智能轨道快运系统地面防护及路口优先系统设计

石阳阳，刘光勇，吴金勇

（湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005）

0 引言

智能轨道快运系统（autonomous-rail rapid transit，ART）是一种新型的中低运量城市交通制式，具备系统简洁、成本低、运营灵活、适应性强、基础建设周期短等特点，为缓解城市交通压力提供了一种解决方案。近几年，湖南株洲、江西永修、四川宜宾等城市先后建设了ART线路并投入运营[1]。

随着ART的推广，其线路场景越来越丰富，业主对ART运营有了进一步的认识，同时也对其信号系统提出了一些定制化的需求，比如进路防护、区段占用/空闲检测、ART专用信号机的监控、站台发车指示、车门与站台门对位隔离、库内泊位管理等功能。

既有的ART信号系统无法完全满足智轨电车在单线双向运行区域、线路交汇处虚拟道岔区域内避免撞车/追尾的进路防护、进站/离站检测、库内泊位管理等功能需求[1]。为较好地满足业主需求，本文提出了一种“地面防护+路口信号优先”的解决方案，其可实现以下功能：

（1）进路防护。在可能存在行车冲突的区域，实施智轨电车进路防护功能，通过检查进路冲突来保障智轨电车运行安全，避免撞车/追尾事故发生。

（2）虚拟区段占用/空闲检测。在关键区域，对智轨电车位置进行实时监测，为进路防护、调度管理等提供条件。

（3）ART专用信号机监控。根据进路条件控制ART专用信号机显示，并实时监测信号机状态。

（4）站台发车指示。智轨电车停站后，系统根据调度计划控制、显示站台发车倒计时，提示司机准时发车。

（5）站台门控制。系统通过与站台门系统的接口进行信息交互，实现站台门联动和对位隔离功能。

（6）库内泊位管理。系统通过智轨电车检测设备判断车辆段/停车场的停车位占用/空闲状态，并反馈给调度管理系统，实现库内泊位管理。

（7）路口信号优先。系统与市政道路交通信号控制系统接口，共同实现智轨电车在交叉路口处的优先通行。

本文基于ART地面防护与路口优先系统提出了对既有ART信号系统架构的优化方案，分析描述ART地面防护及路口优先系统的功能和特点，并通过测试验证了效果。

1 ART信号系统架构优化

既有的ART信号系统包括调度管理系统、路口信号优先控制系统和车载信号系统。调度管理系统主要实现智轨电车运行监视、信号设备状态监视、运行图管理、运营调整和运营数据统计等功能。路口信号优先控制系统根据接收到的智轨电车优先命令，通过道路交通信号控制系统实现智轨电车在交叉路口处的优先通行。车载信号系统主要实现车辆测速及定位、辅助驾驶曲线计算、站台门联动、路口优先申请/取消、车辆工况检测、车-地数据传输、数据记录和存储等功能。

既有架构要求在每个路口设置一台路口信号优先控制柜，其与市政道路交通信号控制系统接口，共同实现智轨电车在路口处的优先通行权[2-3]。

根据智轨市场需求，在ATR信号系统中增加地面防护及路口优先系统，并对既有的信号系统架构进行优化，如图1所示。图中，白色图框为既有信号系统设备，绿色图框为新增地面防护及路口优先系统设备，蓝色图框为信号系统之外的外部系统设备。

图1 优化后的信号系统架构示意图Fig.1 Optimized structure of the signal system

从优化后的系统架构可以看出，在控制中心设置一套地面防护及路口优先系统控制器，主要用于实现系统逻辑控制功能；在每个站台设置一套地面防护及路口优先系统执行器，主要用于实现与路口优先信号机、道路交通信号控制柜、进路防护信号机、出站信号机、智轨电车检测设备、站台门系统的接口。

智轨电车在交叉路口位置的信号优先功能由附近站台区域的执行器实现即可，每个交叉路口处不单独设置路口信号优先控制系统。

以宜宾市智轨交通T1线为例，其主线全长16.1 km，共设有车站14座，平均站间距约1.1 km，沿线有交叉口24个。既有方案需要设置24台路口信号优先控制器；优化后的方案只需要设置“14台执行器+1台控制器”，其既保留了路口信号优先功能，又可以实现进路防护、区段占用/空闲检测、智轨专用信号机监控、站台发车指示、车门与站台门对位隔离等新功能，大大减少了设备数量，提高了资源利用率，同时降低了维护成本。

2 地面防护及路口优先系统功能

地面防护及路口优先系统主要具备进路防护、虚拟区段占用/空闲检测、智轨专用信号机监控、站台发车指示、站台门联动控制、库内泊位管理和路口优先等功能。

2.1 进路防护

系统根据联锁逻辑在关键区域为车辆运行建立进路防护，以确保信号机、区段之间正确的联锁关系[4-5]。

为提高智轨电车在虚拟道岔区域处的行车安全性，在道岔区域前设置进路防护信号机，仅允许不冲突的进路防护信号机同时开放，司机根据进路防护信号机显示行车，从而对虚拟道岔区域实现进路防护。

虚拟道岔区域示意如图2所示，该虚拟道岔区域共存在8条进路。针对每条进路，分析可同时开放的进路和敌对进路，结果见表1。

图2 虚拟道岔区域示意图Fig.2 Schematic diagram of the virtual turnout area

表1 虚拟道岔区域进路表Tab.1 Route table of the virtual turnout area

系统支持线路上部分区域单线双方向运行，同一区间内同一时间仅允许一列车通行，即当其被电车占用时，控制对应的防护信号机显示为禁止信号，直到电车出清。通过进路防护，避免同时授权多列车进入该区间。单线双向运行区域示意如图3所示。

图3 单线双向运行区域示意图Fig.3 Schematic diagram of the single-line two-way operation area

2.2 智轨电车检测

在智轨电车上和线路旁安装配套的车辆检测设备，如信标、超宽带（ultra wide band，UWB）、环线等设备。当车载检测设备与地面配套检测设备在可通信范围内时，系统检测到车辆信息并判断以下状态，从而实现对线路上关键区域行车状态的准确检测和监视：

（1）虚拟区段占用/空闲状态，车辆检测设备正常/故障状态；

（2）智轨电车进站/停站/离站状态；

（3）智轨电车接近/进入/离开路口区域状态；

（4）充电位占用/空闲状态。

2.3 信号机监控

在进路防护区域，系统根据进路条件控制信号机显示并实时采集信号机状态信息。

在平交路口区域，系统根据道路交通信号控制机（traffic signal controller，TSC）反馈的优先信息控制信号机显示并实时采集信号机状态信息。当TSC故障或系统与TSC通信发生异常时，系统控制信号机显示禁止信号。

当进路防护信号机与路口优先信号机合并设置时，在同时满足进路开放条件、道路交通允许通行条件的前提下，系统才能控制该信号机开放。

在站台区域，系统根据虚拟区段状态、站台门状态等信息控制出站信号机显示并实时采集信号机状态信息。当接近路口侧的出站信号机与路口优先信号机合并设置时，须满足出站防护条件且道路交通允许通行时，系统才能控制该信号机开放。

2.4 站台门控制

系统与站台门系统接口，以实现以下站台门监控功能[6]：

（1）支持车辆的控门命令。系统收到车辆的控门命令后，根据智轨电车检测结果判断车辆是否在站台范围内。若在，则向站台门发送控门命令并把来自站台门系统的状态信息发送给车辆；若不在，则不发送。

（2）支持中心的控门命令。系统收到来自调度管理系统的控门命令后，向站台门发送控门命令并把来自站台门系统的状态信息发送给调度管理系统和车辆。

在智轨电车进站停车开关门时，为保证车门与站台门开闭的一致性，系统将来自车辆的车门故障信息发送给站台门系统并将来自站台门系统的站台门故障信息发送给车辆。当单个车门或站台门异常时，对应位置的站台门或车门应保持为相同状态，以保证上下车乘客的安全[7]。

2.5 路口优先

系统检测到智轨电车接近路口时，向道路交通信号控制系统TSC发送优先申请；检测到智轨电车离开路口时，向TSC发送结束优先信息，与TSC一起实现智轨电车在路口处的优先通行。确保ART专用信号机已与社会交通灯联动，社会交通灯未开放通行时，对应的ART专用信号机显示为禁止信号[8]。

系统支持调度中心优先控制，具备同时管理多个路口的电车优先功能。系统优先策略如下：

（1）对早晚点车辆设置优先级，晚点车辆可以获得较高的优先级。

（2）同优先级的请求按照“先到先得”的原则向TSC申请，即先到的车辆优先通过。

（3）高优先级的请求可以插到低优先级请求的前方。

（4）正在执行的优先请求不能被其他优先请求打断。

2.6 库内泊位管理

在车辆段/停车场泊位区域设置车辆检测设备（例如信标/UWB/环线设备等）。当车载检测设备与地面配套检测设备在可通信范围内时，系统通过检测得到的车辆信息来判断虚拟区段的占用/空闲状态，从而实现库内泊位状态检测。

系统将库内泊位状态信息发送给中心调度管理系统，调度员根据泊位状态调整调度计划，从而实现泊位管理功能。

3 地面防护及路口优先系统特点

该地面防护及路口优先系统具备如下特点：

（1）实现电车在单线双向运行区域、虚拟道岔区域的进路防护，提高运行安全性及运行效率。

（2）利用虚拟区段对站台、路口等关键区域行车进行监视，避免因基于全球卫星定位系统（global positioning system，GPS）的智轨电车定位不准而导致的站台门错误打开、站台乘客信息系统（passenger information system ，PIS）/乘客广播系统（passenger address system，PA）错误提示、过早/过晚申请优先等问题的发生。

（3）在满足地面防护功能需求的基础上融合了路口优先功能，并且支持同时管理多个路口，优化了地面设备配置，减少了硬件投资，降低了运维成本。

（4）新增库内泊位状态检测及管理功能，为车辆段/停车场管理提供便利。

（5）核心控制单元的安全完整性满足SIL2等级要求。

（6）系统既支持中心集中控制，也支持本地分散控制，可根据具体项目需求进行灵活配置。

4 测试验证

该地面防护及路口优先系统已在吴江捷运系统T1工程项目中布设。该项目线路全长约5.1 km，设有5座车站（其中2座为预留车站）、1座停保场和1个控制中心。在停保场控制中心设置1台地面防护控制器，以实现全线防护逻辑处理和管理等功能；在线路起点站（同里站）、线路中间（大庙路与崇本路交汇处）、线路终点站（同里古镇站）、停保场各设置1台地面防护执行器，以实现地面防护及路口优先系统的现地接口功能及智轨电车在交叉路口处的信号优先功能。部分线路平面布置示意如图4所示。

图4 部分线路平面布置示意图Fig.4 Schematic diagram of partial line layout

该项目现阶段已完成系统联调，能够实现进路防护、虚拟区段的占用/空闲检测、通过控制ART专用信号机来给司机提供行车指示、智轨电车进站/离站检测、路口优先、库内泊位状态检测及管理等功能。截至目前，此ART线路未发生过车辆碰撞、追尾等事故，相比不具备泊位管理的ART线路，地面防护及路口优先系统的应用大大提高了库内泊位利用率和管理效率，保障了运行安全，提高了运营效率，满足项目需求，达到预期效果。

5 结语

本文提出了一种ART“地面防护+路口信号优先”的解决方案，优化了既有信号系统架构，通过自动化、智能化设备为智轨电车司机提供准确、实时的辅助行车信息，提供电车在单线双向运行区域、多条线路交汇区域的行车安全防护功能，能够有效避免撞车、追尾等事故发生；提供站台发车指示、站台门联动控制功能，能够优化站台作业；提供库内泊位管理、路口优先等功能，能够提高作业效率。相比既有的基于调度计划和司机目视行车避免冲突的方式，该方案能显著降低工作人员劳动强度、提高运行安全性和运营效率，可为后续相关项目的建设提供参考，为将来ART线路成网运营、系统智能化发展提供条件。

随着ART的逐步推广，市场项目对ART信号系统的功能需求趋于多样化和高度集成化[9-10]，后续将从以下几个方面对系统持续优化升级，以提高运行安全性和运营效率：

（1）车站PIS控制功能集成。系统集成车站PIS设备控制功能，包括PIS屏显示控制、播放控制、时间显示设置及同步设置等。

（2）车站PA控制功能集成。系统集成车站PA设备控制功能，包括广播范围控制、多音源支持、播放功能、接收功能、优先级功能、预示音功能和广播自动退出功能等。

（3）车站机电设备管理。系统预留与车站视频监控、紧急呼叫、自动售检票、空调、照明、电扶梯、电源、消防等系统的通信接口，实时获取所辖范围内的机电设备工作状态并反馈给调度管理系统/综合运营一体化平台，并通过地面防护及路口优先系统实现对车站设备的联动监视、管理及控制，为实现智慧车站打下基础。