巴西圣保羅13號線車載ATC系統設計

王 成，劉浚鋒，劉 佳

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

巴西圣保羅地鐵13號線是連接瓜魯柳斯國際機場（GRU）與圣保羅市區的一條線路，是南美洲第一條機場線路，全長12.2 km，沿線設有3座車站。13號線車輛前期提供8列（64輛）城軌車輛，為8編組列車，列車的最高運營速度為90 km/h。

1 巴西圣保羅城市軌道交通概況

巴西圣保羅大都會城市軌道交通系統是南美洲最大的城市鐵路系統，擁有13條線路、187個車站，總長377 km，日均客運量830萬人。巴西圣保羅大都會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家軌道交通運營公司。其中，1號線、2號線、3號線、15號線由圣保羅地鐵公司（CMSP）運營。7號線、10號線、11號線、12號線、13號線由圣保羅大都會鐵路公司（CPTM）運營。5號線、8號線、9號線由ViaMobilidade公司運營。4號線由ViaQuatro公司運營。6號線和17號線正在建設。

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

2 巴西圣保羅13號線信號系統結構

巴西圣保羅13號線信號系統是一種基于軌道電路的固定閉塞信號系統。系統結構如圖2所示，系統主要由3部分構成：軌旁設備、地面設備、車載設備。軌旁設備包含信號機、轉轍機、電子信標等基礎設備。地面設備包含軌道電路、聯鎖、地面控制中心。軌道電路實現軌道占用檢測和軌道編碼的發送功能；聯鎖根據調度員辦理列車進路，檢查軌道占用，控制信號機、轉轍機和軌道編碼信息；地面控制中心通過無線數據給車載ATO發送運營命令。車載設備主要包含車載ATC和車載ATO。車載ATC是列車安全防護的核心，依據軌道電路信息、電子信標信息、測速測距等信息實現列車的安全防護，車載ATO實現自動駕駛功能。巴西圣保羅7號線、8號線、9號線、10號線、11號線、12號線均采用與13號線相同制式的信號系統，并且各個線路之間都具備互聯互通條件，列車可以在不同線路之間混跑。

圖2 巴西圣保羅13號線信號系統結構Fig.2 Signal system structure of Sao Paulo Line 13, Brazil

3 巴西圣保羅13號線車載ATC信號系統

車載ATC信號系統通過霍爾速度傳感器+加速度計計算列車的速度和位置。通過車載電子信標讀取器獲取地面電子信標的定位信息，對列車的位置進行校正。通過車載軌道電路讀取器獲取軌道電路的移動授權和限速信息，車載設備根據測速測距單元計算的速度和位置信息及地面的限速信息進行列車速度監控。通過無線通信獲取地面控制中心的運營命令，實現列車自動駕駛功能。

3.1 車載ATC系統組成

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

圖3 車載ATC系統設備組成Fig.3 Equipment composition of on-board ATC system

車載ATC主機實現車載ATC應用功能，包含測速測距功能、列車定位功能、速度監控功能、制動率監控功能和事件記錄功能等。

車載DMI主要提供給司機速度控制曲線顯示、圖標信息顯示、聲音報警等信息。

車載電子標簽讀取器讀取并解析地面電子標簽中的數據信息，用于車載ATC主機實現列車定位功能。

車載TCR讀取解析地面軌道電路中的數據信息，車載ATC主機通過車載TCR的數據信息實時計算當前列車的控制速度，實現列車的速度監控。

車載無線通信單元接收地面控制中心數據信息，車載ATO通過無線通信單元的數據信息實現控車等級、跳停、扣車等運營命令。

車載ATC通過速度傳感器和加速度計計算列車速度和距離信息，通過加速度計獲取列車當前的加速度或減速度，與期望列車制動率進行比較，實現制動力監控功能。

3.2 駕駛模式

車載ATC信號系統具備8種操作模式：未上鑰匙模式、ATO主動操作模式、主動操作模式、繼續限制速度操作模式、待機操作模式、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。

自動駕駛模式(AM)，車載ATO在車載ATC的監控下，控制列車的啟動、加速、巡航、惰行、制動、精確停車的模式。在AM模式下，車載ATC完成與SM模式下相同的監控。ATO在站臺區停準后能夠完成開關門功能。

完全監控模式(SM)，司機通過模式選擇開關來啟用主動操作模式。在主動操作模式下，車載ATC系統應對列車安全運行進行防護。主動操作模式具備功能：獲取并解析地面軌道電路中的限速代碼，根據線路狀況，實現列車定位，實現速度防護；檢查列車的有效制動力；將車載ATC運營狀態顯示給司機。

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

待機操作模式(SB)，待機操作模式用于在非信號線路（站場）以受限速度行駛列車。除了不需要周期識別，與繼續限制速度模式類似。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鍵。該模式下，安全必須由司機確保，靠視線操作列車，遵守線路前方信號。

操作性限制操作模式(RO)，通過將操作模式開關旋轉至操作限制位來激活操作性限制操作模式。ATC設備必須自動把列車的速度限制在推進限制器限制速度（50 km/h）以下。當接收地面線路代碼發生故障時，司機得到地面CCO許可使用此模式運行。該模式下，安全必須由司機確保，靠視線操作列車，遵守線路前方信號。

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

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

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），列車運行在混合軌距線路上時，車載ATC系統通過車載TCR接收和解析定制載頻信息的低頻信號（重疊保護信號），進而實現混合三軌距的軌道占用檢查，以防止事故的發生。原理示意如圖4所示。

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

基于三軌線路的重疊保護信號的軌道占用檢測技術是基于混合軌距的軌道的一種信號控制技術。車載TCR通過同時解析軌道電路中兩種載頻下的低頻信號，獲取不同軌距下軌道電路的占用情況，并將占用情況發送給車載ATC系統，車載ATC系統根據地面軌道電路占用情況控制列車運行。

在有重疊保護信號的區段，車載ATC系統在接收使用有效低頻信號前，需檢測重疊保護信號。如果車載ATC系統接收到有效的低頻信號，但未接收到重疊保護信號，此時車載ATC系統認為前方三軌有占用，需將線路限制速度設置為0 km/h，控制列車停車。如果車載ATC系統接收到有效的低頻信號，同時接收到重疊保護信號，車載ATC系統需按照軌道電路的低頻信號計算限速。

2）速度監控功能

不同于CTCS/ETCS/CBTC信號系統的閉口速度監控方式，巴西圣保羅13號線信號系統的速度監控是超前速度監控。超前速度監控是將本閉塞分區的允許速度作為本閉塞分區的目標速度，在進入本閉塞分區時對列車速度進行檢查，并在離開本閉塞分區前將列車速度降低至該目標速度以下。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，正常接收地面軌道電路發送的允許速度碼信息，并且按照相應的允許速度進行速度監控。

列車運行過程中，列車從允許速度高的軌道區段進入到允許速度低的軌道區段（例如從VMA1進入VMA2）時，車載ATC需要考慮運營的安全性和可用性，既需要對降速進行防護又需要防止降速過程中發生不必要的緊急制動影響運營，根據車輛制動性能和現場試驗調試，提出以下的設計總體要求。

第一，根據車輛制動性能和線路條件，計算當前列車速度防護曲線。

第二，當車載ATC接收到的軌道電路允許速度由低限速變化到高限速時，車載ATC計算的速度防護曲線直接升高。車載ATC按照速度防護曲線對列車速度進行防護。

第三，當車載ATC接收到的軌道電路允許速度由高限速變化到低限速時，車載ATC根據車輛制動性能和線路條件計算列車降速曲線。同時，車載ATC主動輸出切除牽引和最大常用制動，直到降速過程結束。

第四，在降速過程中，基于速度防護曲線，車載ATC對列車速度進行防護，車載ATC速度大于等于速度防護曲線的速度時，車載ATC應施加制動進行防護。

3）制動力監控功能

車載ATC設備需要監控列車制動力，如果車載ATC設備檢測到列車最大常用制動或緊急制動制動力不足，車載ATC需輸出緊急制動命令直到列車停穩。需向司機發出報警信息。

車載ATC設備監控到列車緊急制動力不足，為保證列車的安全停車距離，車載ATC設備必須在收到的最大限制速度（限制速度除外）基礎上降低一定百分比形成最大允許速度。第一次發生緊急制動力不足時最大允許速度降低20%，連續兩次發生緊急制動力不足時最大允許速度降低50%。

當車載ATC連續三次檢測到列車緊急制動力不足時，需提示司機本列車需要回庫檢修。

巴西圣保羅13號線項目沒有線路坡度數據，車載ATC僅通過加速度計進行列車制動力監控。當列車在平坡運動時，列車不受線路坡度影響，列車制動力為F=ma加。當列車在上坡運動過程中，當列車沒有施加牽引力且沒有施加制動力的時候，列車處于減速向上運動的狀態。當前加速度計測量的加速度為a加=0 m/s2。當列車施加最大常用制動或緊急制動時，列車受到前進方向上的制動力F。列車制動力為F=ma加。當列車在下坡運動過程中，當列車沒有施加牽引力且沒有施加制動力的時候，列車處于加速向下運動的狀態。當前加速度計測量的加速度為a加=0 m/s2。當列車施加最大常用制動或緊急制動時，列車受到前進方向上的制動力F。列車制動力為F=ma加。

通過以上的分析，列車運動方向上的制動力總為F=ma加，列車的制動力通過加速度計可以計算得到，與線路坡度無關。

4）自動駕駛功能

車載ATC具備車-地無線通信功能。車載ATC在定位狀態時，列車距前方站臺距離小于50 m（可配置），車載ATC應主動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、關門和運行等級等控制命令。當列車離開后方站臺距離大于50 m（可配置），車載ATC應主動與地面控制中心斷開無線通信。

車載ATC系統根據當前軌道的線路限速信息，計算自動駕駛的控車曲線，最終生成控制命令輸出至車輛，實現列車速度的自動調整。同時，車載ATC系統響應地面控制中心的跳停、扣車等控制命令。車載ATC系統使用安裝在預定位置的地面電子信標來校正列車位置，實現列車站臺精確停車。

列車在站臺停穩后，且滿足列車平臺對中條件，車載ATC根據地面電子信標開門側給出門允許。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在此站未執行過開門命令，車載ATC輸出相應側開門指令。車載ATC接收到地面控制中心的關門命令時，車載ATC應當按照要求關閉車門。

4 結束語

本文對巴西圣保羅城市軌道交通進行了描述，詳細介紹了巴西圣保羅地鐵13號線信號系統。針對巴西圣保羅地鐵13號線的車載ATC信號系統，詳細分析了駕駛模式、軌道電路接收和處理功能、速度監控功能、制動力監控功能，并根據系統功能進行了功能設計，得出了模式控制、軌道電路接收和處理功能、速度監控功能、制動力監控功能設計方案。