面向全自動運行系統(tǒng)的ATP 自動過分相關(guān)鍵技術(shù)研究

李曉剛,呂文龍,賈慶東

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068;2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室,北京 100068;3.交控科技股份有限公司,北京 100070)

0 引言

統(tǒng)計顯示,截至2020 年5 月,中國大陸地區(qū)共有4座城市的10 條城市軌道交通運營線路采用全自動運行(fully automatic operation,FAO)系統(tǒng),運營線路里程達(dá)209.43 km;10 座城市的39 條城市軌道交通在建線路采用FAO 系統(tǒng),在建里程達(dá)1 278.08 km。 可以預(yù)見,中國大陸地區(qū)將有更多城市軌道交通新建線路及改造線路采用FAO 系統(tǒng)。 北京燕房線是國內(nèi)首條具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的、按照全自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、測試、部署的地鐵線路,已于2017 年年底開通運營。 2019 年9 月,設(shè)計速度達(dá)到160 km/h、具有市域快線特性的北京大興國際機(jī)場線開通運營。

大興機(jī)場線是全自動地鐵線路,采用高壓25 kV交流供電方式,在線路區(qū)間多個位置存在供電分區(qū)[1]。為提高線路運營效率、減少運營人員的工作量、提升全自動運行的智能化水平,需要具備實現(xiàn)全自動列車自動防護(hù)(automatic train protection,ATP)過分相功能。

1 傳統(tǒng)車輛過分相區(qū)方式分析

分相區(qū)指的是在交流牽引電氣化區(qū)段的兩個供電分區(qū)之間的接觸網(wǎng)無電區(qū)。 接觸網(wǎng)-受電弓-車輛-鋼軌形成一個完整的電流回路。 而相鄰的供電分區(qū)之間的電流方向是相反的,一個是A 相電,一個是B 相電。 如果機(jī)車車輛的受電弓同時跨接了兩個供電分區(qū),會造成兩相相間短路,從而導(dǎo)致變電所跳閘、機(jī)車變壓器擊穿甚至接觸網(wǎng)塌架等嚴(yán)重事故。 所以《鐵路機(jī)車操作規(guī)程》中規(guī)定,嚴(yán)禁在分相區(qū)雙弓運行,在分相區(qū)必須斷開主斷路器[2]。 雙弓過分相短路故障如圖1 所示。

圖1 雙弓過分相短路故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of double pantograph passing neutral zone short circuit fault

動車組多采用通過感應(yīng)地面磁鋼設(shè)備確定車輛與分相區(qū)的相對位置(地面磁鋼和車輛采集信號分別采用斜對稱埋設(shè)和備份接收,以保證自動過分相的安全和可靠)。 車輛根據(jù)其位置自動發(fā)出過分相信號,封鎖車輛牽引指令,斷開主斷路器;通過分相區(qū)后,自動閉合主斷路器/啟動牽引,從而實現(xiàn)車輛自動通過分相區(qū)[3]。 車輛自動過分相如圖2 所示。

圖2 車輛自動過分相示意圖Fig.2 Schematic diagram of vehicle automatic passing neutral zone

圖2 中:G1點為預(yù)告點位置,車輛接收到地面信號,進(jìn)入預(yù)告模式;控制牽引電流下降至零,斷開輔機(jī)系統(tǒng)和主斷路器。 G2點為強迫斷點位置,車輛接收到強迫斷信號。 若按預(yù)告模式處理完畢,接收到強迫斷信號失效;否則,進(jìn)入強迫斷模式,立即封鎖牽引電機(jī)電流,并分?jǐn)嘀鲾嗦菲鳌?G3為恢復(fù)點1,G4為恢復(fù)點2。 “恢復(fù)1”“恢復(fù)2”信號都可以使系統(tǒng)進(jìn)入恢復(fù)模式,發(fā)出“合主斷”指令,并控制輔機(jī)系統(tǒng)重啟和恢復(fù)牽引電機(jī)電流。

除此之外,動車組可通過裝備車載ATP 設(shè)備實現(xiàn)自動過分相。 國內(nèi)通常有以下3 種方式。

①ATP 控車并處于C2 等級時,通過接收地面應(yīng)答器中的分相區(qū)信息,輸出過分相禁止信號和過分相控制信號,以實現(xiàn)自動過分相。

②ATP 控車并處于C3 等級時,通過接收無限閉塞中心發(fā)送的分相區(qū)信息,輸出過分相禁止信號和過分相控制信號,以實現(xiàn)自動過分相。

③在ATP 切除狀態(tài)下,通過車輛上的感應(yīng)接收器接收地面磁鋼定位信號,確定動車組與分相點的相對位置,以實現(xiàn)自動過分相[4]。

綜上所述,動車組過分相時,在無信號系統(tǒng)參與情況下,車輛通過固定的磁鋼過分相。 在信號系統(tǒng)參與情況下,車載ATP 通過地面應(yīng)答器或無限閉塞中心信息實現(xiàn)自動過分相。 但是信號系統(tǒng)兩種過分相方式中,車輛與信號系統(tǒng)交互彼此狀態(tài)信息有限,各自獨立完成。 在發(fā)生信號系統(tǒng)未輸出過分相或無效輸出時,需要立刻人工介入,切換人工過分相維持運營[5]。 司機(jī)需要在每次過分相時,通過顯示屏實時關(guān)注信號系統(tǒng)的過分相情況,以便隨時介入。 另外,采用自動過分相裝置時,如果在切斷牽引時車輛速度較低,極有可能發(fā)生車輛惰行停在分相區(qū)無電區(qū)內(nèi)的情況。 若發(fā)生這種情況,則需由司機(jī)向控制中心匯報,由調(diào)度人員協(xié)助進(jìn)行分相區(qū)供電,倒切車輛受電弓,從而實現(xiàn)車輛再次啟動。 這種方式操作復(fù)雜、耗費人力且影響行車效率。而在全自動運行中,車輛通過分相區(qū)時,司機(jī)可能未在車輛或司機(jī)室內(nèi),如發(fā)生上述過分相失敗,會降低全自動運行的可靠性和可用性。

2 全自動運行系統(tǒng)自動過分相分析

在全自動運行系統(tǒng)條件下,車輛運行過程中可能無司機(jī)值守。 而分相區(qū)設(shè)置在區(qū)間,如發(fā)生停在分相區(qū)事件,會大大降低全自動系統(tǒng)的可用性。 相對于有司機(jī)值守運行車輛,全自動運行情況下的分相區(qū)救援時間更長、影響范圍更廣,使安撫故障車輛乘客的難度更大。

在車輛ATP 自動過分相基礎(chǔ)上,針對全自動運行系統(tǒng)需要進(jìn)一步優(yōu)化車輛自動過分相功能,實現(xiàn)車輛全自動運行過程中的分相區(qū)位置校正、分相區(qū)車輛入口速度控制,以及結(jié)合車輛移動授權(quán)控制,保證車輛自動通過分相區(qū),避免車輛帶電過分相區(qū)或在分相區(qū)停車的情況,從而提高全自動系統(tǒng)的可用性、減少因分相區(qū)失敗而救援的次數(shù)。

綜合考慮全自動系統(tǒng)特點及自動過分相區(qū)的功能,需要重點關(guān)注以下內(nèi)容。

①結(jié)合車輛性能參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲、線路和分相區(qū)參數(shù),確定用于分相區(qū)入口及出口位置的應(yīng)答器設(shè)置地點,進(jìn)行車輛接近及離開分相區(qū)的位置校正。

②通過一套計算方法,確保車輛惰行通過分相區(qū)的入口速度、出口速度,保證車輛自動通過分相區(qū),避免車輛停在分相區(qū)內(nèi)。

③根據(jù)確定的入口速度,計算允許的車輛啟動位置,確定分相區(qū)防護(hù)信號機(jī)的設(shè)置地點。

3 自動過分相的流程分析

分相區(qū)前,車載信號通過當(dāng)前位置、速度和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)等元素進(jìn)行判斷,向車輛發(fā)送過分相使能,使車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)確認(rèn)使用信號系統(tǒng)過分相功能;否則,網(wǎng)絡(luò)會忽略信號系統(tǒng)發(fā)送的指令,倒切為采用地面磁鋼過分相功能。 基于此,可實現(xiàn)無需司機(jī)參與,信號系統(tǒng)過分相功能和磁鋼過分相功能自動倒切的全自動系統(tǒng)過分相,使磁鋼過分相功能作為信號系統(tǒng)過分相的后備功能,提高整車過分相的可靠性和可用性。

信號系統(tǒng)自動過分相流程如下。

首先,車載ATP 通過地面應(yīng)答器確認(rèn)車輛位置,判斷即將到達(dá)分相區(qū),向車輛持續(xù)發(fā)送ATP 自動過分相使能信號。 僅當(dāng)車載ATP 設(shè)備判斷滿足以下所有條件時,方可向車輛發(fā)送“ATP 自動過分相使能信號”;否則,禁止向車輛發(fā)送該信號。 車載ATP 判斷發(fā)送使能信號的條件為:車輛當(dāng)前模式在點式、基于通信的列車控制(communication based train control,CBTC)系統(tǒng)或FAO 模式;車輛運行速度高于過分相最小入口速度;車載ATP 與車輛通信正常。

其次,車輛網(wǎng)絡(luò)[6]根據(jù)收到的ATP 自動過分相使能信號,向車載ATP 系統(tǒng)反饋其接收狀態(tài)。 車載ATP在判斷其過分相使能有效和車輛準(zhǔn)確接收到使能信號后,會向車輛發(fā)送ATP 自動過分相指令。 車輛網(wǎng)絡(luò)收到此信號后,開始降負(fù)載,斷開主斷路器,完成車輛過分相前準(zhǔn)備[7]。 注意:若車輛持續(xù)超過一定時間(一般為1 s,可配置)未反饋接收到過分相使能,則車載ATP 立即撤銷ATP 自動過分相使能信號且不會發(fā)送過分相指令。 后續(xù)由車輛網(wǎng)絡(luò)直接通過軌旁磁鋼自動過分相區(qū)。 最后,車載ATP 在過分相區(qū)過程中,會主動控制切除車輛牽引,維持車輛惰行,實現(xiàn)配合車輛通過分相區(qū)。 車載ATP 通過地面應(yīng)答器確認(rèn)車輛已經(jīng)離開分相區(qū)指示位置,車載ATP 立刻撤銷ATP 自動過分相使能信號及ATP 自動過分相指令,恢復(fù)正?？剀囕敵隼^續(xù)運營。

ATP 自動過分相流程如圖3 所示。

圖3 ATP 自動過分相流程圖Fig.3 Flowchart of ATP automatic passing neutral zone

4 自動過分相的關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 分相區(qū)位置校正

在正向和反向即將到達(dá)分相區(qū)入口處的適當(dāng)?shù)攸c,設(shè)置用于校正分相區(qū)位置的無源應(yīng)答器,使車載ATP 校正當(dāng)前位置。 應(yīng)答器位置應(yīng)考慮到車載ATP處理應(yīng)答器報文的延時、丟失應(yīng)答器的位置誤差、信號系統(tǒng)與車輛列車控制監(jiān)控系統(tǒng)(train control monitor system,TCMS)的通信延遲時間、車輛反饋時間以及車輛可能的運行速度等因素。 根據(jù)以上因素計算得出的距離值還需累加軌旁預(yù)告點G1的位置,從而實現(xiàn)信號系統(tǒng)過分相使能提前于磁鋼信息發(fā)給車輛網(wǎng)絡(luò)。

在正向和反向已經(jīng)離開分相區(qū)出口后的適當(dāng)?shù)攸c,設(shè)置用于校正分相區(qū)位置的無源應(yīng)答器,使車載ATP 確認(rèn)已離開分相區(qū)范圍。 出口處應(yīng)答器設(shè)置位置應(yīng)保證車尾已出清分相區(qū)。

4.2 分相區(qū)入口速度及出口速度控制

在正向和反向進(jìn)入分相區(qū)之前設(shè)置信號機(jī)。 此信號機(jī)與分相區(qū)之間的距離應(yīng)滿足車輛在該信號機(jī)前方停車再啟動后,車輛到達(dá)分相區(qū)起點時的車輛速度。該設(shè)計能夠保證離開分相區(qū)終點時,車輛仍能具備一定的運行速度,避免車輛分相區(qū)內(nèi)惰行至停車,造成分相區(qū)救援。

4.3 移動授權(quán)控制

為避免車輛過分相時停在無電區(qū)內(nèi),車載ATP 需將車輛移動授權(quán)與分相區(qū)位置匹配。 移動授權(quán)終點不得落在分相區(qū)內(nèi)。

在CBTC 級別計算移動授權(quán)時,應(yīng)保證分相區(qū)有車占用情況下,移動授權(quán)不允許越過分相區(qū)防護(hù)信號機(jī);僅前方車輛出清分相區(qū)且距離分相區(qū)末端距離大于一定值時(一般考慮一列車輛長度),方可將移動授權(quán)越過分相區(qū)。

后備級別下,按后備進(jìn)路模式進(jìn)行防護(hù),即進(jìn)路完全空閑時方可開放分相區(qū)防護(hù)信號機(jī)。

分相區(qū)車輛移動授權(quán)如圖4 所示。

圖4 分相區(qū)車輛移動授權(quán)示意圖Fig.4 Schematic diagram of vehicle movement authorization in neutral zone

4.4 信號系統(tǒng)軌旁設(shè)備配置

下面將對結(jié)合上述流程和關(guān)鍵點分析,對全自動運行系統(tǒng)車載ATP 自動過分相的軌旁設(shè)備布置原則進(jìn)行闡述。

ATP 自動過分相的雙向軌旁設(shè)備布置如圖5所示。

圖5 ATP 自動過分相的雙向軌旁設(shè)備布置示意圖Fig.5 Schematic layout diagram of two-way trackside equipment layout for ATP automatic passing neutral zone

分相區(qū)防護(hù)信號機(jī)及計軸:在正向和反向即將到達(dá)分相區(qū)起點處的S 信號機(jī)距離處,設(shè)置分相區(qū)防護(hù)信號機(jī)和計軸[8],保證車輛移動授權(quán)與分相區(qū)位置匹配,并滿足車輛自動過分相區(qū)的入口速度及出口速度要求。

分相區(qū)入口位置校正應(yīng)答器:在正向和反向即將到達(dá)分相區(qū)入口處的S 預(yù)告距離處,設(shè)置用于校正分相區(qū)位置的無源應(yīng)答器;由車載ATP 進(jìn)行位置校正,并根據(jù)位置發(fā)出ATP 自動過分相指令。

分相區(qū)出口位置校正應(yīng)答器:在正向和反向已經(jīng)離開分相區(qū)出口后的S 出口距離處,設(shè)置用于匯報分相區(qū)位置的無源應(yīng)答器;車載ATP 進(jìn)行位置校正,并根據(jù)位置發(fā)出撤銷自動過分相區(qū)指令。

通過上述全自動運行系統(tǒng)ATP 自動過分相的軌旁設(shè)備布置,結(jié)合ATP 系統(tǒng)流程和關(guān)鍵點設(shè)計,可實現(xiàn)ATP 控制車輛自動通過分相區(qū),以及ATP 控制無效時自動倒切磁鋼過分相功能。 該設(shè)計可避免車輛帶電過分相區(qū)或在分相區(qū)停車的情況。

5 自動過分相技術(shù)的應(yīng)用前景

全自動運行系統(tǒng)新增的過分相功能對既有信號設(shè)計原則提出了更多、更復(fù)雜的要求。 只有在系統(tǒng)功能開發(fā)與軌旁信號設(shè)備布置配合到位、思路一致的條件下,才能整體保證全自動運行系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 本文提出的全自動運行系統(tǒng)ATP 自動過分相解決方案,可有效提高帶分相區(qū)的全自動系統(tǒng)的可靠性和可用性,可推廣應(yīng)用于有分相區(qū)的全自動運行線路中。 需要特別說明的是,由于城市軌道交通不同線路車輛性能[9]及線路參數(shù)不盡相同,在實際應(yīng)用中需對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校核確認(rèn),并考慮一定裕量,從而得出適應(yīng)實際工程的全自動ATP自動過分相實施方案。

6 結(jié)語

本文研究了適用于具備分相區(qū)的城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)ATP 自動過分相的解決方案,并對ATP自動過分相的流程、關(guān)鍵點、配置原則等內(nèi)容進(jìn)行了闡述。 通過軌旁信號設(shè)備布置、車載ATP 系統(tǒng)功能和車輛網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式,實現(xiàn)在車輛運行過程中提前進(jìn)行分相區(qū)使能確認(rèn),并保證車輛到達(dá)分相區(qū)之前具備一定速度,從而實現(xiàn)車輛自動惰行通過分相區(qū),避免車輛帶電過分相區(qū)或在分相區(qū)停車的情況。 全自動運行系統(tǒng)ATP 自動過分相的應(yīng)用降低了司機(jī)和調(diào)度人員的工作強度,并提高了乘客舒適度,提升了全自動系統(tǒng)過分相區(qū)的可靠性和可用性。