上海浦東國際機場捷運信號系統創新設計與實踐

謝 斌 王 野 盛佳鋒

上海富欣智能交通控制有限公司 上海 201203

上海浦東國際機場捷運系統服務于安檢后旅客運輸，設置T1/T2航站樓、S1/S2衛星廳和T3航站樓（預留）5座捷運車站。前往衛星廳登機的旅客，在航站樓辦理完值機、行李托運、聯檢、安檢等手續后，在樓內下到地下捷運車站乘坐捷運列車前往衛星廳；在衛星廳到港的旅客，由衛星廳地下捷運車站乘坐捷運列車前往航站樓，經相應流程，離開機場。捷運系統分東、西兩線，列車運營組織方案為T1-S1之間的2股道各自獨立穿梭運行，T2-S2之間運行模式同T1-S1，S1/S2-T3采用單線穿梭運行模式（圖1）。

圖1 列車運營組織示意

作為捷運系統的核心構成部分，信號系統承擔行車指揮和安全防護的重任，與傳統軌道交通不同，其功能設計應該充分考慮捷運旅客運輸組織特征和機場空防安全管理需求[1-3]。

1 上海浦東國際機場捷運系統客運組織需求分析

1.1 高可靠性要求：全天候不間斷運營

根據世界航空網絡運行的需要，上海浦東國際機場作為大型樞紐機場具備全天候運行能力，包括人員、設施設備。同時，根據目前國內外經驗，航空客運市場需要拓寬航班起降時段，各種因素導致離港和到港的航班延誤情況也時有發生。因此，空側捷運系統也應具備全天候運行保障能力，這對系統方案、運營維護模式提出新的要求，而陸側捷運系統，原則上可以留有天窗時間用于系統的專門檢修維護。

機場旅客的乘機流程如圖2所示，捷運系統作為航站區運行的“一環”，一旦出現問題，將引起一系列連鎖效應，對旅客組織將產生重大影響，考慮到機場運行不能中斷，對于捷運系統高可靠性尤為重要。捷運系統運行直接從屬于機場運行管理，有關運行方案決策均需得到機場認可，作為保障機場運行的系統，只要機場客運服務不停，其機場捷運系統就必須保持運轉。

圖2 機場旅客乘機流程

1.2 高可用性要求：定制化的運營方案

捷運系統并無早晚點概念，搭乘捷運系統的航空旅客追求的是捷運列車的發車間隔，即運營間隔，根據 MH/T 5104—2006《民航機場服務質量》的規定，捷運系統95%的旅客等候時間不應超過5 min，因此規定捷運系統發車間隔不能大于5 min。同時，航空旅客客流容易受到航班延誤、惡劣天氣等環境因素的影響，產生較大的波動，因此，與之配套的捷運系統的運輸組織方案必須靈活適配，以保證服務水平。

1.3 空防安全要求：客流的清分與渠化

空側捷運系統必須要滿足機場空防安全的需求，空防安全的目標是為了防止蓄意或意外通過捷運系統侵入航站樓、飛行區等機場隔離區域，給旅客組織和航空設備帶來安全隱患。

安全管控，一方面應通過執行機場相關隔離區管理標準對旅客和運維人員進行隔離，另一方面，應采用科學的方法論對旅客運輸過程中影響空防安全的危害源進行分析，評估其對空防安全的影響程度，制定有效的危害規避或緩解措施。

捷運系統的同一列車同時運輸國內、國際旅客時，車廂、車站對國際/國內的旅客采取分隔措施，因此車廂和站臺屬于空防安全管理的范疇。列車停站期間，到港/離港旅客應進行客流清分，防止出現混流和對沖，因此客流清分也屬于空防安全管理的范疇。

2 上海浦東國際機場捷運信號系統系統功能介紹

上海浦東國際機場捷運線信號系統部署在車輛基地（包括：控制中心、維修中心、培訓中心），衛星廳S1/S2設備集中站，運營列車以及軌旁線路上（圖3）。

1）列車自動監視系統（ATS）：ATS部署在控制中心，主要負責監視和控制信號設備、自動/人工排列進路、追蹤列車以及運營調整。

2）計算機聯鎖（CBI）：CBI部署在S1/S2設備集中站和車輛基地，主要負責監視和控制軌旁信號設備、進路管理、列車的安全間隔防護。

3）區域控制器（ZC）：ZC部署在設備集中站，主要負責列車管理、位置追蹤、列車移動授權計算。

圖3 系統邏輯結構框示意

4）車載控制器（OBCU）：OBCU部署在運營列車上，劃分為列車自動防護子系統和列車自動駕駛子系統。

5）維護管理系統（MMS）：MMS部署在控制中心、維修中心、軌旁設備集中站，主要負責信號設備狀態檢測、報警與統計、維護輔助。

6）數據通信系統（DCS）：DCS部署在控制中心和軌旁設備集中站，是由提供端到端數據安全防護的軌旁有線通信網絡和車地無線通信網絡兩大部分組成的實時寬帶數據通信系統，其主要作用是為信號系統的中央、軌旁和車載各控制子系統之間構筑安全、可靠、實時、透明的信息傳輸平臺。

7）計軸系統（ACS）：計軸系統部署在設備集中站和室外線路，包括室內計軸機柜和室外計軸檢測點，將線路劃分成為不同的計軸區段，輔助CBI實現進路功能，并能夠對ATP故障列車、未裝備ATP設備的列車進行輔助定位。

2.1 中央集中控制

與傳統軌道交通兩級控制方式（包括：中央集中控制和車站現地控制）不同，為避免捷運系統運維人員頻繁進出空防區域，同時節約衛星廳建筑用地，上海浦東國際機場捷運線S1/S2衛星廳設備集中站不設置控制室，僅在車站弱電綜合室設置ATS監視工作站，為保障系統可靠性，采用中央同地兩級控制方式（圖4）。

圖4 中央集中控制模式

正常運營模式下，由中央ATS冗余服務器對全線列車（包含正線區域和車輛基地）進行統一調度指揮，應急情況下，中央ATS冗余服務器完全故障，中央ATS備用服務器可以無縫接管，正在運行的列車計劃不會中斷。中央ATS備用服務器與中央ATS冗余服務器設置在不同的地點，采用獨立供電方式。

作為機場捷運系統的專用構成部分，捷運信號系統的建設充分考慮了機場的遠期規劃、分步實施和經濟節能。遠期規劃，當新的航站樓建成投用接入到捷運系統之后，中央ATS備用服務器將會遷移，并升級成為備用控制中心，主用控制中心和備用控制中心采用相同的設備配置和外部接口，熱備冗余，提升捷運系統可靠性。

2.2 特定控區劃分

為滿足機場全天候航空旅客運輸的需要，捷運系統在規劃設計階段即開始注重提高系統的可靠性，如圖5所示，T1-S1/T2-S2采用雙線穿梭運行方式，A線和B線互為備份，C線和D線互為備份，單線故障時，航站樓至衛星廳的列車運行間隔拉長，客運服務不會中斷。捷運信號系統全線劃分成為3個聯鎖控制區域，其中，車輛基地作為獨立的聯鎖控制區域，正線A/B/C/D四根股道包含T3預留站臺，劃分成為2個聯鎖控制區域，其中A/C一個聯鎖控區，B/D一個聯鎖控區，A/C、B/D聯鎖控制區域的邊界在衛星廳（S1/S2）站后道岔區域和T3站臺前道岔區域。

圖5 特定控制區域劃分技術方案

3 上海浦東國際機場捷運信號系統創新設計實踐

3.1 全天候不間斷運營的列車運行計劃

地鐵列車采用時刻表組織列車運營，時刻表一般分為工作日、休息日、節假日和特殊日期，時刻表一旦編輯完畢，短時間內不會發生較大的變化，而是以季度、半年或整年為調整周期，根據線路客流的變化調圖。捷運系統列車運行計劃需要覆蓋24 h，且能夠靈活調整，滿足機場航班延誤和惡劣天氣對客運組織的影響，必須定制化設計捷運系統的運營方案。

如圖6、圖7所示，捷運系統列車運行計劃T1-S1/T2-S2相互獨立，將全天24 h劃分成為不同的時段，每一個時段采用不同的運營間隔，并可以設置某根軌道是否投運。列車運行計劃具備自動調整功能，考慮到航站樓至衛星廳雙線穿梭的特點，系統會自動調整列車跑“勻”，即一列車從航站樓出發的同時，另一列車應從衛星廳同時出發，2根股道列車交替運行。當一列車因故停站時間過長或扣停在站臺，故障恢復后，系統會首先調整列車跑“勻”，然后通過調整停站時間和區間運營等級的方式進行追趕，保證全天列車運行兌現率達標。

圖6 列車運行計劃

圖7 列車實跡運行圖

3.2 自動穿梭模式

捷運列車航站樓至衛星廳一個單程約為5 min，傳統地鐵列車從起點站運行至終點站一個單程約為50 min，捷運列車運營過程中換端切換車頭的頻次約為傳統地鐵的10倍。為降低司機作業的強度，減少駕駛室司機控制臺機械設備（鑰匙、方式方向手柄等）使用頻率，延長設備使用壽命，特設計自動穿梭模式 SAM（Shuttle Automatic Mode），由信號系統主導列車停站時自動換端、提供列車安全防護、控制列車自動運行（圖8）。

圖8 自動穿梭駕駛模式示意

自動穿梭模式應用場景：

1）SAM模式僅在連續式列車控制級別下車的通信傳輸正常時有效。

2）SAM模式的進入和正常退出需要在停車時進行。

3）SAM模式下，信號系統提供2種車門控制方式：自動開門/自動關門；人工開門/人工關門。

4）SAM模式下，激活駕駛室內的緊急制動蘑菇按鈕，仍舊具備操作的功能。

5）因故障導致SAM模式可用性丟失，立即緊急制動停車，司機插入鑰匙，激活車頭，人工駕駛列車抵達服務站臺。

3.3 正線無人折返

上海浦東國際機場捷運系統具備正線存車功能，存車區域設置在衛星廳S1/S2站后折返線，如圖9所示，列車以全自動無人折返模式在衛星廳S1/S2與存車區域之間運行，具備自動進/出站、停站對位自動調整、自動開/關車門、自動休眠/喚醒、工況管理、車輛遠程控制等功能。

圖9 全自動無人折返示意

全自動折返功能滿足線路GOA4運營要求，正線衛星廳S1/S2站后道岔區域和存車線按照GOA4級無人區域要求進行管理，設置SPKS開關對無人區進行安全防護，避免人車沖突。衛星廳站臺區域被定義為有人區和無人區轉換區，列車在存車區域喚醒成功后，控制中心調度員為列車分派全自動無人駕駛授權，以無人模式運行至衛星廳站臺，停穩，打開車門，退出無人駕駛模式至待機模式，司機登乘列車后轉換為自動穿梭駕駛模式投入運行。列車以自動穿梭模式完成當日運營任務后，?？吭谛l星廳站臺，司機轉換進入全自動無人駕駛模式，下車后按壓軌旁全自動無人折返按鈕，為列車分派全自動無人駕駛授權，列車以無人模式運行至存車區域待命或休眠。

3.4 客流清分與車門控制

為滿足運營組織和空防管控要求，捷運系統列車載客運營時，國內和國際乘客不能混流，國際到港和離港的旅客不能混流，針對國際反流的旅客，回流區車門開、關應單獨進行控制。

如圖10所示，列車在T2航站樓與S2衛星廳之間自動穿梭模式運行時，車門與站臺門自動聯動控制流程如下：

1）列車以自動穿梭模式從T2航站樓到達S2衛星廳對位停車，系統激活下客側客室區及回流區的車門使能。

2）系統自動打開下客側客室區及回流區的車門及對應的站臺門，啟動乘客下客計時，同時向視頻清客系統發送清客開始命令，視頻清客系統啟動，乘客下車。

圖10 客室區車門和回流區車門控制方式

3）乘客下客計時結束后，系統自動關閉下客側客室區的車門及對應的站臺門。

4）車門關閉，A端司機觀察視頻清客系統顯示屏，確認沒有人員或物品滯留，按壓視頻清客系統觸摸屏上清客確認軟按鈕，接著按壓駕駛臺上清客確認硬按鈕，清客確認完成，視頻清客系統關閉。

5）系統檢測到清客確認完成后，取消下客側客室區的車門使能，同時激活上客側客室區的車門使能，自動打開上客側客室區的車門及對應的站臺門。

6）系統控制列車自動換端，列車由A端車頭激活轉換為B端車頭激活。

7）停站時間結束后，系統自動關閉上客側客室區的車門及對應的站臺門，并自動關閉下客側回流區的車門及對應的站臺門，給出發車授權。

8）B端司機按壓駕駛臺上ATO啟動按鈕發車，列車以自動穿梭模式正常駛出站臺。

空側捷運信號系統應分析空防管理對系統功能設計的影響，針對空防安全需求進行完整度評估。捷運列車客室區（包含國內區和國際區）兩側車門應該獨立進行控制，應先開下客側車門，再開上客側車門，安全完整度等級需達到SIL4。因此，除了滿足上客側和下客側車門開/關門指令不能同時給出之外，上客側和下客側的車門使能信號也不能同時給出。捷運列車?？空九_后，下客側車門打開，視頻清客系統啟動，只有在國際區旅客下客完畢，視頻清客系統給出車廂內無人確認信號后，國際區上客側車門才能允許打開，安全完整度等級為SIL4。視頻清客系統有效作用范圍為國際區車廂，并應與信號開關門控制邏輯聯動，同時，考慮清客系統的可靠性指標和失效概率，清客結果應由司機人工進行確認，清客確認納入到信號車門使能切換邏輯。

4 結語

本文從上海浦東機場捷運系統旅客運輸組織特征分析作為切入點，詳細介紹了捷運信號系統的功能和架構，以及滿足空側捷運系統運輸組織需求和空防安全需求作出的創新性設計與實踐。最后，希望能夠通過本文，為相關國內外相關機場捷運系統的建設提供一定程度上的借鑒。