捷运智能控制系统在昆明长水机场的应用实践

文：谢欣，陈建广｜北京和利时系统工程有限公司

昆明长水国际机场空侧捷运系统项目是基于ATO 自动驾驶技术的七模块浮车型有轨电车项目，也是民航系统自动驾驶模式的储能式有轨电车项目。项目根据空侧捷运系统项目的需求，结合有轨电车车辆特性，设计了一套以绿色、智慧、安全、多元为特色的新型旅客捷运列车运行控制系统解决方案，为机场旅客捷运工程建设提供了有益参考。

城市轨道交通已迈入绿色、智慧建设新阶段，有轨电车作为城市轨道交通低运能系统之一，具有节能环保、舒适安全、运营灵活、成本适宜的特点，目前已在多个城市开通运营，但受到开放式路权的限制，大多数已开通的有轨电车线路均存在采用人工驾驶方式、旅行速度低、安全性不足等问题。

机场空侧捷运具有24 小时不间断运营、客流随航班动态变化、高强度折返换端、空间集约、全寿命周期的高效运维、对标航空高品质、高效率的客户服务等要求。目前已建设的空侧捷运项目大多采用APM 系统，国内信号系统厂商都在积极探索，努力找寻更多更优的解决方案，有轨电车便是优选之一。昆明机场空侧捷运系统采用完全封闭路权，采用独立路权的有轨电车，若仍以常规的人工驾驶模式，不能实现自动驾驶及自动折返，严重影响运营效率，同时造成运营成本及强度的增加。因此，在有轨电车的车辆基础上，研制一套新型的满足有轨电车自动驾驶的捷运智能控制系统，可以有效提升运输能力、提高安全性能和自动化能力、降低建设和运维成本、缩短建设周期、实现低碳环保。

一、昆明长水机场旅客捷运工程概况

昆明长水机场航站区改扩建工程旅客捷运工程线路起自长水机场T1 前中心区，利用既有汽车通道敷设，在后中心区设置第二座车站，之后继续沿通道至新建卫星厅S1，设置S1 站，双正线全长1.88千米。为了灵活运营，各站前后均设置了交叉渡线。卫星厅S1 前设停车场一处。线路采用7 模块编组有轨电车。初期配属运用车5 列，预留了远期延伸接口条件。

图1 昆明长水机场旅客捷运线路示意图

昆明长水机场旅客捷运智能控制系统的技术要求如下：

闭塞制式：基于连续无线通信的移动闭塞；

自动运行等级：基于司机操作的自动驾驶（GOA2 级）；

行车间隔：初期4.5 分钟，远期2.5 分钟；远期正线列车最小运行间隔时间满足3 分钟运营的要求，设计间隔时间为153 秒；

最高运营速度：70 公里/ 小时；旅行速度不小于30 公里/小时。

二、捷运智能控制系统智能化、绿色化设计

（一）集中式控制架构设计

为了降低系统设备数量、减少车站设备室面积、减少人员配置、实现车站无人值守等目的，系统采用了集中式控制架构设计：一是调度系统采用控制中心集中控制，配以现地级后备控制；二是正线计算机联锁主机、区域控制器ZC 集中设置在控制中心；三是车站仅设置联锁远程执行设备；四是采用综合电源系统，减少电源设备配置。集中式控制架构设计实现了整个捷运系统的集中监视、调度控制和维护管理，提高了运营调度效率，降低了建设成本，非常贴合机场空侧旅客捷运系统的特点与需求。

（二）基于有轨电车车辆特性的ATO 自动驾驶

捷运智能控制系统采用ATO自动驾驶技术，以提高系统的自动化程度，降低司机劳动强度，提高列车运行效率。由于有轨电车车辆的特殊性，基于地铁的ATO 控车算法无法直接应用于有轨电车。针对这些难点，在自动速度控制算法建模时将其纳入到算法模型中，并建立适用于有轨电车的自动速度控制算法模型，从而提升该系统的适应性和运输效能。

1.影响速度控制的主要因素对比及算法控制指标确定

通过有轨电车与地铁列车牵引制动特性对比研究，确定需特殊控制的点，并根据项目需要确定了达成准点、精确停车、舒适、节能目标的具体数值。

从表1 可以看出，相比地铁列车，要实现自动驾驶技术在有轨电车的应用，在满足相同的自动驾驶技术指标的前提下，必须根据有轨电车控制特点对牵引、制动做特殊处理，同时还要检测、补偿载荷。

表1 影响自动速度控制的主要因素对比

昆明长水国际机场空侧捷运系统项目是自动驾驶技术在有轨电车的首次应用，没有常规技术指标进行约束。因此，本项目综合参考地铁和高铁对于自动速度控制的技术指标及项目需求，确定有轨电车自动驾驶技术指标见表2。

表2 有轨电车自动驾驶技术指标

2.算法控制策略

针对有轨电车的特点，结合算法控制指标，本项目对算法的牵引制动输出控制进行约束。

一是轮径值偏小易发生空转、滑行问题。空转和滑行的发生均是因为牵引力或制动力大于粘着力导致的。为了减少车轮发生空转、滑行的问题，算法通过对比最大牵引加速度、制动减速度和粘着加速度的关系，限制牵引、制动控制输出，从而避免出现牵引力或制动力大于粘着力的情况，避免空转滑行发生。

二是冲击率过大问题。有轨电车本身的冲击率较大，因此必须限制牵引制动输出的速率，即自动速度控制算法输出控制时，需要按照舒适性需求逐渐增大或减小牵引制动率输出，从而保证舒适性。同时，由于在不同速度下列车的最大牵引加速度均不同，因此在牵引控制方面还需要结合列车的最大牵引加速度来控制牵引输出的速率，兼顾效率和舒适性。考虑到机场捷运的旅客携带行李物品的出行特征，本项目ATO 在控车加速和制动过程中采用的最大冲击率参数是 0.25 米每立方秒，较常规地铁最大冲击率0.315 米每立方秒有所降低，提高了旅客乘坐的安全性及舒适性。

三是牵引制动加速度过大问题。针对牵引/制动加速度过大问题，自动速度控制算法需要提高输出分辨率以及提高控制器的鲁棒性，从而避免振荡调节，加快控制的收敛速度。

四是载荷补偿。有轨电车的载荷补偿只能做到±15%，导致精确停车时由于制动系统的不稳定性引起的相同速度下的制动距离偏差较大。针对这个问题，通过减小精确停车对标速度来减少误差。同时，在自动速度控制算法中增加载荷误差计算功能。列车起步后，自动控制算法通过输出的牵引率和制动率计算应产生的加减速度，然后与实际反馈的加减速度进行对比，从而计算载荷补偿误差。最后，在精确停车制动距离计算时，考虑该误差，从而提高精确停车精度。

3.算法控制器设计

针对有轨电车的自动速度控制模型，采用闭环方式，以目标速度为调节目标，同时考虑粘着控制、冲击率控制和载荷补偿控制，进行控制输出调节，设计了速度调节控制器（图2）。从图中可以看出，速度调节控制在控制输出计算模块后，基于有轨电车应用增加了粘着控制、冲击率控制和载荷补偿控制，从而达到适应有轨电车特殊性的应用。

图2 速度调节控制器

（三）多专业深度融合的智能综合调度系统

为了达到降低成本、提升效率和服务质量的目标，在深入调研了捷运系统客流特征、线路特点、车辆结构特性的基础上，系统立足于顶层设计，研发了集行车调度、电力监控、设备运维为一体的多系统深度集成的智能综合调度系统，实现了快速响应的多系统一体化联动。其中，对调度指挥涉及的主要专业进行架构简化、功能整合和软硬件深度集成，减少了专业之间的接口，以及设备数量和人员配置数量，不仅使调度人员能更快速、更全面了解现场情况，准确应对突发事件，而且实现了一岗多能，优化了调度岗位职责设置和运营管理机制。

优化后的调度工作界面以行车指挥和应急处置为核心，在保持关键页面布局和调度使用习惯的前提下，增加了综合调度界面用于展示多个专业的运营关键信息，并突出告警、视频、消防、安防等子系统之间的联动和图符文字指示，呈现多专业、多角度、立体化的完整运营场景，此应用可最大限度地消除突发问题对线路运营所造成的影响，在不降低列车运行安全系数的前提下，实现列车流对乘客流的均衡吸纳，大幅节约设备、人力和经营管理成本，充分满足用户需求。

1.综合调度岗位优化

优化岗位的融合以及值班管理的融合。其中岗位的融合主要是指一岗多能，培养一些能够身兼数职的优秀员工，提升调度指挥工作的质量和效率，促进企业人才发展和人员成本节约。值班管理的融合主要是指对调度人员（总调、行车调、环调、电调、客运调、设备维修调、车站值班员）进行合理合并，提升工作人员与各项业务之间的熟练程度。

具体措施如下，一是针对岗位设置分析人机界面设计，以便适应综合调度的调度操作需求以行车指挥为核心，并保持既有的页面布局，保证调度使用习惯；在既有按照专业划分的页面基础上，增加综合调度界面；综合调度界面展示各专业信息，为综合调度人员呈现完整行车调度场景，方便处理各种突发事件。二是集成CCTV 视频监视器、FAS 界面、安防接口等。三是故障应急时突出应急告警事件及图形符号。

2.共享数据平台

实现信息数据和设备资源的共享，减少各个系统之间的复杂接口关系，简化故障分析层次；增强多专业之间的联动策略，提高各系统的主动控制性。

3.空铁运输协同

为了充分发挥捷运线路运能，实现根据机场航空客流动态调整捷运列车运行计划，充分发挥捷运运能，防止旅客在机场区域滞留而降低运输体验，将捷运系统与机场信息中心接口，获取航班集中起飞和到达架次、客座率及机场突发事件等信息，同步动态调整捷运线路列车行车密度和时刻表，精准匹配机场客流峰谷变化趋势，快捷调整运输计划，并适时指导旅客行进方向及路线，减少旅客途中的滞留时间，提高旅客换乘效率。该项创新成果对减少能源消耗、降低运营成本、提升机场整体服务质量有重要的意义，在空运出现突发事件，急需快速缓解运输压力情况下其作用尤为明显。

同时，为对标航空高品质服务质量，针对影响运营的关键动态因素（如道岔故障、计轴故障、客流变化、车门故障、车辆照明故障、列车空调故障等），结合捷运线路系统特点，将各种动态因素出现时的期望联动反应和正确应对步骤进行了定义，并将其转换为系统可执行的联动方案，提升系统应急水平，满足机场捷运线路较高服务质量的要求。具体措施：一是捷运行车指挥与机场现场指挥信息中心联动。系统实时衔接航班动态，针对航班集中起降架次、客座率和突发事件，精准对接客流。在航班、客流密集的时间段自主增加车辆数量，减少车辆运行间隔；在其它时间段根据需求适时分配车辆资源。及时适应机场客流的动态变化，能够有效减少能源消耗，降低运营成本，并适时指导旅客行进方向及路线，减少旅客在中转流程的转换时间，提高旅客换乘效率。二是丰富现有多专业联动策略和程控化。针对异常状况，如道岔故障、计轴故障、客流变化、车门故障、车辆照明故障、列车空调故障等，并根据捷运运营的需求，制定指定状况下能达到特定目标的动作序列和步骤，将此序列和步骤转换为系统可以自动和半自动执行的联动方案，自动联动执行或人工确认后自动执行。

（四）多专业综合运维

智能综合调度系统中配置了多专业综合运维系统，将机电、信号、通信、供电、车辆等多专业运维集成于统一的运维平台，实现多专业融合、多数据共享，有效提高运维效率和减少运维成本。

捷运智能控制系统在控制中心集中设置一套多专业综合运维系统，通过远端采集设备将各专业维护信息汇集到控制中心数据库，通过多功能终端人机界面展示所有专业的维护信息，并通过用户权限管理实现不同用户在相同终端上的信息展示和操作权限控制。

三、旅客捷运智能控制系统的应用效果

捷运智能控制系统已在昆明长水国际机场首次实现了国产化捷运系统的应用，于2021 年7 月26 日投入载客运营。昆明长水国际机场空侧捷运系统项目是首个应用新型旅客捷运智能控制系统的有轨电车项目，在传统有轨电车上增加了列车自动防护、自动驾驶、自动运营调整等自动化功能，大幅提高了资源利用率，降低系统的建设和运维成本，提高运营灵活性，减少了调度人员需求，提高了技术的自动化水平和安全防护强度，降低了司机劳动强度，在运营安全、运输效率、节能环保、降本增效等方面取得了显著效果并得到了实际工程的应用验证，得到用户的高度认可。

昆明长水机场旅客捷运系统列车最高时速70 公里，单项行程最快3 分50 秒，行车间隔小于5分钟，实现了T1 航站楼和远距离S1 卫星厅之间的无缝对接。该系统基于无线通信信号系统，在传统有轨电车上增加列车自动防护、自动驾驶、自动运营调整等自动化功能，从列车自动驾驶、智能调度、智慧出行、智能运维四个方面，提升了调度中心、车站、场段、列车运行、运维管理的智能化水平及效率，实现了列车平稳进站、精准停车、无人自动折返以及双折返轨全自动折返功能。

系统的成功应用，在经济效益方面也取得显著进步。一是采用多专业融合的综合调度系统，对服务器和工作站资源进行了整合，减少设备投资，降低约20%的调度相关专业建设成本。二是减少至少中心设备室机柜的物理空间，节省车站机房总面积10%左右。

三是整合孤立的运维系统，统一终端，减少人员投入，提升运维效率20%以上。四是通过扁平化调度，减少中心调度人员，节省人力成本30%。五是24 小时全天候运行，列车人均百公里消耗不足1 度电，相比一般机场摆渡车，每列有轨电车每年可减少二氧化碳排放超过2300 吨。

四、应用前景及展望

昆明长水机场旅客捷运智能控制系统在机场捷运封闭路权场景下的应用，对有轨电车应用市场的拓宽和发展具有重要意义，对于基于无线通信的移动闭塞信号技术应用于封闭路权的城市轨道交通低运能系统领域也有重要的示范意义。鉴于机场捷运系统的典型特征，以及低运能运行系统自主化装备的技术进步、产业升级趋势及发展机遇，通过应用示范，将新型旅客捷运列车运行控制系统推广至国内枢纽机场的旅客捷运线路和低运能系统线路，建立产业规范与体系，有助于提升我国机场空侧捷运系统的技术优势，从而带动产业发展，培育多元化市场环境，推动轨道交通高端装备的产业化，助力轨道交通产业走向国际化市场，为后续乃至在全球空侧轨道交通以及低运能系统线路的运用打下坚实基础。