張 滔

(廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部,510380,廣州∥工程師)

廣州市軌道交通3號(hào)線采用的列車自動(dòng)控制(ATC)系統(tǒng)是基于以車地連續(xù)通信為基礎(chǔ)的Sel Trac S40移動(dòng)閉塞系統(tǒng),它主要通過感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)來提供列車與地面間的通信。

該系統(tǒng)主要包含了如下幾個(gè)子系統(tǒng):系統(tǒng)管理中心(SMC)、車輛控制中心(VCC)、車站控制器(STC)、車載控制器(VOBC)。其中,VCC位于運(yùn)營(yíng)控制中心(OCC),主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的安全運(yùn)行,特別是對(duì)列車運(yùn)行和道岔轉(zhuǎn)動(dòng)的安全負(fù)責(zé)。VCC同時(shí)還對(duì)車載ATC設(shè)備(VOBC)和軌旁設(shè)備(STC)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)中央列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)、列車自動(dòng)運(yùn)行(ATO)和聯(lián)鎖功能。

1 系統(tǒng)環(huán)境結(jié)構(gòu)

作為ATP/聯(lián)鎖/ATO中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng),VCC采用三取二結(jié)構(gòu),以確保不中斷列車正常運(yùn)行。廣州市地鐵3號(hào)線采用2套VCC,2個(gè)相鄰VCC之間的通信通道采用雙套熱備冗余。系統(tǒng)環(huán)境結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)環(huán)境結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)主要安全功能

ATP系統(tǒng)包含了ATC系統(tǒng)中負(fù)責(zé)安全列車運(yùn)行的安全性功能。在本ATC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,ATP功能是集成的列車控制系統(tǒng)的一部分。ATP功能通過VCC、VOBC以及STC來實(shí)施。其主要的安全功能有以下幾點(diǎn)。

2.1 列車移動(dòng)授權(quán)控制

ATC系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)列車目的地的屬性(目的地、進(jìn)路號(hào)和方向)來安全地移動(dòng)列車。目的地是指期望的列車位置。當(dāng)列車到達(dá)目的地并停車時(shí),列車將不能被進(jìn)一步前進(jìn),直到目的地被再次改變。目的地可以是軌道區(qū)段和車站。進(jìn)路號(hào)指定了進(jìn)路沿線每個(gè)道岔的位置及運(yùn)行方向。對(duì)于列車進(jìn)路所需的每個(gè)列車道岔,如果位置不對(duì),將通過命令使其轉(zhuǎn)到需要的位置。列車將以指令的運(yùn)行方向移動(dòng)到目的地。

VCC根據(jù)障礙物情況試圖前移目標(biāo)點(diǎn)。一旦確定了安全目標(biāo)點(diǎn),就向VOBC發(fā)出目標(biāo)點(diǎn)、最大速度及在目標(biāo)點(diǎn)的目標(biāo)速度的指令。

VOBC將VCC命令轉(zhuǎn)換為由速度自動(dòng)控制運(yùn)算法則決定的牽引或制動(dòng)命令,并由速度和距離監(jiān)督系統(tǒng)監(jiān)控。

VCC系統(tǒng)以數(shù)據(jù)通信的方式同每列運(yùn)行于VCC區(qū)域中的通信列車保持聯(lián)系。VCC監(jiān)督每一通信列車(ATO/ATP模式)的位置,并通過給每一列車發(fā)送一個(gè)作為交換信息一部分的目標(biāo)點(diǎn),來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的授權(quán)。

對(duì)線路掃描的結(jié)果決定了是否向自動(dòng)列車發(fā)送移動(dòng)授權(quán)。指揮掃描通過對(duì)位于車前和車下的永久性和臨時(shí)性元素的處理,并根據(jù)列車屬性(長(zhǎng)/短車),永久性元素(道岔、線路終點(diǎn)等),臨時(shí)性元素(軌道占用、臨時(shí)限速等),基于列車最大可能速度和最長(zhǎng)制動(dòng)距離的上限等因素決定最大限度的目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置。

指揮掃描過程中,VCC系統(tǒng)還確定限速的位置(永久性或臨時(shí)性)和禁區(qū)的位置。在指揮掃描結(jié)束時(shí),VCC決定是否應(yīng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行限制,以避免將列車停在禁區(qū);然后由VCC判定根據(jù)限速得出的最大限制目標(biāo)點(diǎn)是否比從指令掃描和禁區(qū)測(cè)定的目標(biāo)點(diǎn)更具限制性。如果確實(shí)如此,它會(huì)進(jìn)一步限制該目標(biāo)點(diǎn)。

當(dāng)限制解除時(shí)(道岔置于正確位置,其他列車移動(dòng),目的地被更改等等),目標(biāo)點(diǎn)根據(jù)連續(xù)的指揮掃描結(jié)果向前推進(jìn),以允許列車前進(jìn)。

2.2 安全距離的處理

當(dāng)VCC由于線路上的障礙物而判定停車點(diǎn)時(shí),安全距離就是在正常的常用制動(dòng)停車距離上增加的安全余量。如果發(fā)生最壞的故障情況(計(jì)算基于列車推進(jìn)系統(tǒng)故障而導(dǎo)致無法控制的最大加速度),安全距離將考慮增加額外的停車距離以避免列車與障礙物相撞。安全制動(dòng)距離包括正常狀況的停車距離加列車可能超出制動(dòng)性能曲線的最大距離。后者的距離(安全距離)計(jì)算包括最不利情況下列車制動(dòng)失控的距離總和。

安全距離的一些重要要求:許可的最小安全距離指允許列車在前方有另一列車或其他障礙物時(shí)立即剎車停下來。這個(gè)安全距離的判定需要知道軌道的曲線半徑、坡度和超高等軌道環(huán)境以及全部車輛的性能。它應(yīng)當(dāng)考慮系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、車輪與軌道間的粘著度和列車剎車?yán)匣茸顗那闆r。

在計(jì)算制動(dòng)距離時(shí)前方的障礙應(yīng)假定為固定的,除非列車朝相反方向移動(dòng),并且接近的列車速度應(yīng)包括在內(nèi)。

每個(gè)安全距離通過下面兩個(gè)假定停車距離的差額計(jì)算(兩個(gè)假定都在時(shí)間t=0時(shí)開始)。

假定1:列車以最大允許的推薦速度行駛,隨著VCC選定的制動(dòng)曲線采用常用運(yùn)營(yíng)制動(dòng)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)停車。因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)制動(dòng)通過VOBC提供一個(gè)恒定的減速率來調(diào)整。這個(gè)用恒定列車減速率計(jì)算的停車距離不考慮制動(dòng)列車的坡度,在運(yùn)營(yíng)制動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉期間前沖限制被采用。前沖限制將增加通常的停車距離。

假定2:列車在推進(jìn)系統(tǒng)故障的嚴(yán)重情況下,以推薦的速度加最大允許的超速公差和速度誤差運(yùn)行。此故障導(dǎo)致列車在最不利牽引力癱瘓延遲時(shí)間內(nèi)遭受最不利的慣性沖力,造成最不利情況下的緊急制動(dòng)延誤,然后確保以一定的緊急制動(dòng)率停車,從超速點(diǎn)的列車停車距離被定義為在此模式最壞情況下的停車距離。這個(gè)距離用來彌補(bǔ)最不利情況下停止列車前部位置的不確定性,并且前面列車的尾部應(yīng)被納入停車距離來定義安全制動(dòng)距離(見圖2)。

假定1移動(dòng)的距離減去假定2的移動(dòng)距離后計(jì)算為安全距離。圖2顯示兩個(gè)假定的速度與距離的曲線關(guān)系圖。

圖2 正常和最壞情況下制動(dòng)曲線說明

2.3 速度檢測(cè)

VOBC用來自2個(gè)車載測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸入信息監(jiān)視列車的速度。這兩個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)以冗余校驗(yàn)的方式工作。兩個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸入值不斷比較以確保列車速度的精確測(cè)量。測(cè)速范圍為0～150 km/h,顯示精度為±1.0 km/h,線性精度至少滿足±0.5 km/h的要求。

列車速度由VOBC監(jiān)督,并報(bào)告給VCC。在自動(dòng)和人工模式下,當(dāng)列車超過指令限速或兩個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸入值比較不一致(超過容許偏差),VCC將命令列車實(shí)施緊急制動(dòng)。

2.4 超速防護(hù)

在ATO模式下,ATC系統(tǒng)直接控制牽引和制動(dòng)。在這種模式下,ATC系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制列車速度到達(dá)目標(biāo)速度,并在列車超出規(guī)定限速時(shí)實(shí)施常用制動(dòng)。如果常用制動(dòng)失效,則實(shí)施緊急制動(dòng)。其中常用制動(dòng)是可逆的。

在ATO模式中,VOBC調(diào)整列車速度,使其遵循于VCC發(fā)出的指令速度。當(dāng)所測(cè)列車速度超過指令的速度時(shí),VOBC通過常用制動(dòng)來降低列車的速度。在實(shí)施緊急制動(dòng)前,允許所測(cè)列車速度略微超過指令速度,超出值稱為“超速誤差”(一般小于等于5 km/h)。此誤差為速度控制系統(tǒng)對(duì)一些非控制因素(例如風(fēng)或者車輛反應(yīng)延遲)作出的響應(yīng)留有余地。在正常運(yùn)行中,列車速度很少接近超速限制。如果由于任何原因,例如牽引動(dòng)力失控,造成列車速度超過指令速度加上“超速誤差”,VOBC將實(shí)施緊急制動(dòng)。

在保護(hù)人工模式中,列車速度指令由VCC發(fā)給VOBC,然后VOBC將指令速度顯示在列車駕駛員的駕駛臺(tái)上。實(shí)際的列車速度由列車駕駛員來控制。VOBC連續(xù)地監(jiān)督列車速度。如果列車速度超過指令的速度,VOBC將向駕駛員發(fā)出聽覺和視覺告警,以降低車速。如果列車速度超過指令速度加上“超速誤差”,VOBC將實(shí)施緊急制動(dòng)。該模式在ATP保護(hù)之下,由車輛上的駕駛員負(fù)責(zé)制動(dòng)系統(tǒng)的控制。

在限制人工模式下,VCC不為VOBC提供最大速度和目標(biāo)停車點(diǎn)。這時(shí),VOBC強(qiáng)制進(jìn)行超速防護(hù),限制在25 km/h的固定速度以下。當(dāng)列車超過25 km/h時(shí),VOBC將實(shí)施緊急制動(dòng)。

2.5 倒溜防護(hù)

VOBC的ATP功能監(jiān)督列車的速度和方向,并且防止列車向指令運(yùn)行方向相反的方向運(yùn)行。這也叫做“倒溜”。如果VOBC監(jiān)測(cè)到錯(cuò)誤的運(yùn)行方向,它將對(duì)列車實(shí)施緊急制動(dòng)。

2.6 緊急停車裝置的監(jiān)控

緊急停車功能監(jiān)視中央緊急停車按鈕(CESB)以及站臺(tái)和車站緊急停車按鈕(PESB),一旦檢測(cè)到按鈕按下,立即做出安全性反應(yīng),即封鎖與緊急停車按鈕相關(guān)的軌道,所有部分或全部處于該區(qū)域的自動(dòng)/無人駕駛或保護(hù)人工模式列車都將緊急制動(dòng)。若緊急停車按鈕按下,ATC系統(tǒng)將向中央調(diào)度員告警。

軌道關(guān)閉后,在未經(jīng)人工取消緊停并重新開放該軌道區(qū)段前,任何自動(dòng)或保護(hù)人工列車均不能移動(dòng)。取消緊停和開放軌道都被視為安全操作,必須由人工確認(rèn)進(jìn)行。對(duì)于一列接近該關(guān)閉軌道的列車,移動(dòng)授權(quán)將在該軌道的一個(gè)安全距離之外。

2.7 站臺(tái)屏蔽門控制

在每個(gè)車站,VCC通過STC與站臺(tái)屏蔽門之間的接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)與站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖(聯(lián)動(dòng)/互鎖)。

STC子架配備有與對(duì)位環(huán)線的接口。對(duì)位環(huán)線安裝在車站站臺(tái)邊(在列車停車時(shí),車上的對(duì)位天線剛好處于對(duì)位環(huán)線的接收范圍內(nèi)),用于車站設(shè)備與車載VOBC之間的數(shù)據(jù)通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)車門、屏蔽門的開閉同步。VOBC發(fā)送開門命令給車輛用于打開車門,同時(shí)該命令通過站臺(tái)對(duì)位環(huán)線接收并送回STC,再由STC送給屏蔽門控制設(shè)備以打開屏蔽門。兩者之間的動(dòng)作時(shí)間需考慮一定的延時(shí)以達(dá)到同步的目的。

為了使VOBC能命令車門和屏蔽門打開,必須滿足下列全部條件:開啟的車門和站臺(tái)屏蔽門必須符合站臺(tái)位置和運(yùn)行方向;VCC正命令車門打開;列車速度是零;列車在它的目標(biāo)地點(diǎn);已命令執(zhí)行停車制動(dòng);已命令禁止?fàn)恳?/p>

當(dāng)VOBC從列車門和屏蔽門收到“門已關(guān)閉”狀態(tài),確認(rèn)車門和屏蔽門已安全地關(guān)閉后,向VCC報(bào)告。VCC只有在確認(rèn)車門和屏蔽門都已關(guān)閉的條件下,才命令將列車目標(biāo)點(diǎn)前移,并允許列車出發(fā)。否則,列車將只能以人工駕駛駛離車站。

如果在列車進(jìn)站前或進(jìn)站過程中屏蔽門“門已關(guān)閉”狀態(tài)丟失,STC的監(jiān)督屏蔽門狀態(tài)的安全繼電電路將檢測(cè)到該狀態(tài),并將該信息發(fā)送給VCC。VCC一旦檢測(cè)到該信息將會(huì)命令列車在站外一個(gè)安全距離外停車或命令列車緊急制動(dòng)。

2.8 關(guān)閉的軌道

ATC系統(tǒng)的軟件對(duì)物理線路進(jìn)行了描述。物理線路被劃分成許多邏輯單元,其中之一被稱做“軌道”。軌道的特性如下:不會(huì)跨越道岔;它的長(zhǎng)度總是小于等于與之相關(guān)聯(lián)的感應(yīng)環(huán)線的長(zhǎng)度(軌道的邊界是由感應(yīng)環(huán)線的邊界決定的,一個(gè)完整的感應(yīng)環(huán)線可以包括一個(gè)或多個(gè)軌道,感應(yīng)環(huán)線的長(zhǎng)度一般在2～3 km);且在VCC線路數(shù)據(jù)庫(kù)中,與相鄰的軌道連在一起。

軌道可對(duì)自動(dòng)列車的運(yùn)行開放或關(guān)閉。只有當(dāng)造成軌道關(guān)閉的非安全條件不再存在時(shí),中央調(diào)度員才可以為自動(dòng)列車開放該軌道。軌道也可人工關(guān)閉或開放。

當(dāng)一個(gè)軌道被關(guān)閉時(shí),自動(dòng)列車將不具備進(jìn)入該軌道的移動(dòng)授權(quán),它們將停在至少一段安全距離之外。如果自動(dòng)列車已經(jīng)獲得該軌道的移動(dòng)授權(quán),列車將被命令實(shí)施緊急制動(dòng)。同樣,一列全部或部分進(jìn)入被關(guān)閉軌道的列車將被命令實(shí)施緊急制動(dòng)。

2.9 對(duì)運(yùn)行列車采取緊急制動(dòng)措施

當(dāng)發(fā)生牽引故障(任何)、制動(dòng)故障(任何)、定位故障(測(cè)速儀故障)、VOBC失電、VOBC發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的列車移動(dòng)、列車完整性丟失、運(yùn)行中車門意外打開、運(yùn)行中出現(xiàn)模式意外轉(zhuǎn)換等情況,將導(dǎo)致列車緊急制動(dòng),列車也會(huì)根據(jù)VCC發(fā)出命令采取緊急制動(dòng)。

3 系統(tǒng)安全分析

3.1 系統(tǒng)安全性

系統(tǒng)運(yùn)行的安全性是廣州地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的首要任務(wù)。列車的安全運(yùn)行將由列車分隔,移動(dòng)授權(quán)控制和安全距離處理等,道岔鎖閉時(shí)根據(jù)考慮列車的位置鎖閉道岔,強(qiáng)加列車限速,超速防護(hù)、倒溜防護(hù)、緊急停車裝置的監(jiān)控、關(guān)閉的軌道和采取緊急制動(dòng)措施等,屏蔽門和車門控制等功能來保證。

安全性功能是通過在車上、軌旁控制區(qū)、每個(gè)遠(yuǎn)程道岔聯(lián)鎖區(qū)以及運(yùn)營(yíng)控制中心使用的安全型(冗余校驗(yàn))計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)來完成的。

廣州地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)始終嚴(yán)格執(zhí)行對(duì)于冗余以及故障-安全的原則。

列車命令停車點(diǎn)的不斷循環(huán)前進(jìn),需要確認(rèn)前車的位置的確已經(jīng)前進(jìn)或者其它安全限制已經(jīng)被清除。該移動(dòng)閉塞系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成為在VCC、VOBC、遠(yuǎn)程聯(lián)鎖或者數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下,在確認(rèn)安全之前,列車停車點(diǎn)將不再前移。

在VCC的控制級(jí)別上,將產(chǎn)生并發(fā)送控制報(bào)文以保證安全列車分隔。一個(gè)獨(dú)立的VCC系統(tǒng)包括三個(gè)互連的CPU(三取二計(jì)算機(jī)系統(tǒng))。每個(gè)CPU從列車和軌旁設(shè)備上接收相同的輸入信息。在檢驗(yàn)了輸入信息的有效性后,每個(gè)CPU將生成適當(dāng)?shù)拿顖?bào)文。該命令報(bào)文以安全方式發(fā)送給VOBC。

在該移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)中,系統(tǒng)控制中心(SMC)將負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)列車的進(jìn)路安排。因此,SMC向VCC發(fā)送進(jìn)路要求。該要求負(fù)責(zé)所有線路道岔的控制和進(jìn)路安排。VCC還接收來自STC系統(tǒng)的道岔狀態(tài)信息,同時(shí)VCC通過STC控制道岔的位置變化。通過使用列車和軌旁相關(guān)信息,VCC將根據(jù)狀態(tài)、道岔預(yù)留和道岔區(qū)段占用信息完成聯(lián)鎖功能。在VCC失效的情況下,STC將承擔(dān)后備模式下的聯(lián)鎖功能。一旦VCC接收到了道岔設(shè)定并鎖閉就位的確認(rèn)時(shí),列車將被允許穿過道岔(如:目標(biāo)停車點(diǎn)將前行穿過該道岔)。

在車輛的控制級(jí)別上,VOBC(2×二取二)將保證列車的特定功能被安全控制在VCC設(shè)定的限制范圍內(nèi)(如:速度極限和車門控制)。VOBC的冗余校驗(yàn)微處理器負(fù)責(zé)對(duì)來自VCC的報(bào)文進(jìn)行測(cè)試以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)這些測(cè)試通過后,VOBC將解釋并執(zhí)行命令信息。

VOBC內(nèi)的雙套微處理器為車輛系統(tǒng)生成同樣的命令,同時(shí)生成同樣的狀態(tài)報(bào)文以傳輸至軌旁。每個(gè)處理器的輸出將同時(shí)在其它處理器上做比較。任一個(gè)處理器上的比較出錯(cuò)時(shí),該VOBC將放棄對(duì)列車控制。如果故障發(fā)生,系統(tǒng)將由VCC發(fā)起,自動(dòng)地切換至后備VOBC單元工作。在VOBC的切換過程中,系統(tǒng)首先將基于安全的前提,同時(shí)在可能的情況下不使列車停車,確保VOBC的切換不影響列車的正常運(yùn)行。

3.2 數(shù)據(jù)通信的安全措施

以車-地信息傳輸為基礎(chǔ)的信號(hào)系統(tǒng)要求準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)通信。以下方法可用于檢驗(yàn)車輛、地面和中央之間的數(shù)據(jù)通信的完整性:

1)通過感應(yīng)環(huán)進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶有冗余校驗(yàn)位,以確保拒絕接收被電磁干擾的數(shù)據(jù)。通過對(duì)所有運(yùn)輸安全性信息的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)可實(shí)現(xiàn)該功能。

2)傳送的數(shù)據(jù)會(huì)得到周期性地更新。從VCC傳送到VOBC和STC的命令將在每個(gè)新電文中得到更新或確認(rèn)。

3)對(duì)于接收到的信息,將做合理性和持續(xù)一致性檢查。子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)以前的電報(bào)、物理規(guī)則以及設(shè)計(jì)限制所期望的信息來檢驗(yàn)收到的數(shù)據(jù)。

車-地通信使用感應(yīng)環(huán)線為基礎(chǔ)的傳輸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。精確的位置參數(shù)是通過感應(yīng)環(huán)線交叉信息來建立的。感應(yīng)環(huán)線交叉點(diǎn)之間的位置則由車軸上附帶的轉(zhuǎn)速計(jì)來確定。這樣通過轉(zhuǎn)速計(jì)和環(huán)線交叉相結(jié)合的方式建立列車位置信息。

感應(yīng)環(huán)線電纜可持續(xù)探測(cè)列車占用和空閑狀態(tài),列車定位的分辨率為6.25 m。對(duì)列車是否被占用的探測(cè)是安全的和可靠的,符合“故障-安全”原則的要求。

感應(yīng)環(huán)線電纜和VOBC之間可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸,信息的傳送是安全和可靠的。

4 結(jié)語

通過對(duì)廣州地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)在安全性功能的介紹和安全性設(shè)計(jì)原則進(jìn)行的一些分析認(rèn)為,不論是準(zhǔn)移動(dòng)閉塞還是移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng),也不論是哪個(gè)國(guó)際廠商的信號(hào)系統(tǒng),其所必須遵循的安全原則都是一致的,即“故障導(dǎo)向安全”。此外,今后應(yīng)更好地將系統(tǒng)的安全性冗余和系統(tǒng)可用性進(jìn)一步結(jié)合,在保證安全的前提下,最大限度地降低信號(hào)系統(tǒng)的故障率。

[1]黃天印,趙時(shí)旻,劉循.基于通信的列車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)可靠性分析[J].城市軌道交通研究,2009(5):33.