站停时间、提高平均旅行速度，并降低工作人员的劳动强度。同时，增加车门/站台门对位隔离功能，控制列车到站车门和站台门的开/关，为乘客上、下车提供便利条件。

2.1.5 提出适用于中低速磁浮的测速测距方案

首先，测速测距系统采集单端双侧涡流传感器的脉冲数据，分别单独计算列车速度和位置，比较和融合双侧涡流传感器的速度和位置，通过二取二的方式，保证数据的正确性和安全性。其次，测速测距系统采集加速度计和单多普勒雷达数据，分别单独计算列车的速度和位置。最后，测速测距系统通过数据融合单元，在综合考虑低速特性和动态特性的基础上，融合涡流传感器测速测距与加速度计测速测距和多普勒雷达测速测距的数据，得到列车速度、位置信息。

测速测距系统同时采用3 套传感器实现测速测距，满足列车高速和低速测速测距精度要求，满足测速测距系统的安全性要求。测速测距融合算法如图6 所示。