上海浦东国际机场捷运信号系统创新设计与实践

2020-11-05盛佳锋

建筑施工 2020年6期

谢斌王野盛佳锋

上海富欣智能交通控制有限公司上海 201203

上海浦东国际机场捷运系统服务于安检后旅客运输，设置T1/T2航站楼、S1/S2卫星厅和T3航站楼（预留）5座捷运车站。前往卫星厅登机的旅客，在航站楼办理完值机、行李托运、联检、安检等手续后，在楼内下到地下捷运车站乘坐捷运列车前往卫星厅；在卫星厅到港的旅客，由卫星厅地下捷运车站乘坐捷运列车前往航站楼，经相应流程，离开机场。捷运系统分东、西两线，列车运营组织方案为T1-S1之间的2股道各自独立穿梭运行，T2-S2之间运行模式同T1-S1，S1/S2-T3采用单线穿梭运行模式（图1）。

图1 列车运营组织示意

作为捷运系统的核心构成部分，信号系统承担行车指挥和安全防护的重任，与传统轨道交通不同，其功能设计应该充分考虑捷运旅客运输组织特征和机场空防安全管理需求[1-3]。

1 上海浦东国际机场捷运系统客运组织需求分析

1.1 高可靠性要求：全天候不间断运营

根据世界航空网络运行的需要，上海浦东国际机场作为大型枢纽机场具备全天候运行能力，包括人员、设施设备。同时，根据目前国内外经验，航空客运市场需要拓宽航班起降时段，各种因素导致离港和到港的航班延误情况也时有发生。因此，空侧捷运系统也应具备全天候运行保障能力，这对系统方案、运营维护模式提出新的要求，而陆侧捷运系统，原则上可以留有天窗时间用于系统的专门检修维护。

机场旅客的乘机流程如图2所示，捷运系统作为航站区运行的“一环”，一旦出现问题，将引起一系列连锁效应，对旅客组织将产生重大影响，考虑到机场运行不能中断，对于捷运系统高可靠性尤为重要。捷运系统运行直接从属于机场运行管理，有关运行方案决策均需得到机场认可，作为保障机场运行的系统，只要机场客运服务不停，其机场捷运系统就必须保持运转。

图2 机场旅客乘机流程

1.2 高可用性要求：定制化的运营方案

捷运系统并无早晚点概念，搭乘捷运系统的航空旅客追求的是捷运列车的发车间隔，即运营间隔，根据 MH/T 5104—2006《民航机场服务质量》的规定，捷运系统95%的旅客等候时间不应超过5 min，因此规定捷运系统发车间隔不能大于5 min。同时，航空旅客客流容易受到航班延误、恶劣天气等环境因素的影响，产生较大的波动，因此，与之配套的捷运系统的运输组织方案必须灵活适配，以保证服务水平。

1.3 空防安全要求：客流的清分与渠化

空侧捷运系统必须要满足机场空防安全的需求，空防安全的目标是为了防止蓄意或意外通过捷运系统侵入航站楼、飞行区等机场隔离区域，给旅客组织和航空设备带来安全隐患。

安全管控，一方面应通过执行机场相关隔离区管理标准对旅客和运维人员进行隔离，另一方面，应采用科学的方法论对旅客运输过程中影响空防安全的危害源进行分析，评估其对空防安全的影响程度，制定有效的危害规避或缓解措施。

捷运系统的同一列车同时运输国内、国际旅客时，车厢、车站对国际/国内的旅客采取分隔措施，因此车厢和站台属于空防安全管理的范畴。列车停站期间，到港/离港旅客应进行客流清分，防止出现混流和对冲，因此客流清分也属于空防安全管理的范畴。

2 上海浦东国际机场捷运信号系统系统功能介绍

上海浦东国际机场捷运线信号系统部署在车辆基地（包括：控制中心、维修中心、培训中心），卫星厅S1/S2设备集中站，运营列车以及轨旁线路上（图3）。

1）列车自动监视系统（ATS）：ATS部署在控制中心，主要负责监视和控制信号设备、自动/人工排列进路、追踪列车以及运营调整。

2）计算机联锁（CBI）：CBI部署在S1/S2设备集中站和车辆基地，主要负责监视和控制轨旁信号设备、进路管理、列车的安全间隔防护。

3）区域控制器（ZC）：ZC部署在设备集中站，主要负责列车管理、位置追踪、列车移动授权计算。

图3 系统逻辑结构框示意

4）车载控制器（OBCU）：OBCU部署在运营列车上，划分为列车自动防护子系统和列车自动驾驶子系统。

5）维护管理系统（MMS）：MMS部署在控制中心、维修中心、轨旁设备集中站，主要负责信号设备状态检测、报警与统计、维护辅助。

6）数据通信系统（DCS）：DCS部署在控制中心和轨旁设备集中站，是由提供端到端数据安全防护的轨旁有线通信网络和车地无线通信网络两大部分组成的实时宽带数据通信系统，其主要作用是为信号系统的中央、轨旁和车载各控制子系统之间构筑安全、可靠、实时、透明的信息传输平台。

7）计轴系统（ACS）：计轴系统部署在设备集中站和室外线路，包括室内计轴机柜和室外计轴检测点，将线路划分成为不同的计轴区段，辅助CBI实现进路功能，并能够对ATP故障列车、未装备ATP设备的列车进行辅助定位。

2.1 中央集中控制

与传统轨道交通两级控制方式（包括：中央集中控制和车站现地控制）不同，为避免捷运系统运维人员频繁进出空防区域，同时节约卫星厅建筑用地，上海浦东国际机场捷运线S1/S2卫星厅设备集中站不设置控制室，仅在车站弱电综合室设置ATS监视工作站，为保障系统可靠性，采用中央同地两级控制方式（图4）。

图4 中央集中控制模式

正常运营模式下，由中央ATS冗余服务器对全线列车（包含正线区域和车辆基地）进行统一调度指挥，应急情况下，中央ATS冗余服务器完全故障，中央ATS备用服务器可以无缝接管，正在运行的列车计划不会中断。中央ATS备用服务器与中央ATS冗余服务器设置在不同的地点，采用独立供电方式。

作为机场捷运系统的专用构成部分，捷运信号系统的建设充分考虑了机场的远期规划、分步实施和经济节能。远期规划，当新的航站楼建成投用接入到捷运系统之后，中央ATS备用服务器将会迁移，并升级成为备用控制中心，主用控制中心和备用控制中心采用相同的设备配置和外部接口，热备冗余，提升捷运系统可靠性。

2.2 特定控区划分

为满足机场全天候航空旅客运输的需要，捷运系统在规划设计阶段即开始注重提高系统的可靠性，如图5所示，T1-S1/T2-S2采用双线穿梭运行方式，A线和B线互为备份，C线和D线互为备份，单线故障时，航站楼至卫星厅的列车运行间隔拉长，客运服务不会中断。捷运信号系统全线划分成为3个联锁控制区域，其中，车辆基地作为独立的联锁控制区域，正线A/B/C/D四根股道包含T3预留站台，划分成为2个联锁控制区域，其中A/C一个联锁控区，B/D一个联锁控区，A/C、B/D联锁控制区域的边界在卫星厅（S1/S2）站后道岔区域和T3站台前道岔区域。

图5 特定控制区域划分技术方案

3 上海浦东国际机场捷运信号系统创新设计实践

3.1 全天候不间断运营的列车运行计划

地铁列车采用时刻表组织列车运营，时刻表一般分为工作日、休息日、节假日和特殊日期，时刻表一旦编辑完毕，短时间内不会发生较大的变化，而是以季度、半年或整年为调整周期，根据线路客流的变化调图。捷运系统列车运行计划需要覆盖24 h，且能够灵活调整，满足机场航班延误和恶劣天气对客运组织的影响，必须定制化设计捷运系统的运营方案。

如图6、图7所示，捷运系统列车运行计划T1-S1/T2-S2相互独立，将全天24 h划分成为不同的时段，每一个时段采用不同的运营间隔，并可以设置某根轨道是否投运。列车运行计划具备自动调整功能，考虑到航站楼至卫星厅双线穿梭的特点，系统会自动调整列车跑“匀”，即一列车从航站楼出发的同时，另一列车应从卫星厅同时出发，2根股道列车交替运行。当一列车因故停站时间过长或扣停在站台，故障恢复后，系统会首先调整列车跑“匀”，然后通过调整停站时间和区间运营等级的方式进行追赶，保证全天列车运行兑现率达标。

图6 列车运行计划

图7 列车实迹运行图

3.2 自动穿梭模式

捷运列车航站楼至卫星厅一个单程约为5 min，传统地铁列车从起点站运行至终点站一个单程约为50 min，捷运列车运营过程中换端切换车头的频次约为传统地铁的10倍。为降低司机作业的强度，减少驾驶室司机控制台机械设备（钥匙、方式方向手柄等）使用频率，延长设备使用寿命，特设计自动穿梭模式 SAM（Shuttle Automatic Mode），由信号系统主导列车停站时自动换端、提供列车安全防护、控制列车自动运行（图8）。

图8 自动穿梭驾驶模式示意

自动穿梭模式应用场景：

1）SAM模式仅在连续式列车控制级别下车的通信传输正常时有效。

2）SAM模式的进入和正常退出需要在停车时进行。

3）SAM模式下，信号系统提供2种车门控制方式：自动开门/自动关门；人工开门/人工关门。

4）SAM模式下，激活驾驶室内的紧急制动蘑菇按钮，仍旧具备操作的功能。

5）因故障导致SAM模式可用性丢失，立即紧急制动停车，司机插入钥匙，激活车头，人工驾驶列车抵达服务站台。

3.3 正线无人折返

上海浦东国际机场捷运系统具备正线存车功能，存车区域设置在卫星厅S1/S2站后折返线，如图9所示，列车以全自动无人折返模式在卫星厅S1/S2与存车区域之间运行，具备自动进/出站、停站对位自动调整、自动开/关车门、自动休眠/唤醒、工况管理、车辆远程控制等功能。

图9 全自动无人折返示意

全自动折返功能满足线路GOA4运营要求，正线卫星厅S1/S2站后道岔区域和存车线按照GOA4级无人区域要求进行管理，设置SPKS开关对无人区进行安全防护，避免人车冲突。卫星厅站台区域被定义为有人区和无人区转换区，列车在存车区域唤醒成功后，控制中心调度员为列车分派全自动无人驾驶授权，以无人模式运行至卫星厅站台，停稳，打开车门，退出无人驾驶模式至待机模式，司机登乘列车后转换为自动穿梭驾驶模式投入运行。列车以自动穿梭模式完成当日运营任务后，停靠在卫星厅站台，司机转换进入全自动无人驾驶模式，下车后按压轨旁全自动无人折返按钮，为列车分派全自动无人驾驶授权，列车以无人模式运行至存车区域待命或休眠。

3.4 客流清分与车门控制

为满足运营组织和空防管控要求，捷运系统列车载客运营时，国内和国际乘客不能混流，国际到港和离港的旅客不能混流，针对国际反流的旅客，回流区车门开、关应单独进行控制。

如图10所示，列车在T2航站楼与S2卫星厅之间自动穿梭模式运行时，车门与站台门自动联动控制流程如下：

1）列车以自动穿梭模式从T2航站楼到达S2卫星厅对位停车，系统激活下客侧客室区及回流区的车门使能。

2）系统自动打开下客侧客室区及回流区的车门及对应的站台门，启动乘客下客计时，同时向视频清客系统发送清客开始命令，视频清客系统启动，乘客下车。

图10 客室区车门和回流区车门控制方式

3）乘客下客计时结束后，系统自动关闭下客侧客室区的车门及对应的站台门。

4）车门关闭，A端司机观察视频清客系统显示屏，确认没有人员或物品滞留，按压视频清客系统触摸屏上清客确认软按钮，接着按压驾驶台上清客确认硬按钮，清客确认完成，视频清客系统关闭。

5）系统检测到清客确认完成后，取消下客侧客室区的车门使能，同时激活上客侧客室区的车门使能，自动打开上客侧客室区的车门及对应的站台门。

6）系统控制列车自动换端，列车由A端车头激活转换为B端车头激活。

7）停站时间结束后，系统自动关闭上客侧客室区的车门及对应的站台门，并自动关闭下客侧回流区的车门及对应的站台门，给出发车授权。

8）B端司机按压驾驶台上ATO启动按钮发车，列车以自动穿梭模式正常驶出站台。

空侧捷运信号系统应分析空防管理对系统功能设计的影响，针对空防安全需求进行完整度评估。捷运列车客室区（包含国内区和国际区）两侧车门应该独立进行控制，应先开下客侧车门，再开上客侧车门，安全完整度等级需达到SIL4。因此，除了满足上客侧和下客侧车门开/关门指令不能同时给出之外，上客侧和下客侧的车门使能信号也不能同时给出。捷运列车停靠站台后，下客侧车门打开，视频清客系统启动，只有在国际区旅客下客完毕，视频清客系统给出车厢内无人确认信号后，国际区上客侧车门才能允许打开，安全完整度等级为SIL4。视频清客系统有效作用范围为国际区车厢，并应与信号开关门控制逻辑联动，同时，考虑清客系统的可靠性指标和失效概率，清客结果应由司机人工进行确认，清客确认纳入到信号车门使能切换逻辑。