基于PRT交通系統(tǒng)的自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)

楊鴻銘 王海龍 王利軍

摘 要：PRT個(gè)人捷運(yùn)交通系統(tǒng)為無(wú)人駕駛功能的新型交通系統(tǒng)，具備乘坐舒適、搭乘便捷、較低建設(shè)成本、較低運(yùn)營(yíng)成本的優(yōu)點(diǎn)。PRT系統(tǒng)由小型車(chē)輛及其專(zhuān)用走行線(xiàn)路組成，將傳統(tǒng)“人等車(chē)”的理念轉(zhuǎn)變?yōu)椤败?chē)等人”。文章分析了適用于PRT車(chē)輛的專(zhuān)用自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（AVP系統(tǒng)），其獨(dú)立于PRT的中央控制系統(tǒng)，利用物理塊原理實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)防護(hù)及防撞，確保所有車(chē)輛在線(xiàn)路上有序運(yùn)行，確保車(chē)輛無(wú)追尾、碰撞等安全事故發(fā)生，確保車(chē)輛在線(xiàn)路交匯處安全有序通過(guò)。文章從AVP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、信號(hào)時(shí)許、可靠性分析入手，可為后續(xù)PRT工程提供參考。

關(guān)鍵詞：PRT技術(shù);AVP系統(tǒng);自動(dòng)防護(hù);無(wú)人駕駛;新型交通

中圖分類(lèi)號(hào)：U491.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-38-04

Automatic vehicle protection system based on PRT traffic system

Yang Hongming， Wang Hailong， Wang Lijun

（ China Railway Second Hospital Engineering Group Co.， Ltd.， Sichuan Chengdu 610031 ）

Abstract： PRT is short for personal rapid transit， which is a new type of transportation system with driverless function. PRT system has the advantages of comfortable riding， convenient riding， low construction cost and low operating cost. The PRT system consists of small vehicles and their dedicated routes， transforming the traditional concept of people waiting for cars into cars waiting for people. This paper analyzes the special automatic vehicle protection （AVP system） for PRT vehicles， which is independent of PRT the central control system， using the physical block principle to realize automatic vehicle protection and anti-collision The system makes all PRT vehicles run orderly on the straight and branch guideway， so as to ensure that there is no collision， speeding and other unsafe accidents. This paper starts from the structure composition， signal timing and reliability analysis of the AVP system， which can provide references for subsequent PRT projects.

Keywords： PRT technology; AVP system; Automatic vehicle protection; Driverless; The new traffic

CLC NO.： U491.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-38-04

前言

PRT（Personal Rapid Transit）個(gè)人捷運(yùn)交通系統(tǒng)，是一種采用自導(dǎo)向功能的小型車(chē)輛（額定載客1-6人），沿著專(zhuān)用的道路運(yùn)行，具備自動(dòng)無(wú)人駕駛功能的新型交通系統(tǒng)，由小型車(chē)輛及其專(zhuān)用走行線(xiàn)路所組成。車(chē)輛由中央控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度，乘客平均等待時(shí)間不超過(guò)10秒，實(shí)現(xiàn)“車(chē)等人”的交通理念，為乘客提供點(diǎn)到點(diǎn)的私人化、專(zhuān)享化交通服務(wù)。PRT可作為機(jī)場(chǎng)、碼頭間的客運(yùn)交通線(xiàn)路，連接大城市和衛(wèi)星城之間的交通線(xiàn)路，也可作為城市風(fēng)景觀光游覽線(xiàn)的交通干線(xiàn)。PRT系統(tǒng)由車(chē)輛系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、屏蔽門(mén)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)組成。目前英國(guó)希斯羅機(jī)場(chǎng)PRT線(xiàn)路為全球唯一成功運(yùn)營(yíng)的PRT項(xiàng)目，成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)將會(huì)建成國(guó)內(nèi)首個(gè)、全球第二的PRT線(xiàn)路。

1 AVP系統(tǒng)概述

AVP，Automatic Vehicle Protection，車(chē)輛自動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)，獨(dú)立于中央控制系統(tǒng)，采用自動(dòng)防護(hù)功能使得所有車(chē)輛在線(xiàn)路上有序運(yùn)行，確保車(chē)輛無(wú)追尾、碰撞等安全事故發(fā)生，確保車(chē)輛在線(xiàn)路交匯處安全有序通過(guò)。系統(tǒng)以固定塊原理運(yùn)行，通過(guò)控制車(chē)輛路徑（稱(chēng)為導(dǎo)軌）上的固定物理空間塊的占用信息來(lái)維持安全性。

2 AVP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能

AVP系統(tǒng)包含線(xiàn)路AVP系統(tǒng)和車(chē)載AVP系統(tǒng)兩個(gè)部分。線(xiàn)路AVP為AVP的主要組成部分，由Loop線(xiàn)圈、GEE箱、前置信號(hào)放大器。車(chē)載AVP主要功能是車(chē)載發(fā)射器、車(chē)載接收器及處理器。

線(xiàn)路AVP中GEE箱為本系統(tǒng)的“大腦中樞”，共分為供電單元、監(jiān)控單元、控制區(qū)。其中控制區(qū)由背板PCB（1塊/每GEE箱），線(xiàn)圈控制PCB（≤12塊/每GEE箱），主/從同步PCB（1塊/每GEE箱），振蕩解碼PCB（1塊/每GEE箱），以上電路板均通過(guò)承插的方式安裝在機(jī)架中。

2.1 線(xiàn)圈控制PCB

每個(gè)Loop線(xiàn)圈連接獨(dú)立線(xiàn)圈控制器PCB，含發(fā)射和接收電路。此類(lèi)PCB完全相同，實(shí)現(xiàn)任意替換。每個(gè)GEE箱內(nèi)至多安裝12塊線(xiàn)圈控制PCB，即一臺(tái)GEE箱至多伺服12個(gè)Loop線(xiàn)圈，具體數(shù)量根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況決定。線(xiàn)圈控制PCB功能如下：

（1）接收來(lái)自該下游或下兩個(gè)GEE箱的“占用”信號(hào)。

（2）如果線(xiàn)圈未接收到下游的占用信號(hào)，將會(huì)連續(xù)傳輸編碼信號(hào)。

（3）當(dāng)車(chē)輪進(jìn)入線(xiàn)圈時(shí)，車(chē)輛發(fā)送的信號(hào)被前置放大器調(diào)制輸入進(jìn)PCB，該線(xiàn)圈中的閾值檢測(cè)器啟動(dòng)，將會(huì)將線(xiàn)圈切換為“占用”。

（4）為前置信號(hào)放大器供電24V。

2.2 主/從同步PCB

每個(gè)系統(tǒng)僅安裝一個(gè)主同步PCB，安裝在主GEE箱機(jī)架中的同步槽中。功能如下：

（1）提供方波信號(hào)給GEE箱內(nèi)，并通過(guò)兩個(gè)互連電纜及從動(dòng)同步PCB傳遞到下一個(gè)GEE箱。

（2）檢測(cè)每個(gè)GEE箱之間提供信號(hào)的連續(xù)性。

從同步PCB將主同步PCB方波饋送到下游的下一個(gè)GEE箱，實(shí)現(xiàn)每個(gè)GEE箱之間信號(hào)的連續(xù)性。

2.3 振蕩解碼PCB

振蕩器編碼器PCB有兩個(gè)主要功能：

（1）生成高頻信號(hào)。

（2）傳輸下游GEE的“禁止”信號(hào)。

2.4 背板PCB

背板PCB為AVP系統(tǒng)最重要的電路板，線(xiàn)圈控制PCB、振蕩編碼PCB和主/從同步PCB都插入背板PCB，覆蓋整個(gè)機(jī)架背面，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能電路板之間的通信。

背板PCB分為兩種，一種安裝于直線(xiàn)段GEE箱，另一種安裝于并軌段GEE箱。其區(qū)別在于并軌段背板PCB為可配置電路板，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)GEE箱和多臺(tái)GEE箱間的互聯(lián)。而直線(xiàn)段GEE箱配置的背板PCB為不可配置電路板，只能實(shí)現(xiàn)單臺(tái)GEE箱與單臺(tái)GEE箱的連接。

2.5 供電單元

GEE箱中供電單元為箱內(nèi)設(shè)備提供24V直流電源及兩個(gè)12V電池。 如果系統(tǒng)中的電源出現(xiàn)故障，電池容量將為AVP系統(tǒng)持續(xù)供電確保在導(dǎo)軌上的車(chē)輛完成行程。

2.6 監(jiān)控單元

GEE箱內(nèi)各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)由PLC可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)。該監(jiān)控單元用于監(jiān)控GEE箱內(nèi)各個(gè)設(shè)備是否良好運(yùn)行，顯示故障位置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AVP系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的通信。

2.7 前置信號(hào)放大器

前置信號(hào)放大器密封于金屬盒類(lèi)，安裝于Loop線(xiàn)圈塊內(nèi)，由GEE箱中線(xiàn)圈控制PCB供電，用以提高Loop線(xiàn)圈接收/發(fā)射信號(hào)電平。每一個(gè)Loop線(xiàn)圈都應(yīng)配置一臺(tái)前置信號(hào)放大器。

3 AVP系統(tǒng)運(yùn)行原理

整個(gè)PRT線(xiàn)路（除車(chē)站和維保區(qū)域）被AVP系統(tǒng)Loop線(xiàn)圈劃分為若干小塊，塊長(zhǎng)約為2.5-16m，塊寬約300-600mm，根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行速度、線(xiàn)路曲率決定線(xiàn)路Loop線(xiàn)圈布置的密度和尺寸。

每個(gè)Loop線(xiàn)圈通過(guò)前置信號(hào)放大器連接到GEE箱。GEE箱之間也由電纜實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。為便于敷設(shè)Loop線(xiàn)圈，線(xiàn)路宜為具有U形截面的混凝土路面。線(xiàn)路AVP布置示意圖如圖4。

線(xiàn)路無(wú)車(chē)輛行駛時(shí)，GEE箱中電路板將會(huì)連續(xù)發(fā)射正弦波信號(hào)至Loop線(xiàn)圈，以表示該系統(tǒng)的 “允許行進(jìn)”的狀態(tài)。PRT車(chē)輛在中央控制系統(tǒng)控制下在線(xiàn)路上行駛，如果其車(chē)載AVP探測(cè)的信號(hào)總是“允許行進(jìn)”，則該車(chē)輛可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，如圖5。

PRT直線(xiàn)段上有車(chē)輛運(yùn)行時(shí)（PRT車(chē)輛總是沿固定方向單向運(yùn)動(dòng)）其車(chē)載AVP系統(tǒng)連續(xù)發(fā)送“占用”信號(hào)至線(xiàn)路AVP系統(tǒng)，線(xiàn)路AVP系統(tǒng)檢測(cè)到該信號(hào)后，將會(huì)向車(chē)輛上游線(xiàn)路發(fā)送“占用”信號(hào)，使上游一個(gè)或若干個(gè)Loop線(xiàn)圈切換到“禁止”狀態(tài)，上游車(chē)輛的車(chē)載AVP系統(tǒng)一旦探測(cè)該“禁止”信號(hào)，即將信號(hào)傳遞給車(chē)輛控制系統(tǒng)（VCU，Vehicle Control Unit），該系統(tǒng)停止車(chē)輛行駛。即使中央控制系統(tǒng)的行進(jìn)信號(hào)再次出現(xiàn)，車(chē)輛也會(huì)停止不動(dòng)。從而禁止上游車(chē)輛進(jìn)入該區(qū)域，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛碰撞防護(hù)。

線(xiàn)路AVP在直線(xiàn)段和并軌段的GEE箱配置有所不同，并軌段GEE箱通過(guò)可配置背板PCB之間的互聯(lián)允許一個(gè)以上的源命令禁止車(chē)輛運(yùn)動(dòng)。如圖7-1，運(yùn)行到并軌段前的車(chē)輛發(fā)射的“占用”將被并軌段GEE箱同時(shí)傳輸至上游Loop線(xiàn)圈和并行其他線(xiàn)路的Loop線(xiàn)圈，以實(shí)現(xiàn)行進(jìn)方向和并軌其他方向的車(chē)輛碰撞防護(hù)。如圖7-2，車(chē)輛剛剛運(yùn)行進(jìn)入干路，其并軌段GEE箱將同時(shí)向Y字線(xiàn)路上游兩個(gè)方向發(fā)射“占用”信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)并軌所有方向的車(chē)輛碰撞防護(hù)。

4 AVP系統(tǒng)信號(hào)傳輸

如圖8所示，為了使車(chē)載AVP系統(tǒng)和線(xiàn)路AVP系統(tǒng)的通信覆蓋相鄰Loop線(xiàn)圈的對(duì)端間隙（約0.2m）， PRT車(chē)輛底盤(pán)安裝前后2組發(fā)射天線(xiàn)。車(chē)載AVP系統(tǒng)接收天線(xiàn)和車(chē)載VCU相連，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

線(xiàn)路AVP系統(tǒng)GEE箱2內(nèi)的振蕩解碼PCB通過(guò)線(xiàn)圈控制器PCB向匹配的Loop線(xiàn)圈發(fā)射頻率為45kHz的信號(hào)，如圖9，此時(shí)線(xiàn)路AVP系統(tǒng)處于發(fā)射時(shí)段：t1～t2=1.5ms，隨后線(xiàn)路AVP系統(tǒng)切換到接收時(shí)段：t2～t3=3ms。為了實(shí)現(xiàn)AVP信號(hào)在線(xiàn)路系統(tǒng)和車(chē)載系統(tǒng)的傳輸，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定車(chē)載AVP系統(tǒng)的接收時(shí)段和發(fā)射時(shí)段相位與線(xiàn)路AVP相反。PRT車(chē)輛通過(guò)時(shí)，車(chē)載AVP接收天線(xiàn)將會(huì)接收來(lái)自GEE箱2的45kHz高頻信號(hào)，表明該Loop2為“前進(jìn)”狀態(tài)，同時(shí)其發(fā)射天線(xiàn)將發(fā)送高頻信號(hào)至Loop2，Loop2在連續(xù)兩個(gè)接收時(shí)段接收到前后兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的高頻信號(hào)后，系統(tǒng)將識(shí)別此線(xiàn)圈有車(chē)輛行駛，GEE箱2內(nèi)振蕩解碼PCB將識(shí)別為禁止信號(hào)，并通過(guò)電纜，向上游GEE箱傳送“占用”信號(hào)，Loop1信號(hào)切換為連續(xù)的高頻信號(hào)，表示該區(qū)域“禁止”。

PRT行駛過(guò)程中，車(chē)載接收天線(xiàn)將持續(xù)接收來(lái)自L(fǎng)oop線(xiàn)圈的“行進(jìn)/禁止”和“限速”信號(hào)，將兩種信息反饋車(chē)載VCU，由VCU進(jìn)行邏輯判斷并對(duì)車(chē)輛做出“牽引/制動(dòng)”的指令，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的智能加速或制動(dòng)。