全自动运行系统中联锁设备新增功能研究及优化设计

李晓静，张家铭

（1.卡斯柯信号有限公司，北京 100070；2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

全自动运行系统（fully automatic operation system，FAO）是一种城市轨道交通系统，其运用计算机、通信、控制和系统集成等技术实现了列车运行全过程自动化，涉及车辆、信号、综合监控、通信、站台门、车库门和洗车机等多个子系统。全自动运行系统中信号系统与其他系统联动，自动实现列车唤醒/休眠、库内发车、进出段、站台停站/发车、对位调整、站台清客、开/关门、自动折返、回库和自动洗车的清扫等正常作业，以及乘客紧急呼叫、人员防护、车辆/站台火灾、障碍物检测、车门/站台门对位隔离、雨雪模式和蠕动模式等异常事件处理，实现列车全自动运行，不仅达到节能环保的目的，也能避免人为操作失误导致的运营故障。信号系统由在传统CBTC 信号系统升级为FAO 后，计算机联锁设备也相应新增了如人员防护开关（Staff Protection Key Switch，SPKS）防护、反向跳跃管理、站台清客确认、再关门控制、间隙探测、列车全自动洗车和自动控制车库门等适应FAO 的功能及接口。本文将对上述新增功能联锁逻辑控制及接口信息交互进行分析和说明。

1 全自动运行系统联锁设备新增功能

1.1 SPKS 防护

1.1.1 SPKS 使用场景

全自动无人驾驶地铁线路，列车上无司机值守，当运营人员或者维护人员需要进入全自动运行区域抢修、排查故障或者日常巡检等作业时，需要激活人员防护开关，建立一个封锁区域来保护作业人员的人身安全。

1.1.2 SPKS 联锁功能

在正线各车站车控室综合后备盘及车辆段控制室设置人员防护开关及相应指示灯时，联锁设备实现以下控制逻辑。

1）联锁设备和SPKS 开关通过硬线接口，获取SPKS 开关状态。

2）SPKS 激活时，联锁设备禁止排列通向SPKS 防护区域的进路；若通向SPKS 防护区域的进路始端信号已经开放，检查到SPKS 激活条件应立即关闭。

3）信号机因SPKS 开关激活而关闭后，当SPKS 开关未处于激活状态或旁路状态，却满足联锁条件时，信号机应能人工重开信号。

4）SPKS 激活时，SPKS 防护区域内的道岔不可被联锁设备逻辑操动，如进路操作、保护进路触发操作等，但可通过人工单操操动。

1.1.3 和其他系统信息交互

1）联锁设备采集到SPKS 处于激活状态时，通过驱动SPKS 继电器和门禁系统接口，实现与SPKS 防护区门禁设备联动。

2）联锁设备将SPKS 开关激活信息发送给列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，ATS）用于人机界面显示，告知行调人员SPKS 已处于激活状态。

3）联锁设备将SPKS 开关激活信息发送给轨旁列车自动保护系统（Automatic Train Protection，ATP），使列车不能越过防护区，以阻止无人驾驶的列车进入作业区域。

1.2 反向跳跃

1.2.1 反向跳跃使用场景

反向跳跃是全自动运行系统控制列车低速小距离运行的模式，应用于列车停车对标不准后在一定误差范围内允许列车二次对位停车的功能。

1.2.2 反向跳跃逻辑控制

列车停车对标不准时，车载设备向区域控制器（Zone Controller，ZC）发起反向跳跃请求，反向跳跃功能开始启动。联锁收到来自ZC 的跳跃请求，判断满足跳跃条件（退行路径上的道岔在规定位置没有被反向操纵过，且退行路径上的区段未被封锁等）则回复ZC能够反向跳跃；若条件不满足，联锁设备回复ZC 无法反向跳跃。联锁设备实现以下控制逻辑。

1）某区域因执行反向跳跃作业而锁闭，联锁设备禁止排列通过反向跳跃区域的进路。

2）联锁设备在执行跳跃业务锁闭反向跳跃区域时需要满足如下条件：反向跳跃区域内无对向进路和保护进路锁闭、反向跳跃区域空闲、反向跳跃区域关联的SPKS 未处于激活状态、反向跳跃区域内无区段超限、联锁和ZC 通信状态完好。

3）联锁设备触发保护区段锁闭时，检查与保护区段方向相反且与保护区段有重合的反向跳跃区域未处于跳跃锁闭状态。

4）因跳跃条件不满足而关闭的信号机，在跳跃条件满足后可人工重开信号。

5）有道岔的跳跃区段，联锁设备根据ZC 的跳跃请求和解除信息对跳跃区段内道岔的锁闭/解锁进行控制。

1.2.3 和其他系统信息交互

1）联锁设备接收ZC 的跳跃请求，进行相应的逻辑处理后，向ZC 发送跳跃状态信息。

2）联锁设备向ATS 系统发送跳跃状态信息，在人机界面显示。

1.3 站台清客确认

1.3.1 站台清客确认使用场景

进行站台清客确认时，当列车运行至折返站或终点站停稳且停准后，打开车门及站台门，ATS 下发清客指令，在清客期间车载设备保持车门打开不关闭。由站台值班人员完成清客确认后，按压站台就地控制盘上的清客确认按钮。联锁设备采集到站台清客确认按钮按下信息后，将信息发送给车载设备。车载设备收到站台清客确认按钮按下信息后，发送车门关闭及站台门关闭命令关闭车门和站台门，控制列车自动从当前站台发车。

1.3.2 清客确认逻辑控制

联锁设备无逻辑控制，仅通过硬线接口采集清客确认按钮状态。

1.3.3 和其他系统信息交互

1）联锁设备获取到清客确认按钮按下状态后，发送给车载设备，辅助车载设备管理车门及站台门，控制列车自动从当前站台发车。

2）联锁设备获取到清客确认按钮按下状态后，发送给ATS 系统，在人机界面显示。

1.4 间隙探测

1.4.1 间隙探测使用场景

在有人驾驶线路中，多由司机在关门过程中确认车门和站台门之间是否存在乘客或者异物，确认后司机执行关门操作。由司机确认车门和站台门间隙是否有乘客或者异物可能存在视觉盲区，一旦出现，就可能存在列车车门和站台门夹人夹物未被及时发现而造成乘客伤亡事故及恶劣的社会影响。采用全自动运行系统后，不再需要人工参与车门和站台门间隙内是否有乘客或者异物衔夹的探测工作，而由间隙探测系统执行探测，信号系统获取相关信息进行运算后自动实现列车开关门及离站。间隙探测系统对车门和站台门间隙进行探测，是确保乘客安全和列车行车安全、实现站车一体化的关键技术措施。

1.4.2 间隙探测逻辑控制

1）联锁设备和间隙探测系统通过硬线接口，联锁设备采集相关状态并驱动相关命令发送给间隙探测系统。

2）联锁设备接收车载设备的间隙探测启动命令，当列车在站台停稳，站台门已关闭且锁紧时，联锁设备驱动间隙探测启动命令给间隙探测系统。

3）联锁设备采集间隙探测工作状态及障碍物状态，若间隙探测工作正常时，检测到存在障碍物，联锁设备禁止出站信号开放。

4）联锁设备接收车载设备的间隙探测停止命令后或者列车已完全驶离站台，联锁设备驱动间隙探测停止命令给间隙探测系统。

1.4.3 和其他系统信息交互

1）联锁设备接收车载设备的间隙探测启动命令和间隙探测停止命令，联锁设备给车载设备发送间隙探测工作状态及障碍物状态。

2）联锁设备给ATS 系统发送间隙探测工作状态及障碍物状态，用于人机界面显示。

1.5 自动洗车

1.5.1 自动洗车场景

为实现全自动驾驶的相关要求，全自动运行系统下的车辆段/停车场新增全自动洗车作业。信号系统需增加与洗车设备的接口及控制逻辑，以实现全自动洗车功能。

1.5.2 自动洗车控制逻辑

1）联锁设备和洗车机通过硬线接口，获取洗车机就绪状态、移动授权通过状态等，给洗车机发送前后端洗车请求命令。

2）联锁设备将获取的洗车机就绪状态和移动授权通过状态纳入洗车库进路建立、信号开放的检查逻辑中，当洗车机条件不满足时，禁止排列洗车机库区域相关的进路；与洗车库区域相关的进路信号如果已经开放，洗车机条件不满足时，应立即关闭。

1.5.3 自动洗车控制过程信息交互

1）联锁设备和ATP 系统接口，联锁设备将获取的洗车机状态、移动授权通过状态及紧停状态发送给ATP 系统控制待洗列车运行。

2）联锁设备接收ATS 的洗车请求命令并驱动给洗车机完成洗车功能，联锁设备将获取的洗车机状态、移动授权通过状态等发送给ATS 系统用于人机界面显示。

1.6 自动控制车库门

1.6.1 自动控制车库门使用场景

列车出库前，信号系统根据运行计划适时自动触发打开车库门或场段人员根据ATS 计划提前远程人工打开车库门。当信号系统与车库门处于联动控制模式时，信号设备对车库门系统进行监控。

1.6.2 自动控制车库门逻辑

1）当信号系统与车库门处于联动控制模式时，联锁设备根据指令驱动车库门的打开和关闭信息给车库门系统。联锁设备收到了ATS 发送的开门命令，驱动车库门打开信息；联锁设备收到ZC 发送的关门授权和ATS 的关门命令，检查库门区域相关区段空闲未锁闭状态后，驱动关门信息给车库门系统。

2）当车库门处于打开且锁闭状态时，才可以办理进库、出库进路和开放进库、出库进路信号机；若检测到车库门未处于打开且锁闭状态或旁路状态时，联锁设备立即关闭相应的信号机。

1.6.3 车库门控制过程的信息交互

1）联锁设备和车库门系统通过硬线接口，采集车库门开门和锁闭、车库门关好、车库门旁路及车库门控制模式信息，驱动车库门开门和关门命令给车库门系统。

2）联锁设备接收ATS 子系统下发的车库门开门命令和关门命令，联锁设备给ATS 子系统发送车库门开门和锁闭状态信息、车库门关好状态信息、车库门旁路状态信息及车库门控制模式信息。

3）联锁设备向ZC 发送库门状态及车库门关门请求，接收ZC 发送的关门授权信息。

2 优化改进建议

目前，越来越多的城轨项目采用全自动运行系统，为实现相关功能，作为信号系统关键组成设备的计算机联锁设备增加了与SPKS、反向跳跃、清客确认及再开门、间隙探测、洗车机和车库门等设备的接口后，虽有效保证了FAO 系统功能的正常实现，但是确实增加了相应的成本、空间用房及维护成本。因此，系统总体设计应根据全自动线路车站无人、中心直接管理在线列车等特点，对信号系统的结构组成、功能分配等做适应性调整，尽量使整个大系统向中央集中化、设备可靠化、响应快速化的方向优化。

2.1 建议采用全电子联锁设备

目前国内广泛应用的联锁设备为计算机联锁设备，其安全性、可靠性、可用性虽均能满足运营的要求，但执行部分大多仍采用继电器组合，存在大量的继电器节点，配线复杂、设备用房多、能耗成本高且在故障时维护检修难度大、时间较长。随着计算机、自动控制、电子电力和冗余等技术的发展，传统继电式联锁已经向全电子联锁系统逐步发展，采用模块化设计的电子执行单元替代了接口柜、组合柜，单子执行单元更加小型化和智能化，使整个系统控制更加灵活简洁，且采用冗余结构的全电子联锁电子执行单元具有信息采集、状态监测、命令执行和过流保护等功能，并能通过自检、故障监测和诊断等监测报警功能等提高系统的可靠性和可维护性，同时支持板卡热插拔。

2.2 建议采用中心集中控制取消站控设备

既有线路中的计算机联锁设备，结构多采用分散式，将线路分成若干个集中控制区域，每个控制区域对应设置1 套联锁设备，控制中心不设置联锁设备。目前深圳20 号线和深圳16 号线均采用中心集中布置联锁逻辑主机的方式。中心集中布置联锁逻辑主机，改变了传统信号设备的分布式布置方式，大大减少了车站设备，便于信号设备集中管理，实现各种信息实时汇聚，为大数据平台、数据挖掘、智能运维系统提供基础数据，提高了信号系统的稳定性和可靠性，同时减少了后期设备维护的工作量，降低了全生命周期内信号系统维护和管理成本，节省了车站机房面积，为城市轨道交通绿色低碳发展提供了技术支撑。

2.3 建议采用车辆段和试车线设备合设

既有大多数线路，车辆段和试车线会当作2 个独立的控制车站，配置2 套独立的联锁设备。全自动运行线路的车辆段一般采用自动化运行系统，会配备与全自动正线车站一致的信号系统，设置ZC。因此，自动化车辆段可作为一个联锁设备集中站，试车线作为该联锁区控制的非设备集中站，即车辆段与试车线可同时由车辆段信号系统统一控制，设置一套联锁设备，无须单独设置联锁设备对试车线与车辆段进行物理隔离，可通过软件增加隔离措施或者人机工作站划分控制权限等手段实现业务功能，进而实现节省投资成本、节约设备空间、降低维护成本和减少施工量的目的。

3 结束语

随着当前社会的发展和科学技术的不断进步，全自动运行为轨道交通带来了自动化技术和运营服务水平的提高，计算机联锁系统为配合FAO 功能的实现也在不断更新控制逻辑和接口设备，但有一些技术方案和相应规章制度仍需再进一步研究完善，不能简单一味地堆积和叠加，而应该以全自动行车需求为主导，制定更加适合全自动运行的设计方案，优化系统软件控制逻辑，使系统架构更加清晰简洁，功能更加完善，实现全自动驾驶系统节约环保的理念，同时给人们带来更加安全、舒适、便捷的出行体验。