面向互聯互通的全自動運行系統(tǒng)

■　王　偉

面向互聯互通的全自動運行系統(tǒng)

■王偉

論述面向互聯互通的全自動運行系統(tǒng)的必要性與可行性，以及全自動運行技術和城市軌道交通系統(tǒng)互聯互通發(fā)展歷程；闡述基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）組成和技術特點；從統(tǒng)一的電子地圖描述方式和全生命周期的安全保障方法分析I-FAO的關鍵技術，提出需要解決的關鍵問題與核心技術，互聯互通與全自動運行系統(tǒng)必將合并研究，并成為今后CBTC的技術發(fā)展方向。

互聯互通；全自動運行系統(tǒng)；城市軌道交通；列車運行控制系統(tǒng)；全自動駕駛系統(tǒng)；CBTC；FAO；I-FAO

0　引言

基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）在我國城市軌道交通中得到了普遍應用，并較好地服務于城市軌道交通的發(fā)展。但在持續(xù)國產化與自主化CBTC建設與運營過程中，存在智能化程度低，可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）持續(xù)改進能力不足，節(jié)能優(yōu)化策略簡單，網絡化規(guī)劃基礎不到位等問題，設備應用水平距國外還有一定差距。

CBTC是一種可持續(xù)發(fā)展的信號系統(tǒng)，可以實現全自動運行，整個軌道交通行業(yè)RAMS水平的持續(xù)提升為全自動運行系統(tǒng)（FAO）的推廣奠定了基礎。目前，供貨商都是按照各自產品的特點設置解決方案，造成CBTC信號系統(tǒng)架構、子系統(tǒng)之間接口設計、車-地通信方式等方面不統(tǒng)一，制約了CBTC在線路間的互聯互通與資源共享。因此，CBTC如何實現互聯互通及如何實現全自動運行，正在作為相對獨立的兩個技術方向進行研究［1-2］。

我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展至今，一直采用單線建設、單線運營、有人駕駛的模式。隨著行業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，城市軌道交通的新線和延伸線建設，以及一些區(qū)段的網絡化運營，對列車運行控制系統(tǒng)的互聯互通提出了更高要求。據公共交通國際聯會（UITP）訊息：到2020年，全球（除我國內地）共有40%的老線將改造為全自動運行線路，75%的新線使用全自動運行技術。目前，北京在建的全自動駕駛線路為燕房線，已列為國家發(fā)展和改革委員會與北京市的示范工程，具有完全自主知識產權的自主化技術和裝備，在示范工程建成后，北京市將在新建的5條地鐵線路上推廣應用。到2020年，北京將有183 km的線路采用全自動駕駛。這些線路如何實現互聯互通運營是必須提前考慮并規(guī)劃的問題。

1　技術發(fā)展歷程

1.1FAO技術發(fā)展歷程

FAO在國外城市軌道交通中廣泛應用，其發(fā)展歷程可分為起步階段和廣泛應用階段［3］。

（1）起步階段。1971—2004年是FAO的起步階段，這個時期FAO多用于輕軌或運量小的線路。1971年，為提高城市軌道運營的服務品質，增強與其他交通方式的競爭力，法國開始研究城市軌道FAO技術，1973年完成VAL系統(tǒng)的原型機研制。1978年，世界第一條FAO城市軌道線路——法國里爾1號線動工，1983年開通運營。1977年開通運行的倫敦道克蘭輕軌（DLR）是Driverless Train Operation（DTO）等級自動化城市軌道的典型。1998年，為紀念巴黎地鐵100周年，巴黎第一條FAO線——14號線開通運營。在此期間，國內地鐵建設速度緩慢，并未建設FAO線路。

（2）廣泛應用階段（2005年至今）。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大運量地鐵線路，2003年6月開通運營。2008年6月，德國紐倫堡的U3線正式開通DTO，該線路是德國首條FAO線。2009年開通運營的阿聯酋迪拜的地鐵紅線是目前世界上最長的FAO線路。巴黎地鐵1號線是世界上首條由人工駕駛改造為FAO的線路，1900年建成。巴黎地鐵1號線是巴黎最繁忙、最擁擠（75萬人次/d）同時也是最老舊的線路。截至2013年，全世界有32個城市開通運營48條線路、700座車站和674 km的FAO。全自動運行列車運行控制系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)集成技術一次質的飛躍，是城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景。

進入21世紀以后，我國地鐵建設發(fā)展速度明顯提高。北京機場線、上海10號線采用全自動運行技術建設。為更好地為運營和乘客服務，在CBTC信號系統(tǒng)成功研發(fā)、示范應用后，北京交通大學和北京交控科技有限公司采用“政、產、學、研、用”的自主創(chuàng)新模式，歷經8年完成了FAO核心技術研發(fā)、裝備研制和試驗，目前在北京地鐵燕房線工程中實施。

1.2城市軌道交通系統(tǒng)互聯互通發(fā)展歷程

實現互聯互通有五種途徑。一是采用同一廠商相同制式的信號系統(tǒng)，如上海地鐵6、7、8、9號線。二是加裝多套信號車載設備，如未制定歐洲列車運行控制系統(tǒng)（ETCS）標準前的歐洲鐵路。三是加裝多套信號地面設備，如香港將軍澳線改造工程。四是采用通用信號車載設備，在依托軌道電路技術的系統(tǒng)中比較常見，但由于軌道電路的可靠性較低，已逐漸被CBTC所替代。五是采用基于統(tǒng)一規(guī)范標準的信號互聯互通設備配置，目前中國列車運行控制系統(tǒng)（CTCS）和ETCS均采用這種方式。

目前，國外巴黎、紐約、東京、墨爾本已實現或正在實現互聯互通，國內對互聯互通的研究處于第三輪研究階段。第一輪是上海申通地鐵率先研究，在上海地鐵6、7、8、9號線尚未建成時，采用捆綁招標的方式進行探索，著眼于國產化，希望通過“市場換技術”，但由于核心技術依托國外，實現難度很大。第二輪由北京地鐵和廣州地鐵牽頭，著眼于功能和界面的統(tǒng)一，提出互聯互通、互通互換的要求，同樣是由于核心技術依托國外，實現難度很大。前兩輪研究進展難度大的主要原因是互聯互通需求不明確和國內未掌握核心技術。在總結經驗的基礎上，以北京交控科技有限公司為代表的國內信號集成商已掌握核心技術，并有多條線路開通的經驗，由中國城市軌道交通協(xié)會牽頭，重慶、北京、青島等地業(yè)主提出了互聯互通的明確要求，并形成相關規(guī)范，國家已經批復設立互聯互通示范工程，并納入了國家“十三五”規(guī)劃。

1.3小結

目前，國內對CBTC的研究已在世界前列，預計“十三五”期間全球城市軌道交通在建線路約8 000 km，其中，我國大陸約6 000 km，占75%；境外約2 000 km，占25%。目前，國內互聯互通技術和全自動駕駛均設立了示范工程，借鑒巴黎互聯互通的經驗，在建設互聯互通標準時即提出預留升級全自動駕駛的條件，今后面向互聯互通的全自動駕駛系統(tǒng)（I-FAO）將是CBTC技術發(fā)展的重要方向。

2　CBTC組成與特點

2.1組成

互聯互通是CBTC的一個重要屬性，關鍵是若干個互聯互通的CBTC能否配置匹配的列車自動監(jiān)督系統(tǒng)（ATS）和電子地圖。在組成方面，增加互聯互通屬性的FAO并不一定要增加新的設備。

I-FAO是由中央監(jiān)控系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、車載控制器和車-地通信網絡等子系統(tǒng)構成的、覆蓋整條線路及其所有車站和列車的復雜系統(tǒng)，是全天候不間斷運行的高可靠、高安全、高度自動化的系統(tǒng)［4］。其結構組成見圖1。

加強的中央監(jiān)控系統(tǒng)負責對全線的行車、車輛、機電設備、供電設備等進行監(jiān)視、控制和維護，并進行緊急事故情況下的應急處理；車站子系統(tǒng)負責區(qū)域內列車管理、進路辦理、車站監(jiān)控等，以及軌旁布置定位、區(qū)段占用、道岔、信號機等設備；車載控制器具有列車安全防護、自動駕駛、乘客響應、車輛監(jiān)控等功能；車-地通信網絡實現大容量綜合承載的雙向無線車-地通信。

為提高互聯互通電子地圖的更新效率，可配置車載DSU設備，以實現電子地圖數據的自動下載，從而提高可用性。

2.2特點

FAO不僅提升技術裝備的自動化水平，也全面提升軌道交通技術水平和運營方式，提高整個軌道交通控制設備的RAMS等級，以保障在無人監(jiān)控情況下的高安全、高可靠、高度自動化運行。FAO需要解決以下技術問題：

（1）通過多專業(yè)的深度集成提升整體自動化水平。以行車指揮為核心，信號與車輛、電力、機電、通信等多系統(tǒng)深度集成，實現正常及故障情況下多專業(yè)自動聯動，提升軌道交通運行系統(tǒng)的整體自動化水平。

（2）通過全方位充分的冗余配置提高系統(tǒng)可靠性。信號在既有設備冗余的基礎上，增強冗余配置。如車輛加強雙網冗余控制，增加與信號、乘客信息系統(tǒng)（PIS）的接口冗余配置等。

（3）通過對乘客和運營人員的增強防護提升整體安全性。增強乘客防護功能，對乘客上下車及車內安全進行防護；增強運營人員防護功能。增加應急情況下的各系統(tǒng)聯動功能，如火災情況下，通風、行車、供電、視頻、廣播的聯動等。

（4）通過豐富的中央控制功能提升應急處理能力。FAO將弱化車站功能，加強中心控制功能，實現對列車全自動運行的全面監(jiān)控和對設備系統(tǒng)的監(jiān)測與維護調度，提供遠程的面向乘客的服務?？刂浦行男略鲕囕v調度及乘客調度，實現對車輛遠程控制、狀態(tài)監(jiān)控及乘客服務的功能。

（5）通過列車跨線、共線互聯互通運營提高資源共享能力?；ヂ摶ネㄊ侵噶熊嚳稍谝粭l以上的線路上安全運行，并且要求相對應的車輛、信號、通信、供電、線路限界和運營商等能夠一致?；ヂ摶ネㄗ畲蟮膬?yōu)勢在于資源共享，通過互聯互通，實現在運營管理、車輛調配、人機操作方式、檢修設備、維修工藝、備品備件、人力資源、培訓資源等全方位的資源重組，盤活建設和運營單位的人力與設備資產，最大限度降低軌道交通建設和運營成本，提升軌道交通建設和運營單位的管理水平與效益。

圖1　I-FAO結構組成

3　I-FAO關鍵技術

與CBTC相比，FAO實現了車輛信號的一體化設計、信號設備高可靠性冗余配置和信號與綜合監(jiān)控的深度集成，根據運營需求實現了信號系統(tǒng)場景的重新設計。實現I-FAO時應根據FAO的需求，依托互聯互通的接口設計技術路線進行實現。

I-FAO互聯互通接口解決方案見圖2。在我國城市軌道交通協(xié)會技術裝備專業(yè)委員會及北京、上海、南京等地專家的支持下，自2014年開始編制《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）接口規(guī)范-互聯互通接口規(guī)范》工作，實現了裝備不同信號廠家車載設備的列車可在裝備不同信號廠家軌旁設備的一條軌道線路或多條軌道線路上無縫互通安全可靠運行，總體目標是支持軌道交通網絡化運營，實現軌道交通線網建設和運營資源共享。目前，已經制定了《CBTC總體要求》《應答器報文》《CBTC車-地連續(xù)通信協(xié)議規(guī)范》《CBTC架構和功能分配技術要求》規(guī)范。通過規(guī)范約束，明確列車共線、跨線運行的技術標準。在此基礎上，實現I-FAO還應重點解決以下問題。

圖2　I-FAO互聯互通接口解決方案

圖3　全生命周期安全設計保障平臺

3.1統(tǒng)一的電子地圖描述方式

作為整個信號系統(tǒng)的設計基礎，線路電子地圖的統(tǒng)一化定制與描述尤為重要，有利于規(guī)范信號系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)間的接口，使裝備不同信號廠家車載設備的列車具有跨線互聯互通運營的接口條件，有利于規(guī)范信號系統(tǒng)的整體設計及標準化電子地圖格式的描述（如信號機布置、防護區(qū)段劃分等），形成統(tǒng)一的數據中心。

線路電子地圖的統(tǒng)一化設計應從兩方面入手。一是統(tǒng)一化線路電子地圖的準備流程；二是統(tǒng)一化線路電子地圖的描述格式。其準備流程是將信號系統(tǒng)的數據準備與技術方案實施作為兩條獨立的主線進行考慮，針對線路的土建數據提取和系統(tǒng)數據的設計采用標準化措施；信號系統(tǒng)供應商可自身或委托第三方進行設計，或由信號系統(tǒng)招標方統(tǒng)一制定。

3.2全生命周期的安全保障方法

I-FAO繼承了FAO對RAMS的各項指標要求，必須尋找有效的方法對I-FAO的設計、開發(fā)、應用進行全生命周期管理。該方法必須突破的關鍵技術如下：（1）基于復雜交互的運營需求和場景辨識設計。（2）全生命周期列車通信與運行控制系統(tǒng)產品安全設計方法。（3）列車運行控制系統(tǒng)SIL4級軟件可信性評估和安全功能分配。（4）FAO、綜合自動化、互聯互通的列車運行控制系統(tǒng)風險評估與危險源庫。

建立全生命周期安全設計保障平臺（見圖3）支撐I-FAO的設計與開發(fā)。采用基于列車運行復雜場景的失效傳播模型和涵蓋全生命周期的系統(tǒng)設計開發(fā)方法，構建滿足CENELEC標準的最高安全完善度等級的SIL4安全保障管理體系，搭建一個涵蓋列車運營場景辨識、產品安全設計、軟件可信性評估、風險與危險源分析和管理等核心技術的全生命周期安全設計保障平臺，滿足城市軌道交通運營安全和可靠性要求，為城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的安全評估提供支撐。

全生命周期安全設計保障平臺可開展I-FAO運營需求辨識和場景辨識、建模和分析，并對I-FAO風險進行評估，建立危險源庫，指導工程設計和應用。

4　結束語

“Shift2Rail計劃”是2014年啟動的歐盟史上第一個大型鐵路科研創(chuàng)新項目，明確提出：先進的交通管理系統(tǒng)，應是自動化、可互操作、互聯互通的，應與司機建議系統(tǒng)（DAS）和自動行駛功能相配合，在正常運行和降級運行時能夠實現預見性的動態(tài)交通管理［5］，整合并利用從列車及網絡獲取的實時狀態(tài)與性能數據，可使用基于無線網絡通信的車載完整性驗證技術和聯網對象控制功能。這與所研究的面向互聯互通的全自動駕駛系統(tǒng)目的一致。目前，國內信號設備生產廠家在研究FAO時要放眼未來，參考我國目前制定的互聯互通標準，在軌道交通行業(yè)落實“中國制造2025”計劃。

［1］ 郜春海. 基于通信的軌道交通列車運行控制系統(tǒng)［J］.現代城市軌道交通，2007（2）：7-10.

［2］ 唐濤，郜春海，李開成，等.基于通信的列車運行控制技術發(fā)展戰(zhàn)略探討［J］.都市快軌交通，2005（6）：25-29.

［3］ 劉波，孫軍國.中國完全自主化的全自動駕駛系統(tǒng)將于明年底開通運營［J］.軌道世界，2015（9）：9.

［4］ 杜薇.全自動運行燕房線工程七大核心設備系統(tǒng)獨立RAMS評估研究［J］.鐵路技術創(chuàng)新，2015（4）：22-28.

［5］ 方挺.歐盟“Shift2Rail”鐵路科研創(chuàng)新項目面面觀［J］.軌道世界，2015（11）：14.

王偉：北京交控科技股份有限公司，副總裁，北京，100070

責任編輯盧敏

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