中低速磁浮軌道交通信號系統(tǒng)方案選擇芻議

周曉明、宗斌、朱亨國、許錦濤

（1、2 湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司 1 教授級高級工程師 2 工程師 長沙 湖南 410000）（3、4 株洲中車時代電氣股份有限公司 3 高級工程師 4 工程師 株洲 湖南 412000）

中低速磁浮軌道交通作為一種新興的軌道交通方式，由于相對傳統(tǒng)軌道交通具有獨特的優(yōu)勢，已被納入公共交通運輸體系之中。長沙磁浮快線工程作為國內(nèi)首條具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮軌道交通系統(tǒng)，成功投入運營以來，得到社會的持續(xù)關(guān)注。為更好地服務(wù)中低速磁浮軌道交通建設(shè)，本文就中低速磁浮軌道交通信號系統(tǒng)方案的選擇做一初步的探討。

1 總體需求特點

與高速鐵路解決城市之間的快速運輸需求、地鐵輕軌解決城市內(nèi)部居民日常出行需求相對應(yīng)，中低速磁浮軌道交通一般被作為一種中運量的城市軌道交通或市域軌道交通的交通方式。

城市軌道交通和市域軌道交通在系統(tǒng)運能、敷設(shè)形式、運營組織等方面都存在不同，最主要的差異體現(xiàn)在車輛旅行速度和車站間距上。城市軌道交通服務(wù)于市區(qū)內(nèi)部中長距離出行，車站間距相對較小，旅行速度一般小于40 km/h；而市域軌道交通由于服務(wù)于城市邊緣地區(qū)與城市組團、郊區(qū)之間，為城鄉(xiāng)居民提供通勤式交通服務(wù)，一般線路較長，因此車站間距較長，旅行速度較高，一般大于50 km/h。

表1是關(guān)于城市軌道交通與市域軌道交通的有關(guān)情況對比統(tǒng)計。

表1 城市軌道交通與市域軌道交通對比統(tǒng)計

中低速磁浮軌道交通的工程特點主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）環(huán)保舒適：運行平穩(wěn)、舒適、噪音低。線路兩側(cè)10 m 以外的峰值噪聲為64 dB，低于常規(guī)地鐵A、B型車的80～85 dB。

2）線路自由度大：采用非粘著驅(qū)動方式，不受粘著系數(shù)限制，擺脫車輪與鋼軌摩擦力制約，爬坡能力強，線路坡度≤70‰，高于常規(guī)地鐵A、B 型車的30‰；采用直線電機直接驅(qū)動方式，轉(zhuǎn)彎半徑小，最小曲線半徑R=50m，小于常規(guī)地鐵A、B 型車的R=300 m。

3）安全系數(shù)高：采用“F”軌，列車抱軌運行，無脫軌危險；制動采用三層制動：電制動、機械制動、緊急情況落車制動。

4）中運量：車長12～15 m，寬2.6～3.0 m，定員100～150 人，3 輛編組列車載客量可達450 人左右，最高運行速度為100 Km/h～160 km/h，運輸能力為1.0～3.0萬人次/h。

4）線路形式多采用地面和高架形式。

鑒于上述城市軌道交通與市域軌道交通的運營需求和中低速磁浮的工程特點，日本在2005年建成名古屋市區(qū)通向愛知世博會的磁懸浮線路，全長約9 km，最高時速100 km。韓國于2013年建成仁川機場磁懸浮線，全長6.1 km，最高時速80 km。我國也在2016年5月6日開通運營了長沙高鐵站至長沙機場站的首條具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的常導中低速磁浮快線，全長18.55 km，最高時速100 km。2017 年12 月30 日，連接北京城區(qū)和門頭溝區(qū)的北京S1 磁浮線（石廠站——金安橋站區(qū)間）正式開通試運營，里程約8.9 km，設(shè)計最高時速100 km。

由此可見，中低速磁浮軌道交通可用于城市軌道交通線路，或者市域軌道交通線路，也可以用作城市與市域相結(jié)合的混合型線路。

2 中低速磁浮軌道交通信號系統(tǒng)說明

針對城市軌道交通和市域軌道交通的工程特點和運營需求，信號系統(tǒng)需從結(jié)構(gòu)方案等方面給予響應(yīng)。

一般說來，磁浮信號系統(tǒng)的功能與普通輪軌交通類似。為簡化問題，本文先就滿足常規(guī)信號系統(tǒng)功能（具備常規(guī)的自動調(diào)度，自動駕駛，自動安全防護等功能）的GoA2 自動化等級的信號系統(tǒng)進行分析。

GoA2 自動化等級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)輪軌交通基本一致，均由列車自動監(jiān)督系統(tǒng)ATS、列車自動駕駛系統(tǒng)ATO、列車自動防護系統(tǒng)ATP、計算機聯(lián)鎖CI等子系統(tǒng)構(gòu)成。如下圖所示：

圖1 GoA2自動化等級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到磁浮車輛是懸浮在軌道上的，與傳統(tǒng)的輪軌關(guān)系有所不同，所以磁浮的信號系統(tǒng)也與傳統(tǒng)輪軌交通信號系統(tǒng)存在一定的差別，具體表現(xiàn)在測速測距以及定位、軌道占用檢測、以及相關(guān)的道岔控制系統(tǒng)、車輛牽引制動系統(tǒng)等。表2 為傳統(tǒng)輪軌軌道交通與中低速磁浮軌道交通對比情況。

表1 傳統(tǒng)輪軌軌道交通與中低速磁浮軌道交通對比

由于磁浮軌道交通與傳統(tǒng)輪軌的差異，使用軌道電路的信號系統(tǒng)不能直接使用，無法兼容既有干線鐵路信號系統(tǒng)。

3 磁浮常見信號方案介紹

雖然在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在一些差異，但是中低速磁浮信號的信號方案和閉塞原理與普通輪軌交通信號系統(tǒng)并無明顯的不同。

從ATP 控制方式來分，中低速磁浮主流信號系統(tǒng)主要分為點式控制和基于無線通信的連續(xù)式控制，前者主要采用固定閉塞或者準移動閉塞，后者通常采用移動閉塞輔以后備的固定閉塞?？紤]到實際工程的特點，也有采取以點式控制為主，在站臺及道岔等區(qū)域提供無線覆蓋和相應(yīng)防護的點連式控制方式。下文逐一介紹點式控制方式、點連式控制方式及CBTC控制方式方案。

3.1 點式控制方式 點式控制方式是通過可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器向列車發(fā)送移動授權(quán)報文的方式建立地-車單向通信，實現(xiàn)點式列車控制。點式控制方式又可細分為：填充應(yīng)答器方式，ETCS1 級及其類似方式。

3.1.1 點式（填充應(yīng)答器方式）控制 是指根據(jù)軌旁物理占用檢測設(shè)備和信號機狀態(tài)，通過信號機前方有源應(yīng)答器向車載ATP 發(fā)送移動授權(quán)，該移動授權(quán)覆蓋下一個閉塞分區(qū)范圍，為避免列車降速，同時最大限度地縮小追蹤間隔，在信號機的主應(yīng)答器前相應(yīng)位置增加填充應(yīng)答器，提前預(yù)告前方狀態(tài)。列車經(jīng)過可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器，根據(jù)當前信號機顯示（進路設(shè)定），它將得到一個移動授權(quán)。根據(jù)線路數(shù)據(jù)庫信息（坡度，靜態(tài)速度曲線），列車完全地監(jiān)督它接收到的移動授權(quán)。通過在制動距離前布置填充應(yīng)答器，列車可獲得前方信號機顯示的預(yù)告，避免減速。如果信號機顯示“前進”，則列車獲得一個直到下一個信號機的移動授權(quán)。列車司機將會駕駛列車前行，并按照ATP 推薦速度曲線的指示在信號機前停車。如果信號機顯示狀態(tài)變?yōu)椤扒斑M”，則列車可以通過下一個可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器獲得新的移動授權(quán)。

聯(lián)鎖系統(tǒng)將信號機的顯示以報文形式通過LEU發(fā)送到可變應(yīng)答器。表3為點式控制方式下應(yīng)答器傳輸信息情況。

表3 點式控制方式下應(yīng)答器傳輸信息

該方案的優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單，在點式情況下可以最大限度地發(fā)揮追蹤能力，地鐵后備系統(tǒng)大多采用此種方案。缺點是，較為適合80 Km/h 以下的城市軌道交通，對于速度等級較高的市域鐵路，需要調(diào)整填充應(yīng)答器位置和調(diào)整區(qū)段長度。

3.1.2 ETCS1級及其類似方式

1）ETCS1級點式控制方式

主要采用計軸設(shè)備來實現(xiàn)軌道區(qū)段占用、檢測功能。

列車按照點式方式行車，通過有源應(yīng)答器向列車發(fā)送移動授權(quán)，實現(xiàn)點式ATP 系統(tǒng)的超速防護。表4為ETCS1級點式控制下應(yīng)答器傳輸信息情況。

表4 ETCS1級點式控制下應(yīng)答器傳輸信息

ETCS1級方案可以較好地適應(yīng)較高速度列車的運行，方案成熟完整，有較多的應(yīng)用案例（如京津線，溫州S1 線），同樣可以較好地滿足追蹤能力的需求。此外一個突出的優(yōu)點是車載不需要存儲線路數(shù)據(jù)，這使得新車的投入運行或者列車跨線延伸運行變得簡單，因此只需要將地面設(shè)置完成即可，列車整備的工作較少或者沒有。缺點是，方案較為復(fù)雜，應(yīng)答器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多，布置的應(yīng)答器的數(shù)量也較多。

2）ETCS1級點式控制類似方式

作為折中，一種ETCS1 級方案的變形也是可以考慮的，即可變應(yīng)答器僅傳輸應(yīng)答器ID和前方區(qū)間空閑數(shù)以及行進路徑，車載設(shè)備存放線路數(shù)據(jù)信息。此種方案兼顧了填充應(yīng)答器方式的簡單和ETCS1級的速度適應(yīng)性，但是方案尚未有較多實踐，需要在進一步在實踐中驗證成熟。

當前長沙磁浮區(qū)間采用點式填充應(yīng)答器方式，最高時速可達100 km/h。若同樣采用點式填充應(yīng)答器方式，而最高時速要升至160 km/h，則需要信號在以下幾個方面進行改進：

1）ATS 方面。為滿足160 km/h 制動距離，根據(jù)制動距離要求和運營要求（如滿足進站、出站需求），可將多條進路組合成進路組，進行捆綁觸發(fā)；考慮列車的追蹤運行，進路組中進路按照由近及遠的順序進行觸發(fā)；進路組觸發(fā)區(qū)段的設(shè)置，需按照聯(lián)鎖調(diào)整后的接近區(qū)段配置；

2）可變應(yīng)答器方面。除現(xiàn)有信號燈信息和臨時限速之外，增加一個預(yù)告前方已排好進路空閑區(qū)間數(shù)以及前方進路號（表明進路方向）信息，視速度等級，最多可增加4～5個空閑區(qū)間。

3）聯(lián)鎖方面。為滿足提速要求和高低速列車追蹤運行，通過增加信號機顯示來實現(xiàn)不同速度授權(quán)的控制（如鐵路中LLUUH四顯示自動閉塞），對應(yīng)的可變應(yīng)答器填充應(yīng)答器根據(jù)不同的信號機顯示實時變更速度碼，滿足低速追蹤、高速通過靈活的運營需求；提速后制動距離將延長，對應(yīng)信號機的接近區(qū)段、總?cè)私庋訒r時間需延長；由于速度提升，延時長度會比較大，為避免對運營轉(zhuǎn)線的影響，建議在有轉(zhuǎn)線道岔處設(shè)置通信環(huán)境，在有通信的情況下，車載可發(fā)送停車保證信息給聯(lián)鎖，實現(xiàn)及時解鎖。

4）車載ATP 方面。增加對空閑數(shù)和進路號的判斷能力，根據(jù)這兩個信息在車載數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)的線路信息，并結(jié)合信號燈信息，還原成完整的移動授權(quán)。

3.1.3 結(jié)論 點式控制方式由于系統(tǒng)架構(gòu)簡單，區(qū)間設(shè)備少，后期維護小，工程造價低，適用于市域軌道交通初、近期中運量運營需求，性價比較高。遠期客流上升，也可擴容升級至CBTC。

可以預(yù)計，隨著無線通信技術(shù)的更趨成熟和成本的降低，無線以及相應(yīng)的移動閉塞技術(shù)不再是一個難點。而無線技術(shù)所帶來的高速通信的優(yōu)勢將能夠很好地支撐無人駕駛等先進功能的應(yīng)用。提供點式功能僅作為后備，以提升系統(tǒng)的可用性。

此外，隨著技術(shù)進步，將來要更新ZC 數(shù)據(jù)和車載數(shù)據(jù)會越來越容易，而要更新應(yīng)答器數(shù)據(jù)會相對比較困難。因此應(yīng)答器中應(yīng)主要考慮ID信息，可變應(yīng)答器除ID 信息，僅考慮少量可變信息即可，線路長度坡度等信息不宜放到應(yīng)答器中。

3.2 點連式控制方式 點連式控制方式是在正線局部區(qū)域（站臺、道岔防護信號機防護外側(cè)），通過專用雙冗余的無線通道，實現(xiàn)車-地之間的雙向無線通信。點連式控制在上述點式控制方式的基礎(chǔ)上，在站臺和道岔區(qū)域區(qū)域增加配置有無線覆蓋，從而實現(xiàn)道岔防護，站臺門防護，站臺門車門聯(lián)動功能，可以較好地彌補點式控制方式在安全防護和自動駕駛功能方面的不足。

目前這種方式因其較好的性能，適中的成本，已經(jīng)在溫州S1線和長沙磁浮快線得到應(yīng)用。

3.3 CBTC控制方式 CBTC控制方式是基于無線通信的一個列車自動控制系統(tǒng)，具有高分辨的列車位置確定方式，連續(xù)的、大容量的車-地雙向數(shù)據(jù)通信。CBTC 控制方式能提供全線路無線覆蓋，可實現(xiàn)車地持續(xù)的雙向高速數(shù)據(jù)傳輸，使得信號系統(tǒng)的控制能力得到極大的提升，被稱為目前城市軌道交通的主流控制方式。

目前國內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通線路信號系統(tǒng)都可以實現(xiàn)基于移動閉塞的90 s 追蹤間隔，和達到GoA2 等級的自動化駕駛，為滿足城市軌道交通大運量高密度、起停頻繁的列車運行提供良好的支持。

同時隨著技術(shù)的進步，達到GoA3 等級或者GoA4 等級的全自動駕駛技術(shù)日益成為軌道交通趨勢，信號跟蹤和監(jiān)控等系統(tǒng)將會高度集成，而CBTC控制方式正是全自動駕駛方案的一個重要支撐。

城市軌道交通CBTC 信號系統(tǒng)，之前主要采用WIFI 無線通信技術(shù)，為進一步提高技術(shù)性能（抗干擾能力、傳輸速度、支持較高速度等級的列車、支持綜合承載等），依照中城協(xié)有關(guān)的標準，近年來已快速轉(zhuǎn)向LTE-M無線通信技術(shù)。

之前因為WIFI 在列車運行時越區(qū)切換過于頻繁，不能較好適應(yīng)。在速度等級較高的市域軌道交通中，無法沿用。而可以滿足較高速度等級的LTEM 無線通信技術(shù)的出現(xiàn)打破了這一困境，使得在市域交通中使用CBTC控制方式成為可能。LTE-M的出現(xiàn)使得CBTC控制方式可以同時滿足城市軌道交通和市域軌道交通的需求，從而也使得全自動駕駛技術(shù)可以在城市和市域軌道交通中得以較好的實現(xiàn)。

CBTC 控制方式因其優(yōu)越的控制性能和可升級到全自動駕駛，在城市軌道交通已成為主流的控制方式，而在市域軌道交通中也日益成為主要的發(fā)展方向。在成本允許的情況下，是中低速磁浮軌道交通的首選方案。

此種方式的缺點是，設(shè)備建設(shè)成本相對點式、點連式均較高。

出于進一步提高可用性的考慮，CBTC 控制方式通常會帶有后備的點式控制方式，具體后備。

4 結(jié)束語

中低速磁浮主要用于城郊結(jié)合部的城市軌道交通和市域軌道交通，其信號系統(tǒng)可根據(jù)情況選擇采用CBTC（LTE-M）或者點連式的信號系統(tǒng)方案。僅從性能考慮，CBTC 控制方式可作為主要的發(fā)展方向；同時其后備方式宜采用ETCS1 級或其類似方案，以兼顧城市軌道交通和市域軌道交通的需求。預(yù)計隨著更加深入的研發(fā)和工程實踐，通過對有關(guān)信號系統(tǒng)方案的深化應(yīng)用，將會進一步完善和細化有關(guān)技術(shù)細節(jié)，使磁浮信號系統(tǒng)能夠更好地為磁浮運輸服務(wù)。