全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)SPKS設(shè)置方案研究

陳紹文

（卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200071）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)無(wú)人駕駛[1]線路越來(lái)越多。上海地鐵10號(hào)線已于2014年8月具備GoA4 （Grade of Automation）[2]等級(jí)全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)的條件。2018年在建的GoA4等級(jí)線路有上海14、15、18號(hào)線，成都9號(hào)線及北京3號(hào)線。目前，全國(guó)有多條GoA4等級(jí)城市軌道交通線路已經(jīng)規(guī)劃。

由于列車上將不再安排司機(jī)駕駛，一個(gè)不可回避的問(wèn)題也擺在運(yùn)營(yíng)公司的面前：在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障需要人員下軌作業(yè)、搶修時(shí)，如何能確保作業(yè)人員的人身安全？如何對(duì)無(wú)人駕駛的列車進(jìn)行有效的防護(hù)使其不能進(jìn)入作業(yè)區(qū)域？由于無(wú)人駕駛正處于發(fā)展時(shí)期，目前關(guān)于無(wú)人駕駛方面的研究主要集中在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)[3]、全自動(dòng)停車場(chǎng)[4]等方面。尚未對(duì)正線及自動(dòng)動(dòng)化停車場(chǎng)無(wú)人駕駛條件下現(xiàn)場(chǎng)工作人員安全防護(hù)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，以典型的線路配線、道岔設(shè)置為基礎(chǔ)，結(jié)合列車自動(dòng)防護(hù)（ATP，Automatic Train Protection）[1]原理，論述了軌旁人員作業(yè)防護(hù)開(kāi)關(guān)（SPKS，Staff Protection Key Switch ）的設(shè)置原則和防護(hù)原理，并給出了可工程化實(shí)施的解決方案。

1 SPKS功能介紹

1.1 SPKS使用場(chǎng)景

在全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵線路中，為了保證軌旁作業(yè)人員的人身安全，在信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提出了人員作業(yè)防護(hù)開(kāi)關(guān)（SPKS）的概念。

其功能是在軌旁設(shè)備故障需要下軌道進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由作業(yè)人員激活SPKS，在SPKS激活后，軌旁ATP在相應(yīng)的區(qū)域生成防護(hù)區(qū)，并將防護(hù)區(qū)信息傳送給車載ATP系統(tǒng)，使列車不能越過(guò)防護(hù)區(qū)，以阻止無(wú)人駕駛的列車進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，從而確保軌旁作業(yè)人員的安全。

1.2 實(shí)現(xiàn)原理

圖 1 為SPKS的信息傳遞過(guò)程，其實(shí)現(xiàn)原理如下：（1）將線路劃分為若干SPKS防護(hù)區(qū)域，軌旁對(duì)應(yīng)設(shè)置若干個(gè)SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)；

圖1 SPKS實(shí)現(xiàn)原理

（2）當(dāng)SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)操作后，由聯(lián)鎖采集SPKS繼電器；

（3） 聯(lián)鎖將SPKS激活狀態(tài)發(fā)送給軌旁ATP系統(tǒng)；

（4）軌旁ATP生成相應(yīng)的防護(hù)區(qū)域，如圖1軌道中紅色標(biāo)示，同時(shí)將列車的移動(dòng)授權(quán)設(shè)定在防護(hù)區(qū)域的末端并發(fā)送給車載ATP系統(tǒng)；

（5）車載ATP控制列車在防護(hù)區(qū)域末端停車。

2 工程應(yīng)用

在實(shí)際的工程應(yīng)用中需要考慮以下幾個(gè)因素：（1）SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)在軌旁的設(shè)置位置；

（2）SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)的設(shè)置數(shù)量與效率和安全的平衡；

（3）SPKS功能電路應(yīng)用考慮故障-安全原則；（4）SPKS的運(yùn)營(yíng)管理原則。

2.1 SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)在軌旁的設(shè)置位置

對(duì)于無(wú)人駕駛線路，一般同時(shí)配置有自動(dòng)化停車場(chǎng)，SPKS設(shè)置范圍包括正線車站和自動(dòng)化場(chǎng)段。

正線SPKS按聯(lián)鎖集中站進(jìn)行設(shè)置，由集中站統(tǒng)一管理?？梢栽O(shè)置在站臺(tái)端部鑰匙開(kāi)關(guān)箱或車控室的IBP(Integrated Backup Panel)盤上。從應(yīng)用方便性來(lái)看，建議設(shè)置在車控室IBP盤上。

設(shè)置在IBP盤上有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）方便操作，因維護(hù)人員下軌作業(yè)前需要在車控室申請(qǐng)，申請(qǐng)完成后可以在車控室里直接操作。

（2）方便確認(rèn)，在IBP盤上同時(shí)顯示有SPKS對(duì)應(yīng)的區(qū)域防護(hù)范圍圖。因此在IBP盤上可以完成操作和確認(rèn)的過(guò)程。

對(duì)于自動(dòng)化場(chǎng)段，SPKS的主要作用是防止自動(dòng)運(yùn)行列車對(duì)維護(hù)人員和列車登車人員造成傷害。正常情況下登車人員需要通過(guò)防護(hù)地道到達(dá)列車。若必須在列車經(jīng)路上通行時(shí)，需要將對(duì)應(yīng)的SPKS激活。因此，自動(dòng)化場(chǎng)段的SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)可以設(shè)置于場(chǎng)調(diào)室的IBP盤或軌旁。

在控制中心和車站的人機(jī)界面上應(yīng)清楚地顯示相關(guān)SPKS區(qū)域的激活狀態(tài)，以便下軌作業(yè)人員與調(diào)度確認(rèn)激活區(qū)域的一致性。

2.2 SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)設(shè)置數(shù)量

SPKS具體設(shè)置數(shù)量需要根據(jù)實(shí)際的線路情況合理設(shè)置，同時(shí)需要考慮效率和安全的平衡。不能由于少設(shè)了SPKS而對(duì)軌旁形成防護(hù)空白區(qū)；也不能由于某個(gè)SPKS激活后，對(duì)線路的其它部分運(yùn)營(yíng)形成較大的影響。

2.2.1 非集中站

對(duì)于非集中站，一般區(qū)間無(wú)道岔，如圖2所示，站臺(tái)B兩端為無(wú)岔區(qū)間。

圖2 SPKS配置（非集中站，無(wú)岔區(qū)間）

SPKS激活后，作業(yè)人員需要從對(duì)應(yīng)的站臺(tái)端門下軌，因此站臺(tái)B可以在站臺(tái)上下行兩端分別設(shè)1個(gè)SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)。

注：根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]26.3.1條規(guī)定，每側(cè)站臺(tái)門兩端宜各設(shè)一樘端門。

每個(gè)SPKS對(duì)應(yīng)的防護(hù)區(qū)域包括本站臺(tái)區(qū)域+相應(yīng)的區(qū)間。

考慮到運(yùn)營(yíng)效率，如SPKS2，設(shè)置后盡量不影響站臺(tái)C接車。因此SPKS2所產(chǎn)生的防護(hù)區(qū)域需要考慮站臺(tái)C接車所需OVERLAP的長(zhǎng)度。以讓列車可以進(jìn)站精確停車以方便上下客。

無(wú)接車需求的站臺(tái)，SPKS的防護(hù)范圍可以到站臺(tái)端點(diǎn)，如SPKS1 和 SPKS4的防護(hù)區(qū)域。

2.2.2 有岔集中站

對(duì)于有岔集中站，需要考慮岔區(qū)的覆蓋范圍，如圖3所示，站臺(tái)B一端包含有單渡線P1-P2。

圖3 SPKS配置（有岔集中站）

這種情況下，SPKS1 和 SPKS3的防護(hù)區(qū)域需要分別包含P1-P2的一部分，可以以P1-P2之間的計(jì)軸為界。

SPKS激活后，作業(yè)人員需要從對(duì)應(yīng)的站臺(tái)端門下軌，因此站臺(tái)B可以在站臺(tái)上下行兩端分別設(shè)1個(gè)SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)。

考慮運(yùn)營(yíng)效率，對(duì)于有折返需求的站臺(tái)，SPKS設(shè)置后，應(yīng)盡量不影響列車折返作業(yè)。如圖4所示。

圖4 SPKS配置（不影響列車折返）

如果作業(yè)范圍為下圖中SPKS防護(hù)區(qū)域，站臺(tái)A設(shè)置SPKS后，在確保安全的情況下，應(yīng)不影響列車在B站進(jìn)行折返作業(yè)，以最大程度減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。

對(duì)于正線存車線或折返線，可以根據(jù)該原則進(jìn)行合理的設(shè)置。

2.2.3 自動(dòng)化場(chǎng)段

對(duì)于自動(dòng)化場(chǎng)段，需要設(shè)置SPKS的區(qū)域包括：

（1）停車列檢庫(kù)；

（2）自動(dòng)洗車線；

（3）試車線；

（4）出、入庫(kù)線；

（5）自動(dòng)化牽出線。

對(duì)于停車列檢庫(kù)，從實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，不需要每個(gè)庫(kù)線設(shè)置1個(gè)SPKS，可以分組設(shè)置，如圖5所示，如每3個(gè)庫(kù)線為一組設(shè)置一個(gè)SPKS。

對(duì)于出、入庫(kù)線，可以分為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，如圖5中 SPKS4 和 SPKS5。這樣可以在SPKS4設(shè)置后，不影響SPKS5區(qū)域的出、入庫(kù)作業(yè)。

對(duì)于自動(dòng)洗車線、試車線、自動(dòng)化牽出線可以單獨(dú)設(shè)置SPKS。

圖5 SPKS配置（自動(dòng)化場(chǎng)段）

2.3 SPKS故障-安全電路設(shè)計(jì)

SPKS功能為安全功能，應(yīng)符合故障-安全原則。其功能安全完整性等級(jí)應(yīng)符合CENELEC標(biāo)準(zhǔn)[6-7]中所定義的等級(jí)，通過(guò)安全分析，該功能為SIL4（Safety Integrity Level）級(jí)。

SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)通過(guò)安全繼電器和聯(lián)鎖采集單元接口，實(shí)際接口設(shè)計(jì)應(yīng)做到：

（1）IBP盤上SPKS采用2位鑰匙開(kāi)關(guān)；

（2）采用安全型繼電器作為接口繼電器；

（3）接口繼電器常態(tài)為勵(lì)磁狀態(tài)；

（4）聯(lián)鎖采用雙斷采集或前后節(jié)點(diǎn)采集方式[8-9]。

2.4 SPKS運(yùn)營(yíng)管理原則

實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理中，應(yīng)制定嚴(yán)格的規(guī)程對(duì)SPKS鑰匙進(jìn)行管理。原則如下(參考《上海地鐵關(guān)于SPKS管理辦法》[10]）：

（1） 下軌作業(yè)時(shí)由作業(yè)人員自行激活鑰匙開(kāi)關(guān)；

（2）鑰匙由作業(yè)人員隨身攜帶；

（3）作業(yè)完成后由作業(yè)人員恢復(fù)鑰匙開(kāi)關(guān)；

（4）司機(jī)進(jìn)入?yún)^(qū)間或在自動(dòng)化場(chǎng)段登車的情況，可以由車控室工作人員激活后與司機(jī)確認(rèn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，工作人員防護(hù)是一個(gè)必要且安全相關(guān)的功能。軌旁SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)是全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)必須配備的一個(gè)設(shè)備。

本文從工程實(shí)際應(yīng)用的角度，從SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)在軌旁的設(shè)置位置、SPKS鑰匙開(kāi)關(guān)的設(shè)置數(shù)量與效率和安全的平衡、SPKS故障–安全原則及SPKS的運(yùn)營(yíng)管理原則方面對(duì)SPKS進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，并給出了設(shè)置方案。

給出的設(shè)置方案已經(jīng)在上海10號(hào)線無(wú)人駕駛工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用，目前已經(jīng)成為軌旁作業(yè)人員進(jìn)行安全防護(hù)的主要手段。

該方案可為后續(xù)全自動(dòng)運(yùn)行地鐵線路SPK設(shè)置提供參考。