地鐵無人駕駛工程的匹配設(shè)計(jì)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥高級(jí)工程師）

地鐵無人駕駛工程的匹配設(shè)計(jì)

梁九彪

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥高級(jí)工程師）

地鐵無人駕駛作為目前軌道交通現(xiàn)代化的先進(jìn)技術(shù)是一系統(tǒng)工程,涉及信號(hào)、車輛、站臺(tái)門、行車組織、車輛基地配置等多種因素,對(duì)設(shè)備的安全性、可靠性和可用性要求較高,實(shí)施過程中希望能完全實(shí)現(xiàn)相關(guān)匹配設(shè)計(jì)。通過分析實(shí)現(xiàn)無人駕駛的工程技術(shù)條件,要求無人駕駛的控制核心——信號(hào)系統(tǒng)滿足功能需求和實(shí)施方案。提出了當(dāng)前無人駕駛面臨的技術(shù)難點(diǎn)并進(jìn)行完善,從而保障無人駕駛系統(tǒng)安全運(yùn)行和提高服務(wù)水平,對(duì)無人駕駛工程實(shí)施具有借鑒意義。

地鐵;無人駕駛;匹配設(shè)計(jì)

Author’saddress China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

無人駕駛作為地鐵的最先進(jìn)技術(shù),是地鐵運(yùn)營(yíng)的發(fā)展目標(biāo)之一。目前已投入無人駕駛運(yùn)營(yíng)的地鐵的城市主要有溫哥華、吉隆坡、新加坡、哥本哈根等。國(guó)內(nèi)的上海、北京等城市雖已建成具備無人駕駛的線路,但由于無人駕駛是一系統(tǒng)工程,其涉及信號(hào)、車輛、站臺(tái)門、行車組織、車輛基地配置等多種因素,對(duì)設(shè)備的安全性、可靠性、可用性要求較高,而且其在工程實(shí)施過程中未能完全實(shí)現(xiàn)匹配設(shè)計(jì),安全保障方面還需進(jìn)一步提高,因此目前國(guó)內(nèi)還沒有完全真正意義上實(shí)現(xiàn)按無人自動(dòng)駕駛模式投入運(yùn)營(yíng)為目標(biāo)的線路。

地鐵完全無人駕駛一般不配置司機(jī),列車駕駛員執(zhí)行的操作完全由自動(dòng)化的、高度集中的信號(hào)控制系統(tǒng)完成,對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性（RAMS）要求極高。為應(yīng)付車輛、信號(hào)設(shè)備故障,在運(yùn)營(yíng)初期可在無人駕駛地鐵列車上設(shè)巡視員。當(dāng)列車運(yùn)行正常時(shí),巡視員在車上負(fù)責(zé)提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量的工作;當(dāng)列車發(fā)生故障或救援而需要人工駕駛時(shí),由巡視員利用車內(nèi)的人工操縱臺(tái)承擔(dān)駕駛職能。設(shè)巡視員的目的是為了在提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平的同時(shí)積累運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),使無人駕駛技術(shù)逐步完善并得到推廣。

目前設(shè)置司機(jī)的列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng),在地鐵工程應(yīng)用中已經(jīng)成熟。無人駕駛系統(tǒng)應(yīng)在既有系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行構(gòu)建,在線路配線設(shè)計(jì)、車輛與信號(hào)設(shè)備及系統(tǒng)集成、運(yùn)營(yíng)組織等方面進(jìn)行完善提高,從而保證無人駕駛運(yùn)營(yíng)的安全可靠。

1 實(shí)現(xiàn)無人駕駛的工程條件

無人駕駛運(yùn)營(yíng)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)及運(yùn)營(yíng)配套設(shè)備在既有有人自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)上有更高的要求。工程相關(guān)匹配設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面。

1.1 信號(hào)

信號(hào)系統(tǒng)作為無人駕駛系統(tǒng)的控制中樞,在具有很高自動(dòng)化控制能力的前提下,應(yīng)采取冗余措施,保證具有較高的可靠性、安全性。在目前實(shí)現(xiàn)有人自動(dòng)駕駛的設(shè)置模式下,信號(hào)系統(tǒng)需在以下方面進(jìn)行提高并提供保證：

（1）ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）地面/車載計(jì)算機(jī)設(shè)備需采用三取二或二乘二取二冗余安全結(jié)構(gòu),ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）設(shè)備需采用冗余結(jié)構(gòu),要求單個(gè)部件故障不會(huì)影響列車正常運(yùn)營(yíng),同時(shí)具有向控制中心自動(dòng)報(bào)警并能夠及時(shí)得到維修。

（2）采用與正線信號(hào)設(shè)備相同配置的自動(dòng)化的車輛段/停車場(chǎng),主要設(shè)備按冗余結(jié)構(gòu)設(shè)置,納入正線ATS（列車自動(dòng)監(jiān)護(hù)）統(tǒng)一監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)列車出入車輛段、停車場(chǎng)等作業(yè)的無人自動(dòng)駕駛;信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)車輛段內(nèi)的作業(yè),依據(jù)作業(yè)性質(zhì)的不同,分為無人駕駛區(qū)域和有人駕駛區(qū)域的作業(yè);停車場(chǎng)可以全部設(shè)定為無人自動(dòng)駕駛區(qū)域;車輛段及停車場(chǎng)自動(dòng)作業(yè)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)包括喚醒列車起動(dòng)自檢、起動(dòng)列車,以及列車送至正線,列車送回至預(yù)先分配的停車線、洗車線,列車休眠等自動(dòng)控制功能。

（3）信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)有與列車障礙物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口。列車障礙物包括異物侵限物體以及軌道上跌落的威脅列車運(yùn)行安全的物體;信號(hào)系統(tǒng)可以更好感知列車障礙物,保證無人駕駛列車的安全性。

（4）車站發(fā)車時(shí),列車起動(dòng)應(yīng)由信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)控制完成。即列車出站時(shí),司機(jī)確認(rèn)信號(hào)、按壓ATO按鈕、開關(guān)車門、開關(guān)站臺(tái)門的操作等程序由信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)控制完成。

（5）車載設(shè)備應(yīng)能將故障診斷與報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸至ATS系統(tǒng),便于控制中心調(diào)度人員掌握故障狀況,更好地監(jiān)控?zé)o人駕駛列車的運(yùn)行。

（6）設(shè)置區(qū)域封鎖開關(guān),保護(hù)處理故障列車的工作人員。在無人駕駛系統(tǒng)中,對(duì)進(jìn)入軌道工作人員的安全防護(hù)也是至關(guān)重要的。應(yīng)在正線通向區(qū)間軌道入口處的門禁以及車輛段/停車場(chǎng)防護(hù)分區(qū)門禁邊,設(shè)信號(hào)系統(tǒng)的區(qū)域封鎖開關(guān)（SPKS）。工作人員進(jìn)入?yún)^(qū)間軌道、停車場(chǎng)防護(hù)分區(qū)前,必須激活門邊的SPKS,封鎖其工作區(qū)域,取消該區(qū)域內(nèi)無人駕駛列車的移動(dòng)授權(quán),禁止無人駕駛模式下的列車進(jìn)入該區(qū)域;也可以使該區(qū)域內(nèi)的接觸軌斷電,以更好保護(hù)工作人員。

1.2 車輛

車輛基地和載客列車是保證無人駕駛運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)條件,應(yīng)保證以下幾點(diǎn)：

（1）采用無人駕駛運(yùn)行模式時(shí),車輛基地設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)車輛基地?zé)o人駕駛區(qū)域車站配線的運(yùn)行暢通、獨(dú)立和安全,包括出入車輛基地線、洗車線、正線和折返線的無人駕駛運(yùn)行;車輛基地?zé)o人駕駛區(qū)域需設(shè)安全圍欄,防止非操作人員進(jìn)入,同時(shí)設(shè)置維修人員作業(yè)的安全防護(hù)控制裝置,以保證人身安全。

（2）列車客室內(nèi)應(yīng)設(shè)置乘客與控制中心調(diào)度人員的直接通話設(shè)備或可視通話設(shè)備,滿足緊急情況下調(diào)度人員直接與乘客通話的要求。

（3）在列車上配備能夠?qū)崿F(xiàn)控制中心（OCC）調(diào)度員直接進(jìn)行人工廣播功能的車載乘客廣播信息設(shè)備。

（4）在列車每個(gè)車廂安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng),控制中心可以隨時(shí)了解行進(jìn)中列車上發(fā)生的意外情況。每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)2～4個(gè)攝像頭,監(jiān)視車廂內(nèi)的情況。車頭/尾各設(shè)1個(gè)固定式攝像頭,監(jiān)視車廂外的情況?？刂浦行恼{(diào)度員可以通過車廂外的攝像頭觀察軌道上的意外情況,可以手動(dòng)發(fā)出指令;遙控列車緊急停車;同時(shí)根據(jù)提供的軌道和隧道內(nèi)圖像,為緊急疏散或列車故障時(shí)提供隧道信息。視頻圖象信息可以通過專用的無線通道送給OCC。

（5）列車前端應(yīng)裝設(shè)防撞感應(yīng)器或防撞裝置。

（6）列車需設(shè)置緊急逃生門。在每列車車頭配備緊急逃生門,當(dāng)列車因故障停在隧道里且不能通過另一列車及時(shí)救援時(shí),可通過該門執(zhí)行乘客疏散。緊急逃生門能通過在列車內(nèi)激活列車的緊急手柄或緊急開門按鈕打開,供在緊急事件時(shí)乘客逃生。

1.3 站臺(tái)門

（1）為阻止非工作人員進(jìn)入和防止乘客跌落站臺(tái),站臺(tái)必須完全封閉。車站站臺(tái)應(yīng)設(shè)置站臺(tái)門,當(dāng)列車靠站后,站臺(tái)門與列車車門同步開啟讓乘客上下車。

（2）車站控制室值班人員應(yīng)能通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視各站臺(tái)門區(qū)域狀況。

1.4 其它

（1）區(qū)間必須設(shè)置用于疏散逃生的疏散平臺(tái)。當(dāng)運(yùn)行中的無人駕駛車輛發(fā)生故障或出現(xiàn)危及車內(nèi)乘客安全的火災(zāi)、爆炸等險(xiǎn)情時(shí),可將乘客疏散到疏散平臺(tái)上避險(xiǎn)、等待救援或沿著疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散。

（2）為防止異物侵限或異物掉在設(shè)備限界范圍內(nèi)威脅列車運(yùn)行安全,線路沿線應(yīng)設(shè)置必要的列車障礙物監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2 無人駕駛信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能

信號(hào)系統(tǒng)作為無人駕駛的控制中樞應(yīng)適應(yīng)無人駕駛列車運(yùn)行的所有自動(dòng)控制功能。在無人駕駛運(yùn)行模式下,車載設(shè)備在 ATP和 ATS的監(jiān)控下需完成下列功能：

（1）列車自動(dòng)喚醒和自檢。根據(jù)信號(hào)系統(tǒng) ATS的地面指令,自動(dòng)啟動(dòng)、激活?？吭谲囕v基地停車庫(kù)或正線的列車及其車載ATC設(shè)備。信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行列車出庫(kù)前的日常檢測(cè),并向ATS系統(tǒng)傳送測(cè)試結(jié)果及車輛狀況信息。

（2）列車自動(dòng)出入車輛基地。車載設(shè)備能夠接收來自中央ATS的列車識(shí)別信息,接收列車運(yùn)行圖信息,自動(dòng)控制列車駛出車輛基地進(jìn)入正線;列車運(yùn)營(yíng)結(jié)束后,控制列車自動(dòng)駛?cè)胲囕v基地。

（3）列車正線自動(dòng)運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行時(shí)刻表,起動(dòng)列車駛?cè)胝€,根據(jù)接收到的地面固定和可變信息,在考慮與安全有關(guān)的各種限制和規(guī)定要求（包括線路情況、站臺(tái)以及列車限速、安全及運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)防護(hù)和保持列車間的安全追蹤間隔等）的前提下,自動(dòng)控制列車的加速、巡航、制動(dòng)等工況,實(shí)施列車運(yùn)行的自動(dòng)調(diào)整功能,自動(dòng)控制列車正線運(yùn)行。

（4）車站自動(dòng)停車、出發(fā)及自動(dòng)折返功能。在車站內(nèi),自動(dòng)地控制列車安全、精確地停車,并控制車門和站臺(tái)門的安全開關(guān),管理停站時(shí)間、列車出發(fā)或起動(dòng)折返運(yùn)行模式進(jìn)行無人駕駛自動(dòng)折返。

（5）信息自動(dòng)處理。通過車地間高速安全的信息傳輸,ATS不斷地記錄運(yùn)行及維護(hù)數(shù)據(jù),并向監(jiān)控系統(tǒng)提供這些數(shù)據(jù);接收遠(yuǎn)程控制和特定控制信息,并作出響應(yīng),對(duì)于故障信息應(yīng)具有自動(dòng)報(bào)警功能。

（6）列車自動(dòng)休眠。列車停止服務(wù)自動(dòng)進(jìn)入車輛基地停車庫(kù)或?？吭谥付ㄎ恢煤?根據(jù)ATS系統(tǒng)的指令自動(dòng)關(guān)閉車載設(shè)備,自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（7）故障狀況下的人工控制功能。對(duì)于系統(tǒng)中因故障不能正常運(yùn)營(yíng)的列車,能夠采用降級(jí)運(yùn)行模式,由OCC調(diào)度員向列車發(fā)出遠(yuǎn)程爬行控制指令,使列車進(jìn)入蠕動(dòng)模式以緩慢的速度運(yùn)行至規(guī)定的停車位置。

3 無人駕駛工程信號(hào)實(shí)施方案

作為無人駕駛工程應(yīng)用的核心技術(shù),無人駕駛信號(hào)系統(tǒng)比具有成熟的有人自動(dòng)駕駛的集成度和自動(dòng)化程度更高,ATS、ATP、ATO各子系統(tǒng)需更好地自動(dòng)和協(xié)調(diào)控制列車的運(yùn)行。

信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)具有更高的可靠性和可用性,各子系統(tǒng)均應(yīng)采用必要的冗余技術(shù),并實(shí)現(xiàn)主、備系統(tǒng)的“無縫”切換。

車載設(shè)備應(yīng)采用智能化程度高的接口,這對(duì)列車的牽引/制動(dòng)特性提出了更高的控制精度要求和安全性、可靠性要求。列車應(yīng)具有多重的控制方式,以保證在列車故障時(shí)的運(yùn)行安全;列車車載 ATO設(shè)備應(yīng)具有很高的停車控制精度。

信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的自診斷功能、車載與軌旁設(shè)備的實(shí)時(shí)報(bào)警功能和車站/中央的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的實(shí)時(shí)監(jiān)督和控制,車地之間應(yīng)具備高速、安全、大容量的信息傳輸通道。

應(yīng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)地鐵系統(tǒng)控制的一體化,正線、輔助線、車輛基地均需采用相同的控制系統(tǒng),列車從出車輛基地車庫(kù),到正線運(yùn)營(yíng),再進(jìn)入車輛基地車庫(kù),均需滿足無人駕駛運(yùn)行的要求。

車載或地面信號(hào)設(shè)備故障時(shí)應(yīng)具有可靠的應(yīng)急運(yùn)行方式,包括列車頭部設(shè)置必要的人工駕駛控制/表示單元,并具有中央/車站遠(yuǎn)程監(jiān)督和操作控制功能等。在列車或車載信號(hào)設(shè)備故障時(shí),能夠通過人工操作或遠(yuǎn)程遙控的方式,采用降級(jí)運(yùn)行模式,使列車進(jìn)入爬行模式,以緩慢的速度運(yùn)行至規(guī)定的停車位置停車。

信號(hào)系統(tǒng)必須與防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（EMCS）有接口,或通過綜 合監(jiān)控 系統(tǒng)（ISCS）接口獲取火災(zāi)報(bào)警信息以及通過ISCS系統(tǒng)向機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)提供列車運(yùn)行信息,保證列車在災(zāi)害情況下的運(yùn)營(yíng)安全。

4 無人駕駛面臨的技術(shù)難點(diǎn)

無人駕駛自動(dòng)化程度要求高、技術(shù)復(fù)雜,保證安全是無人駕駛成敗的關(guān)鍵。目前主要技術(shù)已成功解決,但仍需在以下方面進(jìn)行完善：

（1）列車障礙物監(jiān)測(cè)包括異物侵限系統(tǒng)對(duì)無人駕駛安全比較重要,但在目前地鐵中還未真正實(shí)現(xiàn)。這也是無人駕駛技術(shù)未全面實(shí)施的重要原因,也是實(shí)現(xiàn)無人駕駛安全運(yùn)營(yíng)亟需解決的問題?？梢詤⒄諢o人駕駛汽車的避障傳感器的微波雷達(dá)、激光雷達(dá)等技術(shù),或高速鐵路的防異物侵限技術(shù)進(jìn)行解決。

（2）成熟有效的運(yùn)營(yíng)組織方案和設(shè)備故障下列車運(yùn)行組織能力是目前實(shí)現(xiàn)無人駕駛的又一障礙。可先期積累經(jīng)驗(yàn),逐步解決。在地鐵無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)的初期,應(yīng)研究制定出適用于國(guó)內(nèi)軌道交通基本運(yùn)營(yíng)條件的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)、運(yùn)營(yíng)計(jì)劃、運(yùn)營(yíng)功能、運(yùn)營(yíng)組織、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和事故與災(zāi)害處理緊急預(yù)案等;同時(shí)借鑒國(guó)外的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍和多職能維護(hù)人員,加強(qiáng)OCC調(diào)度員的控制和指揮能力,提升中央集中實(shí)時(shí)控制的管理水平,為正確實(shí)現(xiàn)無人駕駛運(yùn)營(yíng)提供管理上的保證,并在應(yīng)用中逐漸完善和成熟。

5 結(jié)語(yǔ)

無人駕駛系統(tǒng)代表了目前軌道交通現(xiàn)代化的最先進(jìn)技術(shù),它不僅能確保列車運(yùn)行的安全性,同時(shí)可以提高旅行速度,節(jié)約乘客出行時(shí)間;在交通服務(wù)的供給方面也具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性,能夠有效保證運(yùn)營(yíng)的準(zhǔn)點(diǎn)性和舒適性,提高服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)通過全面加強(qiáng)信號(hào)、車輛、運(yùn)行組織的工程匹配設(shè)計(jì),完善無人駕駛工程實(shí)施方案,以確保無人駕駛能夠安全投入運(yùn)營(yíng),從而真正實(shí)現(xiàn)無人駕駛的服務(wù)水平優(yōu)于有人自動(dòng)駕駛的服務(wù)水平。

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On Unmanned Metro Engineering Requirements for Matching Design

Liang Jiubiao

Unmanned metro driving system is an advanced technology in modern urban rail transit,this engineering contains signal,vehicle,platform door,traffic organization and vehicle depot configuration,with higher requirements for matching design in reliability,safety and applicability of the equipment.Through analysis of the engineering requirements for unmanned driving system,some technical difficulties and countermeasures are discussed,including the unmanned driving control signaling system and the implementation program,so as to safeguard the operation and service levels.This research will be a good reference for other unmanned driving projects in China.

metro;unmanned operation;matching design

U 231.6

2013-01-17）