临港数轨示范线列车进路防护方案

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2020年9月，中国城市轨道交通协会发布T/CAMET00001—2020《城市轨道交通分类》团体标准，并于2020年11月起正式实施。根据该标准，城市轨道交通按照系统制式划分为地铁、市域快轨、轻轨、电子导向胶轮系统等10种制式。由此，电子导向胶轮系统正式被纳入城市轨道交通系统制式系列。数字轨道交通系统亦称磁感电子导向胶轮系统，是电子导向胶轮系统的细分制式(以下简称“数轨”)。其主要特点是采用磁性材料构成轨道，车辆通过装载的磁传感器感应磁性电子轨道，由车载系统控制转向电机实现车辆自导向行驶。作为一种城市轨道交通制式，数轨需遵循城市轨道交通的系统安全理念进行功能设计。本文以上海临港数轨示范线为例，探讨数轨列车进路安全防护方案。

1数轨及上海临港数轨示范线简介

电子导向胶轮系统针对的是城市公共交通出行领域的新场景、新需求和新问题。在上海市交通运输协会团体标准T/SHJX025—2021《电子导向胶轮系统技术标准(试行)》中，将电子导向胶轮系统特点概括为:沿固定的虚拟轨道运行，以胶轮车辆为运输载体，采用轨道交通运营组织模式的公共交通系统。“固定的虚拟轨道”可以理解为固定线路的、非物理接触的、具有导向作用的轨道(可以是磁性轨道、标线或其他形式)，“胶轮车辆为运输载体”体现了车辆的基本型式，“轨道交通运营组织模式”约定了电子导向胶轮系统运营宜遵循轨道交通严格按计划组织行车的基本原则。数轨是电子导向胶轮系统的一种，其主要特点是采用磁性材料构成具有车辆导向作用的虚拟轨道，在国内首条数轨商业运营项目中，上海临港数轨示范线磁性轨道采用的是圆柱形磁钉(磁钉平均间距为1m)。磁性轨道除实现导向功能之外，还可实现车辆运行时的实时精准(厘米级)定位、车速引导、精准报站等功能。这些功能是利用磁性材料的极性特点，通过特定的布置设计形成编码，并与车载电子地图(数轨地图)配合实现的。所以，数轨的虚拟轨道也是数字化道路的一种实现形式，即通过磁性轨道的编码存储线路(道路)信息。数轨与其他城市轨道交通制式一样，也包含线路、车站、车辆、供电等多个专业系统，大多专业系统与城市轨道交通其他制式的同类系统的构成和功能均较为相似。上海临港中运量公交系统是临港新片区公共交通骨干网络，规划线路总长约105km。其中，T1线是临港数轨示范线(见图1)，线路全长21．75km，初期设站10座，配车11列，采用数字轨道技术，列车为3节编组胶轮列车。T1线于2020年8月开工建设，2021年6月，上海市交通运输行业协会组织对该项目进行了初期运营评审。数轨技术在项目应用中体现出的创新性和示范性得到了评审专家的普遍认可，并在评审结论中将该项目认定为“国内首条采用磁感电子导向胶轮系统、具有创新技术的示范线”。T1线于2021年6月30日投入载客试运营。

2数轨列车运行控制系统和调度管理系统

数轨采用电子导向系统，在岔区靠车辆自身转向控制实现线路和运行方向选择，因此，在岔区无需设置机械道岔，也无需设置联锁设备。一般认为，没有联锁的系统也就不再适合称作是信号系统。而数轨的车载系统和调度系统，是完全可以与城市轨道交通其他制式的信号系统的子系统相对应的，故本文将数轨的信号系统称作为列车运行控制系统和调度管理系统。以上海临港数轨示范线为例，该线列车运行控制系统设备布置在车辆上，主要包括感知设备(磁传感器、视觉传感器、雷达等)、通信设备(TAU(数传单元)、OBU(车载单元))、循迹导向控制单元、人机界面和网络设备等。该线调度管理系统部署在控制中心，由服务器、工作站和调度应用系统组成。列车运行控制系统和调度管理系统是数轨的关键子系统，其综合运用了磁感技术、感知融合技术、PID(比例积分微分)控制技术、电子地图技术、车路协同技术，并与列车自身智能控制系统相结合，实现列车循磁性轨道和道岔精准可靠运行、列车运行安全防护、信号优先、辅助驾驶、列车运行监控和调度等功能。实时精准定位是列车运行控制系统的基础。需要重点说明的是，数轨可实现厘米级的、高可靠的列车实时定位。实时精准的列车定位也为实现进路安全防护提供了有利条件。

3数轨列车安全性和进路安全防护需求分析

数轨列车脱离了物理轨道(钢轨)的约束，在非专用路权条件下运行。如果对数轨列车进行安全性系统危害分析，可类比城市轨道交通其他制式，列车脱轨和碰撞都是需要重点分析的顶层危害，但数轨列车脱轨和碰撞事故严重度和暴露概率并不能完全参照城市轨道交通其他制式。以脱轨为例，因数轨列车在路面走行，其脱轨导致车辆倾覆的概率较低，但从工作机理上不难看出，其脱轨概率却明显高于有物理轨道约束的列车。关于电子导向胶轮系统的安全性分析，可检索到相应文献，本文不详细展开。列车在道岔区的进路安全防护，是所有城市轨道交通制式的必备功能和基础功能，也是防止挤岔、侧面冲突等情况发生从而导致列车脱轨或倾覆的需要。与数轨列车运行条件较为接近的有轨电车，其在岔区的进路防护是通过轨旁的联锁控制设备实现的，具体包括列车占用检测设备、信号灯、道岔转辙设备和联锁控制单元等，最终通过信号灯显示的方式向列车驾驶员提供进路指示，从而保证岔区内的行车安全。可与普通社会车辆完全共用路权，是包括数轨在内的各种胶轮运输系统的特有优势。在城市道路资源日趋紧张的当下，应坚持发挥该优势。在上海临港数轨示范线中，列车无物理隔离的专有路权(仅通过标线、标识划定专用道)，在设置避让条件的有岔车站亦是如此，故采用与有轨电车类似的进路防护方案并不可行，尤其是在路中设置进路信号灯，将会对社会车辆的正常通行造成极为不利影响。如前所述，数轨列车运行条件与有轨电车较为接近，其路权形式决定了多采用人工驾驶模式。在选定驾驶模式的前提下，应结合数轨不严格受制于轨道和不便于设置轨旁联锁设备的实际特点，尤其在人工驾驶模式下，靠司机瞭望前方无法杜绝道岔区列车侧面冲突风险，因此，需通过技术手段进行有效规避，实现类似城市轨道交通其他制式的进路防护功能。

4上海临港示范线列车进路防护功能实现方案

上海临港示范线进路防护功能设计所基于的基本背景条件是:①采用磁钉构成磁性轨道(磁钉平均间距为1m)，利用磁钉的极性来构成数字轨道编码，通过连续相邻的磁钉分割形成区段，区段的长度和包含的磁钉数量可以自由定义;②基于地面磁钉、车载磁传感及电子地图，可实现车辆的精准(厘米级)实时定位;③由于无专有路权，车站和岔区无设置信号灯条件，故只能利用列车车载DMI(人机交互界面)实现行车指令信息的传递;④岔区不单独设置联锁控制器和执行设备。以上海临港数轨示范线设置避让条件的典型中间车站(见图2)为例，分析列车进路防护功能实现方案。如图2所示，以下行方向线路为例，根据实际进路数量，在车站设计5个虚拟区段(区段由磁钉构成)，共有3条基本进路:依次经由区段A、区段B和区段D的为进站进路，依次经由区段A、区段B、区段C和区段E的为越站进路，依次经由区段D和区段E的为出站进路。区段A和区段B的分割点为平交路口前的车辆停车线，区段D和区段C的两端与站台两端对应，区段E的结束点设计在距离3#道岔岔心50m(大于列车长度)位置，区段A的长度设计为200m(大于列车安全制动距离)。列车进路和区段关系见表1。该站下行方向3条列车进路防护的设计逻辑如下:当请求进路1的列车驶入区段A时，调度管理系统检查区段B和区段D的占用情况:如被占用或锁闭，则将被占用区段的入口点作为该列车移动授权的终点，并计算移动授权距离发送给列车，司机根据该信息在停车线位置处停车;如未被占用，则对区段B和区段D进行预先占用(锁闭)，并将区段D的终点(站台端头)作为移动授权终点，将计算的移动授权距离发送给列车。当请求进路2的列车驶入区段A时，调度管理系统检查区段B、区段C和区段E的占用情况，逻辑过程与进路1的相同，不再赘述。同时，区段D有列车停车占用时，并不影响进路2的建立，但对于停站列车而言，进路2建立时，其移动授权距离会变为零(因运行前方区段E已被锁闭)，即实现了进路防护。当请求进路3的列车驶出站台端头，立即占用区段E，并同时锁闭区段B和区段C，禁止其他列车驶入车站和岔区，亦实现了进路防护。移动授权信息主要通过车载DMI向列车司机传递。图3为上海临港数轨示范线列车车载DMI界面图。界面的中部(温度计样式柱形图)即为列车实时移动授权距离，其最大刻度值设计为1000m。在实际运行中，当授权距离小于1000m时，柱形图即根据授权距离显示相应刻度(底部显示相应数字)。当授权距离小于列车常用制动距离(如200m)时，除显示刻度外，还同时提供“屏黄闪+提示音”;当授权距离小于列车安全制动距离或跳变为零时，则通过“屏红闪+报警音”方式提示司机。在实际使用中，司机仍主要通过瞭望保证行车安全，本设计功能定位为辅助安全功能。

5结语

本文介绍的列车进路防护方案在上海临港T1示范线应用至今，基本达到了预期目的。尤其在2021年10月份，T1线正式启用“站站停+大站车”快慢车组合运营方案后，列车需在车站进行会车避让，司机仅靠瞭望前方已不能保证行车安全，进路防护功能在保障列车运行安全方面的作用逐渐凸显。该列车进路防护方案的优点较为明显，无需建设额外的轨旁设备设施，技术上易于实现。但也存在一些限制和不足，如:因为取消了轨旁联锁设备，安全逻辑和运算由调度管理系统完成，导致对无线通信的依赖度较高;相比于传统轨旁信号灯显示的方式，通过车载DMI传递列车运行指令，意义有所弱化、易被忽略。但考虑到数轨列车路面走行和目视驾驶的特点，同时从取消轨旁设备和减少维护量的角度出发，这些不足点是基本可接受的。电子导向胶轮系统属新生事物，在技术标准、安全性研究和功能方案等方面还有很大的研究和探讨空间。

作者:张继光 单位:上海电气集团智能交通科技有限公司