自動化車輛段內(nèi)的車輛段信號系統(tǒng)與試車線信號系統(tǒng)整合方案研究

趙 亮 王喜軍 郭佳怡

(1. 中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司， 300251， 天津；2. 武漢大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 430072， 武漢∥第一作者， 高級工程師)

為滿足場段內(nèi)列車自動運(yùn)行的要求，自動化車輛段越來越受到城市軌道交通業(yè)主的青睞。自動化車輛段的本質(zhì)是將正線信號系統(tǒng)引入車輛段，將車輛段作為一級集中站。車輛段內(nèi)列車運(yùn)行安全防護(hù)，也隨之由最初的提供固定限速人工駕駛模式發(fā)展為無人值守的全自動運(yùn)行(UTO)模式。在車輛段自動化區(qū)范圍內(nèi)，列車的喚醒、自檢、運(yùn)行防護(hù)、休眠等操作均由設(shè)備自動完成，無需人工參與。

目前，我國大部分城市軌道交通的場段信號系統(tǒng)僅配置了計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，列車進(jìn)路的安全由聯(lián)鎖設(shè)備和司機(jī)共同確保，車載ATP(列車自動防護(hù))僅提供固定限速。而在自動化車輛段內(nèi)，其信號系統(tǒng)配置了與正線標(biāo)準(zhǔn)一致的計算機(jī)聯(lián)鎖、ATP/ATO(列車自動運(yùn)行)系統(tǒng)、ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了車-地?zé)o線覆蓋。自動化車輛段采用與正線一致的計軸設(shè)備作為區(qū)段占壓檢測設(shè)備。

自動化車輛段一般均配有試車線，并在試車線設(shè)有信號設(shè)備室及控制室。試車線主要用于對車輛本身的機(jī)械性能和車載信號設(shè)備進(jìn)行測試、試驗(yàn)。車輛在維修保養(yǎng)后、上線運(yùn)營前，均需要利用試車線對車載信號設(shè)備進(jìn)行動態(tài)測試及試驗(yàn)。無論是車輛試車還是信號試車，都需通過試車線信號控制室值班員和車輛段信號控制室值班員辦理相應(yīng)的交接手續(xù)，以取得試車線的控制權(quán)。

自動化車輛段信號系統(tǒng)與試車線信號系統(tǒng)彼此獨(dú)立，因此試車線設(shè)備與車輛段聯(lián)鎖設(shè)備的接口設(shè)計方案較多，外部接口電路復(fù)雜，不利于日常的應(yīng)用和維護(hù)。基于此，本文對自動化車輛段中信號系統(tǒng)的整合方案進(jìn)行研究。

1 既有自動化車輛段中信號系統(tǒng)的主要功能及架構(gòu)

與常規(guī)的城市軌道交通車輛段相比，自動化車輛段基于全自動運(yùn)行系統(tǒng)，增加了休眠、喚醒、自動駕駛、車門管理、自動調(diào)整、自動發(fā)車、自動洗車、清客、遠(yuǎn)程控制等列車全自動控制功能。列車可在試車線實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行模式和人工駕駛模式的轉(zhuǎn)換。由于增加了ATS系統(tǒng)，自動化車輛段還可為試驗(yàn)列車分配目的地碼和指定運(yùn)行工況等列車在正線運(yùn)行時具備的功能。

自動化車輛段內(nèi)有兩套信號系統(tǒng)，一套用以控制車輛段內(nèi)除試車線外的自動化區(qū)域，另一套用以專門控制試車線。這兩套信號系統(tǒng)均為完整的ATC系統(tǒng)，相互獨(dú)立工作，通過繼電接口交接控制權(quán)限，其構(gòu)成如圖1所示。

注：SPKS——人員防護(hù)開關(guān)；PCB——站臺門開關(guān)控制按鈕；RRU——射頻拉遠(yuǎn)單元；AP——無線接入點(diǎn)；BBU——基帶處理單元。

試車線的功能定位為車輛試車和信號試車。信號試車是利用試車線有限的條件模擬列車運(yùn)行的各種工況，驗(yàn)證信號系統(tǒng)各種功能，檢驗(yàn)設(shè)備的性能指標(biāo)。但試車線信號系統(tǒng)不具備與站臺門、洗車機(jī)、車庫門的外部接口，也未安裝SPKS、PCB及緊急停車按鈕，故需外接模擬條件。系統(tǒng)外部模擬條件(站臺門、洗車機(jī)、車庫門)和系統(tǒng)內(nèi)部模擬條件(SPKS、緊急停車按鈕、PCB)均與試車線的聯(lián)鎖系統(tǒng)接口，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖對模擬條件的采集，以及控制指令的輸出。

2 自動化車輛段中信號系統(tǒng)主要功能及架構(gòu)的改進(jìn)方案

在車輛段、試車線信號系統(tǒng)的既有架構(gòu)基礎(chǔ)上，本研究對其ATC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化整合。改進(jìn)方案如下：在既有的車輛段聯(lián)鎖以及ATP、ATO系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大其控制范圍，擴(kuò)展試車線功能，完全將試車線納入自動化車輛段控制范圍。該方案下，車輛段ATS、ATP/ATO系統(tǒng)需增加試車線模塊，增加部分特殊模擬條件，以實(shí)現(xiàn)車輛段和試車線ATC系統(tǒng)的整合。改進(jìn)后的車輛段信號系統(tǒng)的ATC系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 自動化車輛段的ATC系統(tǒng)構(gòu)架(改進(jìn)方案)

改進(jìn)方案中，試車線信號ATC系統(tǒng)仍由ATP/ATO、聯(lián)鎖、ATS和DCS(通信子系統(tǒng))組成。ATP/ATO系統(tǒng)在正線、車輛段和試車線的軟件架構(gòu)均相同，并根據(jù)不同物理位置配置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。試車線ATP/ATO系統(tǒng)功能的集成度最高，將其與車輛段ATP/ATO系統(tǒng)整合，則要求改進(jìn)后自動化試車線的ATP/ATO系統(tǒng)為全功能系統(tǒng)，需要增加試車線模塊，并配置試車線虛擬車站、虛擬列車的在線功能。

由于試車線受土建條件和工程綜合成本的限制，無法設(shè)置真實(shí)車站，因此，為了模擬列車運(yùn)行，在試車線上設(shè)置了虛擬車站，以便更好地仿真正線列車之間的追蹤運(yùn)行。為此，聯(lián)鎖系統(tǒng)增加模擬輸入條件和輸出表示接口，主要用于采集包括SPKS、緊急停車按鈕、PCB的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，站臺門、車庫門開/關(guān)狀態(tài)，洗車機(jī)開/閉狀態(tài)、站臺門單門故障數(shù)據(jù)等信息，以及輸出站臺門、車庫門開/關(guān)命令、站臺門隔離命令等命令。在試車線還需增加必要的信號機(jī)計軸設(shè)備，以模擬正線車站的接/發(fā)車作業(yè)。ATS系統(tǒng)需要增加試車模塊，使其具有正線和場段ATS系統(tǒng)全功能，并按照虛擬車站配置數(shù)據(jù)。DCS根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)置架構(gòu)，構(gòu)成了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸體系。

3 改進(jìn)后試車線信號系統(tǒng)的ATC功能

經(jīng)改進(jìn)方案對各子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整后，試車線信號系統(tǒng)具備了完整的ATC功能。具體功能描述如下：

1) 列車的休眠/喚醒功能。列車信號車載設(shè)備基于車輛段ATS休眠/喚醒指令和司機(jī)本地控制列車兩種模式，在試車線特定范圍內(nèi)進(jìn)行列車的休眠/喚醒。在喚醒過程中，車載信號設(shè)備除完成自檢外，還需配合車輛設(shè)備完成必要的自檢和功能測試。休眠/喚醒成功后，車載信號系統(tǒng)將列車的休眠/喚醒狀態(tài)反饋給ATS。

2) 列車的全自動運(yùn)行功能。ATO在ATP的防護(hù)下，根據(jù)車輛段ATS指令生成試車線列車速度控制命令，實(shí)現(xiàn)對列車啟動、牽引、巡航、惰行和制動等的控制功能，并以較高的速度實(shí)現(xiàn)在試車線上的自動追蹤功能。車載ATO根據(jù)列車當(dāng)前的運(yùn)行速度、ATP限速、目標(biāo)點(diǎn)位置(包括虛擬車站和虛擬列車)等信息，向列車發(fā)送控制命令，控制列車施加牽引力或制動力，在ATP的防護(hù)下實(shí)現(xiàn)列車的全自動運(yùn)行，以及速度的自動調(diào)整。在ATP的防護(hù)下，ATO根據(jù)ATS的指令全過程控制列車在試車線上的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)列車在虛擬車站自動停車、自動啟動及自動折返等自動化運(yùn)行功能。

3) 列車車門管理功能。在試車線虛擬站臺范圍內(nèi)，在車載ATP給出門允許條件并判斷列車停準(zhǔn)后，車載ATO向ATP發(fā)送開門指令，通過聯(lián)鎖系統(tǒng)輸出模擬開門顯示。在進(jìn)行全自動運(yùn)行試驗(yàn)的過程中， ATO自動控制列車關(guān)門，若車門因故未關(guān)閉，則ATO可執(zhí)行人工遠(yuǎn)程關(guān)門命令或站臺關(guān)門按鈕的關(guān)門命令，再次發(fā)出關(guān)門指令。此外，ATO還具備車門/站臺門故障隔離的功能。當(dāng)列車車門或車站站臺門發(fā)生故障需要隔離時，車載設(shè)備、站臺門、車輛間將傳遞故障信息，在列車進(jìn)站(虛擬車站)停穩(wěn)后，ATO將自動打開車門，并輸出模擬打開站臺門顯示。

4) 列車進(jìn)站停準(zhǔn)功能。在試車線虛擬車站范圍內(nèi)，ATO具有列車進(jìn)站停準(zhǔn)的自動調(diào)整功能。在試驗(yàn)全自動運(yùn)行模式時，列車進(jìn)站停車時如停車誤差超出精度范圍，則列車車門和虛擬站臺門不能打開。

5) 自動發(fā)車功能。ATO根據(jù)ATS發(fā)送的停站(虛擬車站)時間控制列車，當(dāng)列車停站接近發(fā)車時間時，ATO系統(tǒng)給出關(guān)門信號。一旦獲得列車車門和站臺門的關(guān)閉信號，ATO系統(tǒng)將自動或人工啟動列車運(yùn)行。ATO可根據(jù)ATS指令調(diào)整列車的停站時間。列車喚醒成功后，在FAM(全自動運(yùn)行模式)條件具備時，ATO自動控制列車啟動。在FAM下，ATO檢查確認(rèn)列車具備發(fā)車條件后，可自動啟動列車在車站的發(fā)車功能。

6) 自動洗車功能。ATO控制下在試車線利用虛擬車站進(jìn)行的模擬洗車作業(yè)可采用全自動方式。系統(tǒng)外部條件模擬模塊通過模擬條件向聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送洗車機(jī)狀態(tài)。在接收到聯(lián)鎖發(fā)來的洗車請求確認(rèn)信息后， ATO向全自動運(yùn)行列車發(fā)送洗車模式及牽引命令。列車收到命令后，將運(yùn)行速度控制在3 km/h以內(nèi)。在模擬洗車過程中，ATO控制列車定點(diǎn)停車及折返換端。收到模擬洗車機(jī)的移動指令后，ATO將控制列車運(yùn)行至出清洗車庫(虛擬車站)停車點(diǎn)。待列車停穩(wěn)后退出洗車模式，列車根據(jù)移動授權(quán)自動運(yùn)行回庫(另一個虛擬車站)。

7) 清客功能。車載ATO根據(jù)電子地圖在終到站(虛擬車站)停車后，向車輛TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))發(fā)送清客指令。在清客結(jié)束前，車載信號設(shè)備保持車門打開。試車人員進(jìn)行人工清客確認(rèn)后，此時可通過試車人員按壓模擬站臺關(guān)門按鈕關(guān)閉現(xiàn)場列車車門和站臺門，也可由ATO發(fā)送清客確認(rèn)指令，遠(yuǎn)程關(guān)閉列車車門和站臺門。

8) 遠(yuǎn)程控制功能。ATS具備的遠(yuǎn)程控制功能主要包括：① 對試車線上特定列車下發(fā)立即停車命令的功能。當(dāng)緊急制動緩解條件具備時，試車人員可遠(yuǎn)程對列車緊急制動進(jìn)行緩解。② 對列車車門的遠(yuǎn)程控制功能，用于實(shí)現(xiàn)車門的遠(yuǎn)程人工開閉控制。③ 針對線路區(qū)域和列車，設(shè)置允許/禁止FAM運(yùn)行授權(quán)的功能。④ 具備預(yù)設(shè)列車空調(diào)/電熱參數(shù)、臨時設(shè)置單車空調(diào)/電熱參數(shù)功能。⑤ 可采用人工方式向故障列車發(fā)送遠(yuǎn)程故障復(fù)位或旁路指令。⑥ 具備遠(yuǎn)程打開或關(guān)閉全線全自動駕駛列車客室的照明功能。

4 結(jié)語

本文對自動化車輛段內(nèi)的車輛段信號系統(tǒng)和試車線信號系統(tǒng)提出了整合改進(jìn)方案。該改進(jìn)方案與既有方案比較，可節(jié)省一套試車線ZC(區(qū)域控制器)、ATS、聯(lián)鎖及相關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)備，試車線用房中信號系統(tǒng)所需的房間也可節(jié)省，且減少了信號系統(tǒng)自身與附屬工程(風(fēng)水電)的投資。

基于改進(jìn)方案，可將試車線調(diào)度和車輛段調(diào)度/值班員崗位進(jìn)行合并，一來可以達(dá)到減員增效的目的，二來取消了車輛段調(diào)度和試車線調(diào)度間的工作交接，也可盡量避免產(chǎn)生人為失誤。此外，該改進(jìn)方案將試車線的室外設(shè)備納入到車輛段信號系統(tǒng)中，取消原車輛段聯(lián)鎖與試車線聯(lián)鎖的接口電路，轉(zhuǎn)為采用設(shè)備內(nèi)部邏輯控制，既降低了設(shè)備故障發(fā)生率，又可減輕設(shè)備的維修工作量。