臨港數(shù)軌示范線列車進(jìn)路防護(hù)方案

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2020年9月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布T/CAMET00001—2020《城市軌道交通分類》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，并于2020年11月起正式實(shí)施。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，城市軌道交通按照系統(tǒng)制式劃分為地鐵、市域快軌、輕軌、電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)等10種制式。由此，電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)正式被納入城市軌道交通系統(tǒng)制式系列。數(shù)字軌道交通系統(tǒng)亦稱磁感電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)，是電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)的細(xì)分制式(以下簡(jiǎn)稱“數(shù)軌”)。其主要特點(diǎn)是采用磁性材料構(gòu)成軌道，車輛通過裝載的磁傳感器感應(yīng)磁性電子軌道，由車載系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛自導(dǎo)向行駛。作為一種城市軌道交通制式，數(shù)軌需遵循城市軌道交通的系統(tǒng)安全理念進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。本文以上海臨港數(shù)軌示范線為例，探討數(shù)軌列車進(jìn)路安全防護(hù)方案。

1數(shù)軌及上海臨港數(shù)軌示范線簡(jiǎn)介

電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)針對(duì)的是城市公共交通出行領(lǐng)域的新場(chǎng)景、新需求和新問題。在上海市交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/SHJX025—2021《電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中，將電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)特點(diǎn)概括為:沿固定的虛擬軌道運(yùn)行，以膠輪車輛為運(yùn)輸載體，采用軌道交通運(yùn)營(yíng)組織模式的公共交通系統(tǒng)。“固定的虛擬軌道”可以理解為固定線路的、非物理接觸的、具有導(dǎo)向作用的軌道(可以是磁性軌道、標(biāo)線或其他形式)，“膠輪車輛為運(yùn)輸載體”體現(xiàn)了車輛的基本型式，“軌道交通運(yùn)營(yíng)組織模式”約定了電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)宜遵循軌道交通嚴(yán)格按計(jì)劃組織行車的基本原則。數(shù)軌是電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)的一種，其主要特點(diǎn)是采用磁性材料構(gòu)成具有車輛導(dǎo)向作用的虛擬軌道，在國(guó)內(nèi)首條數(shù)軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目中，上海臨港數(shù)軌示范線磁性軌道采用的是圓柱形磁釘(磁釘平均間距為1m)。磁性軌道除實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能之外，還可實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)(厘米級(jí))定位、車速引導(dǎo)、精準(zhǔn)報(bào)站等功能。這些功能是利用磁性材料的極性特點(diǎn)，通過特定的布置設(shè)計(jì)形成編碼，并與車載電子地圖(數(shù)軌地圖)配合實(shí)現(xiàn)的。所以，數(shù)軌的虛擬軌道也是數(shù)字化道路的一種實(shí)現(xiàn)形式，即通過磁性軌道的編碼存儲(chǔ)線路(道路)信息。數(shù)軌與其他城市軌道交通制式一樣，也包含線路、車站、車輛、供電等多個(gè)專業(yè)系統(tǒng)，大多專業(yè)系統(tǒng)與城市軌道交通其他制式的同類系統(tǒng)的構(gòu)成和功能均較為相似。上海臨港中運(yùn)量公交系統(tǒng)是臨港新片區(qū)公共交通骨干網(wǎng)絡(luò)，規(guī)劃線路總長(zhǎng)約105km。其中，T1線是臨港數(shù)軌示范線(見圖1)，線路全長(zhǎng)21．75km，初期設(shè)站10座，配車11列，采用數(shù)字軌道技術(shù)，列車為3節(jié)編組膠輪列車。T1線于2020年8月開工建設(shè)，2021年6月，上海市交通運(yùn)輸行業(yè)協(xié)會(huì)組織對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了初期運(yùn)營(yíng)評(píng)審。數(shù)軌技術(shù)在項(xiàng)目應(yīng)用中體現(xiàn)出的創(chuàng)新性和示范性得到了評(píng)審專家的普遍認(rèn)可，并在評(píng)審結(jié)論中將該項(xiàng)目認(rèn)定為“國(guó)內(nèi)首條采用磁感電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)、具有創(chuàng)新技術(shù)的示范線”。T1線于2021年6月30日投入載客試運(yùn)營(yíng)。

2數(shù)軌列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和調(diào)度管理系統(tǒng)

數(shù)軌采用電子導(dǎo)向系統(tǒng)，在岔區(qū)靠車輛自身轉(zhuǎn)向控制實(shí)現(xiàn)線路和運(yùn)行方向選擇，因此，在岔區(qū)無需設(shè)置機(jī)械道岔，也無需設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備。一般認(rèn)為，沒有聯(lián)鎖的系統(tǒng)也就不再適合稱作是信號(hào)系統(tǒng)。而數(shù)軌的車載系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)，是完全可以與城市軌道交通其他制式的信號(hào)系統(tǒng)的子系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的，故本文將數(shù)軌的信號(hào)系統(tǒng)稱作為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和調(diào)度管理系統(tǒng)。以上海臨港數(shù)軌示范線為例，該線列車運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)備布置在車輛上，主要包括感知設(shè)備(磁傳感器、視覺傳感器、雷達(dá)等)、通信設(shè)備(TAU(數(shù)傳單元)、OBU(車載單元))、循跡導(dǎo)向控制單元、人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。該線調(diào)度管理系統(tǒng)部署在控制中心，由服務(wù)器、工作站和調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)組成。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和調(diào)度管理系統(tǒng)是數(shù)軌的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其綜合運(yùn)用了磁感技術(shù)、感知融合技術(shù)、PID(比例積分微分)控制技術(shù)、電子地圖技術(shù)、車路協(xié)同技術(shù)，并與列車自身智能控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)列車循磁性軌道和道岔精準(zhǔn)可靠運(yùn)行、列車運(yùn)行安全防護(hù)、信號(hào)優(yōu)先、輔助駕駛、列車運(yùn)行監(jiān)控和調(diào)度等功能。實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。需要重點(diǎn)說明的是，數(shù)軌可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的、高可靠的列車實(shí)時(shí)定位。實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的列車定位也為實(shí)現(xiàn)進(jìn)路安全防護(hù)提供了有利條件。

3數(shù)軌列車安全性和進(jìn)路安全防護(hù)需求分析

數(shù)軌列車脫離了物理軌道(鋼軌)的約束，在非專用路權(quán)條件下運(yùn)行。如果對(duì)數(shù)軌列車進(jìn)行安全性系統(tǒng)危害分析，可類比城市軌道交通其他制式，列車脫軌和碰撞都是需要重點(diǎn)分析的頂層危害，但數(shù)軌列車脫軌和碰撞事故嚴(yán)重度和暴露概率并不能完全參照城市軌道交通其他制式。以脫軌為例，因數(shù)軌列車在路面走行，其脫軌導(dǎo)致車輛傾覆的概率較低，但從工作機(jī)理上不難看出，其脫軌概率卻明顯高于有物理軌道約束的列車。關(guān)于電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)的安全性分析，可檢索到相應(yīng)文獻(xiàn)，本文不詳細(xì)展開。列車在道岔區(qū)的進(jìn)路安全防護(hù)，是所有城市軌道交通制式的必備功能和基礎(chǔ)功能，也是防止擠岔、側(cè)面沖突等情況發(fā)生從而導(dǎo)致列車脫軌或傾覆的需要。與數(shù)軌列車運(yùn)行條件較為接近的有軌電車，其在岔區(qū)的進(jìn)路防護(hù)是通過軌旁的聯(lián)鎖控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，具體包括列車占用檢測(cè)設(shè)備、信號(hào)燈、道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備和聯(lián)鎖控制單元等，最終通過信號(hào)燈顯示的方式向列車駕駛員提供進(jìn)路指示，從而保證岔區(qū)內(nèi)的行車安全。可與普通社會(huì)車輛完全共用路權(quán)，是包括數(shù)軌在內(nèi)的各種膠輪運(yùn)輸系統(tǒng)的特有優(yōu)勢(shì)。在城市道路資源日趨緊張的當(dāng)下，應(yīng)堅(jiān)持發(fā)揮該優(yōu)勢(shì)。在上海臨港數(shù)軌示范線中，列車無物理隔離的專有路權(quán)(僅通過標(biāo)線、標(biāo)識(shí)劃定專用道)，在設(shè)置避讓條件的有岔車站亦是如此，故采用與有軌電車類似的進(jìn)路防護(hù)方案并不可行，尤其是在路中設(shè)置進(jìn)路信號(hào)燈，將會(huì)對(duì)社會(huì)車輛的正常通行造成極為不利影響。如前所述，數(shù)軌列車運(yùn)行條件與有軌電車較為接近，其路權(quán)形式?jīng)Q定了多采用人工駕駛模式。在選定駕駛模式的前提下，應(yīng)結(jié)合數(shù)軌不嚴(yán)格受制于軌道和不便于設(shè)置軌旁聯(lián)鎖設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)，尤其在人工駕駛模式下，靠司機(jī)瞭望前方無法杜絕道岔區(qū)列車側(cè)面沖突風(fēng)險(xiǎn)，因此，需通過技術(shù)手段進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)類似城市軌道交通其他制式的進(jìn)路防護(hù)功能。

4上海臨港示范線列車進(jìn)路防護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方案

上海臨港示范線進(jìn)路防護(hù)功能設(shè)計(jì)所基于的基本背景條件是:①采用磁釘構(gòu)成磁性軌道(磁釘平均間距為1m)，利用磁釘?shù)臉O性來構(gòu)成數(shù)字軌道編碼，通過連續(xù)相鄰的磁釘分割形成區(qū)段，區(qū)段的長(zhǎng)度和包含的磁釘數(shù)量可以自由定義;②基于地面磁釘、車載磁傳感及電子地圖，可實(shí)現(xiàn)車輛的精準(zhǔn)(厘米級(jí))實(shí)時(shí)定位;③由于無專有路權(quán)，車站和岔區(qū)無設(shè)置信號(hào)燈條件，故只能利用列車車載DMI(人機(jī)交互界面)實(shí)現(xiàn)行車指令信息的傳遞;④岔區(qū)不單獨(dú)設(shè)置聯(lián)鎖控制器和執(zhí)行設(shè)備。以上海臨港數(shù)軌示范線設(shè)置避讓條件的典型中間車站(見圖2)為例，分析列車進(jìn)路防護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方案。如圖2所示，以下行方向線路為例，根據(jù)實(shí)際進(jìn)路數(shù)量，在車站設(shè)計(jì)5個(gè)虛擬區(qū)段(區(qū)段由磁釘構(gòu)成)，共有3條基本進(jìn)路:依次經(jīng)由區(qū)段A、區(qū)段B和區(qū)段D的為進(jìn)站進(jìn)路，依次經(jīng)由區(qū)段A、區(qū)段B、區(qū)段C和區(qū)段E的為越站進(jìn)路，依次經(jīng)由區(qū)段D和區(qū)段E的為出站進(jìn)路。區(qū)段A和區(qū)段B的分割點(diǎn)為平交路口前的車輛停車線，區(qū)段D和區(qū)段C的兩端與站臺(tái)兩端對(duì)應(yīng)，區(qū)段E的結(jié)束點(diǎn)設(shè)計(jì)在距離3#道岔岔心50m(大于列車長(zhǎng)度)位置，區(qū)段A的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為200m(大于列車安全制動(dòng)距離)。列車進(jìn)路和區(qū)段關(guān)系見表1。該站下行方向3條列車進(jìn)路防護(hù)的設(shè)計(jì)邏輯如下:當(dāng)請(qǐng)求進(jìn)路1的列車駛?cè)雲(yún)^(qū)段A時(shí)，調(diào)度管理系統(tǒng)檢查區(qū)段B和區(qū)段D的占用情況:如被占用或鎖閉，則將被占用區(qū)段的入口點(diǎn)作為該列車移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn)，并計(jì)算移動(dòng)授權(quán)距離發(fā)送給列車，司機(jī)根據(jù)該信息在停車線位置處停車;如未被占用，則對(duì)區(qū)段B和區(qū)段D進(jìn)行預(yù)先占用(鎖閉)，并將區(qū)段D的終點(diǎn)(站臺(tái)端頭)作為移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)，將計(jì)算的移動(dòng)授權(quán)距離發(fā)送給列車。當(dāng)請(qǐng)求進(jìn)路2的列車駛?cè)雲(yún)^(qū)段A時(shí)，調(diào)度管理系統(tǒng)檢查區(qū)段B、區(qū)段C和區(qū)段E的占用情況，邏輯過程與進(jìn)路1的相同，不再贅述。同時(shí)，區(qū)段D有列車停車占用時(shí)，并不影響進(jìn)路2的建立，但對(duì)于停站列車而言，進(jìn)路2建立時(shí)，其移動(dòng)授權(quán)距離會(huì)變?yōu)榱?因運(yùn)行前方區(qū)段E已被鎖閉)，即實(shí)現(xiàn)了進(jìn)路防護(hù)。當(dāng)請(qǐng)求進(jìn)路3的列車駛出站臺(tái)端頭，立即占用區(qū)段E，并同時(shí)鎖閉區(qū)段B和區(qū)段C，禁止其他列車駛?cè)胲囌竞筒韰^(qū)，亦實(shí)現(xiàn)了進(jìn)路防護(hù)。移動(dòng)授權(quán)信息主要通過車載DMI向列車司機(jī)傳遞。圖3為上海臨港數(shù)軌示范線列車車載DMI界面圖。界面的中部(溫度計(jì)樣式柱形圖)即為列車實(shí)時(shí)移動(dòng)授權(quán)距離，其最大刻度值設(shè)計(jì)為1000m。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)授權(quán)距離小于1000m時(shí)，柱形圖即根據(jù)授權(quán)距離顯示相應(yīng)刻度(底部顯示相應(yīng)數(shù)字)。當(dāng)授權(quán)距離小于列車常用制動(dòng)距離(如200m)時(shí)，除顯示刻度外，還同時(shí)提供“屏黃閃+提示音”;當(dāng)授權(quán)距離小于列車安全制動(dòng)距離或跳變?yōu)榱銜r(shí)，則通過“屏紅閃+報(bào)警音”方式提示司機(jī)。在實(shí)際使用中，司機(jī)仍主要通過瞭望保證行車安全，本設(shè)計(jì)功能定位為輔助安全功能。

5結(jié)語

本文介紹的列車進(jìn)路防護(hù)方案在上海臨港T1示范線應(yīng)用至今，基本達(dá)到了預(yù)期目的。尤其在2021年10月份，T1線正式啟用“站站停+大站車”快慢車組合運(yùn)營(yíng)方案后，列車需在車站進(jìn)行會(huì)車避讓，司機(jī)僅靠瞭望前方已不能保證行車安全，進(jìn)路防護(hù)功能在保障列車運(yùn)行安全方面的作用逐漸凸顯。該列車進(jìn)路防護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)較為明顯，無需建設(shè)額外的軌旁設(shè)備設(shè)施，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)。但也存在一些限制和不足，如:因?yàn)槿∠塑壟月?lián)鎖設(shè)備，安全邏輯和運(yùn)算由調(diào)度管理系統(tǒng)完成，導(dǎo)致對(duì)無線通信的依賴度較高;相比于傳統(tǒng)軌旁信號(hào)燈顯示的方式，通過車載DMI傳遞列車運(yùn)行指令，意義有所弱化、易被忽略。但考慮到數(shù)軌列車路面走行和目視駕駛的特點(diǎn)，同時(shí)從取消軌旁設(shè)備和減少維護(hù)量的角度出發(fā)，這些不足點(diǎn)是基本可接受的。電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)屬新生事物，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全性研究和功能方案等方面還有很大的研究和探討空間。

作者:張繼光 單位:上海電氣集團(tuán)智能交通科技有限公司