全自動運(yùn)行系統(tǒng)地鐵車輛技術(shù)

■ 饒東

1 概況

地鐵車輛全自動運(yùn)行是指負(fù)責(zé)運(yùn)營管理的過程從司機(jī)輪換到車輛的喚醒、休眠、起停、開關(guān)門、車速控制等一系列車輛控制的自動化執(zhí)行。自動化有不同程度的自動化等級，根據(jù)列車運(yùn)行的基本功能是由員工還是系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)并承擔(dān)責(zé)任來區(qū)分。例如：GOA0等級對應(yīng)于由司機(jī)觀察操作有軌電車在公路上行駛；GOA4等級對應(yīng)于車輛不靠司機(jī)的完全自動運(yùn)行，也被稱為全自動運(yùn)行系統(tǒng)。

全自動運(yùn)行系統(tǒng)地鐵車輛技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了概念形成、技術(shù)儲備、嘗試性應(yīng)用和蓬勃發(fā)展4個階段。1965年，美國西屋電氣公司率先提出建設(shè)“無人駕駛的、高頻率的、經(jīng)濟(jì)的公共交通系統(tǒng)”；1968年，英國Vic to ria Line成為世界第1條GOA2等級的線路；1970年，北美首條全自動運(yùn)行系統(tǒng)“M o rgan tow n PRT”開建，并于1975年投入運(yùn)營；1983年，里爾地鐵1號線開通運(yùn)營，該線路的VAL系統(tǒng)是第1條真正意義上的全自動無人駕駛中運(yùn)量系統(tǒng)；1985年，美國西屋電氣公司在邁阿密 M e tro M ove r（APM）實(shí)現(xiàn)了全自動運(yùn)行系統(tǒng)；1986年，溫哥華SkyTrain全長21.4 km的全自動運(yùn)行系統(tǒng)線路開通運(yùn)營；1998年，采用全自動運(yùn)行系統(tǒng)的巴黎地鐵14號線開通運(yùn)營，成為第1條應(yīng)用于大城市軌道交通地鐵干線的全自動運(yùn)行系統(tǒng)線路；2003年6月20日，新加坡東北線開通運(yùn)營，成為第1條采用鋼輪鋼軌制式大運(yùn)量的全自動運(yùn)行系統(tǒng)線路。

在我國，采用自主化車輛與調(diào)度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行系統(tǒng)的應(yīng)用正處于探索階段。北京機(jī)場線是國內(nèi)首條引入全自動運(yùn)行系統(tǒng)的線路，上海地鐵10號線是國內(nèi)首條按照GOA4等級建設(shè)的全自動運(yùn)行系統(tǒng)線路。國內(nèi)車輛廠家通過參與新加坡湯申線、中國香港南港島線等項(xiàng)目的全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛研制，取得了一定的技術(shù)儲備，已經(jīng)具備開展自主化的適應(yīng)于全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛的研制條件。北京機(jī)場線和上海10號線采用阿爾斯通全自動運(yùn)行系統(tǒng)信號系統(tǒng)，其調(diào)度控制系統(tǒng)涉及的信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)相對獨(dú)立，在國內(nèi)適用于全自動運(yùn)行系統(tǒng)的調(diào)度控制系統(tǒng)仍然停留在列車自動監(jiān)控系統(tǒng)層面，尚未實(shí)現(xiàn)列車自動監(jiān)控與機(jī)電、車輛等其他系統(tǒng)的高度集成及直接面向車輛、乘客的調(diào)度控制及整個運(yùn)營設(shè)備維修信息的綜合處理。

2 主要要求

2.1 設(shè)備系統(tǒng)高度自動化

駕駛設(shè)備系統(tǒng)的高度自動化主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）列車在全線自動化運(yùn)行（含車輛段、停車場）。車輛可根據(jù)運(yùn)營時刻表自動響應(yīng)信號系統(tǒng)的指令進(jìn)行自動喚醒、休眠，自動投入、退出運(yùn)行，自動折返，自動停站、啟動，自動控制車門及站臺門的開閉，還能根據(jù)運(yùn)營需要自動加減車，實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)行控制，滿足節(jié)能、環(huán)保、高效的運(yùn)營目標(biāo)。

（2）自動施加緊急停車，并在確保安全后自動恢復(fù)運(yùn)行。全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛能夠?qū)嵤┻M(jìn)行軌道監(jiān)控，自動判斷線路異物，遇到意外出現(xiàn)在車輛運(yùn)行線路上的異物或發(fā)生車輛脫軌時自動施加緊急制動，并通過與調(diào)度中心的通信在異物排除后自動恢復(fù)運(yùn)行。

（3）自動改變控制策略以適應(yīng)天氣和路況。在有人駕駛的運(yùn)行模式下，出現(xiàn)雨雪天氣，駕駛員能夠第一時間采取措施，避免可能出現(xiàn)的危險。在全自動運(yùn)行系統(tǒng)中，遇到惡劣天氣，車輛系統(tǒng)能自動感知輪軌打滑的情況，自動實(shí)現(xiàn)增大摩擦力的措施及自動降低行駛速度，不影響運(yùn)力自動增加發(fā)車密度。能夠判斷出系統(tǒng)需要退出全自動運(yùn)行系統(tǒng)的條件，及時通知控制中心，改變運(yùn)行模式或停止運(yùn)行。

（4）乘客換乘的自動監(jiān)視。全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛將會監(jiān)控車門、站臺門和乘客換乘的過程。自動施加開關(guān)門并通過信號系統(tǒng)的通信完成站臺門和車輛門的精確聯(lián)動控制。對乘客換乘過程中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對車門或站臺門夾人夾物、兩門之間夾人夾物、乘客掉落等意外緊急事故進(jìn)行自動處理，如進(jìn)行聯(lián)動車輛和站臺廣播對乘客進(jìn)行廣播引導(dǎo)，聯(lián)動車輛牽引阻止動車，自動將事件發(fā)送OCC和站臺工作人員請求配合等操作。

（5）列車狀態(tài)的自動監(jiān)控。重要信息的自動上傳，緊急事件自動觸發(fā)處理預(yù)案。全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛能夠?qū)崟r監(jiān)控車輛各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并自動分析，將關(guān)鍵信息上傳至地面指揮系統(tǒng)，工作人員可根據(jù)信息進(jìn)行車輛的指揮、應(yīng)急處理和維護(hù)維修，從而大大減少工作量，提高工作效率。車輛上配備無線電通信線路和高清全景攝像頭，乘客可通過專用電話直接與控制中心通話?？刂浦行哪芮逦乜吹杰囕v上每一個角落的當(dāng)前狀況，實(shí)現(xiàn)直接面向乘客的乘務(wù)服務(wù)，提高服務(wù)質(zhì)量。

（6）特殊情況下自動應(yīng)急救援處理。當(dāng)遇到火災(zāi)、人員夾傷等突發(fā)事件時，列車會自動停止運(yùn)行，并自動監(jiān)視危害信息，調(diào)動監(jiān)控、安防等系統(tǒng)，完成緊急情況下的救援作業(yè)。全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛還具有自動呼叫、聯(lián)系相關(guān)人員請求救援協(xié)助的功能。

2.2 設(shè)備系統(tǒng)高度安全化

由于列車運(yùn)行作業(yè)在無司機(jī)監(jiān)護(hù)的狀態(tài)下，完全由設(shè)備系統(tǒng)保證安全。同時，高安全性就意味著監(jiān)控環(huán)節(jié)增多，限制運(yùn)行的條件增多，運(yùn)營的可靠性也需要由全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛保證。

（1）全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛需加設(shè)障礙物、脫軌檢測裝置，以保證車輛可以自動判斷線路異物和線路上的人，并保證車輛和意外進(jìn)入線路人員的安全。同時，該系統(tǒng)需要具有與控制中心和車輛其他系統(tǒng)的自動聯(lián)動功能，能夠在判斷出緊急狀況出現(xiàn)時，自動觸發(fā)車輛緊急制動，情況上報(bào)指揮中心，又能夠在通過與運(yùn)營維護(hù)人員的通信中確定緊急狀況排除后自動恢復(fù)運(yùn)行。

（2）全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛走行部在線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)控車輛的電機(jī)、齒輪箱、軸承、輪對等關(guān)鍵走行部件，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動上傳、故障自動分析、危險提前預(yù)警并在危險時觸發(fā)相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)急動作。

（3）設(shè)計(jì)過程中需對車各個系統(tǒng)進(jìn)行初系統(tǒng)危害分析、接口危害分析、運(yùn)行及維護(hù)危害分析并登記到危害分析冊進(jìn)行管控，按照IEC 62267提出的全自動運(yùn)行系統(tǒng)具體安全要求在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行逐條對照。

（4）從管理、設(shè)計(jì)、測試三方面來進(jìn)行電磁兼容控制以保證整車能夠滿足電磁兼容要求。確保在最不利的條件下，車輛各系統(tǒng)能保證高可靠性、高可用性和高安全性，并在故障時實(shí)現(xiàn)故障導(dǎo)向安全。

3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛由于不需要人工駕駛，所以一般只設(shè)置簡易司機(jī)臺，司機(jī)臺為全封閉方式，司機(jī)室內(nèi)不能有任何開關(guān)、按鈕等控制元器件外露。司機(jī)室內(nèi)的設(shè)計(jì)要考慮與客室貫通后的效果。

（2）障礙物脫軌檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。障礙物及脫軌檢測裝置是為全自動運(yùn)行系統(tǒng)地鐵列車研發(fā)的新功能。在充分了解國外有關(guān)裝置結(jié)構(gòu)及性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合燕房線全自動運(yùn)行系統(tǒng)地鐵列車的技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行國產(chǎn)化設(shè)計(jì)。電氣控制系統(tǒng)和電子傳感器都采取冗余設(shè)計(jì)。

（3）更加強(qiáng)大而全面的列車檢測及診斷功能。針對于全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛的車輛自動控制特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要增加數(shù)據(jù)量，提升列車總線負(fù)載率，確保安全關(guān)鍵信息的實(shí)時性；全方位解決單點(diǎn)故障不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信失敗，足夠的信息支持全自動運(yùn)行系統(tǒng)模式下列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自診斷以及車輛狀態(tài)的自診斷功能。

（4）走行部安全監(jiān)測和診斷。在轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵機(jī)械部件上進(jìn)行嵌入廣義共振故障信息敏感復(fù)合傳感器的一體化設(shè)計(jì)，針對軸箱體設(shè)計(jì)、齒輪箱軸承座設(shè)計(jì)、電機(jī)軸承座設(shè)計(jì)時考慮復(fù)合傳感器嵌入點(diǎn)滿足軸承承載區(qū)要求、廣義共振信息最小衰減路徑傳遞的要求、部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求、可維護(hù)性和互換性等要求。實(shí)現(xiàn)故障信息的實(shí)時敏感與采集，結(jié)合車載走行部健康監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高實(shí)時性的轉(zhuǎn)向架故障自診斷，并將采集、診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲。將要開發(fā)的車載系統(tǒng)嵌入式軟件主要包括以下模塊：系統(tǒng)調(diào)度軟件、集中數(shù)據(jù)存儲管理軟件、M VB總線接口通信軟件、維護(hù)以太網(wǎng)接口通信軟件、基于樣本立即決策和里程綜合決策的報(bào)警輸出軟件等。

將精確診斷后得到的車輛狀態(tài)信息和故障報(bào)警信息通過M VB網(wǎng)絡(luò)承載實(shí)時傳輸?shù)降孛孳囕v調(diào)度系統(tǒng)，由車輛調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警的嚴(yán)重程度實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制列車的運(yùn)行，保障運(yùn)行安全。將車載系統(tǒng)采集到的振動、沖擊、溫度原始數(shù)據(jù)以及趨勢記錄數(shù)據(jù)等詳細(xì)數(shù)據(jù)，通過回庫后車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到走行部地面分析系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化可靠的走行、承載等部件的在途狀態(tài)監(jiān)測和專家診斷支撐。

（5）車地大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)本地車輛各系統(tǒng)控制、監(jiān)視功能及遠(yuǎn)程車輛控制功能在全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛的大數(shù)據(jù)通信，保證車輛復(fù)雜控制功能的實(shí)現(xiàn)，車輛傳輸給地面的數(shù)據(jù)為非全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛的4倍，地面?zhèn)鬏斀o車輛的數(shù)據(jù)為非全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛的2倍。車輛與LTE以太網(wǎng)接口為后續(xù)車體數(shù)據(jù)傳輸通道接口唯一做技術(shù)準(zhǔn)備。

（6）安全功能設(shè)計(jì)保障。由于車輛的安全要求高，在車輛設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了初步危害分析、系統(tǒng)危害分析、接口危害分析、運(yùn)行及維護(hù)危害分析共識別危害116條，無剩余風(fēng)險等級為R1和R2的危害，所用危害通過危害登記冊進(jìn)行管控。針對全自動運(yùn)行系統(tǒng)，危害分析按照IEC 62267提出的全自動運(yùn)行系統(tǒng)具體安全要求在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行逐條對照。

4 安全風(fēng)險管理

全自動運(yùn)行系統(tǒng)對車輛的安全性提出更高的要求。除了需滿足EN 50126、EN 50128等安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，針對全自動運(yùn)行系統(tǒng)，IEC 62267提出了具體的安全要求。為了使最終的車輛滿足標(biāo)準(zhǔn)、合同要求的可用性、可靠性，所以全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛的安全管理工作至關(guān)重要。

安全管理工作首先要制定安全性與可靠性目標(biāo)，根據(jù)已經(jīng)建成的全自動運(yùn)行系統(tǒng)項(xiàng)目的要求。一般的全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛的安全性與可靠性目標(biāo)有：（1）服務(wù)故障（救援、掉線、未出庫）。每組車平均無故障時間6 000 h，每百萬車千米1.1個。（2）大晚點(diǎn)故障（超過3 m in）。每組車平均無故障時間4 500 h，每百萬車千米1.46個。（3）碎修、列檢故障。每列車平均無故障時間200 h，每百萬車千米32.89個。

與低級別自動運(yùn)行車輛相比，全自動運(yùn)行系統(tǒng)車輛增加了其他安全輔助設(shè)備，功能更全面、設(shè)計(jì)更復(fù)雜。在保證安全性的前提條件下，還需綜合考慮車輛的可靠性與可用性。為達(dá)到與有人駕駛車輛同樣的可靠性水平，需對各系統(tǒng)、主要設(shè)備甚至關(guān)鍵元器件提出更高的可靠性要求。

子系統(tǒng)供應(yīng)商開展相應(yīng)的RAM S分析工作，同時應(yīng)開展元器件篩選、電路的可靠性設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)源頭上保證產(chǎn)品的基本可靠性。子系統(tǒng)供應(yīng)商需要提交以下文件：系統(tǒng)保證計(jì)劃、可靠性指標(biāo)分配報(bào)告、危害登記冊、FM ECA（故障模式影響及危害性分析）、可靠性建模與預(yù)計(jì)、可靠性關(guān)鍵件清單、安全性關(guān)鍵件清單、故障樹分析報(bào)告，交車輛總體RM S負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)審核。

對于整車集成的RAM S管理將從設(shè)計(jì)初期的RAM S分析工作開始滲透于設(shè)計(jì)過程的各個階段（見圖1）。

根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行各個系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分配（見表1—表3）。

表1 各系統(tǒng)服務(wù)故障指標(biāo)分配子系統(tǒng) 設(shè)備 服務(wù)故障分配比率/％ 服務(wù)故障率/％ 服務(wù)故障的MTBF/h牽引設(shè)備（含齒輪箱） 14.43 1.92E-03 51 975牽引系統(tǒng) 牽引電動機(jī) 2.10 2.80E-04 357 143牽引系統(tǒng)其他設(shè)備 12.33 1.64E-03 60 827受流器 受流器 4.50 6.00E-04 166 667制動及供風(fēng)系統(tǒng) 制動及供風(fēng)設(shè)備 12.80 1.71E-03 58 594風(fēng)缸 0.10 1.33E-05 7 500 000制動系統(tǒng)B類件 制動控制模塊 0.15 2.00E-05 5 000 000踏面清掃控制模塊及受流器控制模塊 0.35 4.67E-05 2 142 857輔助電源 7.56 1.01E-03 99 206輔助供電系統(tǒng)蓄電池 2.60 3.47E-04 288 462列車控制與管理系統(tǒng) 列車控制與管理設(shè)備 7.50 1.00E-03 100 000（TCMS） 門系統(tǒng) 16.23 2.16E-03 46 211客室門系統(tǒng) 客室車門 14.71 1.96E-03 50 986開門提示燈具 0.25 3.33E-05 3 000 000表2 各系統(tǒng)晚點(diǎn)故障指標(biāo)分配子系統(tǒng) 設(shè)備 晚點(diǎn)故障分配比率/％ 晚點(diǎn)故障率/％ 晚點(diǎn)故障的M TBF/h牽引設(shè)備（含齒輪箱） 13.78 2.45E-03 40 820牽引系統(tǒng) 牽引電動機(jī) 1.30 2.31E-04 432 692牽引系統(tǒng)其他設(shè)備 12.48 2.22E-03 45 072受流器 受流器 2.38 4.23E-04 236 345制動及供風(fēng)系統(tǒng) 制動及供風(fēng)設(shè)備 16.78 2.98E-03 33 522風(fēng)缸 0.20 3.56E-05 2 812 500制動系統(tǒng)B類件 制動控制模塊 0.50 8.89E-05 1 125 000踏面清掃控制模塊及受流器控制模塊 0.20 3.56E-05 2 812 500輔助電源 6.15 1.09E-03 91 463輔助供電系統(tǒng)蓄電池 1.02 1.81E-04 551 471列車控制與管理系統(tǒng) 列車控制與管理設(shè)備 7.48 1.33E-03 75 201（TCMS） 門系統(tǒng) 18.00 3.20E-03 31 250客室門系統(tǒng) 客室車門 16.00 2.84E-03 35 156開門提示燈具 NA NA NA

表3 各系統(tǒng)維護(hù)故障指標(biāo)分配子系統(tǒng) 設(shè)備 維護(hù)故障分配比率/％ 維護(hù)故障率/％ 維護(hù)故障的MTBF/h牽引設(shè)備（含齒輪箱） 5.13 2.05E-02 4 873牽引系統(tǒng) 牽引電動機(jī) 1.06 4.24E-03 23 585牽引系統(tǒng)其他設(shè)備 4.07 1.63E-02 6 143受流器 受流器 2.50 1.00E-02 10 000制動及供風(fēng)系統(tǒng) 制動及供風(fēng)設(shè)備 7.31 2.92E-02 3 420風(fēng)缸 0.25 1.00E-03 100 000制動系統(tǒng)B類件 制動控制模塊 0.20 8.00E-04 125 000踏面清掃控制模塊及受流器控制模塊 0.25 1.00E-03 100 000輔助電源 1.72 6.88E-03 14 535輔助供電系統(tǒng)蓄電池 1.20 4.80E-03 20 833列車控制與管理系統(tǒng) 列車控制與管理設(shè)備 4.12 1.65E-02 6 068（TCMS）門系統(tǒng) 11.26 4.50E-02 2 220客室門系統(tǒng) 客室車門 8.70 3.48E-02 2 874開門提示燈具 0.50 2.00E-03 50 000

對各個系統(tǒng)進(jìn)行故障模式影響及危害性分析，利用Isog raph軟件對各子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模。在設(shè)計(jì)階段對各系統(tǒng)可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，對達(dá)不到可靠性要求的子系統(tǒng)提出整改要求或重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。最后進(jìn)行SIL（安全完整性等級）分析，SIL分析主要針對安全功能，對于硬件故障主要從故障率、M TBF或M DBF等方面進(jìn)行控制。軟件因無法準(zhǔn)確地評估和限定其故障率，主要對軟件提出SIL等級的要求。對不同軟件SIL等級，EN 50128針對軟件開發(fā)過程提出不同程度的要求，實(shí)際也是對軟件的可靠性提出要求。

最后根據(jù)分析過程制定的危害分析表和安全評估表格對車輛各個系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)兩方面根據(jù)表格項(xiàng)目進(jìn)行安全功能驗(yàn)證，以確定車輛的最終狀態(tài)滿足安全要求。