全自動駕駛信號系統(tǒng)功能需求分析

肖 衍 蘇立勇

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，需要開發(fā)新的技術(shù)以提高其可靠性、先進性。全自動駕駛技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、高效的最佳化運行，代表未來軌道交通技術(shù)發(fā)展的方向。

信號系統(tǒng)是全自動駕駛的核心系統(tǒng)，研究全自動駕駛信號系統(tǒng)的功能需求是開展這項工作的基礎(chǔ)，本文從全自動駕駛的影響因素分析入手，梳理信號系統(tǒng)的功能需求、接口，為后續(xù)的系統(tǒng)集成和建設(shè)創(chuàng)造條件。

1 全自動駕駛信號系統(tǒng)影響因素分析

全自動駕駛信號系統(tǒng)具有更高的自動化程度，運行可靠、安全、高效。系統(tǒng)能夠達(dá)到更高的自動化運行等級，列車在全線自動化運行 (含車輛段/停車場)，車輛根據(jù)運營時刻表自動喚醒、休眠，自動投入、退出運營，自動折返，自動停站、啟動，自動控制車門、屏蔽門的開閉，根據(jù)運營需要自動加減車，實現(xiàn)最佳的運行控制，達(dá)到節(jié)能環(huán)保和高效運行的目的。列控系統(tǒng)的核心設(shè)備冗余備份，具有更高的可靠性和安全性，與傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的差別體現(xiàn)在以下3個方面：

首先，要求列車在全線任意地點能夠停車，即能夠應(yīng)對軌道上碰到異物、緊急情況下的人員疏散和應(yīng)急處理、列車故障情況下的緊急停車，能自動出入停車場/車輛段。在傳統(tǒng)線路上，遇到問題司機可以采取措施停車，車輛段停車也是由司機人工完成的。在全自動駕駛線路，以上控制由信號系統(tǒng)自動完成，或者由中心遠(yuǎn)程實現(xiàn)。

其次，粘著控制需要特殊考慮。在有人駕駛的運營模式下，出現(xiàn)雨雪天氣，駕駛員可以第一時間采取措施，避免可能出現(xiàn)的危險。在全自動運營環(huán)境中，遇到惡劣天氣，信號系統(tǒng)應(yīng)能自動感知輪軌打滑的情況，自動實現(xiàn)增大摩擦力，自動降低行駛速度，不影響運力，自動增加發(fā)車密度;還要能夠判斷出系統(tǒng)需要退出全自動運營的條件，及時通知控制中心，改變運營模式或停止運營。

第三，屏蔽門需要聯(lián)動控制。站臺屏蔽門是實現(xiàn)全自動駕駛的前提條件，據(jù)法國巴黎地鐵1號線統(tǒng)計，造成該線行車延遲60%的情況是由于有人進入站臺軌道區(qū)或者干擾該區(qū)域。目前，北京的新建線路都己經(jīng)安裝了屏蔽門，但是全自動駕駛要求對單個屏蔽門的聯(lián)動需要更加精確的控制，另外，安裝屏蔽門需要考慮屏蔽門與車門夾縫內(nèi)人員和物品的探測技術(shù)。

2 全自動駕駛信號系統(tǒng)功能需求

2.1 提高軌道交通自動化運行等級的功能需求

1.全線自動化運行。目前的軌道交通信號系統(tǒng)采用CBTC系統(tǒng)，已經(jīng)基本具備一定的正線自動化運行能力，但在車輛段/停車場仍然依靠人工駕車和計算機集中聯(lián)鎖控制的調(diào)度管理。這種運營方式的好處是車輛段/停車場的管理相對獨立，調(diào)車作業(yè)非常靈活;缺點是由于正線信號系統(tǒng)與車輛段/停車場的信號系統(tǒng)不同，列車出入車輛段/停車場分界點，需要車輛段/停車場信號系統(tǒng)與正線CBTC系統(tǒng)的信息交互，以確認(rèn)列車是否可以繼續(xù)行駛，需要在轉(zhuǎn)換軌停車或減速，因此運行效率不高。要實現(xiàn)車輛段/停車場的全自動運行，應(yīng)將正線CBTC系統(tǒng)延伸到車輛段/停車廠，需要在車輛段新增ATP/ATO設(shè)備，納入正線一體化管理 (由中心統(tǒng)一管理)，全自動運行區(qū)實現(xiàn)車輛自動出入車輛段/停車場，車輛段/停車場設(shè)專門的ATS遠(yuǎn)程終端。

2.行車綜合自動化深度集成ATS。由于車上無司機，原來由司機承擔(dān)的職能，現(xiàn)在由系統(tǒng)和中心接替，中心集中控制、聯(lián)動各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)指揮。因此，行車綜合自動化系統(tǒng) (TIAS)應(yīng)運而生，它深度集成信號ATS、PSCADA和BAS系統(tǒng)，實現(xiàn)以行車為主導(dǎo)的綜合控制系統(tǒng)，有利于提高整個系統(tǒng)的運行效率，減少故障，縮短災(zāi)害情況下系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

3.車載信號系統(tǒng)的喚醒休眠。傳統(tǒng)線路上列車投入或退出運營是由人工操作完成，全自動駕駛情況下，信號系統(tǒng)自動根據(jù)運營時刻表發(fā)給車載信號系統(tǒng)相應(yīng)模塊的喚醒、休眠命令，用于啟動處于休眠狀態(tài)、或關(guān)閉處于運行狀態(tài)在存車線上的或是停車場內(nèi)的列車。

4.駕駛端的自動轉(zhuǎn)換。列車應(yīng)能根據(jù)移動授權(quán)的方向，自動確定運行方向，并自動激活/關(guān)閉相應(yīng)的駕駛端，實現(xiàn)駕駛端的自動轉(zhuǎn)換。換端時不能引起任何ATO數(shù)據(jù)的中斷，如列車門的狀態(tài)/控制數(shù)據(jù)，停站時間，列車的狀態(tài)等。

5.支持全自動洗車作業(yè)。自動洗車功能應(yīng)由車輛段工藝專業(yè)實現(xiàn)，信號專業(yè)與其接口，信號系統(tǒng)增加自動洗車模式以便支持自動洗車功能，信號系統(tǒng)的計算機連鎖設(shè)備與洗車機以硬線接口，信號系統(tǒng)接收洗車機發(fā)來的洗車線狀態(tài)和清洗模式，能夠控制車輛以設(shè)定的模式和速度通過洗車機，完成洗車作業(yè)。

6.空車探測。需要服務(wù)完成后，如果列車自動回到側(cè)線/車輛段/場，沒有操作人員進行目視檢查，需要自動探測列車是否空車。可以考慮利用車載CCTV模糊控制技術(shù)對圖像進行分辨。

7.駕駛模式及其轉(zhuǎn)換。信號系統(tǒng)支持以下6種列車駕駛模式：無人駕駛、蠕動、列車自動駕駛、列車自動防護下的人工駕駛、限制人工駕駛、非限制人工駕駛等。

列車駕駛模式由高等級向低等級轉(zhuǎn)換時，要求列車停車或不停車轉(zhuǎn)換駕駛模式;駕駛模式由低等級向高等級轉(zhuǎn)換時，要求不停車轉(zhuǎn)換駕駛模式。

8.列車工況管理。正線服務(wù)和停車場內(nèi)列車移動前，應(yīng)設(shè)定列車工況，并通過信號系統(tǒng)向正線或停車場內(nèi)指定的列車發(fā)布工況命令。全自動駕駛包含以下工況：喚醒、調(diào)車、正線服務(wù)、停止正線服務(wù)、待命、清掃、休眠、洗車、關(guān)閉、自動區(qū)與非自動區(qū)之間轉(zhuǎn)換運行，此外，還需實現(xiàn)列車自動折返，支持停車場車庫門的自動化運行，行車自動調(diào)整 (ATR)等。

2.2 提高系統(tǒng)的可靠性、安全性

1.信號系統(tǒng)采用完整的ATC，各子系統(tǒng)均需要冗余。增加車載ATO設(shè)備，均需主備冗余、熱備份，出現(xiàn)故障的時候主備“無縫”切換。

2.信號系統(tǒng)需要具有自診斷及中央遠(yuǎn)程監(jiān)督控制功能。信號系統(tǒng)需要增強診斷分析能力，車載與軌旁設(shè)備的實時報警功能，由信號專業(yè)實現(xiàn)，并通過增加與行車綜合自動化系統(tǒng)的接口，將診斷信息匯總到控制中心，強化遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。信號維護監(jiān)測子系統(tǒng)的功能，定位為就地監(jiān)測和遠(yuǎn)程報警。

3.故障/復(fù)位控制使得有人駕駛中由駕駛員復(fù)位的功能能夠遠(yuǎn)程實現(xiàn)。車載檢測裝置判斷車載控制器系統(tǒng)故障，對車輛進行制動停車，向控制中心報警，將相關(guān)故障信息報告控制中心，控制中心復(fù)位車載信號設(shè)備，認(rèn)定故障時段沒有發(fā)生移動方向的變化和車門打開的情況下，列車方可投入運行。

4.障礙物探測。為預(yù)防鋼軌飛進障礙物和檢測列車脫軌，需新增軌道障礙物檢測及脫軌檢測系統(tǒng)。從安全的角度考慮，應(yīng)當(dāng)設(shè)置車載障礙物及脫軌檢測裝置，在列車運行過程中發(fā)生問題時，車輛能及時制動，并將告警信息報告給信號系統(tǒng)。

此外，還需增強備用控制中心，引入車載軌道自動監(jiān)測系統(tǒng)以滿足安全性要求。

2.3 停車功能需求

1.車輛段/停車場停車。車輛綜合基地/停車場定位為全自動車輛綜合基地/停車場，分為全自動運行區(qū)和非全自動駕駛區(qū) (內(nèi)含試車線和檢修車庫)。全自動運行區(qū)域，中心ATS根據(jù)目的地自動觸發(fā)進路，列車將以限定速度直接運行到指定的存車點。停車線停車時，保證列車之間的距離及列車與車擋之間的距離不大于設(shè)定距離 (設(shè)定距離可調(diào)整)。車輛段/停車場防護分區(qū)車輛的移動和停止，受人員防護開關(guān)狀態(tài) (設(shè)于防護分區(qū)入口處)制約。

2.正線車站停車。①停車對位自動調(diào)整。對于誤差大于設(shè)定停車精度時，允許列車自動再啟動對位停車或允許列車倒退對位停車，如果誤差仍大于設(shè)定精度，則跳站。②停車倒退防護。為適應(yīng)全自動駕駛，信號系統(tǒng)需增強倒退防護功能，當(dāng)誤差大于設(shè)定距離時，不允許列車倒退，而直接控制列車運行至下一站停車。同時應(yīng)向行調(diào)人員、車內(nèi)乘客發(fā)出報警、通知。

3.緊急制動停車。在站臺區(qū)域，當(dāng)發(fā)生離站列車失去相關(guān)站臺屏蔽門鎖閉信息，或觸發(fā)站臺緊急關(guān)閉按鈕，車-地通信中斷，車輛、信號系統(tǒng)故障，區(qū)間或車載障礙物探測到人員或物品侵入軌道區(qū)時，應(yīng)觸發(fā)緊急制動停車。另外，接收到授權(quán)行調(diào)人員下達(dá)的緊急停車指令 (ATS能提供遠(yuǎn)程對車輛的緊急制動緩解功能)也應(yīng)觸發(fā)緊急制動停車。

4.列車初始位置確定。全自動車輛基地/停車場需要安裝信標(biāo)，或者采用相關(guān)定位技術(shù)確定車輛的初始位置，正線、停車線也需要同樣的信標(biāo)或相關(guān)定位技術(shù)，以確定車輛的停車位置。

2.4 粘著控制

對于高架線路，由于線路開放，粘著力很容易受天氣狀況、樹葉、昆蟲的影響，而發(fā)生變化。因此需要粘著控制，并對粘著力狀況進行評估。通知控制人員潛在的差別、降低制動率或終止自動運行。需要增加信號與粘著控制系統(tǒng)的接口，車輛應(yīng)增加粘著控制和狀況評估：可以考慮增加雨雪天的特殊駕駛模式，在該模式下系統(tǒng)自動減速運行，按照實際測算的打滑狀況，確定對應(yīng)的減速控制等級，根據(jù)雨雪天氣狀況采用適當(dāng)措施提高摩擦力如灑沙，甚至退出自動運行。

2.5 屏蔽門/安全門的控制

1.對位隔離鎖定功能。車門與屏蔽門/安全門故障對位鎖定功能，是指當(dāng)列車車門故障隔離后，本列車停站時對應(yīng)的屏蔽門/安全門應(yīng)能保持鎖閉，不參與停站的開、關(guān)門作業(yè)。而且，當(dāng)車站屏蔽門/安全門故障或被人工鎖閉隔離后，停該側(cè)站臺的所有列車相對應(yīng)的車門也保持鎖閉，不參與停站的開、關(guān)門作業(yè)。

2.屏蔽門/安全門與車門之間空隙中的人員物品探測。屏蔽門/安全門與車門之間留有空隙以避免它們之間發(fā)生碰撞，從結(jié)構(gòu)限界設(shè)計上就必須留有一定的安全距離。此安全距離恰恰對于乘客卻變成了有害的危險空間，并且這一安全距離越大造成的乘客乘車危險性就越高。綜合考慮選擇采用激光探測、安全擋板等技術(shù)措施，配合以土建，設(shè)計上盡可能減小車門和屏蔽門間隙，以解決屏蔽門/安全門與車門之間空隙的人員物品綜合探測。

3 系統(tǒng)接口

信號系統(tǒng)與外圍多個系統(tǒng)之間有消息交互，圖1是信號系統(tǒng)的接口圖，其中屏蔽門、人員防護、車庫門、洗車機、安監(jiān)中心、車輛、洗車，在實施全自動駕駛后受到影響，發(fā)生變化或需新增接口。為滿足全自動駕駛的功能需求，提高系統(tǒng)安全性、可靠性，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和故障診斷參量的數(shù)據(jù)流，需要從車輛、軌旁和車站上傳控制中心。這就帶來了一系列的接口改變，包括車輛和信號的接口、通信和車輛的接口、信號和綜合監(jiān)控的接口等等。

此外，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，有些原來內(nèi)部接口變?yōu)橥獠拷涌?，如綜合監(jiān)控深度集成ATS成為TIAS，使信號和綜合監(jiān)控之間的接口位置也由控制中心變?yōu)檐囌竞蛙囕v段的信號機房，ATS與車站和車輛段ATP/ATO、CI的接口由信號內(nèi)部接口變?yōu)樾盘柵c行車綜合自動化專業(yè)的外部接口。因此，深入分析關(guān)鍵系統(tǒng)間的接口變化至關(guān)重要。

圖1 信號系統(tǒng)接口圖

4 結(jié)束語

全自動駕駛技術(shù)已成為軌道交通行業(yè)未來技術(shù)發(fā)展的重要方向，有利于提高軌道交通系統(tǒng)的效率，節(jié)約能源，實現(xiàn)最佳化運行。深入分析信號等核心系統(tǒng)的功能需求，定義系統(tǒng)間的接口，是建設(shè)全自動駕駛示范線，開展系統(tǒng)集成和設(shè)計施工的基礎(chǔ)。新一輪城市軌道交通建設(shè)即將開啟，提前做好全自動駕駛技術(shù)的研究和技術(shù)儲備，對于促進我國城軌交通下一步發(fā)展，提高線網(wǎng)的先進性有著十分重要的指導(dǎo)意義。具有廣闊的發(fā)展前景。

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