城市軌道交通全自動無人駕駛信號系統(tǒng)功能分析

金 華

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037）

城市軌道交通全自動無人駕駛信號系統(tǒng)功能分析

金 華

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037）

文章介紹為實現城市軌道交通全自動無人駕駛功能，信號系統(tǒng)在CBTC基礎上需增加的相應功能及接口，以及為提高可靠性和可用性，信號系統(tǒng)應增強的相應功能。

城市軌道交通；全自動無人駕駛信號系統(tǒng)；接口

近年來,自動化地鐵在全球城市軌道交通領域日漸升溫，巴黎、新加坡、洛桑、迪拜、紐倫堡、哥本哈根、香港等城市都已引入無人駕駛地鐵。新加坡東北線是全世界第一條實現正線、車輛段全自動運行的重型地鐵線路，采用ALSTOM的信號和車輛，2003年6月開通運營。德國紐倫堡地鐵于2008年投入運營，采用SIEMENS的信號系統(tǒng)，兼容人工操作地鐵列車，人工駕駛列車和無人駕駛列車在同一軌道運行。丹麥的哥本哈根M1，M2線，采用Ansaldo的車輛和信號系統(tǒng)，2007年運營。阿聯酋迪拜的地鐵紅線是目前為止最長的無人駕駛線路，采用Thales的信號系統(tǒng)，于2009年開通運營。在中國，北京機場線、上海地鐵10號線采用了ALSTOM全自動信號系統(tǒng)技術，但尚未正式投入全功能應用。此外，廣州地鐵引入了運量較小的全自動無人駕駛捷運系統(tǒng)，駕駛系統(tǒng)采用龐巴迪的CITYFLO650。國內全自動無人駕駛地鐵系統(tǒng)正處于探索階段。

城市軌道交通全自動無人駕駛系統(tǒng)是指沒有司機參與，車輛在控制中心的統(tǒng)一控制下實現全自動運營，自動實現列車休眠、喚醒、準備、自檢、自動運行、停車和開關車門，以及在故障情況下實現自動恢復等功能。為實現全自動無人駕駛，信號系統(tǒng)需要在原CBTC系統(tǒng)的基礎上增加相應功能。

1 全自動無人駕駛系統(tǒng)中信號系統(tǒng)新增功能

1.1 休眠、喚醒功能

將正線服務的列車自“喚醒”至“休眠”全部納入ATS時刻表的管理與控制。

ATS根據時刻表觸發(fā)列車“喚醒”，列車上的各系統(tǒng)進行自檢，在自檢通過后進入正線服務工況，如不能進入正線服務工況則喚醒備用列車。ATS子系統(tǒng)在確認列車進入正線服務工況后，按照時刻表為列車觸發(fā)出段進路及正線的相關進路，組織列車在正線運營。

同樣，ATS子系統(tǒng)根據時刻表為退出正線運營的列車標記“停止正線服務”工況，并按照時刻表中確定的列車存放點，為列車觸發(fā)回段進路及至存放點的相關進路，在列車到達存放點并停穩(wěn)后，觸發(fā)列車進入“休眠”。

1.2 自動無人駕駛車輛段/停車場的控制功能

全自動無人駕駛系統(tǒng)的車輛段/停車場按照全自動運行區(qū)域與非全自動運行區(qū)域進行嚴格分區(qū)，區(qū)域間采用圍欄、建筑物或其它設施隔離，全自動運行區(qū)（含試車線、洗車線、車庫等）納入正線管理。信號系統(tǒng)在車輛段/停車場新增軌旁ATP/ATO子系統(tǒng)設備，增加ATS子系統(tǒng)對車輛段/停車場的控制功能，增加停車列位列車位置檢測，增加與全自動運行區(qū)域的門禁系統(tǒng)、洗車機、車庫大門、牽引供電設備的接口，實現全自動運行區(qū)域設備與列車運行的聯鎖。

1.2.1 列車在全自動運行區(qū)域的全自動駕駛功能

車輛段/停車場包括全自動運行區(qū)域和非全自動運行區(qū)域，由一套計算機聯鎖系統(tǒng)控制，信號系統(tǒng)在車輛段/停車場新增軌旁列車超速防護/列車自動駕駛（ATP/ATO）子系統(tǒng)設備，實現列車在全自動運行區(qū)域的自動運行防護及自動駕駛以及精確停車功能，同時，增加列車自動監(jiān)督（ATS）子系統(tǒng)對全自動運行區(qū)域的控制功能，實現按照時刻表順序喚醒列車并觸發(fā)全自動區(qū)域內的出段進路。同樣，按照時刻表順序觸發(fā)列車的至存車點的進路及休眠列車，或者通過為列車設定目的地（轉換軌、洗車線或其他別的存車地點），自動觸發(fā)相關進路，實現列車在全自動區(qū)域的調車作業(yè)。

1.2.2 列車在靜止情況下的初始定位功能

信號系統(tǒng)在全自動運行區(qū)域中的牽出線、洗車線、庫線增設車輛位置檢測設備，確定列車位置。如果列車在全自動區(qū)域運行過程中因故降級，可以降級運行至牽出線、洗車線或者庫線，能夠快速恢復到正常狀態(tài)；如果列車在牽出線、洗車線或者庫線喚醒失敗造成列車降級后，可以在不動車的情況下重新獲得列車定位，快速升級到正常狀態(tài)。

1.2.3 自動洗車功能

信號系統(tǒng)增加自動洗車模式，并增加與洗車機的接口。

洗車作業(yè)前，通過調度人員人工排列進路或設置目的地碼將列車調到洗車線。停在洗車線上的列車由人工通過ATS工作站啟動進入“洗車”工況。并由ATS的洗車程序控制列車完成洗車作業(yè)，列車在洗車過程中應保持3 km/h勻速運行，洗車作業(yè)完成后，再通過調度人員人工排列進路或設置目的地碼將列車調入存車點。

1.2.4 與全自動運行區(qū)域中車庫庫門的聯動聯鎖功能

信號系統(tǒng)增加與全自動運行區(qū)域中車庫庫門的接口，實時監(jiān)測庫門的狀態(tài)，并向車庫庫門發(fā)送開門和關門命令。在庫門完全打開后才能開放信號并允許列車通過，在庫門未完全打開的情況下禁止開放信號，如果列車已經越過信號機則將移動授權移至庫門前，不允許列車通過庫門。在列車完全通過庫門后才能進行關門作業(yè)，在列車通過庫門的過程中不允許進行關門操作。

1.2.5 對全自動運行區(qū)域的防護

全自動運行區(qū)域需要分成若干防護分區(qū)，各防護分區(qū)間設置圍欄隔離，在入口處設置門禁，信號系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)進行接口，當門禁被激活時，信號系統(tǒng)封鎖該分區(qū)，禁止該分區(qū)的列車移動，同時該分區(qū)也不能進行接車作業(yè)、發(fā)車作業(yè)或調車作業(yè)。

全自動駕駛區(qū)域與非全自動駕駛區(qū)域間設置圍欄隔離，通道處設置門禁，信號系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)進行接口，當門禁系統(tǒng)被激活時，信號系統(tǒng)封鎖全自動運行區(qū)域，禁止全自動運行區(qū)域內的列車移動。

1.3 控制牽引供電停送電功能

信號系統(tǒng)增加與牽引供電設備的接口，或者通過與綜合監(jiān)控的接口實現對牽引供電設備的控制。信號系統(tǒng)根據時刻表在首列車出段前向牽引供電設備下達車場、正線的牽引送電命令，在末班車回段后下達正線、車場的牽引停電命令；根據時刻表在列車喚醒前向牽引供電設備下達相關股道的牽引送電命令，在列車休眠后向牽引供電設備下達相關股道的牽引停電命令。

1.4 與障礙物探測設備、脫軌檢測設備的接口

信號系統(tǒng)增加與車輛障礙物探測設備、脫軌檢測設備的接口，接收來自障礙物探測設備、脫軌檢測設備的信息，當探測到障礙物或發(fā)生脫軌時，向車輛制動系統(tǒng)發(fā)出緊急制動指令。

1.5 蠕動駕駛模式

信號系統(tǒng)增加蠕動駕駛模式，在列車故障停車后，經中心操作員確認后人工啟動蠕動模式，由ATO系統(tǒng)控制列車以20 km/h的速度行駛到待避線或者車站，ATP對超速實施保護。

2 全自動無人駕駛系統(tǒng)中信號系統(tǒng)增強的功能

2.1 信號系統(tǒng)各子系統(tǒng)均需要冗余

為滿足全自動駕駛高安全性、可靠性的需要，信號系統(tǒng)需具備更高的冗余度和多重降級能力。需要增加車載ATO設備和休眠喚醒設備的主備冗余、熱備份，出現故障的時候主備“無縫”切換，信號各子系統(tǒng)均需要保證冗余配置，并且實現勿擾切換。

2.2 信號系統(tǒng)需要具有自診斷及中央遠程監(jiān)督控制功能

信號系統(tǒng)需要增強診斷分析能力，車載與軌旁設備的實時報警功能，并通過增加與綜合自動化系統(tǒng)的接口內容，將診斷信息匯總到控制中心，強化遠程監(jiān)控能力。

2.3 停車對位自動調整

信號系統(tǒng)需增強停車對位的自動化程度，增加停車對位控制邏輯，對于誤差大于設定精度時，允許列車自動再啟動對位停車或允許列車倒退一次，對位停車，如果誤差仍大于設定精度,則直接控制列車運行至下一站停車。停車設定精度及對位調整允許倒退的次數可設置。

2.4 倒退防護功能

信號系統(tǒng)增強倒退防護功能，增加倒退防護控制邏輯，當誤差大于設定精度時，不允許列車倒退，而直接控制列車運行至下一站停車。其中的設定精度可根據實際情況設置。

2.5 安全門、車門對位隔離功能

當個別安全門故障時，應人工將安全門關閉并鎖定，通過安全門與綜合自動化的接口及時報告被鎖定安全門的位置（站臺號或門編號），信號系統(tǒng)接收故障信息后，在列車到達站臺前，應向列車發(fā)送故障安全門的位置信息，列車電氣隔離對應的車門，使其在該站停站時不參與開、關門的動作。 當個別車門故障時，將故障車門關閉并鎖定。通過信號與機電專業(yè)的接口及時電氣隔離故障車門對應的安全門，使其在該站停站時不參與開、關門的動作。

2.6 增強備用控制中心

備用控制中心和主中心關聯，當主控制中心發(fā)生故障時，備用控制中心接管整個系統(tǒng)，備用中心由原來的單套、冷備份、需要切換過渡過程才能工作改為雙套、熱備份和無縫切換。

2.7 增強應急運行方式

車載或軌旁設備故障時應具有可靠的應急運行方式，并且具有中央/車站遠程監(jiān)督和控制功能。需要增加與綜合監(jiān)控、車輛以及通信的接口。在列車或車載信號設備故障時，通過人工操作或遠程遙控的方式，采用降級運行模式，使列車以安全速度接近車站。當列車故障時，故障信息通過信號系統(tǒng)的車地無線上傳至車站ATS，再通過車站ATS上傳至控制中心，中心控制模式下由中心統(tǒng)一處理故障信息并且聯動相關設備。在中心故障系統(tǒng)降級模式下運行時，由車站處理上報的故障信息，并且進行相關聯動。

3 信號系統(tǒng)與其他系統(tǒng)接口的變化

為滿足全自動無人駕駛的功能需求，提高系統(tǒng)安全性和可靠性，綜合監(jiān)控系統(tǒng)需要與ATS、設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）等進行深度集成為行車綜合自動化系統(tǒng)（TIAS），以行車調度為控制核心。同時各系統(tǒng)的狀態(tài)參數和故障診斷參量的數據流需要從車輛、軌旁和車站上傳至控制中心，從而引起信號系統(tǒng)與車輛和綜合自動化系統(tǒng)的接口改變，增加與車輛段全自動區(qū)域洗車機、門禁系統(tǒng)、車庫庫門的接口。信號系統(tǒng)的接口示意圖如圖1所示。

圖1 信號系統(tǒng)接口示意圖

3.1 信號系統(tǒng)與車輛和綜合自動化系統(tǒng)接口的變化

由于綜合監(jiān)控深度集成ATS，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/停車場的信號設備室，ATS與ATP/ATO、 CI的接口由信號的內部接口變?yōu)樾盘柵c行車綜合自動化專業(yè)的外部接口。

3.1.1 ATP/ATO子系統(tǒng)與車輛和綜合自動化系統(tǒng)間的信息變化

原ATP/ATO子系統(tǒng)傳輸給ATS系統(tǒng)的信息改為傳輸給綜合自動化系統(tǒng)，原ATS傳輸給ATP/ATO子系統(tǒng)的信息改為由綜合自動化系統(tǒng)傳輸給ATP/ATO子系統(tǒng)，信息內容不變。除此之外，綜合自動化系統(tǒng)需要收集列車的運行狀態(tài)及故障信息，中心調度員根據這些信息決定列車繼續(xù)運營或者退出運營。中心調度員的遠程控制命令也需要下達給車輛，但車輛與綜合自動化系統(tǒng)無直接傳輸的通道，需要ATP/ATO子系統(tǒng)作為這些信息傳輸的橋梁。車輛、信號和綜合自動化系統(tǒng)的信息傳輸示意圖如圖2。

圖2 車輛、信號和綜合自動化系統(tǒng)的信息傳輸示意圖

ATP/ATO子系統(tǒng)與車輛的接口信息增加車輛各系統(tǒng)的運行狀態(tài)及故障信息，包括列車當前的車重、車門狀態(tài)、牽引制動的施加與切除狀態(tài)、障礙物探測狀態(tài)、脫軌檢測狀態(tài)及故障等信息，并實時上傳給綜合自動化系統(tǒng)。同時ATP/ATO子系統(tǒng)實時接收綜合自動化系統(tǒng)對列車遠程控制的命令信息，包括休眠、喚醒、自檢、車門隔離、停車斷電、蠕動模式、洗車模式和開關車門等信息，并控制列車執(zhí)行。

綜合自動化系統(tǒng)接收到區(qū)間、車站或列車火災報警后，將觸發(fā)應急聯動保護，控制相關列車停車，切斷牽引供電，打開列車門并廣播指導人員疏散。

3.1.2 聯鎖子系統(tǒng)與綜合自動化系統(tǒng)之間的信息變化

原聯鎖子系統(tǒng)傳輸給ATS系統(tǒng)的信息改為傳輸給綜合自動化系統(tǒng)，原ATS傳輸給聯鎖子系統(tǒng)的信息改為由綜合自動化系統(tǒng)傳輸給聯鎖子系統(tǒng)，信息內容不變。除此之外，聯鎖子系統(tǒng)與綜合自動化系統(tǒng)間增加車輛段中全自動運行區(qū)域庫門的狀態(tài)及開關門命令、洗車機的狀態(tài)及洗車命令等信息。

3.2 聯鎖子系統(tǒng)增加與全自動運行區(qū)域車庫門的接口

聯鎖子系統(tǒng)與車輛段/停車場全自動運行區(qū)域的車庫門電機控制電路以硬線接口，聯鎖子系統(tǒng)接受車庫門的狀態(tài)，并傳輸給綜合自動化系統(tǒng)；門電機接收聯鎖的命令控制車庫門的開啟與關閉。

3.3 聯鎖子系統(tǒng)增加與全自動運行區(qū)域門禁的接口

聯鎖子系統(tǒng)與車輛段/停車場全自動運行區(qū)域的門禁系統(tǒng)以硬線接口，了解人員活動的情況，對相關區(qū)域進行封鎖，并傳輸給綜合自動化系統(tǒng)。

3.4 聯鎖子系統(tǒng)增加與全自動運行區(qū)域洗車機的接口

聯鎖子系統(tǒng)與車輛段/停車場全自動運行區(qū)域的洗車機以硬線接口，接收來自洗車機的洗車線狀態(tài)和清洗模式并傳輸給綜合自動化系統(tǒng)。

4 結束語

為滿足全自動無人駕駛系統(tǒng)高安全性、可靠性和可用性的需要，其核心的信號系統(tǒng)在CBTC系統(tǒng)的基礎上需要增加（強）相關功能，在綜合自動化系統(tǒng)和維護支持系統(tǒng)的保障下，使信號系統(tǒng)能夠控制列車，實現喚醒、自檢、出段、區(qū)間運行、精確停車、開關車門/安全門、折返、回段和休眠等功能，同時保證列車運行安全、有序、快速和舒適。

[1]任安萍. 淺談我國全自動無人駕駛地鐵的發(fā)展[J]. 科技視界，2012（9）：207-208.

[2]王曰凡. 全自動無人駕駛系統(tǒng)—全新理念的城市軌道交通模式[J]. 城市軌道交通研究，2006（8）：1-4.

[3]田學薇，劉曉娟. 全自動無人駕駛軌道交通列車定位技術[J]. 城市軌道交通研究，2007（12）：51-54.

責任編輯 楊利明

Analysis for function of Full Automatic Unmanned Signal System of Urban Transit

JIN Hua

( Beijing Urban Railway Construct Manage Ltd., Beijing 100037, China )

For implementing full automatic unmanned function of Urban Transit, and enhancing the reliability and availability, the paper introduced the increased and strengthen function of Signal System based on CBTC.

Urban Transit; Full Automatic Unmanned Signal System; interface

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0061-04

2013-11-12

金 華，工程師。