蕪湖跨座式單軌交通信號系統(tǒng)應(yīng)用方案及關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

王 力

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

蕪湖是國內(nèi)首個全網(wǎng)建設(shè)跨座式單軌交通的城市,相較于已開通運營的重慶單軌,蕪湖跨座式單軌交通主要適應(yīng)中低運量客流,可滿足中小城市軌道交通建設(shè)需求[1]。

信號系統(tǒng)擔(dān)負著指揮列車運行、保證行車和乘客安全、提高運輸效率的重要任務(wù)[2]。國內(nèi)跨座式單軌已運營項目為重慶軌道交通2 號線、3 號線,2 號線一期工程于2005 年6 月開通運營,3 號線一、二期工程于2011 年底開通運營,開通運營距今已有較長時間。信號系統(tǒng)采用當(dāng)時較為先進技術(shù),但難以滿足目前跨座式單軌信號系統(tǒng)建設(shè)的新需求。針對蕪湖輕型跨座式單軌交通建設(shè)需求[3],開展信號系統(tǒng)部分關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新,確保信號系統(tǒng)先進性,并為安全運營提供保障。

1 國內(nèi)跨座式單軌交通信號系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 重慶2 號線

重慶2 號線采用日信公司的ATP/TD 環(huán)線,為速度碼方式的固定閉塞制式系統(tǒng)。根據(jù)牽引計算結(jié)果,將線路劃分成固定的閉塞分區(qū),并在軌道梁肩部預(yù)埋每個閉塞分區(qū)的TD 環(huán)線。TD 環(huán)線接收來自車頭及車尾發(fā)出的TD 信號,用以確定列車的位置。系統(tǒng)根據(jù)TD 環(huán)線中列車位置以及列車前方空閑的區(qū)段數(shù),列車的停車點等信息,確定列車的速度等級,并通過TD 環(huán)線向列車發(fā)送速度碼,從而實現(xiàn)對列車實施連續(xù)控制和列車安全間隔的控制[4]。

車輛段僅采用TD 環(huán)線檢測列車位置,而不向列車發(fā)送ATP 碼。在車輛段內(nèi)按照地面信號機的顯示行車,采用限速人工駕駛模式。在信號機前方通過環(huán)線向列車發(fā)送M 碼,實現(xiàn)防誤出發(fā)功能。重慶2 號線南延線信號系統(tǒng)采用國內(nèi)大成公司的ATP/TD 環(huán)線系統(tǒng)。

1.2 重慶3 號線

重慶3 號線正線采用了日立公司基于無線通信的移動閉塞(CBTC)系統(tǒng),為保證CBTC 系統(tǒng)故障下列車具備運行能力,設(shè)置了聯(lián)鎖級降級模式[5],列車位置檢測采用計軸設(shè)備。計算機聯(lián)鎖和ATS 子系統(tǒng)均采用國產(chǎn)設(shè)備(交大微聯(lián)和鐵科)。CBTC 系統(tǒng)原理配置與鋼輪鋼軌制式完全相同,只是在軌旁及車載設(shè)備安裝和使用方式上有所不同。

車輛段采用計軸作為車輛占用檢測設(shè)備[6],以地面信號機顯示行車,采用人工限速駕駛模式。在出入庫以及咽喉區(qū)設(shè)置有源應(yīng)答器,實現(xiàn)列車的防誤出發(fā)功能。

2 蕪湖跨座式單軌交通信號系統(tǒng)建設(shè)需求

2.1 工程概況

蕪湖軌道交通先期建設(shè)項目為蕪湖1 號線、2 號線一期工程。1 號線全長30.460 km,全線高架敷設(shè),共設(shè)車站25 座,設(shè)有車輛段及停車場各1 座;2 號線一期全長15.787 km(地下線長1.409 km,地面及高架線14.378 km),共設(shè)車站11 座(高架站10 座、地下站1 座)及車輛段1 座。設(shè)置全網(wǎng)5 條線路共用的控制中心1 座,負責(zé)各線路運營調(diào)度指揮。正線困難地段線路最大坡度60‰,最小曲線半徑50 m。軌道梁為30 m 跨度的連續(xù)鋼構(gòu)PC 軌道梁,整體梁型道岔;單軌車型為龐巴迪INNOVIA Monorail 300 系(無人駕駛列車);供電采用DC750V 接觸軌側(cè)面受流方式。

2.2 運營組織需求

線路為雙線,右側(cè)行車。全線運營時間為5:30～23:30,全天共計運營18 h,其余時間用于線路維護和設(shè)備檢修。列車最高運行速度為80 km/h,列車旅行速度35 km/h。1 號線初、近、遠期均為6 輛編組,2 號線初期為4 輛編組,近、遠期為6 輛編組。1 號線、2 號線遠期高峰小時最大列車開行對數(shù)分別為30 對、28 對。

2.3 系統(tǒng)功能需求

(1)系統(tǒng)基本功能需求

為適應(yīng)運營組織需求,信號系統(tǒng)應(yīng)包括以下基本功能。

①保列車安全運行

為列車提供安全進路,確保列車安全間隔,確保列車移動速度,提供移動授權(quán),監(jiān)督列車移動等。

②列車自動駕駛

確定運行曲線,根據(jù)運行速度曲線控制列車運行,車站定點停車等。

③監(jiān)督軌道

防止列車與障礙物相撞,防止列車與站臺進入軌道區(qū)域人員相撞,保護軌道上的作業(yè)人員等。

④監(jiān)督乘客乘降

控制列車門和站臺門,防止乘客掉落在站臺與列車間隙受傷,確認列車啟動條件等。

⑤列車運行管理

管理列車駕駛模式,管理車輛段和停車區(qū),改變列車運行方向,監(jiān)督列車狀態(tài)等。

⑥運營調(diào)度管理及監(jiān)督

時刻表管理,管理人機交互界面,維護管理等。

⑦適應(yīng)救援方式

適應(yīng)動力牽引列車救援和地面救援等方式[7]。

(2)系統(tǒng)特殊功能需求

已建成的重慶跨座式單軌采用日立技術(shù),而蕪湖跨座式單軌基于龐巴迪技術(shù)進行國產(chǎn)化技術(shù)創(chuàng)新,在車輛、道岔、軌道梁等核心技術(shù)方面與重慶單軌有一定差異(見表1)。蕪湖跨座式單軌應(yīng)用了全自動運行技術(shù),使信號系統(tǒng)較重慶跨座式單軌在一些特殊功能需求上存在一定差異,信號系統(tǒng)主要功能差異見表2。此外,由于車輛制式差異及道岔控制通過軌旁道岔控制柜實現(xiàn)等原因,結(jié)合軌道梁及道岔設(shè)置情況,信號系統(tǒng)還需合理確定軌旁設(shè)備安裝方式,做好與道岔控制系統(tǒng)接口[8]。

表1 蕪湖與重慶跨座式單軌核心技術(shù)差異

表2 蕪湖與重慶跨座式單軌信號系統(tǒng)主要功能差異

3 蕪湖跨座式單軌信號系統(tǒng)應(yīng)用方案

3.1 信號系統(tǒng)總體方案

蕪湖跨座式單軌信號系統(tǒng)采用基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(CBTC)制式,正線與車輛段/場一體化設(shè)計,應(yīng)用新譽龐巴迪公司CITYFLO 650 系統(tǒng)。系統(tǒng)運營自動化等級按滿足GOA4 級設(shè)計,可實現(xiàn)UTO(無人值守列車自動運行)等級下列車全自動無人駕駛。CITYFLO 650 系統(tǒng)主要由ATS(列車自動監(jiān)控)、ATP(列車自動防護)、ATO(列車自動運行)、CBI(計算機聯(lián)鎖)、DCS(數(shù)據(jù)通信)和MSS(維護監(jiān)測)6 個子系統(tǒng)組成。

CBTC 系統(tǒng)降級采用聯(lián)鎖級控制方式,主要由地面信號機、計軸設(shè)備與聯(lián)鎖設(shè)備共同構(gòu)成基本降級系統(tǒng)。正常運行模式下,正線室外信號機點燈[9]。

信號系統(tǒng)車地通信采用TD-LTE 技術(shù),利用一套LTE 設(shè)備綜合承載CBTC、PIS/CCTV(緊急狀態(tài)下)、車輛、緊急報文(緊急狀態(tài)下)和車載調(diào)度系統(tǒng)信息。

信號CBTC 系統(tǒng)駕駛模式包括FAM(全自動模式)、CM(ATP 監(jiān)督下的人工駕駛模式)和EUM(全人工模式)[10]。

信號系統(tǒng)信息安全防護按等級保護(三級)基本要求,考慮全方位的技術(shù)防護措施[11]。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

(1)ATS 子系統(tǒng)

ATS 子系統(tǒng)為分布式監(jiān)控系統(tǒng),分別在控制中心、備用控制中心、一級設(shè)備集中站、二級設(shè)備集中站、非設(shè)備集中站、車輛段/停車場、試車線以及培訓(xùn)中心設(shè)置相應(yīng)的ATS 設(shè)備,系統(tǒng)設(shè)備通過DCS 系統(tǒng)連接,構(gòu)成一個高度智能的自動化網(wǎng)絡(luò)行車調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)對關(guān)鍵設(shè)備(如CTC(服務(wù)器、TMS 服務(wù)器、本地ATS 服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)計算機、調(diào)度工作站和列車控制工作站等),均采用雙機熱備或集群配置的冗余方式,以保證系統(tǒng)可靠性。

(2)ATP 子系統(tǒng)

ATP 子系統(tǒng)主要由RATP(軌旁ATP)及VATP 組成(車載ATP)。RATP 設(shè)備主要包括在每個一級設(shè)備集中站設(shè)置的“2 乘2 取2”安全冗余結(jié)構(gòu)的區(qū)域自動控制器(ZC),控制中心設(shè)置了RRS(區(qū)域恢復(fù)服務(wù)器)。每列車在車頭車尾分別配置1 套車載VATP 設(shè)備,2 套VATP 共同構(gòu)成“2 乘2 取2”的安全冗余結(jié)構(gòu)。除車載顯示屏外,當(dāng)主設(shè)備故障時會自動切換到備用設(shè)備(為無擾切換),不影響列車正常運行或司機正常駕駛。

(3)ATO 子系統(tǒng)

ATO 子系統(tǒng)主要由RATO(軌旁ATO)及VATO組成(車載ATO)。RATO 子系統(tǒng)設(shè)備位于一級設(shè)備集中站、車輛段/停車場的RATO 機柜內(nèi)。RATO 子系統(tǒng)采用熱備冗余結(jié)構(gòu)。每列車在車頭車尾分別配置1 套車載ATO 設(shè)備,2 套VATO 共同構(gòu)成熱備冗余。

(4)CBI 子系統(tǒng)

聯(lián)鎖子系統(tǒng)采用EBI Lock 950 型全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng),主要由聯(lián)鎖主機和目標控制器(OC)組成。聯(lián)鎖主機設(shè)置于一級設(shè)備集中站,目標控制器設(shè)置于一級集中站和二級集中站。聯(lián)鎖主機采用“2 乘2 取2”安全冗余架構(gòu),目標控制器(OC)通過全電子執(zhí)行電路,直接連接信號機、計軸和緊急停車按鈕等軌旁控制對象,以采集設(shè)備狀態(tài),并對其進行控制。

(5)DCS 子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)(DCS)是一個專有通信系統(tǒng),由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(DTS)、車地通信系統(tǒng)(TWC)及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS)構(gòu)成。DCS 子系統(tǒng)在各設(shè)備之間通過有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向通信,用以提供各設(shè)備子系統(tǒng)之間的有線信息傳輸以及地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的無線信息傳輸。

(6)MSS 子系統(tǒng)

維護監(jiān)測子系統(tǒng)(MSS)由維修中心、正線、控制中心、車輛段/停車場的維護監(jiān)測設(shè)備組成,主要包括:維修服務(wù)器、維護工作站、信號集中監(jiān)測設(shè)備、打印機和交換機等設(shè)備。

3.3 系統(tǒng)功能

(1)ATS 子系統(tǒng)

ATS 子系統(tǒng)可實現(xiàn)列車運行自動追蹤、調(diào)整,列車運行時刻表管理及自動調(diào)整,系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)視以及對運行圖的管理功能,以實現(xiàn)行車指揮自動化管理。具體功能包括:調(diào)度命令操作及顯示管理、列車識別號管理、操作權(quán)限管理、自動進路排列、列車運行調(diào)整、車輛段自動運行、時刻表管理、車輛調(diào)度、系統(tǒng)監(jiān)控與診斷和排班控制等。

(2)ATP 子系統(tǒng)

ATP 子系統(tǒng)可實現(xiàn)超速防護等控制列車運行的主要安全功能,由RATP 和VATP 共同實現(xiàn)。具體功能主要包括:列車初始位置確認、列車安全追蹤、列車移動授權(quán)計算、臨時限速、站臺門狀態(tài)監(jiān)控、列車定位、超速防護、車門監(jiān)督、列車完整性監(jiān)督和列車自檢等。

(3)ATO 子系統(tǒng)

ATO 子系統(tǒng)實現(xiàn)列車自動駕駛等非安全功能,由RATO 和VATO 共同實現(xiàn)。具體功能包括:站停時間控制、列車移除、通知列車下一停靠站、站臺扣車/釋放、車門和站臺門聯(lián)動控制、站臺精確停車、自動對位調(diào)整和提供乘客信息系統(tǒng)觸發(fā)命令等。

(4)CBI 子系統(tǒng)

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)是系統(tǒng)核心安全設(shè)備,通過軌旁設(shè)置的目標控制器接收聯(lián)鎖主機的命令,并控制軌旁對象(如信號機,道岔控制柜)動作,同時監(jiān)視軌旁設(shè)備狀態(tài),并將其發(fā)送給聯(lián)鎖主機[12]。具體功能包括:進路排列/解鎖、信號機控制、道岔控制、側(cè)防和侵限保護、緊急關(guān)閉、車站扣車、區(qū)段封鎖和系統(tǒng)報警顯示等。

(5)DCS 子系統(tǒng)

DCS 子系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要包括:提供雙向可靠的數(shù)據(jù)通信通道、對可能的無線干擾進行防護、提供網(wǎng)絡(luò)安全防護、提供通信安全防護和網(wǎng)絡(luò)管理等。

(6)MSS 子系統(tǒng)

MSS 子系統(tǒng)為全線信號設(shè)備的工作狀態(tài)提供在線監(jiān)控和實時報警,可幫助維護人員對報警與維護列表及報告結(jié)果導(dǎo)出進行統(tǒng)計和分析。具體功能包括:信號各子系統(tǒng)維護信息采集、軌旁基礎(chǔ)設(shè)備狀態(tài)及電氣性能監(jiān)測、報警及事件管理、數(shù)據(jù)處理及控制和維護信息終端界面顯示等。

3.4 信號系統(tǒng)特色應(yīng)用方案

(1)全自動運行

蕪湖跨座式單軌采用龐巴迪INNOVIA Monorail 300 無人駕駛列車,車輛原來未設(shè)置司機室。全自動運行系統(tǒng)按具備UTO 功能建設(shè),初期按DTO 模式運營。根據(jù)運營模式運用方案,車輛增加了可推拉的司機室隔斷。

蕪湖跨座式單軌供電方式為通過安裝在軌道梁兩側(cè)的供電軌供電、回流,供電電壓為DC750V。當(dāng)全自動運行列車處于休眠狀態(tài)時,車輛段停車庫接觸軌不斷電,列車早間喚醒時間較全自動運行地鐵線路短;車輛段未設(shè)置動態(tài)檢測功能,列車不需進行向前和向后跳躍操作。

結(jié)合車輛制動性能和信號系統(tǒng)安全防護距離要求,雙列位停車線盡頭端距離車擋6 m,停車線兩列車之間距離為13 m,停車庫線長度較地鐵全自動運行線路短;蕪湖跨座式單軌列車TMS(列車管理系統(tǒng))系統(tǒng)采用CAN 總線通信方式,在車輛網(wǎng)絡(luò)故障或車輛網(wǎng)絡(luò)和信號網(wǎng)絡(luò)通信故障時,信號系統(tǒng)仍然能通過PWM 控制列車牽引制動運行,故未設(shè)置CAM(蠕動模式)模式。

(2)主要軌旁信號設(shè)備安裝

跨座式單軌軌旁信號設(shè)備安裝條件較地鐵更為困難,軌旁信標與計軸等主要信號設(shè)備安裝是工程應(yīng)用需要重點解決的問題(見圖1)。蕪湖跨座式單軌采用低地板車輛,車輛底板至軌道梁面距離較重慶單軌小,受軌旁設(shè)備限界影響,軌旁設(shè)備安裝方案與重慶完全不同。

重慶3 號線采用歐標應(yīng)答器,應(yīng)答器在橋墩安裝。蕪湖跨座式單軌采用了更加小型化的美式信標,安裝于軌道梁側(cè)面以避開接觸軌。為使列車正反向運行均能讀取信標,同一位置信標在軌道梁兩側(cè)均需安裝;重慶3 號線計軸設(shè)備安裝在軌腰,設(shè)置了套管和固定鋼板作為計軸安裝預(yù)埋件;蕪湖跨座式單軌在車輛穩(wěn)定輪加裝了計軸感應(yīng)鋼板,計軸傳感器安裝于橋墩上,靠近軌道梁,傳感器的上平面平行于軌道梁上表面,同時平行于車輪,探測車輪上的感應(yīng)鋼板,軌道模擬支架則靠近傳感器支架安裝。計軸設(shè)備安裝示意如圖1。

圖1 蕪湖跨座式單軌計軸設(shè)備安裝示意

(3)全電子聯(lián)鎖

蕪湖跨座式單軌正線及車輛段/停車場均采用全電子聯(lián)鎖設(shè)備,與傳統(tǒng)的以繼電器為接口電路的聯(lián)鎖系統(tǒng)相比,增加了系統(tǒng)的可用性、靈活性以及高可靠性,減少了信號設(shè)備占用機房面積。

全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備主要包括聯(lián)鎖主機和目標控制器。聯(lián)鎖主機包括聯(lián)鎖處理單元、IPU(中央處理單元)、與維護終端接口連接實現(xiàn)維護/服務(wù)功能的接口。目標控制器(OCS),通過全電子執(zhí)行電路直接連接軌旁控制對象,采集軌旁設(shè)備狀態(tài),并對其進行控制。全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

圖2 蕪湖跨座式單軌全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)示意

4 蕪湖跨座式單軌信號系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

4.1 跨座式單軌全自動運行

信號系統(tǒng)與通信、BAS、車輛、站臺門等配合,在不同場景下完成特定功能,實現(xiàn)了UTO 等級全自動運行。全自動運行系統(tǒng)運營場景主要包括正常、故障、緊急3 類。相較于地鐵全自動運行系統(tǒng),其自動休眠、道岔故障和區(qū)間疏散等場景內(nèi)容存在一定差異[13]。

結(jié)合全自動運行跨座式單軌車輛性能確定的雙列位自動化場段停車庫線長度較地鐵更短,有效控制了土建建設(shè)規(guī)模。

4.2 開關(guān)門快速響應(yīng)

應(yīng)用站臺門控制柜(PDCU),該設(shè)備完全獨立于聯(lián)鎖和區(qū)域控制器,實現(xiàn)列車和站臺門系統(tǒng)直接相互通信和安全判斷,做到車停穩(wěn)后,車門和站臺門同時打開的時間小于1s,使乘客體驗到全自動運行系統(tǒng)的流暢控制過程。

4.3 多類型工程車調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

單軌工程車作業(yè)任務(wù)復(fù)雜,非運營時段作業(yè)相對較多,當(dāng)前完全依靠司機瞭望的目視行車方式,存在較大安全隱患[14]。蕪湖跨座式單軌以北斗衛(wèi)星為主要定位與測速手段,以專網(wǎng)LTE 為無線傳輸通道,建設(shè)安全可靠的單軌工程車調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng),向司機提供完善的輔助提示功能,為工程車安全運行與高效調(diào)度提供技術(shù)支撐。

4.4 多個軌旁對象控制

信號系統(tǒng)采用全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)EBI Lock 950,聯(lián)鎖主機采用“2 乘2 取2”架構(gòu),與室外設(shè)備接口采用全電子化的目標控制器OCS,根據(jù)聯(lián)鎖主機控制容量,可以控制多達3 000 個目標點,控制距離達30 km 以上。目標控制器通過通信控制單元接收聯(lián)鎖主機命令報文,并轉(zhuǎn)換為控制信號動作軌旁設(shè)備。同時,目標控制器檢測軌旁設(shè)備狀態(tài)和報警信息,通過通信控制單元,將檢測到的信息提供給聯(lián)鎖主機。

4.5 單軌交通計軸設(shè)備應(yīng)用

對于采用單軸轉(zhuǎn)向架車輛的輕型跨座式單軌交通,克服了軌道梁設(shè)備安裝條件嚴苛的困難,結(jié)合計軸系統(tǒng)電磁感應(yīng)原理,將車輪傳感器安裝于橋墩上,實現(xiàn)信號系統(tǒng)降級情況下的車輛輔助檢測。

4.6 綜合承載車地通信系統(tǒng)

信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)中車地?zé)o線承載系統(tǒng)采用基于3GPP 標準的LTE 無線移動通信技術(shù)建設(shè)[15],采用A/B 雙網(wǎng)冗余架構(gòu)設(shè)計,承載包括CBTC 列車運行控制業(yè)務(wù)的全線車地間綜合業(yè)務(wù)。如有特殊要求,LTE 網(wǎng)絡(luò)還可承載列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)、車載視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)以及緊急情況下的PIS 下傳業(yè)務(wù)等。

5 結(jié)語

蕪湖跨座式單軌交通信號系統(tǒng)應(yīng)用了全自動運行技術(shù)、全電子聯(lián)鎖、站臺門控制柜和LTE 無線技術(shù),以及工程車調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng),解決了項目建設(shè)中遇到的單軸轉(zhuǎn)向架跨座式單軌車輛的輔助檢測設(shè)備安裝難題,通過以上多項關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新,為蕪湖輕型跨座式單軌交通的順利開通運營奠定了基礎(chǔ),可為后續(xù)跨座式單軌交通建設(shè)提供借鑒。