基于點連式ATP的中低速磁懸浮信號解決方案

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基于點連式ATP的中低速磁懸浮信號解決方案

閆

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

磁浮交通技術起源于德國，磁浮交通具有選線自由度大、噪聲小、振動小、舒適和維護少等特點。中低速磁懸浮交通最高車速80~160 km/h，工程造價相對低廉，與地鐵和輕軌等傳統城市軌道交通互補，發展前景廣闊。目前國內在建的同類工程有長沙中低速磁懸浮工程、北京磁浮示范線。本文研究的信號系統基于列車設計最高速度100 km/h，列車運行間隔3 min。目前，國內尚無針對中低速磁浮系統開發且經過驗證的信號系統，在既有CBTC基礎上做適應性開發的系統造價較高，能力優勢無法體現，而點式ATP完全可以滿足運行間隔3 min的要求。基于上述需求，在滿足運營能力需求的基礎上，為了降低工程造價，本文研究的信號系統采用點式ATP的方案，以固定閉塞方式追蹤運行，配合點式應答器提供列控信息，為列車運行提供安全保證?？紤]到線路道岔區、站臺區、轉換軌區域需要道岔防護、站臺區安全防護(緊急停車)、車門和站臺安全門聯動等功能的要求，增強站區和岔區的安全防護能力，提高自動化程度，在上述區域采用局部連續車地通信。該系統區別傳統點式通信ATP系統和連續式ATP系統，稱之為“點連式ATP系統”。

1系統結構

本系統由地面設備和車載設備構成。系統總體方案如圖1所示，它是由ATS(列車自動監控子系統)、CI(計算機聯鎖子系統)以及ATP(列車自動防護子系統)和局部覆蓋的無線通信等設備，通過相應的網絡及信息傳輸通道所構成一個完整的信號系統。這4個子系統被分到4個層級中，以便分級實現信號系統功能。

1)控制中心級。ATS系統的集中控制層設在運控中心內，在該處設立了中心級設備，安裝了ATS數據庫服務器、應用服務器、通信服務器、調度員工作站、列車時刻表編輯工作站、運行圖顯示工作站及設備維護管理工作站等，可實現全線列車運行圖編輯、進路自動排列，列車運行、跟蹤情況的監督及調整的集中控制功能；在車站一級，設備集中站安裝了ATS車站服務器，每一個站安裝了ATS工作站，可實現本站所轄區段列車運行的監視和進路排列。2)軌旁設備級。軌旁系統軌旁設備包括聯鎖和軌旁電子單元LEU以及相關部件等組成，它們共同執行聯鎖和軌旁ATP的所有功能。3)車地通信級。通信系統在軌旁和車載設備之間提供點連式或點式的通信，含地面無線設備、地面固定和可變應答器等設備。4)車載設備級。列車上安裝的車載ATP設備，及車載點連式或點式通信設備。

圖1　系統構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system

從圖1可以看出，本系統以傳統點式ATP系統作為基礎，再增加局部無線通信覆蓋，構成總體結構。下面對本系統的特點進行分析。

2系統特點分析

2.1與輪軌系統的區別

對于信號系統，中低速磁浮與傳統城市軌道交通輪軌系統主要區別包括：1)非輪軌驅動，傳統信號在車軸上安裝轉速計測速的方式不再適用。2)由于無輪軌，無法利用傳統計軸設備或軌道電路進行軌道區段空閑檢查。

2.2與傳統點式ATP系統的區別

傳統點式ATP系統未設無線車地通信，而本系統在道岔區、站臺區和轉換軌區域采用局部連續車地通信。

2.3與高速磁懸浮系統的區別

1)根據運行速度，時速在400 km以上為高速磁浮列車，主要用于城市之間遠距離的交通。中低速磁浮列車時速一般在100 km左右，主要用于城市內部交通。兩者的懸浮原理相同，都是吸引式懸浮，但其導向系統、軌道結構、牽引系統和供電方式卻不相同。

2)德國TR高速磁懸浮運行控制系統，是列車、軌道、控制中心、牽引、供電和信號一體化的控制系統，信號非獨立系統，信號閉塞分區與供電分區保持一致。列車定位通過對安裝在道床上的直線電機長定子上矩形開口槽進行檢測實現，通過固定在軌道上編碼標志板實現校準，每200 m設一處編碼標志板。列車通過車地無線向控制中心報告列車位置和速度，控制中心根據列車位置進行分區控制，包括分區供電和分區閉塞。

3)日本ML高速磁懸浮信號系統相對獨立，類似傳統鐵路信號系統。地面立交叉環線檢測列車位置，每0.3 m交叉一次，定位精度0.1 m。利用感應環線作為車地通信設備。

4)德國TR高速磁懸浮系統作為一體化控制系統，與國內現行的專業分工完全不同，很難適應國內的建設模式。而日本ML高速磁懸浮信號系統采用交叉環線，施工難度大、造價高，也不適合作為中低速磁懸浮信號系統。

3系統關鍵技術分析

本系統與高速磁懸浮系統的關聯性較小，關鍵技術需解決與傳統輪軌系統的差異問題，及與傳統點式ATP系統的差異問題，從以下4個方案展開分析：列車測速測距方案、列車定位方案、軌道占用檢查方案和無線通信覆蓋方案。

3.1列車測速測距方案

中低速磁懸浮采用的測速-測距方法包括：1)交叉感應環線測速方式；2)計數軌枕測速方式；3)多普勒雷達測速方式。交叉感應環線是在道床上鋪設交叉感應環線，環線約0.3 m交叉一次，交叉環線中加載一定頻率的交流信號，使車載感應線圈產生感應電流，列車通過交叉點時，感應電流相位發生變化，經采樣處理后形成位置脈沖信號，車載設備據此計算列車走行距離和運行速度(原理見圖2)。通過配置一定間距的多個感應線圈組，可提高測速精度，判斷列車運行方向。此交叉感應環線通常只用于測速和定位，而不用于車地通信。

圖2　交叉感應環線測速定位原理Fig.2 Cross-induction loop speed positioning principle

計數軌枕式測速是利用磁懸浮線路上采用鋼枕特性，在列車底部根據精度要求等距離安裝一定數量的電渦流感應式傳感器，在傳感器經過鋼枕上方時，感應傳感器中渦流變化，經處理后輸出變化的脈沖序列，脈沖間隔與車速相關，車速越高，脈沖間隔越小，車速越低，脈沖間隔越大，車載設備據此計算列車速度和走行距離(原理見圖3)。該方式不要求等間距鋪設軌枕，可降低施工難度。

圖3　計數軌枕式測速和定位原理Fig.3 Count sleeper speed and positioning theory

輪軌系統中多數情況為信號和車輛分別設置轉速計，而由于磁懸浮測速系統的特殊性，國內中低速磁懸浮系統都采用車輛和信號共享車載感應式傳感器輸出方案，傳感器由車輛配置，信號車載系統接收傳感器輸出脈沖信號，自行計算列車速度和相對位置。除了上述兩種主要方案之外，還可通過車載多普勒雷達作為輔助測速校核手段，但雷達容易受天氣和列車運行速度影響，如大雨或霧霾天以及車速較低時會導致測速不準，因此多數不作為主要測速方式獨立使用。交叉感應環線方式施工和維護要求高，而計數軌枕方式相對簡單，同時測速精度也滿足要求，且在國內株機廠、唐客廠兩條試驗線均已驗證，技術更成熟，故本系統采用計數軌枕測速-測距方式。同時為了提高系統可靠性，再增加多普勒雷達作為輔助設備，兩者測速數據相校核再輸出結果。即本系統列車測速測距采用計數軌枕+多普勒雷達輔助的方案。

3.2列車定位方案

列車定位以絕對位置為基點，再累加走行距離從而形成列車的實時位置(線路里程)。絕對定位方式包括：應答器和脈寬編碼標志板。應答器與普通軌道交通中的應答器一致，分為歐標應答器和美標應答器。應答器安裝在走行軌之間，列車經過應答器時接收到包含有線路里程信息的報文，從而可確定列車的絕對位置。每經過一次應答器，即可消除一次累積的測距誤差，因此應答器設置越密，定位精度就越高。脈寬編碼標志板方式通過在標志板上開槽的槽距不同來進行編碼，當列車通過編碼板時，編碼板從車載閱讀器的U型結構中間通過，閱讀器產生不同時隙的脈沖，通過事先確定編解碼原則，可計算出標志板的地址碼，地址碼對應標志板的絕對位置(如圖4和5所示)。上海高速磁懸浮即采用此種絕對位置定位技術。

圖4　車載閱讀器和脈寬編碼標志板示意圖Fig.4 Onboard reader and pulse encoder sign board schematic

圖5　讀碼原理圖Fig.5 Code reading schematics

國內，應答器無論在高鐵還是城市軌道交通中都得到了廣泛的應用，技術成熟，積累了大量的應用經驗。而脈寬編碼標志板方式在國內應用較少，技術沒有得到充分的驗證，并且本系統的現場應用條件與上海高速磁懸浮差異較大，固不采用脈寬編碼標志板方式作為定位方案。采用計數軌枕測距方式進行實時定位，車輛和信號可共享車載傳感器輸出，車載信號接收傳感器脈沖信號，自行計算列車速度和相對位置，采用應答器實現絕對定位，兩者結合定位精度可達0.1~0.3 m。故本系統采用“應答器+計數軌枕”定位方案。

3.3軌道占用檢查方案

信號系統需要檢查軌道區段的占用或空閑情況。因為磁浮列車沒有輪軌，無法采用傳統的軌道電路或計軸方式進行檢查，可考慮模擬計軸和感應環線2種替代方式。

計軸方式是城市軌道交通信號系統最主要的軌道占用檢測手段。在中低速磁懸浮中雖然沒有輪軌，但可借鑒計軸傳感器原理，通過在列車底部加裝模擬車輪的感應板方式，模擬對磁懸浮列車的“計軸”功能，從而實現軌道區段占用檢查。感應環線方式更加類似傳統的軌道電路，區段長度范圍內均鋪設環線，列車上車頭、車尾分別配置發送天線，列車進入環線時發送“checkin”信號，列車離開環線時發送“checkout”信號，地面設備根據接收到信號的次序，通過邏輯判斷，驅動軌道繼電器的吸起和落下，從而判斷區段列車占用情況。地面環線自身也會發送“照查”信號，用于環線完好狀態檢查(原理見圖6)。

計軸檢測技術成熟、安全、可靠，性價比高，并且在國內兩條中低速磁懸浮試驗線中經過了充分的驗證。感應環線可以實現測速、定位和占用檢查3個功能，但是造價太高，實施難度大，維護不方便，不適合中低速磁懸浮信號系統。故本系統列車占用檢查采用模擬計軸方案。

圖6　感應環線列車位置檢測示意圖Fig.6 Circle line train position detection sensor schematic

3.4無線通信覆蓋方案

本系統在傳統點式系統的基礎上，在特定區域(站臺、道岔防護區域)增加車-地無線雙向通信設備，列車在進入車-地無線雙向通信覆蓋區域后，車載設備主動發起與地面設備建立連接，成功連接后地面設備通過無線設備實時向車載設備發送站臺門、緊急停車按鈕、信號機和道岔的狀態信息，車載設備根據地面設備發送的狀態信息進行安全防護。例如防護列車進入特定區域站臺門意外打開、緊急停車按鈕按下、道岔失表失等意外情況。當上述意外情況發生后，車載ATP設備根據特定防護區和列車實際位置計算保護速度，若能保證在特定防護區前停車，通過降低保護速度曲線和推薦速度曲線的形式，引導司機正常停車，確保停在防護區之前。如司機不按照曲線減速，將觸發緊急制動，確保列車停在防護區外。若列車已進入或非常接近防護區域，車載ATP 將防護列車立即緊急制動促使列車停車。

4結論

1)中低速磁懸浮列車是一種新型的交通運輸工具。與傳統的輪軌列車相比，磁懸浮列車在工作原理、軌道結構、驅動方式、調度運行等方面有很大的不同，因此對控制磁懸浮列車運行的信號系統也有著不同的要求。

2)本系統技術方案結合實際情況，對列車測速及定位、軌道占用檢查、無線通信覆蓋等關鍵信號技術進行了分析研究，給出了一套完整的適合中低速磁懸浮交通的信號系統解決方案，即“點連式ATP系統”。

3)隨著國內在建同類工程，如長沙中低速磁浮工程、北京磁浮示范線的建成與運營，中低速磁懸浮信號系統將積累更多的實際運營經驗，經過現場驗證，形成一套獨立的、系統的技術體系。因此，中低速磁懸浮信號系統的方案有待進一步的研究與優化。

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(編輯蔣學東)

摘要:中低速磁懸浮作為一種新興的交通工具，以其相對傳統軌道交通的優勢，發展前景廣闊。本文基于設計時速100 km/h，運行間隔3分鐘的中低速磁浮工程模型，信號系統采用“點連式ATP系統”。首先對中低速磁浮“點連式ATP系統”展開分析，研究本系統與傳統輪軌系統及高速磁浮系統的差異，提出本系統的關鍵性技術是列車測速測距、列車定位、軌道占用檢查及無線通信覆蓋。前三項關鍵技術主要解決與傳統輪軌系統的差異問題，無線通信覆蓋方案解決與傳統點式ATP系統的差異問題，從而給出一套完整的適合中低速磁懸浮的信號系統解決方案。

關鍵詞：中低速磁懸?。恍盘枺粶y速；定位；軌道占用；覆蓋

The solution of intermediate-low-speed maglev trainsignaling system based on the point-continuous ATPYAN Yan

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract:The newly rising means of transportation, intermediate-low-speed maglev train, has a quite broad prospect comparing to the traditional ones. Based on analysis of the point-continuous signaling system model with a 100 km/h design speed and 3-minute tracking interval, this paper firstly studies the point-continuous ATP system, offering a glimpse of the difference between this system and the traditional wheeltrack and the high-speed maglev trains. The conclusion is that the key technologies are the distance and speed measurement, train locating, track occupation detecting and wireless communication covering. The former three technologies are mainly the difference between this system and the traditional wheeltrack ones, leaving the difference between the ATP and the traditional ones to the wireless communication covering technology, and concludes with a possible technical solution for the signaling system of intermediate-low-speed maglev railway.

Key words:intermediate-low-speed maglev train; signaling; velocity measurement; to locate; track occupation; to cover

中圖分類號：U283.5

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0158-06

通訊作者：閆(1982-)，男，陜西西安人，博士，從事鐵路信號工程研究設計；E-mail：tsythcyy@126.com

收稿日期：*2015-06-17