捷運智能控制系統在昆明長水機場的應用實踐

文：謝欣，陳建廣｜北京和利時系統工程有限公司

昆明長水國際機場空側捷運系統項目是基于ATO 自動駕駛技術的七模塊浮車型有軌電車項目，也是民航系統自動駕駛模式的儲能式有軌電車項目。項目根據空側捷運系統項目的需求，結合有軌電車車輛特性，設計了一套以綠色、智慧、安全、多元為特色的新型旅客捷運列車運行控制系統解決方案，為機場旅客捷運工程建設提供了有益參考。

城市軌道交通已邁入綠色、智慧建設新階段，有軌電車作為城市軌道交通低運能系統之一，具有節能環保、舒適安全、運營靈活、成本適宜的特點，目前已在多個城市開通運營，但受到開放式路權的限制，大多數已開通的有軌電車線路均存在采用人工駕駛方式、旅行速度低、安全性不足等問題。

機場空側捷運具有24 小時不間斷運營、客流隨航班動態變化、高強度折返換端、空間集約、全壽命周期的高效運維、對標航空高品質、高效率的客戶服務等要求。目前已建設的空側捷運項目大多采用APM 系統，國內信號系統廠商都在積極探索，努力找尋更多更優的解決方案，有軌電車便是優選之一。昆明機場空側捷運系統采用完全封閉路權，采用獨立路權的有軌電車，若仍以常規的人工駕駛模式，不能實現自動駕駛及自動折返，嚴重影響運營效率，同時造成運營成本及強度的增加。因此，在有軌電車的車輛基礎上，研制一套新型的滿足有軌電車自動駕駛的捷運智能控制系統，可以有效提升運輸能力、提高安全性能和自動化能力、降低建設和運維成本、縮短建設周期、實現低碳環保。

一、昆明長水機場旅客捷運工程概況

昆明長水機場航站區改擴建工程旅客捷運工程線路起自長水機場T1 前中心區，利用既有汽車通道敷設，在后中心區設置第二座車站，之后繼續沿通道至新建衛星廳S1，設置S1 站，雙正線全長1.88千米。為了靈活運營，各站前后均設置了交叉渡線。衛星廳S1 前設停車場一處。線路采用7 模塊編組有軌電車。初期配屬運用車5 列，預留了遠期延伸接口條件。

圖1 昆明長水機場旅客捷運線路示意圖

昆明長水機場旅客捷運智能控制系統的技術要求如下：

閉塞制式：基于連續無線通信的移動閉塞；

自動運行等級：基于司機操作的自動駕駛（GOA2 級）；

行車間隔：初期4.5 分鐘，遠期2.5 分鐘；遠期正線列車最小運行間隔時間滿足3 分鐘運營的要求，設計間隔時間為153 秒；

最高運營速度：70 公里/ 小時；旅行速度不小于30 公里/小時。

二、捷運智能控制系統智能化、綠色化設計

（一）集中式控制架構設計

為了降低系統設備數量、減少車站設備室面積、減少人員配置、實現車站無人值守等目的，系統采用了集中式控制架構設計：一是調度系統采用控制中心集中控制，配以現地級后備控制；二是正線計算機聯鎖主機、區域控制器ZC 集中設置在控制中心；三是車站僅設置聯鎖遠程執行設備；四是采用綜合電源系統，減少電源設備配置。集中式控制架構設計實現了整個捷運系統的集中監視、調度控制和維護管理，提高了運營調度效率，降低了建設成本，非常貼合機場空側旅客捷運系統的特點與需求。

（二）基于有軌電車車輛特性的ATO 自動駕駛

捷運智能控制系統采用ATO自動駕駛技術，以提高系統的自動化程度，降低司機勞動強度，提高列車運行效率。由于有軌電車車輛的特殊性，基于地鐵的ATO 控車算法無法直接應用于有軌電車。針對這些難點，在自動速度控制算法建模時將其納入到算法模型中，并建立適用于有軌電車的自動速度控制算法模型，從而提升該系統的適應性和運輸效能。

1.影響速度控制的主要因素對比及算法控制指標確定

通過有軌電車與地鐵列車牽引制動特性對比研究，確定需特殊控制的點，并根據項目需要確定了達成準點、精確停車、舒適、節能目標的具體數值。

從表1 可以看出，相比地鐵列車，要實現自動駕駛技術在有軌電車的應用，在滿足相同的自動駕駛技術指標的前提下，必須根據有軌電車控制特點對牽引、制動做特殊處理，同時還要檢測、補償載荷。

表1 影響自動速度控制的主要因素對比

昆明長水國際機場空側捷運系統項目是自動駕駛技術在有軌電車的首次應用，沒有常規技術指標進行約束。因此，本項目綜合參考地鐵和高鐵對于自動速度控制的技術指標及項目需求，確定有軌電車自動駕駛技術指標見表2。

表2 有軌電車自動駕駛技術指標

2.算法控制策略

針對有軌電車的特點，結合算法控制指標，本項目對算法的牽引制動輸出控制進行約束。

一是輪徑值偏小易發生空轉、滑行問題。空轉和滑行的發生均是因為牽引力或制動力大于粘著力導致的。為了減少車輪發生空轉、滑行的問題，算法通過對比最大牽引加速度、制動減速度和粘著加速度的關系，限制牽引、制動控制輸出，從而避免出現牽引力或制動力大于粘著力的情況，避免空轉滑行發生。

二是沖擊率過大問題。有軌電車本身的沖擊率較大，因此必須限制牽引制動輸出的速率，即自動速度控制算法輸出控制時，需要按照舒適性需求逐漸增大或減小牽引制動率輸出，從而保證舒適性。同時，由于在不同速度下列車的最大牽引加速度均不同，因此在牽引控制方面還需要結合列車的最大牽引加速度來控制牽引輸出的速率，兼顧效率和舒適性。考慮到機場捷運的旅客攜帶行李物品的出行特征，本項目ATO 在控車加速和制動過程中采用的最大沖擊率參數是 0.25 米每立方秒，較常規地鐵最大沖擊率0.315 米每立方秒有所降低，提高了旅客乘坐的安全性及舒適性。

三是牽引制動加速度過大問題。針對牽引/制動加速度過大問題，自動速度控制算法需要提高輸出分辨率以及提高控制器的魯棒性，從而避免振蕩調節，加快控制的收斂速度。

四是載荷補償。有軌電車的載荷補償只能做到±15%，導致精確停車時由于制動系統的不穩定性引起的相同速度下的制動距離偏差較大。針對這個問題，通過減小精確停車對標速度來減少誤差。同時，在自動速度控制算法中增加載荷誤差計算功能。列車起步后，自動控制算法通過輸出的牽引率和制動率計算應產生的加減速度，然后與實際反饋的加減速度進行對比，從而計算載荷補償誤差。最后，在精確停車制動距離計算時，考慮該誤差，從而提高精確停車精度。

3.算法控制器設計

針對有軌電車的自動速度控制模型，采用閉環方式，以目標速度為調節目標，同時考慮粘著控制、沖擊率控制和載荷補償控制，進行控制輸出調節，設計了速度調節控制器（圖2）。從圖中可以看出，速度調節控制在控制輸出計算模塊后，基于有軌電車應用增加了粘著控制、沖擊率控制和載荷補償控制，從而達到適應有軌電車特殊性的應用。

圖2 速度調節控制器

（三）多專業深度融合的智能綜合調度系統

為了達到降低成本、提升效率和服務質量的目標，在深入調研了捷運系統客流特征、線路特點、車輛結構特性的基礎上，系統立足于頂層設計，研發了集行車調度、電力監控、設備運維為一體的多系統深度集成的智能綜合調度系統，實現了快速響應的多系統一體化聯動。其中，對調度指揮涉及的主要專業進行架構簡化、功能整合和軟硬件深度集成，減少了專業之間的接口，以及設備數量和人員配置數量，不僅使調度人員能更快速、更全面了解現場情況，準確應對突發事件，而且實現了一崗多能，優化了調度崗位職責設置和運營管理機制。

優化后的調度工作界面以行車指揮和應急處置為核心，在保持關鍵頁面布局和調度使用習慣的前提下，增加了綜合調度界面用于展示多個專業的運營關鍵信息，并突出告警、視頻、消防、安防等子系統之間的聯動和圖符文字指示，呈現多專業、多角度、立體化的完整運營場景，此應用可最大限度地消除突發問題對線路運營所造成的影響，在不降低列車運行安全系數的前提下，實現列車流對乘客流的均衡吸納，大幅節約設備、人力和經營管理成本，充分滿足用戶需求。

1.綜合調度崗位優化

優化崗位的融合以及值班管理的融合。其中崗位的融合主要是指一崗多能，培養一些能夠身兼數職的優秀員工，提升調度指揮工作的質量和效率，促進企業人才發展和人員成本節約。值班管理的融合主要是指對調度人員（總調、行車調、環調、電調、客運調、設備維修調、車站值班員）進行合理合并，提升工作人員與各項業務之間的熟練程度。

具體措施如下，一是針對崗位設置分析人機界面設計，以便適應綜合調度的調度操作需求以行車指揮為核心，并保持既有的頁面布局，保證調度使用習慣；在既有按照專業劃分的頁面基礎上，增加綜合調度界面；綜合調度界面展示各專業信息，為綜合調度人員呈現完整行車調度場景，方便處理各種突發事件。二是集成CCTV 視頻監視器、FAS 界面、安防接口等。三是故障應急時突出應急告警事件及圖形符號。

2.共享數據平臺

實現信息數據和設備資源的共享，減少各個系統之間的復雜接口關系，簡化故障分析層次；增強多專業之間的聯動策略，提高各系統的主動控制性。

3.空鐵運輸協同

為了充分發揮捷運線路運能，實現根據機場航空客流動態調整捷運列車運行計劃，充分發揮捷運運能，防止旅客在機場區域滯留而降低運輸體驗，將捷運系統與機場信息中心接口，獲取航班集中起飛和到達架次、客座率及機場突發事件等信息，同步動態調整捷運線路列車行車密度和時刻表，精準匹配機場客流峰谷變化趨勢，快捷調整運輸計劃，并適時指導旅客行進方向及路線，減少旅客途中的滯留時間，提高旅客換乘效率。該項創新成果對減少能源消耗、降低運營成本、提升機場整體服務質量有重要的意義，在空運出現突發事件，急需快速緩解運輸壓力情況下其作用尤為明顯。

同時，為對標航空高品質服務質量，針對影響運營的關鍵動態因素（如道岔故障、計軸故障、客流變化、車門故障、車輛照明故障、列車空調故障等），結合捷運線路系統特點，將各種動態因素出現時的期望聯動反應和正確應對步驟進行了定義，并將其轉換為系統可執行的聯動方案，提升系統應急水平，滿足機場捷運線路較高服務質量的要求。具體措施：一是捷運行車指揮與機場現場指揮信息中心聯動。系統實時銜接航班動態，針對航班集中起降架次、客座率和突發事件，精準對接客流。在航班、客流密集的時間段自主增加車輛數量，減少車輛運行間隔；在其它時間段根據需求適時分配車輛資源。及時適應機場客流的動態變化，能夠有效減少能源消耗，降低運營成本，并適時指導旅客行進方向及路線，減少旅客在中轉流程的轉換時間，提高旅客換乘效率。二是豐富現有多專業聯動策略和程控化。針對異常狀況，如道岔故障、計軸故障、客流變化、車門故障、車輛照明故障、列車空調故障等，并根據捷運運營的需求，制定指定狀況下能達到特定目標的動作序列和步驟，將此序列和步驟轉換為系統可以自動和半自動執行的聯動方案，自動聯動執行或人工確認后自動執行。

（四）多專業綜合運維

智能綜合調度系統中配置了多專業綜合運維系統，將機電、信號、通信、供電、車輛等多專業運維集成于統一的運維平臺，實現多專業融合、多數據共享，有效提高運維效率和減少運維成本。

捷運智能控制系統在控制中心集中設置一套多專業綜合運維系統，通過遠端采集設備將各專業維護信息匯集到控制中心數據庫，通過多功能終端人機界面展示所有專業的維護信息，并通過用戶權限管理實現不同用戶在相同終端上的信息展示和操作權限控制。

三、旅客捷運智能控制系統的應用效果

捷運智能控制系統已在昆明長水國際機場首次實現了國產化捷運系統的應用，于2021 年7 月26 日投入載客運營。昆明長水國際機場空側捷運系統項目是首個應用新型旅客捷運智能控制系統的有軌電車項目，在傳統有軌電車上增加了列車自動防護、自動駕駛、自動運營調整等自動化功能，大幅提高了資源利用率，降低系統的建設和運維成本，提高運營靈活性，減少了調度人員需求，提高了技術的自動化水平和安全防護強度，降低了司機勞動強度，在運營安全、運輸效率、節能環保、降本增效等方面取得了顯著效果并得到了實際工程的應用驗證，得到用戶的高度認可。

昆明長水機場旅客捷運系統列車最高時速70 公里，單項行程最快3 分50 秒，行車間隔小于5分鐘，實現了T1 航站樓和遠距離S1 衛星廳之間的無縫對接。該系統基于無線通信信號系統，在傳統有軌電車上增加列車自動防護、自動駕駛、自動運營調整等自動化功能，從列車自動駕駛、智能調度、智慧出行、智能運維四個方面，提升了調度中心、車站、場段、列車運行、運維管理的智能化水平及效率，實現了列車平穩進站、精準停車、無人自動折返以及雙折返軌全自動折返功能。

系統的成功應用，在經濟效益方面也取得顯著進步。一是采用多專業融合的綜合調度系統，對服務器和工作站資源進行了整合，減少設備投資，降低約20%的調度相關專業建設成本。二是減少至少中心設備室機柜的物理空間，節省車站機房總面積10%左右。

三是整合孤立的運維系統，統一終端，減少人員投入，提升運維效率20%以上。四是通過扁平化調度，減少中心調度人員，節省人力成本30%。五是24 小時全天候運行，列車人均百公里消耗不足1 度電，相比一般機場擺渡車，每列有軌電車每年可減少二氧化碳排放超過2300 噸。

四、應用前景及展望

昆明長水機場旅客捷運智能控制系統在機場捷運封閉路權場景下的應用，對有軌電車應用市場的拓寬和發展具有重要意義，對于基于無線通信的移動閉塞信號技術應用于封閉路權的城市軌道交通低運能系統領域也有重要的示范意義。鑒于機場捷運系統的典型特征，以及低運能運行系統自主化裝備的技術進步、產業升級趨勢及發展機遇，通過應用示范，將新型旅客捷運列車運行控制系統推廣至國內樞紐機場的旅客捷運線路和低運能系統線路，建立產業規范與體系，有助于提升我國機場空側捷運系統的技術優勢，從而帶動產業發展，培育多元化市場環境，推動軌道交通高端裝備的產業化，助力軌道交通產業走向國際化市場，為后續乃至在全球空側軌道交通以及低運能系統線路的運用打下堅實基礎。