智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石陽(yáng)陽(yáng)，劉光勇，吳金勇

（湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

0 引言

智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)（autonomous-rail rapid transit，ART）是一種新型的中低運(yùn)量城市交通制式，具備系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、成本低、運(yùn)營(yíng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、基礎(chǔ)建設(shè)周期短等特點(diǎn)，為緩解城市交通壓力提供了一種解決方案。近幾年，湖南株洲、江西永修、四川宜賓等城市先后建設(shè)了ART線路并投入運(yùn)營(yíng)[1]。

隨著ART的推廣，其線路場(chǎng)景越來(lái)越豐富，業(yè)主對(duì)ART運(yùn)營(yíng)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)其信號(hào)系統(tǒng)提出了一些定制化的需求，比如進(jìn)路防護(hù)、區(qū)段占用/空閑檢測(cè)、ART專用信號(hào)機(jī)的監(jiān)控、站臺(tái)發(fā)車指示、車門與站臺(tái)門對(duì)位隔離、庫(kù)內(nèi)泊位管理等功能。

既有的ART信號(hào)系統(tǒng)無(wú)法完全滿足智軌電車在單線雙向運(yùn)行區(qū)域、線路交匯處虛擬道岔區(qū)域內(nèi)避免撞車/追尾的進(jìn)路防護(hù)、進(jìn)站/離站檢測(cè)、庫(kù)內(nèi)泊位管理等功能需求[1]。為較好地滿足業(yè)主需求，本文提出了一種“地面防護(hù)+路口信號(hào)優(yōu)先”的解決方案，其可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）進(jìn)路防護(hù)。在可能存在行車沖突的區(qū)域，實(shí)施智軌電車進(jìn)路防護(hù)功能，通過(guò)檢查進(jìn)路沖突來(lái)保障智軌電車運(yùn)行安全，避免撞車/追尾事故發(fā)生。

（2）虛擬區(qū)段占用/空閑檢測(cè)。在關(guān)鍵區(qū)域，對(duì)智軌電車位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為進(jìn)路防護(hù)、調(diào)度管理等提供條件。

（3）ART專用信號(hào)機(jī)監(jiān)控。根據(jù)進(jìn)路條件控制ART專用信號(hào)機(jī)顯示，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)機(jī)狀態(tài)。

（4）站臺(tái)發(fā)車指示。智軌電車停站后，系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度計(jì)劃控制、顯示站臺(tái)發(fā)車倒計(jì)時(shí)，提示司機(jī)準(zhǔn)時(shí)發(fā)車。

（5）站臺(tái)門控制。系統(tǒng)通過(guò)與站臺(tái)門系統(tǒng)的接口進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)和對(duì)位隔離功能。

（6）庫(kù)內(nèi)泊位管理。系統(tǒng)通過(guò)智軌電車檢測(cè)設(shè)備判斷車輛段/停車場(chǎng)的停車位占用/空閑狀態(tài)，并反饋給調(diào)度管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)泊位管理。

（7）路口信號(hào)優(yōu)先。系統(tǒng)與市政道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)接口，共同實(shí)現(xiàn)智軌電車在交叉路口處的優(yōu)先通行。

本文基于ART地面防護(hù)與路口優(yōu)先系統(tǒng)提出了對(duì)既有ART信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化方案，分析描述ART地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了效果。

1 ART信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

既有的ART信號(hào)系統(tǒng)包括調(diào)度管理系統(tǒng)、路口信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)和車載信號(hào)系統(tǒng)。調(diào)度管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)智軌電車運(yùn)行監(jiān)視、信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行圖管理、運(yùn)營(yíng)調(diào)整和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。路口信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的智軌電車優(yōu)先命令，通過(guò)道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智軌電車在交叉路口處的優(yōu)先通行。車載信號(hào)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車輛測(cè)速及定位、輔助駕駛曲線計(jì)算、站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)、路口優(yōu)先申請(qǐng)/取消、車輛工況檢測(cè)、車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)等功能。

既有架構(gòu)要求在每個(gè)路口設(shè)置一臺(tái)路口信號(hào)優(yōu)先控制柜，其與市政道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)接口，共同實(shí)現(xiàn)智軌電車在路口處的優(yōu)先通行權(quán)[2-3]。

根據(jù)智軌市場(chǎng)需求，在ATR信號(hào)系統(tǒng)中增加地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)，并對(duì)既有的信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖1所示。圖中，白色圖框?yàn)榧扔行盘?hào)系統(tǒng)設(shè)備，綠色圖框?yàn)樾略龅孛娣雷o(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)設(shè)備，藍(lán)色圖框?yàn)樾盘?hào)系統(tǒng)之外的外部系統(tǒng)設(shè)備。

圖1 優(yōu)化后的信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Optimized structure of the signal system

從優(yōu)化后的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，在控制中心設(shè)置一套地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)控制器，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制功能；在每個(gè)站臺(tái)設(shè)置一套地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)執(zhí)行器，主要用于實(shí)現(xiàn)與路口優(yōu)先信號(hào)機(jī)、道路交通信號(hào)控制柜、進(jìn)路防護(hù)信號(hào)機(jī)、出站信號(hào)機(jī)、智軌電車檢測(cè)設(shè)備、站臺(tái)門系統(tǒng)的接口。

智軌電車在交叉路口位置的信號(hào)優(yōu)先功能由附近站臺(tái)區(qū)域的執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)即可，每個(gè)交叉路口處不單獨(dú)設(shè)置路口信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)。

以宜賓市智軌交通T1線為例，其主線全長(zhǎng)16.1 km，共設(shè)有車站14座，平均站間距約1.1 km，沿線有交叉口24個(gè)。既有方案需要設(shè)置24臺(tái)路口信號(hào)優(yōu)先控制器；優(yōu)化后的方案只需要設(shè)置“14臺(tái)執(zhí)行器+1臺(tái)控制器”，其既保留了路口信號(hào)優(yōu)先功能，又可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)路防護(hù)、區(qū)段占用/空閑檢測(cè)、智軌專用信號(hào)機(jī)監(jiān)控、站臺(tái)發(fā)車指示、車門與站臺(tái)門對(duì)位隔離等新功能，大大減少了設(shè)備數(shù)量，提高了資源利用率，同時(shí)降低了維護(hù)成本。

2 地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)功能

地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)主要具備進(jìn)路防護(hù)、虛擬區(qū)段占用/空閑檢測(cè)、智軌專用信號(hào)機(jī)監(jiān)控、站臺(tái)發(fā)車指示、站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制、庫(kù)內(nèi)泊位管理和路口優(yōu)先等功能。

2.1 進(jìn)路防護(hù)

系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)鎖邏輯在關(guān)鍵區(qū)域?yàn)檐囕v運(yùn)行建立進(jìn)路防護(hù)，以確保信號(hào)機(jī)、區(qū)段之間正確的聯(lián)鎖關(guān)系[4-5]。

為提高智軌電車在虛擬道岔區(qū)域處的行車安全性，在道岔區(qū)域前設(shè)置進(jìn)路防護(hù)信號(hào)機(jī)，僅允許不沖突的進(jìn)路防護(hù)信號(hào)機(jī)同時(shí)開(kāi)放，司機(jī)根據(jù)進(jìn)路防護(hù)信號(hào)機(jī)顯示行車，從而對(duì)虛擬道岔區(qū)域?qū)崿F(xiàn)進(jìn)路防護(hù)。

虛擬道岔區(qū)域示意如圖2所示，該虛擬道岔區(qū)域共存在8條進(jìn)路。針對(duì)每條進(jìn)路，分析可同時(shí)開(kāi)放的進(jìn)路和敵對(duì)進(jìn)路，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 虛擬道岔區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of the virtual turnout area

表1 虛擬道岔區(qū)域進(jìn)路表Tab.1 Route table of the virtual turnout area

系統(tǒng)支持線路上部分區(qū)域單線雙方向運(yùn)行，同一區(qū)間內(nèi)同一時(shí)間僅允許一列車通行，即當(dāng)其被電車占用時(shí)，控制對(duì)應(yīng)的防護(hù)信號(hào)機(jī)顯示為禁止信號(hào)，直到電車出清。通過(guò)進(jìn)路防護(hù)，避免同時(shí)授權(quán)多列車進(jìn)入該區(qū)間。單線雙向運(yùn)行區(qū)域示意如圖3所示。

圖3 單線雙向運(yùn)行區(qū)域示意圖Fig.3 Schematic diagram of the single-line two-way operation area

2.2 智軌電車檢測(cè)

在智軌電車上和線路旁安裝配套的車輛檢測(cè)設(shè)備，如信標(biāo)、超寬帶（ultra wide band，UWB）、環(huán)線等設(shè)備。當(dāng)車載檢測(cè)設(shè)備與地面配套檢測(cè)設(shè)備在可通信范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到車輛信息并判斷以下?tīng)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路上關(guān)鍵區(qū)域行車狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)和監(jiān)視：

（1）虛擬區(qū)段占用/空閑狀態(tài)，車輛檢測(cè)設(shè)備正常/故障狀態(tài)；

（2）智軌電車進(jìn)站/停站/離站狀態(tài)；

（3）智軌電車接近/進(jìn)入/離開(kāi)路口區(qū)域狀態(tài)；

（4）充電位占用/空閑狀態(tài)。

2.3 信號(hào)機(jī)監(jiān)控

在進(jìn)路防護(hù)區(qū)域，系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)路條件控制信號(hào)機(jī)顯示并實(shí)時(shí)采集信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息。

在平交路口區(qū)域，系統(tǒng)根據(jù)道路交通信號(hào)控制機(jī)（traffic signal controller，TSC）反饋的優(yōu)先信息控制信號(hào)機(jī)顯示并實(shí)時(shí)采集信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息。當(dāng)TSC故障或系統(tǒng)與TSC通信發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)控制信號(hào)機(jī)顯示禁止信號(hào)。

當(dāng)進(jìn)路防護(hù)信號(hào)機(jī)與路口優(yōu)先信號(hào)機(jī)合并設(shè)置時(shí)，在同時(shí)滿足進(jìn)路開(kāi)放條件、道路交通允許通行條件的前提下，系統(tǒng)才能控制該信號(hào)機(jī)開(kāi)放。

在站臺(tái)區(qū)域，系統(tǒng)根據(jù)虛擬區(qū)段狀態(tài)、站臺(tái)門狀態(tài)等信息控制出站信號(hào)機(jī)顯示并實(shí)時(shí)采集信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息。當(dāng)接近路口側(cè)的出站信號(hào)機(jī)與路口優(yōu)先信號(hào)機(jī)合并設(shè)置時(shí)，須滿足出站防護(hù)條件且道路交通允許通行時(shí)，系統(tǒng)才能控制該信號(hào)機(jī)開(kāi)放。

2.4 站臺(tái)門控制

系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)接口，以實(shí)現(xiàn)以下站臺(tái)門監(jiān)控功能[6]：

（1）支持車輛的控門命令。系統(tǒng)收到車輛的控門命令后，根據(jù)智軌電車檢測(cè)結(jié)果判斷車輛是否在站臺(tái)范圍內(nèi)。若在，則向站臺(tái)門發(fā)送控門命令并把來(lái)自站臺(tái)門系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送給車輛；若不在，則不發(fā)送。

（2）支持中心的控門命令。系統(tǒng)收到來(lái)自調(diào)度管理系統(tǒng)的控門命令后，向站臺(tái)門發(fā)送控門命令并把來(lái)自站臺(tái)門系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送給調(diào)度管理系統(tǒng)和車輛。

在智軌電車進(jìn)站停車開(kāi)關(guān)門時(shí)，為保證車門與站臺(tái)門開(kāi)閉的一致性，系統(tǒng)將來(lái)自車輛的車門故障信息發(fā)送給站臺(tái)門系統(tǒng)并將來(lái)自站臺(tái)門系統(tǒng)的站臺(tái)門故障信息發(fā)送給車輛。當(dāng)單個(gè)車門或站臺(tái)門異常時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的站臺(tái)門或車門應(yīng)保持為相同狀態(tài)，以保證上下車乘客的安全[7]。

2.5 路口優(yōu)先

系統(tǒng)檢測(cè)到智軌電車接近路口時(shí)，向道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)TSC發(fā)送優(yōu)先申請(qǐng)；檢測(cè)到智軌電車離開(kāi)路口時(shí)，向TSC發(fā)送結(jié)束優(yōu)先信息，與TSC一起實(shí)現(xiàn)智軌電車在路口處的優(yōu)先通行。確保ART專用信號(hào)機(jī)已與社會(huì)交通燈聯(lián)動(dòng)，社會(huì)交通燈未開(kāi)放通行時(shí)，對(duì)應(yīng)的ART專用信號(hào)機(jī)顯示為禁止信號(hào)[8]。

系統(tǒng)支持調(diào)度中心優(yōu)先控制，具備同時(shí)管理多個(gè)路口的電車優(yōu)先功能。系統(tǒng)優(yōu)先策略如下：

（1）對(duì)早晚點(diǎn)車輛設(shè)置優(yōu)先級(jí)，晚點(diǎn)車輛可以獲得較高的優(yōu)先級(jí)。

（2）同優(yōu)先級(jí)的請(qǐng)求按照“先到先得”的原則向TSC申請(qǐng)，即先到的車輛優(yōu)先通過(guò)。

（3）高優(yōu)先級(jí)的請(qǐng)求可以插到低優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求的前方。

（4）正在執(zhí)行的優(yōu)先請(qǐng)求不能被其他優(yōu)先請(qǐng)求打斷。

2.6 庫(kù)內(nèi)泊位管理

在車輛段/停車場(chǎng)泊位區(qū)域設(shè)置車輛檢測(cè)設(shè)備（例如信標(biāo)/UWB/環(huán)線設(shè)備等）。當(dāng)車載檢測(cè)設(shè)備與地面配套檢測(cè)設(shè)備在可通信范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)得到的車輛信息來(lái)判斷虛擬區(qū)段的占用/空閑狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)泊位狀態(tài)檢測(cè)。

系統(tǒng)將庫(kù)內(nèi)泊位狀態(tài)信息發(fā)送給中心調(diào)度管理系統(tǒng)，調(diào)度員根據(jù)泊位狀態(tài)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)泊位管理功能。

3 地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)特點(diǎn)

該地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)電車在單線雙向運(yùn)行區(qū)域、虛擬道岔區(qū)域的進(jìn)路防護(hù)，提高運(yùn)行安全性及運(yùn)行效率。

（2）利用虛擬區(qū)段對(duì)站臺(tái)、路口等關(guān)鍵區(qū)域行車進(jìn)行監(jiān)視，避免因基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）的智軌電車定位不準(zhǔn)而導(dǎo)致的站臺(tái)門錯(cuò)誤打開(kāi)、站臺(tái)乘客信息系統(tǒng)（passenger information system ，PIS）/乘客廣播系統(tǒng)（passenger address system，PA）錯(cuò)誤提示、過(guò)早/過(guò)晚申請(qǐng)優(yōu)先等問(wèn)題的發(fā)生。

（3）在滿足地面防護(hù)功能需求的基礎(chǔ)上融合了路口優(yōu)先功能，并且支持同時(shí)管理多個(gè)路口，優(yōu)化了地面設(shè)備配置，減少了硬件投資，降低了運(yùn)維成本。

（4）新增庫(kù)內(nèi)泊位狀態(tài)檢測(cè)及管理功能，為車輛段/停車場(chǎng)管理提供便利。

（5）核心控制單元的安全完整性滿足SIL2等級(jí)要求。

（6）系統(tǒng)既支持中心集中控制，也支持本地分散控制，可根據(jù)具體項(xiàng)目需求進(jìn)行靈活配置。

4 測(cè)試驗(yàn)證

該地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)已在吳江捷運(yùn)系統(tǒng)T1工程項(xiàng)目中布設(shè)。該項(xiàng)目線路全長(zhǎng)約5.1 km，設(shè)有5座車站（其中2座為預(yù)留車站）、1座停保場(chǎng)和1個(gè)控制中心。在停保場(chǎng)控制中心設(shè)置1臺(tái)地面防護(hù)控制器，以實(shí)現(xiàn)全線防護(hù)邏輯處理和管理等功能；在線路起點(diǎn)站（同里站）、線路中間（大廟路與崇本路交匯處）、線路終點(diǎn)站（同里古鎮(zhèn)站）、停保場(chǎng)各設(shè)置1臺(tái)地面防護(hù)執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)的現(xiàn)地接口功能及智軌電車在交叉路口處的信號(hào)優(yōu)先功能。部分線路平面布置示意如圖4所示。

圖4 部分線路平面布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of partial line layout

該項(xiàng)目現(xiàn)階段已完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)路防護(hù)、虛擬區(qū)段的占用/空閑檢測(cè)、通過(guò)控制ART專用信號(hào)機(jī)來(lái)給司機(jī)提供行車指示、智軌電車進(jìn)站/離站檢測(cè)、路口優(yōu)先、庫(kù)內(nèi)泊位狀態(tài)檢測(cè)及管理等功能。截至目前，此ART線路未發(fā)生過(guò)車輛碰撞、追尾等事故，相比不具備泊位管理的ART線路，地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了庫(kù)內(nèi)泊位利用率和管理效率，保障了運(yùn)行安全，提高了運(yùn)營(yíng)效率，滿足項(xiàng)目需求，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種ART“地面防護(hù)+路口信號(hào)優(yōu)先”的解決方案，優(yōu)化了既有信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)自動(dòng)化、智能化設(shè)備為智軌電車司機(jī)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的輔助行車信息，提供電車在單線雙向運(yùn)行區(qū)域、多條線路交匯區(qū)域的行車安全防護(hù)功能，能夠有效避免撞車、追尾等事故發(fā)生；提供站臺(tái)發(fā)車指示、站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制功能，能夠優(yōu)化站臺(tái)作業(yè)；提供庫(kù)內(nèi)泊位管理、路口優(yōu)先等功能，能夠提高作業(yè)效率。相比既有的基于調(diào)度計(jì)劃和司機(jī)目視行車避免沖突的方式，該方案能顯著降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高運(yùn)行安全性和運(yùn)營(yíng)效率，可為后續(xù)相關(guān)項(xiàng)目的建設(shè)提供參考，為將來(lái)ART線路成網(wǎng)運(yùn)營(yíng)、系統(tǒng)智能化發(fā)展提供條件。

隨著ART的逐步推廣，市場(chǎng)項(xiàng)目對(duì)ART信號(hào)系統(tǒng)的功能需求趨于多樣化和高度集成化[9-10]，后續(xù)將從以下幾個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，以提高運(yùn)行安全性和運(yùn)營(yíng)效率：

（1）車站PIS控制功能集成。系統(tǒng)集成車站PIS設(shè)備控制功能，包括PIS屏顯示控制、播放控制、時(shí)間顯示設(shè)置及同步設(shè)置等。

（2）車站PA控制功能集成。系統(tǒng)集成車站PA設(shè)備控制功能，包括廣播范圍控制、多音源支持、播放功能、接收功能、優(yōu)先級(jí)功能、預(yù)示音功能和廣播自動(dòng)退出功能等。

（3）車站機(jī)電設(shè)備管理。系統(tǒng)預(yù)留與車站視頻監(jiān)控、緊急呼叫、自動(dòng)售檢票、空調(diào)、照明、電扶梯、電源、消防等系統(tǒng)的通信接口，實(shí)時(shí)獲取所轄范圍內(nèi)的機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)并反饋給調(diào)度管理系統(tǒng)/綜合運(yùn)營(yíng)一體化平臺(tái)，并通過(guò)地面防護(hù)及路口優(yōu)先系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車站設(shè)備的聯(lián)動(dòng)監(jiān)視、管理及控制，為實(shí)現(xiàn)智慧車站打下基礎(chǔ)。