全自动运行系统SPKS设置方案研究

陈绍文

（卡斯柯信号有限公司，上海 200071）

近年来，国内无人驾驶[1]线路越来越多。上海地铁10号线已于2014年8月具备GoA4 （Grade of Automation）[2]等级全自动运营的条件。2018年在建的GoA4等级线路有上海14、15、18号线，成都9号线及北京3号线。目前，全国有多条GoA4等级城市轨道交通线路已经规划。

由于列车上将不再安排司机驾驶，一个不可回避的问题也摆在运营公司的面前：在现场发生故障需要人员下轨作业、抢修时，如何能确保作业人员的人身安全？如何对无人驾驶的列车进行有效的防护使其不能进入作业区域？由于无人驾驶正处于发展时期，目前关于无人驾驶方面的研究主要集中在系统功能实现[3]、全自动停车场[4]等方面。尚未对正线及自动动化停车场无人驾驶条件下现场工作人员安全防护问题进行系统性的研究。

本文从系统角度出发，以典型的线路配线、道岔设置为基础，结合列车自动防护（ATP，Automatic Train Protection）[1]原理，论述了轨旁人员作业防护开关（SPKS，Staff Protection Key Switch ）的设置原则和防护原理，并给出了可工程化实施的解决方案。

1 SPKS功能介绍

1.1 SPKS使用场景

在全自动无人驾驶地铁线路中，为了保证轨旁作业人员的人身安全，在信号系统设计时提出了人员作业防护开关（SPKS）的概念。

其功能是在轨旁设备故障需要下轨道进行作业时，由作业人员激活SPKS，在SPKS激活后，轨旁ATP在相应的区域生成防护区，并将防护区信息传送给车载ATP系统，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，从而确保轨旁作业人员的安全。

1.2 实现原理

图 1 为SPKS的信息传递过程，其实现原理如下：（1）将线路划分为若干SPKS防护区域，轨旁对应设置若干个SPKS钥匙开关；

图1 SPKS实现原理

（2）当SPKS钥匙开关操作后，由联锁采集SPKS继电器；

（3） 联锁将SPKS激活状态发送给轨旁ATP系统；

（4）轨旁ATP生成相应的防护区域，如图1轨道中红色标示，同时将列车的移动授权设定在防护区域的末端并发送给车载ATP系统；

（5）车载ATP控制列车在防护区域末端停车。

2 工程应用

在实际的工程应用中需要考虑以下几个因素：（1）SPKS钥匙开关在轨旁的设置位置；

（2）SPKS钥匙开关的设置数量与效率和安全的平衡；

（3）SPKS功能电路应用考虑故障-安全原则；（4）SPKS的运营管理原则。

2.1 SPKS钥匙开关在轨旁的设置位置

对于无人驾驶线路，一般同时配置有自动化停车场，SPKS设置范围包括正线车站和自动化场段。

正线SPKS按联锁集中站进行设置，由集中站统一管理。可以设置在站台端部钥匙开关箱或车控室的IBP(Integrated Backup Panel)盘上。从应用方便性来看，建议设置在车控室IBP盘上。

设置在IBP盘上有以下几个优点：

（1）方便操作，因维护人员下轨作业前需要在车控室申请，申请完成后可以在车控室里直接操作。

（2）方便确认，在IBP盘上同时显示有SPKS对应的区域防护范围图。因此在IBP盘上可以完成操作和确认的过程。

对于自动化场段，SPKS的主要作用是防止自动运行列车对维护人员和列车登车人员造成伤害。正常情况下登车人员需要通过防护地道到达列车。若必须在列车经路上通行时，需要将对应的SPKS激活。因此，自动化场段的SPKS钥匙开关可以设置于场调室的IBP盘或轨旁。

在控制中心和车站的人机界面上应清楚地显示相关SPKS区域的激活状态，以便下轨作业人员与调度确认激活区域的一致性。

2.2 SPKS钥匙开关设置数量

SPKS具体设置数量需要根据实际的线路情况合理设置，同时需要考虑效率和安全的平衡。不能由于少设了SPKS而对轨旁形成防护空白区；也不能由于某个SPKS激活后，对线路的其它部分运营形成较大的影响。

2.2.1 非集中站

对于非集中站，一般区间无道岔，如图2所示，站台B两端为无岔区间。

图2 SPKS配置（非集中站，无岔区间）

SPKS激活后，作业人员需要从对应的站台端门下轨，因此站台B可以在站台上下行两端分别设1个SPKS钥匙开关。

注：根据《地铁设计规范》[5]26.3.1条规定，每侧站台门两端宜各设一樘端门。

每个SPKS对应的防护区域包括本站台区域+相应的区间。

考虑到运营效率，如SPKS2，设置后尽量不影响站台C接车。因此SPKS2所产生的防护区域需要考虑站台C接车所需OVERLAP的长度。以让列车可以进站精确停车以方便上下客。

无接车需求的站台，SPKS的防护范围可以到站台端点，如SPKS1 和 SPKS4的防护区域。

2.2.2 有岔集中站

对于有岔集中站，需要考虑岔区的覆盖范围，如图3所示，站台B一端包含有单渡线P1-P2。

图3 SPKS配置（有岔集中站）

这种情况下，SPKS1 和 SPKS3的防护区域需要分别包含P1-P2的一部分，可以以P1-P2之间的计轴为界。

SPKS激活后，作业人员需要从对应的站台端门下轨，因此站台B可以在站台上下行两端分别设1个SPKS钥匙开关。

考虑运营效率，对于有折返需求的站台，SPKS设置后，应尽量不影响列车折返作业。如图4所示。

图4 SPKS配置（不影响列车折返）

如果作业范围为下图中SPKS防护区域，站台A设置SPKS后，在确保安全的情况下，应不影响列车在B站进行折返作业，以最大程度减少对运营的影响。

对于正线存车线或折返线，可以根据该原则进行合理的设置。

2.2.3 自动化场段

对于自动化场段，需要设置SPKS的区域包括：

（1）停车列检库；

（2）自动洗车线；

（3）试车线；

（4）出、入库线；

（5）自动化牵出线。

对于停车列检库，从实际工程应用经验看，不需要每个库线设置1个SPKS，可以分组设置，如图5所示，如每3个库线为一组设置一个SPKS。

对于出、入库线，可以分为两个区域进行设置，如图5中 SPKS4 和 SPKS5。这样可以在SPKS4设置后，不影响SPKS5区域的出、入库作业。

对于自动洗车线、试车线、自动化牵出线可以单独设置SPKS。

图5 SPKS配置（自动化场段）

2.3 SPKS故障-安全电路设计

SPKS功能为安全功能，应符合故障-安全原则。其功能安全完整性等级应符合CENELEC标准[6-7]中所定义的等级，通过安全分析，该功能为SIL4（Safety Integrity Level）级。

SPKS钥匙开关通过安全继电器和联锁采集单元接口，实际接口设计应做到：

（1）IBP盘上SPKS采用2位钥匙开关；

（2）采用安全型继电器作为接口继电器；

（3）接口继电器常态为励磁状态；

（4）联锁采用双断采集或前后节点采集方式[8-9]。

2.4 SPKS运营管理原则

实际运营管理中，应制定严格的规程对SPKS钥匙进行管理。原则如下(参考《上海地铁关于SPKS管理办法》[10]）：

（1） 下轨作业时由作业人员自行激活钥匙开关；

（2）钥匙由作业人员随身携带；

（3）作业完成后由作业人员恢复钥匙开关；

（4）司机进入区间或在自动化场段登车的情况，可以由车控室工作人员激活后与司机确认。

3 结束语

对于全自动运行系统，工作人员防护是一个必要且安全相关的功能。轨旁SPKS钥匙开关是全自动运行系统必须配备的一个设备。

本文从工程实际应用的角度，从SPKS钥匙开关在轨旁的设置位置、SPKS钥匙开关的设置数量与效率和安全的平衡、SPKS故障–安全原则及SPKS的运营管理原则方面对SPKS进行了系统性分析，并给出了设置方案。

给出的设置方案已经在上海10号线无人驾驶工程项目中得以应用，目前已经成为轨旁作业人员进行安全防护的主要手段。

该方案可为后续全自动运行地铁线路SPK设置提供参考。