廣州地鐵7號(hào)線(xiàn)改造升級(jí)為全自動(dòng)運(yùn)行線(xiàn)路的信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

鄧 俊

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 510375， 廣州∥工程師)

全自動(dòng)運(yùn)行(Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO)系統(tǒng)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行全過(guò)程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通列車(chē)控制系統(tǒng),已逐漸在各地城市軌道交通新線(xiàn)中普及應(yīng)用。廣州地鐵7號(hào)線(xiàn)(以下簡(jiǎn)為“7號(hào)線(xiàn)”)一期(廣州南站站—大學(xué)城南站)采用的是國(guó)內(nèi)完全自主化的信號(hào)系統(tǒng)，其自動(dòng)控制等級(jí)屬于GoA2(半自動(dòng)化列車(chē)運(yùn)行)，為向全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)過(guò)渡提供了良好的升級(jí)基礎(chǔ)和先決條件。為了滿(mǎn)足未來(lái)新線(xiàn)對(duì)GoA3(有人值守下列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)或GoA4(無(wú)人值守下列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)的功能要求及探索研究既有線(xiàn)改造升級(jí)為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的方案，本文結(jié)合7號(hào)線(xiàn)一期工程從關(guān)鍵技術(shù)研究、改造方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能變更、驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果等方面進(jìn)行論述,為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及工程實(shí)施提供借鑒。

1 改造升級(jí)為全自動(dòng)運(yùn)行線(xiàn)路的信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方案

根據(jù)7號(hào)線(xiàn)全線(xiàn)(包括一期、二期及西延段)建設(shè)規(guī)劃，部分新建車(chē)輛段及停車(chē)場(chǎng)將到達(dá)GoA4全自動(dòng)運(yùn)行功能，正線(xiàn)區(qū)域需實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GoA3全自動(dòng)運(yùn)行功能。

1.1 關(guān)鍵技術(shù)方案

1.1.1 既有線(xiàn)路升級(jí)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GoA3技術(shù)方案

以7號(hào)線(xiàn)現(xiàn)有的MTC-I型CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造或加裝，使其具備正線(xiàn)的全自動(dòng)運(yùn)行能力。具體改動(dòng)如下：①選取一列列車(chē)作為測(cè)試驗(yàn)證列車(chē)，對(duì)其信號(hào)系統(tǒng)與車(chē)輛接口進(jìn)行改造，增加跳躍、前進(jìn)、退行、司機(jī)室門(mén)監(jiān)測(cè)、按鈕電氣接口接入等GoA3必須具備的功能；②在廣州南站站加裝縫隙探測(cè)、列車(chē)精確定位等裝置，并升級(jí)軌旁信號(hào)設(shè)備軟件，使其具備列車(chē)全自動(dòng)運(yùn)行的車(chē)站功能。

1.1.2 GoA4全自動(dòng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)

在7號(hào)線(xiàn)大洲車(chē)輛段部署必要的臨時(shí)性測(cè)試設(shè)備，對(duì)GoA4全自動(dòng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行必要的測(cè)試。其包括：

1) 驗(yàn)證多網(wǎng)融合的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信技術(shù)：驗(yàn)證CBTC主用通信網(wǎng)(LTE-M(城市軌道交通車(chē)地綜合通信系統(tǒng))和WLAN(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)))+備用通信網(wǎng)(TETRA(數(shù)字集群通信系統(tǒng)))的多網(wǎng)融合方案，主用LTE-M或WLAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信，在主用網(wǎng)絡(luò)故障情況下使用備用通信通道進(jìn)行車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信，以保證列車(chē)運(yùn)行的基本功能。

2) 驗(yàn)證車(chē)載ATC(列車(chē)自動(dòng)控制)設(shè)備自動(dòng)休眠喚醒技術(shù)：在測(cè)試股道設(shè)置喚醒單元，配合列車(chē)上新增的喚醒設(shè)備，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的喚醒以及喚醒后的位置校驗(yàn)等功能。

3) 列車(chē)高精度雙向定位技術(shù)：使用環(huán)線(xiàn)定位技術(shù)，利用其雙向可變通信的屬性，實(shí)現(xiàn)地面ATP(列車(chē)自動(dòng)防護(hù))設(shè)備到車(chē)載設(shè)備閉環(huán)位置檢查通道。

1.2 改造方案設(shè)計(jì)

基于7號(hào)線(xiàn)MTC-I型CBTC系統(tǒng)的框架，在改造的列車(chē)、車(chē)站及線(xiàn)路上增加實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)功能的設(shè)備。具體的系統(tǒng)設(shè)備變更如圖1所示。

注：CI——計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖； ZC——區(qū)域控制器； ATS——列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控； ATO——列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行； BTM——車(chē)載應(yīng)答器天線(xiàn)； SPKS——人員防護(hù)開(kāi)關(guān)； DCS-LTE——車(chē)地通信設(shè)備； LEU——軌旁電子單元。

1.2.1 新增設(shè)備

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)相對(duì)于GoA2的CBTC系統(tǒng)增加了如下設(shè)備：

1) 車(chē)輛段實(shí)現(xiàn)連續(xù)式通信等級(jí)控制相關(guān)設(shè)備：將車(chē)輛段劃分全自動(dòng)區(qū)域/非全自動(dòng)區(qū)域；設(shè)置LTE無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)區(qū)域無(wú)線(xiàn)覆蓋；布置應(yīng)答器設(shè)備實(shí)現(xiàn)車(chē)載ATP的定位及位置修正；設(shè)置軌旁ATP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛段移動(dòng)授權(quán)發(fā)送；布置SPKS設(shè)備用于自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)工作人員的防護(hù)。

2) 車(chē)載的喚醒休眠單元(WIU)：用于與車(chē)輛、ATO子系統(tǒng)、車(chē)載ATP子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)車(chē)輛段庫(kù)線(xiàn)的喚醒、休眠等；WIU設(shè)備雙端布置，在車(chē)輛休眠后保持帶電并與ATS保持通信。

3) 列檢庫(kù)內(nèi)、存車(chē)線(xiàn)布置精確定位單元：用于車(chē)載ATP子系統(tǒng)喚醒上電后實(shí)現(xiàn)列車(chē)靜態(tài)定位；用于車(chē)載ATP子系統(tǒng)休眠前的位置確認(rèn)。

4) 站臺(tái)布置精確定位單元：以實(shí)現(xiàn)停站過(guò)程中列車(chē)停車(chē)位置的精確檢查及列車(chē)靜態(tài)定位和車(chē)載ATP子系統(tǒng)休眠前位置的確認(rèn)。

5) 站臺(tái)布置再關(guān)門(mén)按鈕：用于實(shí)現(xiàn)站臺(tái)關(guān)門(mén)及折返站清客確認(rèn)。

6) 站臺(tái)布置縫隙探測(cè)設(shè)備：用于站臺(tái)門(mén)縫隙探測(cè)功能的驗(yàn)證。

7) 站臺(tái)聯(lián)鎖設(shè)備：增加再關(guān)門(mén)按鈕的采集。

1.2.2 新增車(chē)輛接口

要實(shí)現(xiàn)列車(chē)全自動(dòng)運(yùn)行，信號(hào)系統(tǒng)除需要包含全自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)設(shè)備外，還需與車(chē)輛接口協(xié)同實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行功能。信號(hào)與車(chē)輛繼電器接口的新增互傳信息主要包括：運(yùn)行方向(ATO前向、ATO后向)、駕駛模式(FAM(全自動(dòng)駕駛模式)、CAM(蠕動(dòng)駕駛模式))、跳躍指令等。信號(hào)對(duì)車(chē)輛的配置要求具備司機(jī)室車(chē)門(mén)的安全防護(hù)，如司機(jī)室門(mén)狀態(tài)串入全部車(chē)門(mén)關(guān)閉且鎖緊信號(hào)中。

2 子系統(tǒng)功能變更及增加

相對(duì)于GoA2的CBTC系統(tǒng)，對(duì)以下子系統(tǒng)進(jìn)行功能變更，增加相應(yīng)功能，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

2.1 ATS系統(tǒng)功能變更

全自動(dòng)駕駛模式下，在既有ATS基本功能的基礎(chǔ)上，主要增加了對(duì)車(chē)輛相關(guān)的狀態(tài)監(jiān)視與控制，以及對(duì)相關(guān)應(yīng)急狀態(tài)的監(jiān)視告警及處置功能。

1) 休眠：ATS根據(jù)計(jì)劃自動(dòng)或人工向休眠區(qū)的列車(chē)車(chē)載設(shè)備下發(fā)休眠控制命令，并監(jiān)測(cè)休眠狀態(tài)的功能。列車(chē)具備休眠條件后，自動(dòng)或提示人工向列車(chē)發(fā)送休眠命令，并對(duì)列車(chē)的休眠狀態(tài)進(jìn)行管理，休眠不成功時(shí)報(bào)警提示。

2) 喚醒：根據(jù)計(jì)劃自動(dòng)或人工向休眠區(qū)的列車(chē)車(chē)載設(shè)備下發(fā)喚醒控制命令，并監(jiān)測(cè)喚醒狀態(tài)的功能。ATS需較發(fā)車(chē)計(jì)劃時(shí)間提前一定時(shí)間下發(fā)喚醒指令，并對(duì)列車(chē)的喚醒狀態(tài)進(jìn)行管理，喚醒狀態(tài)信息在中心工作站上顯示。

3) 其他命令：ATS根據(jù)時(shí)刻表自動(dòng)向列車(chē)下發(fā)換端指令，并提供調(diào)度員人工下發(fā)換端指令的功能。ATS具備遠(yuǎn)程發(fā)送開(kāi)關(guān)門(mén)指令的功能，進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)門(mén)作業(yè)。ATS能夠?qū)?chē)載信號(hào)設(shè)備發(fā)送的CAM請(qǐng)求進(jìn)行確認(rèn)。ATS具備對(duì)指定線(xiàn)路區(qū)域和指定列車(chē)允許FAM運(yùn)行授權(quán)的功能。

2.2 ATP系統(tǒng)功能變更

全自動(dòng)駕駛模式下，在既有ATP基本功能的基礎(chǔ)上，主要增加了對(duì)車(chē)輛段內(nèi)自動(dòng)化區(qū)域的防護(hù)，以及全自動(dòng)折返、全自動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換等。

1) 休眠：車(chē)載ATP判斷是否在允許休眠區(qū)域內(nèi)。

2) 喚醒：?jiǎn)拘押筌?chē)載ATP可以通過(guò)讀取精確定位單元實(shí)現(xiàn)不動(dòng)車(chē)定位。ZC與車(chē)載ATP共同實(shí)現(xiàn)喚醒后動(dòng)態(tài)測(cè)試的安全防護(hù)。

3) 車(chē)輛段人員防護(hù)：在車(chē)輛段及正線(xiàn)的全自動(dòng)控制區(qū)域的各防護(hù)分區(qū)入口都設(shè)置有人員防護(hù)開(kāi)關(guān)。當(dāng)人員防護(hù)開(kāi)關(guān)激活后，車(chē)載ATP與ZC共同實(shí)現(xiàn)對(duì)人員防護(hù)開(kāi)關(guān)所屬區(qū)域的防護(hù)。

4) 模式轉(zhuǎn)換：車(chē)載ATP實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛要求的FAM模式。

5) 站臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)：車(chē)載ATP實(shí)現(xiàn)站臺(tái)停車(chē)后自動(dòng)啟動(dòng)的安全判斷。

6) 自動(dòng)折返：車(chē)載ATP實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛要求的全自動(dòng)站前折返與全自動(dòng)站后折返。

2.3 ATO系統(tǒng)功能變更

全自動(dòng)駕駛模式下，在既有ATO基本功能的基礎(chǔ)上，主要增加了對(duì)位調(diào)整、喚醒、休眠等功能。

1) 自動(dòng)調(diào)整：列車(chē)以FAM或CAM進(jìn)站停車(chē)，如自動(dòng)停在停車(chē)窗內(nèi)，則ATO向ATS報(bào)告停穩(wěn)、停準(zhǔn)信息。當(dāng)列車(chē)以FAM或CAM進(jìn)站欠標(biāo)或過(guò)標(biāo)未超過(guò)5 m時(shí)，ATO向ATS報(bào)告未停準(zhǔn)信息，向控制中心ATS報(bào)警，并在FAM下以向前或向后跳躍方式自動(dòng)調(diào)整對(duì)標(biāo)。當(dāng)列車(chē)以FAM或CAM進(jìn)站欠標(biāo)超過(guò)5 m時(shí)，ATO向ATS報(bào)警，F(xiàn)AM下ATO繼續(xù)運(yùn)行對(duì)位停車(chē)。當(dāng)列車(chē)以FAM或CAM進(jìn)站停車(chē)過(guò)標(biāo)超過(guò)5 m時(shí)，列車(chē)向控制中心ATS行車(chē)調(diào)度臺(tái)匯報(bào)過(guò)標(biāo)超過(guò)5 m報(bào)警。當(dāng)列車(chē)以FAM或CAM執(zhí)行跳躍對(duì)標(biāo)時(shí)，可以向前或向后跳躍調(diào)整，跳躍方向僅可以變換一次。為了防止多次跳躍仍然無(wú)法跳躍成功，ATO對(duì)跳躍次數(shù)進(jìn)行限制——當(dāng)同一方向的跳躍次數(shù)超過(guò)3次仍然未能跳躍成功，ATO將不再跳躍并向ATS報(bào)警，由人工上車(chē)打開(kāi)鑰匙退出FAM或CAM，并手動(dòng)開(kāi)到停車(chē)窗內(nèi)。

2) 喚醒休眠：列車(chē)以FAM喚醒后進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)測(cè)試。

3) 自動(dòng)出庫(kù)入庫(kù)：列車(chē)以FAM根據(jù)ATP限速實(shí)現(xiàn)低速控車(chē)及短庫(kù)線(xiàn)停車(chē)。

4) 站臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)：列車(chē)以FAM根據(jù)停車(chē)計(jì)劃自動(dòng)啟動(dòng)。

5) 站臺(tái)自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)：列車(chē)以FAM實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)。

6) 遠(yuǎn)程關(guān)門(mén)：列車(chē)以FAM響應(yīng)ATS的遠(yuǎn)程關(guān)門(mén)命令。

2.4 聯(lián)鎖系統(tǒng)功能變更

全自動(dòng)駕駛模式下，在既有聯(lián)鎖系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，正線(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要增加了再關(guān)門(mén)采集功能，車(chē)輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)增加了車(chē)庫(kù)門(mén)防護(hù)、人員防護(hù)開(kāi)關(guān)采集等功能。

2.5 DCS功能變更

DCS中車(chē)地?zé)o線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采用基于TD-LTE(時(shí)分-長(zhǎng)期演進(jìn))的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)方案。

LTE車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)架構(gòu)，因此考慮采用A和B紅藍(lán)雙網(wǎng)覆蓋方案。LTE車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)、基站和車(chē)載無(wú)線(xiàn)單元等組成，其中基站由BBU(基帶處理單元)和RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)組成。

2.6 TAU(列車(chē)無(wú)線(xiàn)接入單元)和WIU(喚醒休眠單元)系統(tǒng)功能

全自動(dòng)駕駛模式下，新增TAU和WIU設(shè)備，主要是配合車(chē)輛、車(chē)載ATP、車(chē)載ATO實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與信號(hào)設(shè)備的喚醒上電、休眠斷電及喚醒休眠方式的判斷。喚醒方式包括遠(yuǎn)程自動(dòng)喚醒、遠(yuǎn)程人工喚醒、本地人工喚醒。休眠方式包括遠(yuǎn)程自動(dòng)休眠、遠(yuǎn)程人工休眠、本地人工休眠。

2.7 站臺(tái)門(mén)與車(chē)門(mén)間隙探測(cè)設(shè)備功能

通過(guò)利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)間縫隙障礙物的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守場(chǎng)景下間隙安全防護(hù)。

2.8 多網(wǎng)融合設(shè)備功能

多網(wǎng)融合車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)采用將LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN作為主用，TETRA網(wǎng)絡(luò)作為備用的多網(wǎng)融合車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信方式，以最大程度地保障無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生異常時(shí)的列車(chē)與地面列控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，提高車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的穩(wěn)定性。

車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信設(shè)備接收車(chē)載信號(hào)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，再根據(jù)各無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量選擇最優(yōu)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)最穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完成車(chē)載信號(hào)設(shè)備與DCS通信接口服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。

由于LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN屬于寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，具備傳輸帶寬高、傳輸速率快的特點(diǎn)，適用于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，因此多網(wǎng)融合車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信設(shè)備選擇LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN作為主用網(wǎng)絡(luò)，承載正常運(yùn)行情況下的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信業(yè)務(wù)。另外選擇TETRA集群調(diào)度網(wǎng)絡(luò)作為備用網(wǎng)絡(luò)，完成異常情況下列車(chē)與地面控制設(shè)備之間的短消息傳輸。最終通過(guò)融合使用多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的方式，為車(chē)地列車(chē)控制設(shè)備提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。

3 驗(yàn)證測(cè)試情況

通過(guò)改造一列列車(chē)和部分軌旁設(shè)備，在車(chē)輛段、正線(xiàn)對(duì)站臺(tái)發(fā)車(chē)安全防護(hù)、列車(chē)接口、站臺(tái)應(yīng)急作業(yè)、全自動(dòng)駕駛、ATC設(shè)備自動(dòng)休眠喚醒和列車(chē)高精度雙向定位等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，全自動(dòng)功能測(cè)試項(xiàng)目均符合預(yù)期，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型GoA3的全自動(dòng)運(yùn)行功能和GoA4關(guān)鍵技術(shù)功能。

此外，網(wǎng)絡(luò)融合測(cè)試結(jié)果表明，采用每100 ms發(fā)送1個(gè)500字節(jié)的模擬CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的方式，LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN平均丟包率小于1%，最大連續(xù)丟包數(shù)為2個(gè)，最長(zhǎng)通信中斷時(shí)長(zhǎng)為500 ms，傳輸時(shí)延不超過(guò)500 ms，可滿(mǎn)足信號(hào)系統(tǒng)的需求。TETRA網(wǎng)絡(luò)能支持發(fā)送的數(shù)據(jù)量較小，丟包率和傳輸時(shí)延均較高，傳輸延遲為1 192 ms。

縫隙探測(cè)測(cè)試采用80 mm × 50 mm的測(cè)試障礙物在屏蔽門(mén)門(mén)體右上角、右下角、左上角、左下角、中部分別放置進(jìn)行障礙物檢查，測(cè)試通過(guò)且可用度達(dá)99.993%。

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)提高城市軌道交通運(yùn)行效率、運(yùn)營(yíng)組織的靈活性及可靠性、安全性、可用性、可維護(hù)性水平上的意義重大，對(duì)提高城市軌道交通裝備技術(shù)水平和運(yùn)營(yíng)管理水平、節(jié)能降耗、降低全生命周期成本、節(jié)省人力資源及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)探索車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)及與車(chē)輛接口、軌旁信號(hào)系統(tǒng)、中心信號(hào)系統(tǒng)的GoA3、GoA4改造方案，并在廣州地鐵7號(hào)線(xiàn)大洲車(chē)輛段、正線(xiàn)進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，驗(yàn)證了通過(guò)對(duì)GoA2線(xiàn)路車(chē)輛、車(chē)輛段、正線(xiàn)車(chē)站、中心的改造實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)GoA3和GoA4相關(guān)功能，為7號(hào)線(xiàn)一期改造、西延段、二期的工程實(shí)施積累了管理、技術(shù)、施工等方面的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)工程建設(shè)提供了有力的技術(shù)保障和技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)已開(kāi)通的GoA2線(xiàn)路的改造有一定借鑒作用。