跨座式单轨全自动运行系统关键接口分析

邱 鹏，赵晓峰

作为典型的中运量轨道交通制式，跨座式单轨车辆在运行时，采用橡胶车轮骑跨在轨道梁上，两侧的导向轮和稳定轮抱住轨道梁，保证列车安全平稳行驶［1-2］。芜湖1、2号线全长46.8 km，最快运营速度80 km/h，采用带计轴的CBTC信号系统，最高支持无人值守UTO模式。本文以该项目为例，参考国际相关标准的同时，结合国内全自动运行地铁信号系统［3］和既有跨座式单轨设计规范［4］，分析描述跨座式单轨全自动运行信号系统的关键接口。

1 系统架构

跨座式单轨信号系统采用自动化等级最高的GOA4级移动闭塞无线CBTC系统，最小列车运行间隔90 s，自动停站精度可达±15 cm，其系统架构见图1。该系统由轨旁和车载ATP/ATO、全电子计算机联锁、列车自动监控ATS、数据通信DCS等组成。

图1 跨座式单轨信号系统架构

轨旁ATP/ATO用于计算移动授权，每个集中站设置1套；车载ATP/ATO 用于超速防护和自动运行等，常用于4/6/7/8 节固定运营编组；全电子计算机联锁用于进路控制，主机设置在集中站，最具特色的远程接口单元分布在每个车站机房，进行轨旁设备的采集和驱动［5］；ATS 设置中央和车站/车辆段2级，根据时刻表监控系统运营；DCS采用LTE-M 技术，在跨座式单轨应用时，配置和安装更加灵活［6］。

2 关键接口

2.1 中心接口

ATS 和DCS 是控制中心的主要设备，在全自动运行系统应用时有不少新变化。ATS 子系统接口的特有功能如下。

1）位于中心的综合监控ISCS 接口向ATS 提供牵引供电区段状态，能够触发信号系统的联动功能，对断电区段自动施加零速限制，并根据该区段的长度和列车当前速度，自动控制列车滑过该区段或停在该区段前［7］。

2）位于折返站的气象站设备通过轨旁高速有线网络向ATS 发送线路的温度、湿度、2 min 或5 min 的平均风速和风向。当风速达到8 级时，操作员核实后设置临时限速；风速达到11 级时实施停运，以规避横风激扰下车辆运行失稳甚至脱轨的风险［8］。

3）地震仪位于信号设备室内，能对地震活动进行监测，当地震期间地表活动达到一定极限（里氏5 级）时，通过轨旁高速有线网络发送警报至控制中心，ATS系统会停运系统中所有列车［9］。

4）作为新型的全自动运行辅助监控设备，车辆调工作站属于ATS，通过轨旁高速有线网络、车地无线网络直接获取车辆设备的运行状态，包括牵引电机、制动系统、转向架、列车门、烟雾传感器等，同时提供空调温度调节和车内照明开关等远程控制，并能根据列车位置自动匹配节能策略，如回段列车在最后一个站台清客后，自动关闭空调和照明等。

DCS 子系统包括轨旁高速有线网络和车地无线网络。在实施LTE-M 网络制式时，遇到如下2个接口问题：①LTE 网络设备正常运行必须使用IEEE 1588 PTP（Precision Time Protocol，精确时钟同步协议）时钟源［10］，即需要安装独立的时钟源系统，但传统信号系统则要求与通信主时钟进行同步，信号系统内部所有设备均应使用通信主时钟，为此，车地无线LTE 相关设备采取使用1588时钟为主的方案，并定期手动与通信主时钟校核；②LTE 的演进分组核心网EPC 设备的冗余策略发生变化，通常2套EPC设备均设置于控制中心，但跨座式单轨轨道梁采用分段施工，导致在轨道梁贯通前，全线电光缆通道无法连接，因此需要将2 套EPC 分置在控制中心和车辆段，这样每段线路在调试阶段均有EPC，相应的无线设备也可正常工作。此外，试车线还需配置独立的小型EPC，以便试车时与运营设备进行网络隔离。

2.2 轨旁接口

轨旁外围设备主要与全电子计算机联锁接口，包括计轴、道岔控制柜、信号机等，其功能与地铁信号系统基本一致，但也有面向跨座式单轨的新功能。

由于跨座式单轨车辆胶轮无法直接检测，因此需要计轴在安装接口上进行定制设计［11］。为了便于施工和维护，计轴车轮传感器和轨旁接线盒通常安装在每个桥墩的高架平台上，见图2。传感器与车轮之间的距离也保持在可靠检测范围内，不同厂商的计轴设备略有不同。最困难的部分是车辆车轮的可检测性，走行轮、导向轮和稳定轮都被包裹在车体内部，只有稳定轮的下表面露出车外，但其表面不平整且面积小，因此需要额外安装一片金属挡板作为模拟轮，并留出稳定轮充气的操作孔。每列车配置4 块模拟轮，两端最外侧的稳定轮左右各安装1片。

图2 跨座式单轨计轴轨旁安装

跨座式单轨系统的道岔有换梁型道岔和枢轴型道岔［12］2种。前者是2位置，根据曲率半径的不同，最大侧向通过速度23～32 km/h，多用于需要提高运行效率的终端折返站和出入库咽喉区域；后者有2/3/4 位置等子类型，个别厂商还支持 5 位置［13］，但其可动梁分成关节小段，以保证列车通过所需要的曲率半径，最大侧向通过速度8～12 km/h，多用于车辆段和停车场，有助于降低场段的整体占地面积。

每组道岔均配有一套现地安装的道岔控制柜，柜内包括控制面板、可编程控制器（PLC）、安全继电器、整流器等。如图3 所示，全电子计算机联锁通过远程接口单元，与道岔控制柜进行采集和驱动交互。正常情况下，道岔控制柜处于远程自动模式，接收全电子计算机联锁的远程控制命令，通过交流电机带动轨道梁和供电轨转换位置；如遇故障维修或日常保养时，可通过控制面板上的开关，切换到现地手动模式进行单操和循环，这些功能和场景与传统地铁有很大不同。

图3 跨座式单轨多位置枢轴型道岔接口

需要注意的是，当道岔从信号远程自动转为现地手动控制时，需按下设置在车控室综合后备盘上的非自复式道岔人工授权按钮，吸起道岔授权继电器DCSQJ，点亮道岔授权表示灯DCSQD，触发道岔控制柜内PLC 启动50 s 延时保护，即该时间内道岔远程和现地控制均无效，确保最长编组的人工驾驶列车也能完全通过道岔区域；现地维修工程师确认列车完全通过道岔后，由车控室人工恢复授权按钮，同时熄灭表示灯。该按钮操作状态也会同步由维护支持系统MSS 进行采集。当道岔从现地控制转为信号远程控制时，则不需要人工确认按钮和延时保护。

信号机接口与地铁信号系统类似，只是由于安装在线路外侧，后期维护难度较大。

紧急停车按钮和人员防护开关按照全自动运行地铁信号系统要求设置，并进一步优化人员进出管理流程，将人员防护开关安装在车控室内，施工人员登记要点、领钥匙、激活开关一次性完成［14］。

站台门接口功能满足全自动运行信号系统的需要，值得一提的是跨座式单轨信号系统可以做到仅对单个故障门进行重复开关。

2.3 车载接口

车载信号设备在列车两端各设置1 套，其车载控制接口见图4。车载信号VATC 核心设备是车载信号控制器CoHP-2 和车载信号接口子架IFCD，外围设备主要有速度传感器、信标读取器、车载无线单元、车载二层交换机等，与车辆之间的接口有列车线接口、列车管理系统TMS 接口、电源、接地等。车载显示屏与车载信号无直接接口，相关列车运行信息由TMS接收后转发。

图4 跨座式单轨车载控制接口

由于胶轮关系，霍尔感应式的速度传感器安装在转向架牵引电机的侧面，采集的速度脉冲与走行轮的速度不尽相同，因此车载信号设备在计算实际速度时，需使用差速比系数进行折算。

信标读取器用于读取地面的信标，以便车载信号设备进行实际位置判定和消除定位误差。由于轨道梁上平面十分狭窄，跨座式单轨的轨旁信标均安装于侧面，为了使不同朝向的列车都能读到信标，同一位置需要在轨道梁两侧均安装信标，并且使用相同编码。

跨座式单轨列车的运行模式有全自动运行FAM 模式、受控人工驾驶MCS 模式和全人工EUM模式。FAM 模式是正常运营方式，列车在车辆段和正线的全程处于无人值守全自动运行状态；当需要使用MCS 模式时，由于跨座式单轨列车没有独立的驾驶室，多职能巡视员通过距离列车两端最近的第1 个客室门登乘列车，将平时锁起的隐蔽式人工控制台取出，然后实施有ATP 防护的人工驾驶；全人工模式下，信号ATP 防护功能被旁路切除，列车在车辆TMS 限速下运行，为提高故障列车的救援效率，通常正线限速45 km/h，而车辆段和停车场由于包含出入段线的长大坡道，一般限速25 km/h。

在全自动运行系统中，车载信号设备与车辆之间的列车线接口关系到列车运行控制的技术安全。安全输入列车线有运行模式、车门关闭且锁闭、列车完整性、紧急制动回采、车钩状态；输出列车线分安全和非安全2 部分，具体功能见表1。对于输出列车线所代表的控制命令，信号和车辆之间需根据不同运行模式进行严格的控制责任划分。

表1 跨座式单轨车载控制与运行模式

除运行模式、门使能等常用列车线外，车载信号设备与车辆接口的特有功能如下。

1）左/右侧门阻止。该列车线用于控制车门的紧急逃生设备，确保车门紧急手柄在非安全情况下，不会打开左侧或右侧车门，高电平禁止，低电平使能。当列车在区间故障不能继续运行时，车载信号会触发，将面向紧急疏散平台一侧的车门解锁，解锁后的车门不会直接打开，还需要车内或车外的工作人员触发紧急手柄，或通过车门钥匙才能手动开门。如遇列车在道岔区域侧向位置停车，在极个别情况下，列车两侧均会有部分区域朝向紧急疏散平台，这时车载信号解锁两侧车门。

2）牵引电控和摩擦制动双PWM 需求控制接口。与地铁全自动运行车辆一个PWM 控制接口不同，跨座式单轨系统将电制动和摩擦制动的控制级位和切换补偿时机均交由车载信号设备处理，从而保证最大程度地使用车辆的牵引力和制动力。

列车启动时，车载信号触发加速命令和100%牵引电控PWM 需求，并在到达目标速度时逐渐减小正向牵引级位；当列车处于惰行状态时，车载信号按照±3.6 km/h 幅度控制牵引加速和减速；列车制动时，车载信号触发减速命令和牵引电控PWM 需求，并根据停车距离逐渐增大反向牵引级位（电制动）；当列车速度减至5 km/h时，为弥补反向牵引输出功率急剧减小造成的电制动不足，车载信号转而触发减速命令和摩擦制动PWM 需求，并根据停车位置快速增大至100%。在整个牵引电控和摩擦制动过程中，车载信号会从车辆TMS 接口接收列车重量指示，以确定牵引力/制动力与加速度/减速度的等效折算关系，具体公式为

式中：F列车最大牵引力/制动力是根据牵引单元和制动单元的配置，计算整列车的牵引力和制动力；M列车AW2/3/4质量为不同载重工况下的列车质量，车载信号根据收到的重量指示选取偏大的质量，以便留有一定的控制余量，这里列车AW2 质量为车辆座位数＋每平米4 名乘客，AW3 为车辆座位数＋每平米6名乘客，AW4为车辆座位数＋每平米8名乘客；M转动质量由车辆专业按照每节车质量和车轮直径进行计算，通常取最大定值。

只有等效折算关系明确，车载信号在计算出目标加速度/减速度后，才能正确换算为级位需求，并通过牵引电控/摩擦制动PWM发生器发送至车辆。

此外，车载信号通过车辆TMS 接口也会发送牵引/制动级位需求，并与硬线PWM 脉冲控制方式互为冗余备份，从而保证列车以低速（20～25 km/h）进站；如遇车载信号设备全部故障时，需采用全人工驾驶模式，驾驶车辆至最近的站台进行清客，此时轨旁进路依然可以通过ATS 自动触发和全电子计算机联锁执行［15］。

3）车辆待机模式命令，主要用于车载信号设备自动触发退出运营车辆的休眠和唤醒。当车载信号设备通过车辆TMS 接口下发该命令时，车辆进入节能模式，即空调、照明、乘客信息关闭或息屏；反之，则启动进入运营模式。该命令也可通过休眠/唤醒列车线接口方式实现。

3 辅助系统

跨座式单轨与其他轨道交通制式最大的不同在于，如果道岔没有转动到位，线路上会出现断轨。为避免列车在此情况下冲出轨道梁的风险，FAM 和MCS 模式列车均由信号系统保证运行安全，但全人工模式列车需要单独进行防护，所以通常会有一套独立的手动驾驶辅助系统［16］，见图5。

图5 跨座式单轨手动驾驶辅助系统

手动驾驶辅助系统由轨旁和车载2 部分组成。轨旁包括道岔状态分析柜、信标控制盒、有源信标和无源信标；道岔状态分析柜用于和道岔控制柜接口，实时监测道岔位置和锁定状态；信标控制盒用于和有源信标接口；有源信标用于向列车发送道岔位置和状态；无源信标用于标识线路需要限速的位置，如道岔区域、线路尽头、车辆段/停车场等。手动驾驶辅助系统的信标与信号系统的信标是相互独立的，两者工作频率不同，安装位置也需避让至少3 m。车载部分主要是手动驾驶辅助控制单元，根据沿线读取的信标向司机提示相应限速，并在列车时速突破制动曲线时触发紧急制动。

4 结语

我国第一条跨座式单轨开通十多年，但是该制式目前仍处在各集成商车不同、轨也不同的局面，本文从在建项目实践着手，一方面借鉴钢轮钢轨制式的全自动运行系统系列标准，另一方面结合信号、道岔和车辆设备的自身特点，进行跨座式单轨全自动运行系统的设计。

从全自动运行系统架构、关键接口、辅助系统等方面分析后认为，跨座式单轨全自动运行系统的主要接口功能与地铁全自动运行系统类似，但是因其特有工况，如胶轮车辆三面抱轨、轨道梁窄小、道岔不到位可能有断轨等，使得该制式在控制中心更需要有完备的运行环境监测和联动，如供电、气象、地震等；轨旁有安全的道岔控制过程防护；车载有信号和车辆高度集成的列车运行控制方式；并通过增设独立的辅助系统，完善跨座式单轨系统的运营手段。这些技术实现既可以作为跨座式单轨标准修编的参考，也能对全自动运行地铁标准的进一步丰富提供输入，进而有益于更好地推广中运量轨道交通制式。