王 成，劉浚鋒，劉 佳

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

巴西圣保羅地鐵13號(hào)線是連接瓜魯柳斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)（GRU）與圣保羅市區(qū)的一條線路，是南美洲第一條機(jī)場(chǎng)線路，全長(zhǎng)12.2 km，沿線設(shè)有3座車站。13號(hào)線車輛前期提供8列（64輛）城軌車輛，為8編組列車，列車的最高運(yùn)營(yíng)速度為90 km/h。

1 巴西圣保羅城市軌道交通概況

巴西圣保羅大都會(huì)城市軌道交通系統(tǒng)是南美洲最大的城市鐵路系統(tǒng)，擁有13條線路、187個(gè)車站，總長(zhǎng)377 km，日均客運(yùn)量830萬人。巴西圣保羅大都會(huì)城市軌道交通線路示意如圖1所示。

圖1 巴西圣保羅大都會(huì)城市軌道交通線路示意Fig.1 Schematic diagram of urban rail transit lines in the Sao Paulo metropolitan area , Brazil

巴西圣保羅共有4家軌道交通運(yùn)營(yíng)公司。其中，1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、15號(hào)線由圣保羅地鐵公司（CMSP）運(yùn)營(yíng)。7號(hào)線、10號(hào)線、11號(hào)線、12號(hào)線、13號(hào)線由圣保羅大都會(huì)鐵路公司（CPTM）運(yùn)營(yíng)。5號(hào)線、8號(hào)線、9號(hào)線由ViaMobilidade公司運(yùn)營(yíng)。4號(hào)線由ViaQuatro公司運(yùn)營(yíng)。6號(hào)線和17號(hào)線正在建設(shè)。

1號(hào)線、2號(hào)線采用阿爾斯通的Urbalis CBTC信號(hào)系統(tǒng)。4號(hào)線采用西門子的Trainguard MT CBTC信號(hào)系統(tǒng)。5號(hào)線、15號(hào)線采用龐巴迪的CITYFLO 650 CBTC信號(hào)系統(tǒng)。3號(hào)線、7號(hào)線、8號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線、11號(hào)線、12號(hào)線、13號(hào)線采用自動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)。其中，3號(hào)線正在進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)改造，采用阿爾斯通的Urbalis CBTC信號(hào)系統(tǒng)。6號(hào)線和17號(hào)線正在建設(shè)，6號(hào)線采用日本SPARCS CBTC信號(hào)系統(tǒng)，17號(hào)線采用泰雷茲SelTrac CBTC信號(hào)系統(tǒng)。

2 巴西圣保羅13號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

巴西圣保羅13號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)是一種基于軌道電路的固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：軌旁設(shè)備、地面設(shè)備、車載設(shè)備。軌旁設(shè)備包含信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、電子信標(biāo)等基礎(chǔ)設(shè)備。地面設(shè)備包含軌道電路、聯(lián)鎖、地面控制中心。軌道電路實(shí)現(xiàn)軌道占用檢測(cè)和軌道編碼的發(fā)送功能；聯(lián)鎖根據(jù)調(diào)度員辦理列車進(jìn)路，檢查軌道占用，控制信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道編碼信息；地面控制中心通過無線數(shù)據(jù)給車載ATO發(fā)送運(yùn)營(yíng)命令。車載設(shè)備主要包含車載ATC和車載ATO。車載ATC是列車安全防護(hù)的核心，依據(jù)軌道電路信息、電子信標(biāo)信息、測(cè)速測(cè)距等信息實(shí)現(xiàn)列車的安全防護(hù)，車載ATO實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能。巴西圣保羅7號(hào)線、8號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線、11號(hào)線、12號(hào)線均采用與13號(hào)線相同制式的信號(hào)系統(tǒng)，并且各個(gè)線路之間都具備互聯(lián)互通條件，列車可以在不同線路之間混跑。

圖2 巴西圣保羅13號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Signal system structure of Sao Paulo Line 13, Brazil

3 巴西圣保羅13號(hào)線車載ATC信號(hào)系統(tǒng)

車載ATC信號(hào)系統(tǒng)通過霍爾速度傳感器+加速度計(jì)計(jì)算列車的速度和位置。通過車載電子信標(biāo)讀取器獲取地面電子信標(biāo)的定位信息，對(duì)列車的位置進(jìn)行校正。通過車載軌道電路讀取器獲取軌道電路的移動(dòng)授權(quán)和限速信息，車載設(shè)備根據(jù)測(cè)速測(cè)距單元計(jì)算的速度和位置信息及地面的限速信息進(jìn)行列車速度監(jiān)控。通過無線通信獲取地面控制中心的運(yùn)營(yíng)命令，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛功能。

3.1 車載ATC系統(tǒng)組成

車載ATC系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備包括：車載ATC主機(jī)、車載DMI、車載軌道電路讀取器（Track Circuit Reader，TCR）、車載電子信標(biāo)讀取器、無線通信單元、速度傳感器和加速度計(jì)。其組成如圖3所示。

圖3 車載ATC系統(tǒng)設(shè)備組成Fig.3 Equipment composition of on-board ATC system

車載ATC主機(jī)實(shí)現(xiàn)車載ATC應(yīng)用功能，包含測(cè)速測(cè)距功能、列車定位功能、速度監(jiān)控功能、制動(dòng)率監(jiān)控功能和事件記錄功能等。

車載DMI主要提供給司機(jī)速度控制曲線顯示、圖標(biāo)信息顯示、聲音報(bào)警等信息。

車載電子標(biāo)簽讀取器讀取并解析地面電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息，用于車載ATC主機(jī)實(shí)現(xiàn)列車定位功能。

車載TCR讀取解析地面軌道電路中的數(shù)據(jù)信息，車載ATC主機(jī)通過車載TCR的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前列車的控制速度，實(shí)現(xiàn)列車的速度監(jiān)控。

車載無線通信單元接收地面控制中心數(shù)據(jù)信息，車載ATO通過無線通信單元的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)控車等級(jí)、跳停、扣車等運(yùn)營(yíng)命令。

車載ATC通過速度傳感器和加速度計(jì)計(jì)算列車速度和距離信息，通過加速度計(jì)獲取列車當(dāng)前的加速度或減速度，與期望列車制動(dòng)率進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力監(jiān)控功能。

3.2 駕駛模式

車載ATC信號(hào)系統(tǒng)具備8種操作模式：未上鑰匙模式、ATO主動(dòng)操作模式、主動(dòng)操作模式、繼續(xù)限制速度操作模式、待機(jī)操作模式、操作性限制操作模式、有限隔離操作模式和完全隔離操作模式。

自動(dòng)駕駛模式(AM)，車載ATO在車載ATC的監(jiān)控下，控制列車的啟動(dòng)、加速、巡航、惰行、制動(dòng)、精確停車的模式。在AM模式下，車載ATC完成與SM模式下相同的監(jiān)控。ATO在站臺(tái)區(qū)停準(zhǔn)后能夠完成開關(guān)門功能。

完全監(jiān)控模式(SM)，司機(jī)通過模式選擇開關(guān)來啟用主動(dòng)操作模式。在主動(dòng)操作模式下，車載ATC系統(tǒng)應(yīng)對(duì)列車安全運(yùn)行進(jìn)行防護(hù)。主動(dòng)操作模式具備功能：獲取并解析地面軌道電路中的限速代碼，根據(jù)線路狀況，實(shí)現(xiàn)列車定位，實(shí)現(xiàn)速度防護(hù)；檢查列車的有效制動(dòng)力；將車載ATC運(yùn)營(yíng)狀態(tài)顯示給司機(jī)。

繼續(xù)限制速度操作模式(VR)，用于線路限速為0 km/h(車載ATC接收到VR限速碼)的線路，司機(jī)必須靠目視操作。當(dāng)車載ATC接收到零限速編碼（VR限速編碼），當(dāng)列車速度小于或等于25 km/h時(shí)，車載ATC允許使用繼續(xù)限制速度開關(guān)，按照繼續(xù)限制操作模式的功能要求行駛。當(dāng)車載ATC具備轉(zhuǎn)換到VR模式條件時(shí)，需通過DMI顯示圖標(biāo)提示司機(jī)。繼續(xù)限制速度操作模式最大允許速度為25 km/h。

待機(jī)操作模式(SB)，待機(jī)操作模式用于在非信號(hào)線路（站場(chǎng)）以受限速度行駛列車。除了不需要周期識(shí)別，與繼續(xù)限制速度模式類似。該功能必須由高電平VMA1編碼（大于8 A的線路電流）激活，編碼為180 PPM，前提是列車速度低于某閾值并借助確認(rèn)鍵。該模式下，安全必須由司機(jī)確保，靠視線操作列車，遵守線路前方信號(hào)。

操作性限制操作模式(RO)，通過將操作模式開關(guān)旋轉(zhuǎn)至操作限制位來激活操作性限制操作模式。ATC設(shè)備必須自動(dòng)把列車的速度限制在推進(jìn)限制器限制速度（50 km/h）以下。當(dāng)接收地面線路代碼發(fā)生故障時(shí)，司機(jī)得到地面CCO許可使用此模式運(yùn)行。該模式下，安全必須由司機(jī)確保，靠視線操作列車，遵守線路前方信號(hào)。

有限隔離操作模式(LIS)，司機(jī)需將模式選擇開關(guān)打到隔離位，且推進(jìn)限制器開關(guān)打到正常位，車載ATC進(jìn)入有限隔離操作模式。該模式下，車載設(shè)備不能施加列車制動(dòng)。如果列車的速度超過ATC允許速度，車載設(shè)備必須輸出切斷牽引力。當(dāng)列車速度低于允許速度的90%時(shí)，恢復(fù)列車牽引。該操作模式只需在車載設(shè)備故障情況下使用，不能在正常時(shí)使用。該模式下，安全必須由司機(jī)確保，靠視線操作列車，遵守線路前方信號(hào)。

完全隔離操作模式(UIS)，司機(jī)需將模式選擇開關(guān)打到隔離位，且推進(jìn)限制器開關(guān)打到隔離位，車載ATC進(jìn)入完全隔離操作模式。該模式下，安全必須由司機(jī)確保，靠視線操作列車，遵守線路前方信號(hào)。

3.3 車載ATC功能

1）軌道電路接收和處理功能

基于巴西圣保羅CPTM公司地鐵的三軌線路（具有1 m 和1.6 m 混合軌距的軌道），列車運(yùn)行在混合軌距線路上時(shí)，車載ATC系統(tǒng)通過車載TCR接收和解析定制載頻信息的低頻信號(hào)（重疊保護(hù)信號(hào)），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混合三軌距的軌道占用檢查，以防止事故的發(fā)生。原理示意如圖4所示。

圖4 三軌線路及占用檢測(cè)示意Fig.4 Schematic diagram of the three-track line and occupancy detection

基于三軌線路的重疊保護(hù)信號(hào)的軌道占用檢測(cè)技術(shù)是基于混合軌距的軌道的一種信號(hào)控制技術(shù)。車載TCR通過同時(shí)解析軌道電路中兩種載頻下的低頻信號(hào)，獲取不同軌距下軌道電路的占用情況，并將占用情況發(fā)送給車載ATC系統(tǒng)，車載ATC系統(tǒng)根據(jù)地面軌道電路占用情況控制列車運(yùn)行。

在有重疊保護(hù)信號(hào)的區(qū)段，車載ATC系統(tǒng)在接收使用有效低頻信號(hào)前，需檢測(cè)重疊保護(hù)信號(hào)。如果車載ATC系統(tǒng)接收到有效的低頻信號(hào)，但未接收到重疊保護(hù)信號(hào)，此時(shí)車載ATC系統(tǒng)認(rèn)為前方三軌有占用，需將線路限制速度設(shè)置為0 km/h，控制列車停車。如果車載ATC系統(tǒng)接收到有效的低頻信號(hào)，同時(shí)接收到重疊保護(hù)信號(hào)，車載ATC系統(tǒng)需按照軌道電路的低頻信號(hào)計(jì)算限速。

2）速度監(jiān)控功能

不同于CTCS/ETCS/CBTC信號(hào)系統(tǒng)的閉口速度監(jiān)控方式，巴西圣保羅13號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)的速度監(jiān)控是超前速度監(jiān)控。超前速度監(jiān)控是將本閉塞分區(qū)的允許速度作為本閉塞分區(qū)的目標(biāo)速度，在進(jìn)入本閉塞分區(qū)時(shí)對(duì)列車速度進(jìn)行檢查，并在離開本閉塞分區(qū)前將列車速度降低至該目標(biāo)速度以下。速度控制原理如圖5所示。

圖5 速度控制原理Fig.5 Speed control principle

車載ATC工作在SM模式和AM模式時(shí)，正常接收地面軌道電路發(fā)送的允許速度碼信息，并且按照相應(yīng)的允許速度進(jìn)行速度監(jiān)控。

列車運(yùn)行過程中，列車從允許速度高的軌道區(qū)段進(jìn)入到允許速度低的軌道區(qū)段（例如從VMA1進(jìn)入VMA2）時(shí)，車載ATC需要考慮運(yùn)營(yíng)的安全性和可用性，既需要對(duì)降速進(jìn)行防護(hù)又需要防止降速過程中發(fā)生不必要的緊急制動(dòng)影響運(yùn)營(yíng)，根據(jù)車輛制動(dòng)性能和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)試，提出以下的設(shè)計(jì)總體要求。

第一，根據(jù)車輛制動(dòng)性能和線路條件，計(jì)算當(dāng)前列車速度防護(hù)曲線。

第二，當(dāng)車載ATC接收到的軌道電路允許速度由低限速變化到高限速時(shí)，車載ATC計(jì)算的速度防護(hù)曲線直接升高。車載ATC按照速度防護(hù)曲線對(duì)列車速度進(jìn)行防護(hù)。

第三，當(dāng)車載ATC接收到的軌道電路允許速度由高限速變化到低限速時(shí)，車載ATC根據(jù)車輛制動(dòng)性能和線路條件計(jì)算列車降速曲線。同時(shí)，車載ATC主動(dòng)輸出切除牽引和最大常用制動(dòng)，直到降速過程結(jié)束。

第四，在降速過程中，基于速度防護(hù)曲線，車載ATC對(duì)列車速度進(jìn)行防護(hù)，車載ATC速度大于等于速度防護(hù)曲線的速度時(shí)，車載ATC應(yīng)施加制動(dòng)進(jìn)行防護(hù)。

3）制動(dòng)力監(jiān)控功能

車載ATC設(shè)備需要監(jiān)控列車制動(dòng)力，如果車載ATC設(shè)備檢測(cè)到列車最大常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)制動(dòng)力不足，車載ATC需輸出緊急制動(dòng)命令直到列車停穩(wěn)。需向司機(jī)發(fā)出報(bào)警信息。

車載ATC設(shè)備監(jiān)控到列車緊急制動(dòng)力不足，為保證列車的安全停車距離，車載ATC設(shè)備必須在收到的最大限制速度（限制速度除外）基礎(chǔ)上降低一定百分比形成最大允許速度。第一次發(fā)生緊急制動(dòng)力不足時(shí)最大允許速度降低20%，連續(xù)兩次發(fā)生緊急制動(dòng)力不足時(shí)最大允許速度降低50%。

當(dāng)車載ATC連續(xù)三次檢測(cè)到列車緊急制動(dòng)力不足時(shí)，需提示司機(jī)本列車需要回庫檢修。

巴西圣保羅13號(hào)線項(xiàng)目沒有線路坡度數(shù)據(jù)，車載ATC僅通過加速度計(jì)進(jìn)行列車制動(dòng)力監(jiān)控。當(dāng)列車在平坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，列車不受線路坡度影響，列車制動(dòng)力為F=ma加。當(dāng)列車在上坡運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)列車沒有施加牽引力且沒有施加制動(dòng)力的時(shí)候，列車處于減速向上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)前加速度計(jì)測(cè)量的加速度為a加=0 m/s2。當(dāng)列車施加最大常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)時(shí)，列車受到前進(jìn)方向上的制動(dòng)力F。列車制動(dòng)力為F=ma加。當(dāng)列車在下坡運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)列車沒有施加牽引力且沒有施加制動(dòng)力的時(shí)候，列車處于加速向下運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)前加速度計(jì)測(cè)量的加速度為a加=0 m/s2。當(dāng)列車施加最大常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)時(shí)，列車受到前進(jìn)方向上的制動(dòng)力F。列車制動(dòng)力為F=ma加。

通過以上的分析，列車運(yùn)動(dòng)方向上的制動(dòng)力總為F=ma加，列車的制動(dòng)力通過加速度計(jì)可以計(jì)算得到，與線路坡度無關(guān)。

4）自動(dòng)駕駛功能

車載ATC具備車-地?zé)o線通信功能。車載ATC在定位狀態(tài)時(shí)，列車距前方站臺(tái)距離小于50 m（可配置），車載ATC應(yīng)主動(dòng)與地面控制中心建立無線通信，獲取地面控制中心的跳停、扣車、開門、關(guān)門和運(yùn)行等級(jí)等控制命令。當(dāng)列車離開后方站臺(tái)距離大于50 m（可配置），車載ATC應(yīng)主動(dòng)與地面控制中心斷開無線通信。

車載ATC系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前軌道的線路限速信息，計(jì)算自動(dòng)駕駛的控車曲線，最終生成控制命令輸出至車輛，實(shí)現(xiàn)列車速度的自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)，車載ATC系統(tǒng)響應(yīng)地面控制中心的跳停、扣車等控制命令。車載ATC系統(tǒng)使用安裝在預(yù)定位置的地面電子信標(biāo)來校正列車位置，實(shí)現(xiàn)列車站臺(tái)精確停車。

列車在站臺(tái)停穩(wěn)后，且滿足列車平臺(tái)對(duì)中條件，車載ATC根據(jù)地面電子信標(biāo)開門側(cè)給出門允許。如果車載ATC輸出門允許，且收到地面控制中心的開門命令，且車載ATC在此站未執(zhí)行過開門命令，車載ATC輸出相應(yīng)側(cè)開門指令。車載ATC接收到地面控制中心的關(guān)門命令時(shí)，車載ATC應(yīng)當(dāng)按照要求關(guān)閉車門。

4 結(jié)束語

本文對(duì)巴西圣保羅城市軌道交通進(jìn)行了描述，詳細(xì)介紹了巴西圣保羅地鐵13號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)。針對(duì)巴西圣保羅地鐵13號(hào)線的車載ATC信號(hào)系統(tǒng)，詳細(xì)分析了駕駛模式、軌道電路接收和處理功能、速度監(jiān)控功能、制動(dòng)力監(jiān)控功能，并根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)，得出了模式控制、軌道電路接收和處理功能、速度監(jiān)控功能、制動(dòng)力監(jiān)控功能設(shè)計(jì)方案。