麥加輕軌列車自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)問(wèn)題分析及對(duì)策研究

侯海永魏利華

（1.北京鐵路局辦公室，100860，北京；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，110866，沈陽(yáng)∥第一作者，工程師）

麥加輕軌列車自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)問(wèn)題分析及對(duì)策研究

侯海永1魏利華2

（1.北京鐵路局辦公室，100860，北京；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，110866，沈陽(yáng)∥第一作者，工程師）

麥加輕軌鐵路是第一條為世界各國(guó)穆斯林在麥加朝覲活動(dòng)服務(wù)的專用輕軌鐵路，其運(yùn)營(yíng)模式與朝覲活動(dòng)緊密相關(guān)。分析了沙特麥加輕軌ATC（列車自動(dòng)控制）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理。依托朝覲期間麥加輕軌的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，研究總結(jié)了ATC系統(tǒng)在緊急停車、限速和激活等操作過(guò)程中存在的主要問(wèn)題。結(jié)合系統(tǒng)自身特點(diǎn)，給出了各種問(wèn)題的解決對(duì)策，以使得該系統(tǒng)在未來(lái)的運(yùn)行中更加高效、穩(wěn)定。

麥加輕軌；列車自動(dòng)控制系統(tǒng)；運(yùn)行模式

First-author'saddressTraffic Control Center，Beijing Railway Administration，100860，Beijing，China

麥加輕軌是第一條為世界各國(guó)穆斯林在麥加朝覲活動(dòng)服務(wù)的專用輕軌。全長(zhǎng)約18 km，該線的正線高架部分長(zhǎng)度為13.91 km，地面部分長(zhǎng)度為5.47 km；全線共設(shè)9座車站、一個(gè)車輛段和一個(gè)運(yùn)營(yíng)控制中心。根據(jù)朝覲活動(dòng)的需要，輕軌正線被劃分為3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)域包含3座車站，分別是阿拉法特區(qū)（包含Arafat1站、Arafat2站和Arafat3站）、穆茲達(dá)利法赫區(qū)（包含MUZ1站、MUZ2站和MUZ3站）和米納區(qū)（包含Mina1站、Mina2站和Jammarat站），如圖1所示。

圖1 麥加輕軌正線沿線車站分布圖

1 麥加輕軌ATC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

2011年，麥加輕軌行車指揮系統(tǒng)采用了Thales公司開(kāi)發(fā)的列車自動(dòng)控制（ATC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是基于列車通信控制實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)運(yùn)行，采取移動(dòng)閉塞方式實(shí)現(xiàn)列車安全追蹤運(yùn)行，縮小列車追蹤間隔，提高輕軌線路運(yùn)能，保證滿足朝覲期間輕軌客流的需求。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要職能是為麥加輕軌運(yùn)營(yíng)提供故障導(dǎo)向安全的信號(hào)操作功能。在保證列車一定安全運(yùn)行間隔的情況下，系統(tǒng)允許列車以最大速度持續(xù)、安全運(yùn)行。信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 麥加輕軌ATC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)各組成部分的不同作用，可將該系統(tǒng)分為管理層、操作層和激活層。管理層主要包括列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)，或稱為系統(tǒng)管理中心。ATS是列車調(diào)度員日常行車指揮信號(hào)操作的主要設(shè)備之一，它提供了圖形化的人機(jī)界面。通過(guò)操作ATS系統(tǒng)，列車調(diào)度員可以為列車安排時(shí)刻表，安排列車加入或退出運(yùn)營(yíng)，控制道岔和信號(hào)機(jī)等其他設(shè)備，監(jiān)視列車運(yùn)行狀況，以及完成故障處理中的相關(guān)操作。麥加輕軌項(xiàng)目實(shí)際使用的ATS系統(tǒng)有3套，其中，運(yùn)營(yíng)控制中心有2套，主要用于輕軌正線的行車指揮工作。

操作層主要包括車輛控制中心（VCC）。VCC主要負(fù)責(zé)與安全相關(guān)的工作，如列車安全間隔和道岔的安全扳動(dòng)。麥加輕軌項(xiàng)目共有3個(gè)車輛控制中心，分別管理線路不同區(qū)域的設(shè)備。正線設(shè)有2個(gè)車輛控制中心（VCC1和VCC2），車輛段設(shè)有1個(gè)車輛控制中心（VCC3）。其中正線VCC1和VCC2范圍的控制如圖3所示。

圖3 中心控制操作終端界面

列車調(diào)度員通過(guò)在VCC終端上直接輸入指令，來(lái)完成對(duì)列車或者道岔等設(shè)備的相關(guān)操作。

激活層則主要包括車站控制器（STC）、車載控制器（VOBC）、感應(yīng)環(huán)線和道岔等設(shè)備。

正線上有11個(gè)車站控制器（如圖3中STC1～STC11所示）。車站控制器則負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的安全工作。STC獲取緊急停車按鈕、道岔的狀態(tài)信息，并將其傳遞給相應(yīng)的VCC。

感應(yīng)環(huán)線鋪設(shè)在軌道中間，主要負(fù)責(zé)VCC和VOBC之間的通訊，并在ATC模式下確定列車在線路上的位置。VOBC執(zhí)行VCC的指令來(lái)控制列車的推動(dòng)力和制動(dòng)力，確保列車不超過(guò)速度和距離的限制。同時(shí)，其將列車位置、速度、運(yùn)行方向和設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息經(jīng)感應(yīng)環(huán)線傳遞給VCC，在VCC的監(jiān)控下負(fù)責(zé)列車的安全運(yùn)行。

列車在兩端的司機(jī)室內(nèi)各配備有一臺(tái)VOBC，正常情況下，活動(dòng)的VOBC控制列車運(yùn)行，而另一臺(tái)VOBC則處于備用狀態(tài)。當(dāng)活動(dòng)的VOBC出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換并激活備用的VOBC，來(lái)保證列車無(wú)間斷地繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)兩臺(tái)VOBC均出現(xiàn)故障時(shí)，該列車會(huì)與VCC失去通信，這時(shí)列車處于“超時(shí)”狀態(tài)，列車則緊急停車且無(wú)法執(zhí)行任何自動(dòng)運(yùn)行的指令。此時(shí)，需要司機(jī)重新啟動(dòng)VOBC，并手動(dòng)運(yùn)行經(jīng)由一個(gè)進(jìn)入點(diǎn)激活VOBC。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

ATS系統(tǒng)向VCC下達(dá)徑路安排的指令，VCC則向ATS系統(tǒng)提供列車運(yùn)行和設(shè)備健康狀態(tài)的信息。VCC之間互相連接，確保整個(gè)系統(tǒng)中列車的安全運(yùn)行。VCC持續(xù)與列車和軌旁設(shè)備進(jìn)行通信，通過(guò)感應(yīng)環(huán)線與車載VOBC進(jìn)行通信，再經(jīng)由VOBC實(shí)施推進(jìn)力和制動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)運(yùn)行。VCC計(jì)算每列車的運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)距離和安全列車間隔，并將該信息發(fā)送給車載VOBC，而VOBC負(fù)責(zé)將列車運(yùn)行至目標(biāo)點(diǎn)處。VCC同時(shí)也將道岔移動(dòng)指令發(fā)送給STC，STC再將指令傳達(dá)給道岔，來(lái)為列車準(zhǔn)備徑路。

2 系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題及建議

麥加輕軌ATC系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)刻表上，設(shè)置的列車停站作業(yè)時(shí)間為1 min，然而發(fā)生非正常情況時(shí)，列車停站時(shí)間會(huì)大大增加，會(huì)嚴(yán)重影響列車的正常運(yùn)行。這就要求麥加輕軌在運(yùn)營(yíng)中必須盡可能地降

低設(shè)備故障發(fā)生幾率、快速地修復(fù)故障和縮短故障時(shí)間，從而盡最大程度減少設(shè)備故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。

沙特麥加穆斯林2011年朝覲活動(dòng)從11月3日0：00開(kāi)始，至11月9日18：00結(jié)束，前后歷時(shí)共計(jì)162 h。期間麥加輕軌共開(kāi)行列車1 765列，累計(jì)發(fā)送旅客322.4萬(wàn)人次，達(dá)到7.2萬(wàn)人次/h的設(shè)計(jì)運(yùn)量。在前期的試運(yùn)營(yíng)和運(yùn)營(yíng)中，ATC系統(tǒng)顯現(xiàn)出一些問(wèn)題和不便，有待進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

2.1 虛擬緊急停車設(shè)備激活狀態(tài)的“忽略”問(wèn)題及改進(jìn)

虛擬緊急停車設(shè)備是在ATC系統(tǒng)中，是列車因發(fā)生故障轉(zhuǎn)為人工駕駛或因出現(xiàn)別的緊急情況時(shí)，需要使列車轉(zhuǎn)入后備模式（即按信號(hào)機(jī)的顯示行車）所設(shè)置的配套裝置。

正常ATC模式下，虛擬緊急停車設(shè)備處于未激活狀態(tài)。部分后備情況下，為列車設(shè)置人工預(yù)約徑路時(shí)會(huì)激活虛擬緊急停車設(shè)備，相應(yīng)的軌道關(guān)閉，自動(dòng)模式列車無(wú)法進(jìn)入該軌道，確保行車安全。要忽略激活的虛擬緊急停車設(shè)備，需要在中心控制操作終端中輸入相應(yīng)的指令，并且每次輸入只能忽略一個(gè)激活的虛擬緊急停車設(shè)備。

列車調(diào)度員在中心控制操作終端現(xiàn)用的命令格式為SO esd（注：esd為虛擬緊急停車設(shè)備的代碼）.例如：當(dāng)與信號(hào)機(jī)D0701相關(guān)的虛擬緊急停車設(shè)備ED0701在運(yùn)營(yíng)中激活，并且需要被忽略掉時(shí)，列車調(diào)度員鍵入“SO ED0701L”指令后，系統(tǒng)的3個(gè)工作CPU會(huì)顯示接收到的指令，并提示列車調(diào)度員確認(rèn)，當(dāng)列車調(diào)度員確認(rèn)鍵入指令正確后，再次輸入指令“go”通知系統(tǒng)可以執(zhí)行該指令，系統(tǒng)完成指令后會(huì)再次在中心控制操作終端提示命令的執(zhí)行完成情況。

如果在運(yùn)營(yíng)中，人工預(yù)約徑路設(shè)置過(guò)長(zhǎng)時(shí)，取消人工預(yù)約徑路有時(shí)會(huì)激活很多虛擬緊急停車設(shè)備，設(shè)置忽略虛擬緊急停車設(shè)備需要在中心控制操作終端中逐個(gè)忽略，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響列車運(yùn)行秩序的恢復(fù)。

最好將此指令改為一次可忽略多個(gè)虛擬緊急停車設(shè)備的方式，由調(diào)度員在一個(gè)指令中輸入多個(gè)虛擬緊急停車設(shè)備編號(hào)，確認(rèn)好之后可以一起忽略。面對(duì)可能需要忽略多達(dá)數(shù)十個(gè)的激活虛擬緊急停車設(shè)備時(shí)，指令可以改為SO esd esd...；esd可限制最多為10個(gè)或者更多。

2.2 限速指令的“設(shè)置”和“取消”問(wèn)題及改進(jìn)

列車調(diào)度員在ATS系統(tǒng)和VCC終端中均能為線路“設(shè)置”限速，然而“取消”限速則只有在VCC終端中輸入指令才能取消。ATC系統(tǒng)中的整個(gè)線路由很多“軌道（Track）”組成，而每個(gè)“軌道”又劃分為至少一個(gè)或更多個(gè)“軌道分段”（Track section），每個(gè)“軌道分段”的號(hào)碼在整個(gè)線路上都是唯一的，如圖4所示。每個(gè)“軌道分段”的長(zhǎng)度為25 m。

圖4 軌道和軌道分段示意圖

整個(gè)線路的Track和Track section數(shù)目如表1所示。

表1 軌道和軌道分段數(shù)目個(gè)

THALES設(shè)計(jì)RG指令最多能取消9個(gè)Track section的限速。如此設(shè)計(jì)，固然可以在操作員取消限速時(shí)促使其逐個(gè)確認(rèn)Track section，能減少誤操作出現(xiàn)的幾率，但遇到較長(zhǎng)區(qū)段設(shè)置限速時(shí)，取消限速的Track section會(huì)多達(dá)數(shù)百個(gè)，花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而且過(guò)程繁瑣。

ATC系統(tǒng)現(xiàn)用指令的格式為：

RG ts ts；

ts=Track section，最多可以為9個(gè)。

改進(jìn)的做法是：THALES能將該指令改為與徑路（route）相關(guān)，以開(kāi)始端和結(jié)束端的track section來(lái)的指令模式來(lái)取消限速。建議格式為：RG rt dir orgn dest。其中：rt為與連續(xù)限速相關(guān)的route號(hào)碼，ATC系統(tǒng)為每一段徑路都定義了不同的route號(hào)碼；dir為該route的方向，車輛段方向參數(shù)為0，加馬拉車站方向參數(shù)為1；orgn為取消限速的起始track section號(hào)碼；dest為取消限速的終端track section號(hào)碼。

2.3 進(jìn)入點(diǎn)（EP）的“設(shè)置”問(wèn)題及優(yōu)化

進(jìn)入點(diǎn)（EP），是為了將VOBC與VCC失去通信的列車重新激活，使之重新恢復(fù)兩者之間的正常通信而在ATC系統(tǒng)軟件中所設(shè)置的重要部分。失去通信的列車無(wú)法接收來(lái)自車輛控制中心的任何指

令，更加無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。此時(shí)，列車調(diào)度員指示司機(jī)在列車上重置VOBC，然后為列車準(zhǔn)備好“人工預(yù)約進(jìn)路”，讓列車改為“人工駕駛模式”，通過(guò)前方一個(gè)進(jìn)入點(diǎn)停車后就可以將列車VOBC重新激活，使列車與車輛控制中心之間恢復(fù)通信。

加馬拉站端線路EP設(shè)置較少。由于加馬拉端轉(zhuǎn)線是限制線路運(yùn)能的“瓶頸”，當(dāng)12列列車在D模式中成組追蹤運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成列車在加馬拉站北線站外等信號(hào)。實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，發(fā)生過(guò)多次列車在北線加馬拉站外通信超時(shí)，然而列車激活時(shí)需要從北線先設(shè)置人工預(yù)約徑路至中線，然后再由中線設(shè)置人工預(yù)約進(jìn)路至南線米納2站。由于下一進(jìn)入點(diǎn)太遠(yuǎn)，造成設(shè)置人工預(yù)約進(jìn)路過(guò)長(zhǎng)，人工駕駛模式又降低了車速，結(jié)果容易造成列車積壓，嚴(yán)重降低了線路的通過(guò)能力。

在系統(tǒng)中加馬拉站外向盡頭線的出站方向一處增加設(shè)置一進(jìn)入點(diǎn)，這樣列車只要轉(zhuǎn)線至盡頭線即可以重新激活VOBC，恢復(fù)列車與VCC之間的通信，從而壓縮故障處理時(shí)間，減少處理故障對(duì)運(yùn)營(yíng)造成的影響。如圖5，細(xì)箭線處為系統(tǒng)在加馬拉車站附近實(shí)際設(shè)置的進(jìn)入點(diǎn)，粗細(xì)箭線處為建議增設(shè)的進(jìn)入點(diǎn)位置。

圖5 加馬拉車站EP設(shè)置優(yōu)化方案圖

3 結(jié)語(yǔ)

麥加輕軌主要以滿足全世界穆斯林在麥加的朝覲活動(dòng)的出行需求為目的，其最大特點(diǎn)就是運(yùn)營(yíng)模式與朝覲活動(dòng)緊密結(jié)合。該特點(diǎn)決定了麥加輕軌必須在規(guī)定的朝覲活動(dòng)時(shí)間段內(nèi)完成一定的運(yùn)輸任務(wù)，一旦某一朝覲活動(dòng)結(jié)束后開(kāi)始新的朝覲活動(dòng)時(shí)，輕軌運(yùn)營(yíng)模式必須隨之改變，包括運(yùn)營(yíng)中列車的使用數(shù)量、運(yùn)輸范圍和停站設(shè)置等多方面的變化。針對(duì)麥加輕軌ATC系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，及時(shí)地進(jìn)行改進(jìn)和完善，可以使之在未來(lái)的運(yùn)營(yíng)中更加高效、穩(wěn)定，進(jìn)而確保列車在一定的行車間隔下以最大速度持續(xù)、安全運(yùn)行。

［1］ 安光保，楊沛敏.沙特麥加輕軌運(yùn)營(yíng)組織方案［J］.都市快軌交通，2011，24（2）：115.

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Analysis of ATC Operating Problems in Mecca Light Rail Transit and the Countermeasures

Hou Haiyong，Wei Lihua

Mecca LRT is the first rail transit line specially built for the pilgrimageof Moslemsto Mecca，its operation model is closely related to the pilgrimageactivities.In this article，the structures and operating principle of ATC system in Mecca LRT are analyzed，the main problems in the operational process，such as the emergency shut-down，speed restriction and activation of ATC systemare summarized based on the operating practices of Saudi Mecca LRT during the pilgrimage.In addition，some corresponding countermeasures are put forward to make the ATC system more efficient，more stable and environmental friendly.

Mecca light rail transit（LRT）；automatic train control（ATC）system；operation model

U 239.36

2012-12-17）