自動旅客運輸(APM)系統(tǒng)信號系統(tǒng)的設(shè)計特點

邱 鵬 孫思南

(新譽龐巴迪信號系統(tǒng)有限公司，213166，常州∥第一作者，高級工程師)

APM(自動旅客運輸)系統(tǒng)屬于中運量城市軌道交通全自動運行制式，主要用于短距離旅客運輸，例如機場、園區(qū)等人流密集區(qū)域。其配備的信號系統(tǒng)為自動等級中最高的GoA4(自動控制等級4)，采用區(qū)域控制器直連全電子目標(biāo)控制器的方式，且無次級列車檢測占用裝置。本文以香港機場APM信號系統(tǒng)為例，將其與傳統(tǒng)CBTC(基于通信的列車控制)信號系統(tǒng)進行對比分析。

1 香港機場APM信號系統(tǒng)簡介及特色

香港機場APM信號系統(tǒng)主要由ATS(列車自動監(jiān)控)子系統(tǒng)、DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))子系統(tǒng)、軌旁ATP/ATO(列車自動保護/列車自動運行)子系統(tǒng)和車載ATP/ATO子系統(tǒng)等組成(見圖1)。

圖1 香港機場APM信號系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 ATS子系統(tǒng)

ATS子系統(tǒng)提供系統(tǒng)監(jiān)督和列車調(diào)整功能。ATS子系統(tǒng)可在正常或異常的運行情況下，為調(diào)度人員提供與操作相關(guān)的信息，處理調(diào)度人員與標(biāo)準(zhǔn)活動相關(guān)的請求。香港機場APM的中心控制ATS結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 香港機場APM中心控制ATS結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，APM除具備傳統(tǒng)地鐵相關(guān)功能外，也支持將外部子系統(tǒng)完全集成到ATS中，包括配電系統(tǒng)、音頻通信和閉路電視等在內(nèi)的各專業(yè)子系統(tǒng)，并通過中央ATS發(fā)出操作命令。如：變電所或應(yīng)急藍光站(用于線路施工人員保護指示，藍燈亮表示人員可安全施工)的供電斷路器/開關(guān)斷開后，中央將顯示報警并自動實施無電區(qū)信號防護功能，以保證車輛和人員安全。在滿足系統(tǒng)安全性、可靠性及功能的前提下能夠極大地提高各專業(yè)系統(tǒng)間的聯(lián)動和自動化水平。

1.2 DCS子系統(tǒng)

DCS子系統(tǒng)包括軌旁DTS和TWC(車地通信)系統(tǒng)。DTS網(wǎng)絡(luò)為各ATC組件間傳輸數(shù)據(jù)提供有線通道，采用IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。TWC系統(tǒng)為區(qū)域ATC和車載ATC通信提供無線通道，采用LTE(長期演進)技術(shù)或WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)。

DCS子系統(tǒng)最大程度采用成熟的設(shè)備，基于開放的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，提供各設(shè)備間信號的數(shù)據(jù)交換通道，同時采用IP Tunnel信息傳輸加密技術(shù)，可有效保證整個雙向傳輸過程中數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

1.3 軌旁ATP/ATO子系統(tǒng)

RATP/RATO(軌旁列車自動防護/軌旁列車自動運行)設(shè)置在區(qū)域控制站，實現(xiàn)一個區(qū)域內(nèi)的列車正常運行。其包括開放移動閉塞進路以及為列車提供移動授權(quán)(MA)限制。RATP/RATO支持混合模式運行，處理CBTC列車和非CBTC列車混合運行。

1.3.1 RATP子系統(tǒng)

RATP子系統(tǒng)是一個安全軌旁子系統(tǒng)，采用2乘2取2的結(jié)構(gòu)，通過TWC子系統(tǒng)對列車位置、速度信息進行監(jiān)控，連續(xù)地追蹤全線列車位置以確保列車的安全間隔運行；計算移動授權(quán)，并傳送信息到所有裝載CBTC通信設(shè)備列車的VATC(車載列車自動控制)上。

與傳統(tǒng)地鐵信號系統(tǒng)項目不同的是，APM全線還會獨立設(shè)置一個RRS(區(qū)域恢復(fù)服務(wù)器)遠程備份服務(wù)器，用于儲存和恢復(fù)RATP運行時的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)一個RATP故障進行重啟時，會在冷啟動階段通過讀取RRS存儲的數(shù)據(jù)來迅速恢復(fù)運營，無需人工干預(yù)。

除此之外，在APM項目中將傳統(tǒng)的聯(lián)鎖子系統(tǒng)的功能集成到RATP子系統(tǒng)中來實現(xiàn)。軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息(如道岔)由目標(biāo)控制器(OCS)采集，RATP通過OCS來執(zhí)行軌旁設(shè)備的控制。

單道岔時，RATP在道岔的正向和側(cè)向每個位置設(shè)置虛擬沖突點；多道岔時，僅在入口處設(shè)置沖突點。沖突點的設(shè)置考慮到了防護側(cè)面沖突。每個沖突點有對應(yīng)的道岔防護信號機，信號機的位置在沖突點之前，以確保當(dāng)列車在信號機前不會因為占用道岔區(qū)段而無法操作道岔。道岔沖突點見圖3。

圖3 道岔沖突點示例

1.3.2 RATO子系統(tǒng)

RATO子系統(tǒng)是一個非安全軌旁子系統(tǒng)，采用雙機熱備冗余結(jié)構(gòu)，雖然都采集其所在區(qū)域的數(shù)據(jù)，但只有激活的系統(tǒng)才發(fā)出命令和請求。RATO子系統(tǒng)提供了與所轄區(qū)域CBTC系統(tǒng)其它子系統(tǒng)如RATP、ATS之間的接口,能實現(xiàn)以下功能：轉(zhuǎn)送列車位置信息，門控功能，轉(zhuǎn)送更新的列車停站時間，轉(zhuǎn)送車站扣車命令，轉(zhuǎn)送跳停、下一車站命令，區(qū)域移交，控制VATC及其切換，傳送速度限制信息，時鐘同步，記錄子系統(tǒng)間交換的數(shù)據(jù)消息，等等。

值得注意的是，對于APM的信號系統(tǒng)，在ATS宕機之后，RATO可以自動接管系統(tǒng)運營，列車可以繼續(xù)在運行線行駛或者在下一站臺扣車。

1.4 車載ATP/ATO子系統(tǒng)

VATC提供車載列車自動防護(VATP)和車載列車自動駕駛(VATO)功能。

與傳統(tǒng)地鐵信號系統(tǒng)項目不同的是，APM支持列車的靈活編組。在靈活編組的場景下，每節(jié)車都有一個VATC，因此一列車上取決于車輛編組情況可能有2、3或4個VATC。運行時，選擇任意一節(jié)做為主控，其主控VATC可直接通過PWM(脈寬調(diào)制)方式分別給每節(jié)車發(fā)送列車牽引力和制動力命令；若有TCMS(列車控制管理系統(tǒng))時，則只需發(fā)送給本節(jié)車的TCMS，由其網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動其它節(jié)車。在APM項目中主控VATC是通過ATS或RATO來選擇的。ATS操作員可以遠程手動切換不同的VATC，也有RATO來自動判斷和選擇。

2 香港機場APM信號系統(tǒng)多樣化接口及舉例介紹

香港機場APM的信號系統(tǒng)外部接口包括中央級、車站級和列車級3個部分，如圖4所示。中央級接口有:通信主時鐘、乘客廣播/乘客信息系統(tǒng)(PA/PIS)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)等接口，車站級接口有道岔控制柜、信號機、站臺門和侵入監(jiān)測等接口；列車級接口包括TCMS和列車網(wǎng)絡(luò)電話無線系統(tǒng)(VORS)等接口。除了以上與地鐵類似的接口外，香港機場APM還能滿足更加多樣的接口要求，如防火門接口、氣象站接口和地震監(jiān)測接口。

圖4 機場APM信號系統(tǒng)接口

2.1 防火門接口

防火門用于在火災(zāi)期間防止火災(zāi)/煙霧蔓延到正線區(qū)域，香港機場APM的信號系統(tǒng)通過與自動運行區(qū)域的防火門接口，來保護列車不受防火門的撞擊。

信號系統(tǒng)與防火門之間的接口應(yīng)滿足以下要求：①在正常情況下，防火門應(yīng)不斷向信號系統(tǒng)提供“完全打開和鎖定”狀態(tài)的信號；②防火門的控制系統(tǒng)應(yīng)確保其真實狀態(tài)和給定狀態(tài)一致；③當(dāng)防火門檢測到火警時，如果沒有列車接近，應(yīng)立即關(guān)閉；④當(dāng)防火門檢測到火警時，如果列車已進入接近區(qū)域，則應(yīng)在計數(shù)結(jié)束后45 s關(guān)閉；⑤防火門將計數(shù)45 s，即使在計時結(jié)束后還有列車在防火門下，防火門仍將關(guān)閉。

信號系統(tǒng)和防火門之間應(yīng)采用安全繼電器接口。安全繼電器接口電路應(yīng)該為每個功能做單獨設(shè)計，使得斷電狀態(tài)為安全狀態(tài)。此外，所有的重要功能都應(yīng)該是雙重切除的。信號系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)請求和當(dāng)前的列車運行情況，確定是否向防火門授權(quán)“允許關(guān)閉”命令。

2.2 氣象站接口

氣象站將自動感知對于系統(tǒng)運行和系統(tǒng)服務(wù)可用性至關(guān)重要的各方面天氣狀況條件，其中包括風(fēng)速、風(fēng)向、降水量(降雨量、降雪、結(jié)冰)、洪水監(jiān)測、低能見度(霧、沙、雪)等。這些數(shù)據(jù)來自一個或多個感測站，將被連續(xù)地提供給ATS。ATS將會記錄這些數(shù)據(jù)并將相關(guān)信息顯示給ATS操作員。

對于每個氣象條件要素，系統(tǒng)會設(shè)置警告界限。當(dāng)氣象條件要素超出安全操作限制時，在ATS中會發(fā)出可聽或可視的警報，同時ATS操作員有權(quán)限實施相關(guān)流程，如修改運營等級、設(shè)置臨時限速、取消進路等。ATS將記錄由遠程氣象站生成的氣象數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)源的位置以及表示項目生成時間的時間戳。ATS操作員有權(quán)限選擇打印天氣報告。

2.3 地震監(jiān)測接口

根據(jù)客戶的需求，信號系統(tǒng)會在自身確定的位置上提供一個地震遙感站。通過冗余的傳感裝置收集地震活動信息，同時在ATS界面上顯示當(dāng)前的地震監(jiān)測情況。在ATS顯示的中央地震數(shù)據(jù)將以數(shù)字數(shù)據(jù)的形式從各個遙感站獲取所有數(shù)據(jù)，并應(yīng)標(biāo)識出數(shù)據(jù)的來源位置。在任何時間，顯示器將至少顯示2個遙感站的數(shù)據(jù)。

相比傳統(tǒng)無人駕駛地鐵中的基本功能，如休眠、喚醒、遠程復(fù)位等外，香港機場APM信號系統(tǒng)還支持列車靈活編組運營，遠程選擇VATC，以及適配機場不同區(qū)旅客(陸側(cè)和空側(cè))的極復(fù)雜門控邏輯等。

3 結(jié)語

從香港機場APM信號系統(tǒng)可以看出，相比傳統(tǒng)的地鐵信號系統(tǒng)，其與外部專業(yè)更多的接口使得APM信號系統(tǒng)與外部專業(yè)的連接更加緊密，而靈活的功能配置可以滿足更多樣化的客戶需求，在大量新建及改造機場項目的助推下，匹配APM的信號系統(tǒng)將大有可為。