城市軌道交通既有車輛段短庫(kù)線全自動(dòng)駕駛改造方案研究*

陳寧寧 張 琦 王開(kāi)鋒 高 鶯 賈 鵬

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，100081，北京；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，100081，北京；3. 國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，100081，北京//第一作者，高級(jí)工程師,博士研究生)

全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是未來(lái)城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)。全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)經(jīng)歷了探索、推廣階段，已經(jīng)進(jìn)入了成熟應(yīng)用階段[1]。全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)發(fā)展之初主要應(yīng)用于低運(yùn)量的線路，而現(xiàn)在逐漸成為大運(yùn)量干線線路的值得信賴的解決方案。最近10年，有21.5%的新開(kāi)大運(yùn)量線路選擇了UTO(無(wú)人值守下的列車自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)際公共交通聯(lián)合會(huì)的預(yù)測(cè)，到2025年全球?qū)?huì)有2 300 km的城市軌道交通線路選擇全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。目前，法國(guó)巴黎和里昂、德國(guó)紐倫堡、巴西圣保羅、西班牙巴塞羅那等的地鐵線路都應(yīng)用了全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)。

城市軌道交通的GOA(自動(dòng)化等級(jí))分為5個(gè)等級(jí),從GOA0到GOA4[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)主流的CBTC(基于通信的列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)屬于GOA2級(jí)，是一種STO(半自動(dòng)列車運(yùn)行)系統(tǒng) 。CBTC系統(tǒng)通過(guò)ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)子系統(tǒng)已經(jīng)具備了正線運(yùn)行的自動(dòng)化駕駛功能，但在車輛段和停車場(chǎng)仍然僅依靠駕駛員根據(jù)軌旁信號(hào)顯示行車,車載信號(hào)系統(tǒng)僅提供固定限速防護(hù)功能。ATO模式下，運(yùn)行安全完全依賴于人工,易發(fā)生因人員疏忽而造成的事故。因此，通過(guò)提高車輛段的自動(dòng)化水平可以使既有線的CBTC系統(tǒng)達(dá)到GOA4級(jí)水平(UTO)。繼2009年紐倫堡U 2線、2012年巴黎L 1線完成全自動(dòng)改造后，格拉斯哥、倫敦、里昂、馬賽、巴黎、維也納等歐洲城市已確認(rèn)將在未來(lái)10 a進(jìn)行線路的自動(dòng)化改造。

自動(dòng)化車輛段的主要功能包括列車的自動(dòng)喚醒、自動(dòng)調(diào)車、自動(dòng)出庫(kù)、自動(dòng)進(jìn)入正線、自動(dòng)退出正線、自動(dòng)洗車、自動(dòng)入庫(kù)及自動(dòng)休眠等[4]。其中列車的自動(dòng)喚醒、自動(dòng)出庫(kù)、自動(dòng)入庫(kù)、自動(dòng)休眠是在庫(kù)內(nèi)完成的。列車的自動(dòng)喚醒及檢車功能是自動(dòng)化車輛段的核心功能。既有車輛段的庫(kù)線長(zhǎng)度較短且計(jì)軸區(qū)段劃分不合理，不能滿足列車自動(dòng)喚醒后軌旁ATP(列車自動(dòng)保護(hù))的篩選、庫(kù)內(nèi)跳躍動(dòng)態(tài)自檢、自動(dòng)入庫(kù)3個(gè)功能對(duì)庫(kù)線長(zhǎng)度及布置的要求。可通過(guò)重新劃分計(jì)軸區(qū)段實(shí)現(xiàn)列車的篩選，通過(guò)以下2種方案解決庫(kù)線過(guò)短的問(wèn)題。

(1)增加庫(kù)線長(zhǎng)度。此方案涉及既有庫(kù)線及相鄰建筑拆遷，存在費(fèi)用較高、改造周期較長(zhǎng)、對(duì)運(yùn)營(yíng)影響較大等方面的問(wèn)題。地鐵業(yè)主一般不選擇庫(kù)內(nèi)自動(dòng)化改造方案，而是采用以下方案：當(dāng)全自動(dòng)運(yùn)行列車自動(dòng)駕駛到庫(kù)門口停車后，由人工駕駛列車進(jìn)入庫(kù)線；當(dāng)全自動(dòng)運(yùn)行列車出庫(kù)時(shí)，人工手動(dòng)實(shí)現(xiàn)檢車跳躍，并將列車駕駛到庫(kù)口完成定位，然后再使列車進(jìn)入全自動(dòng)駕駛模式。

(2)減少車載信號(hào)系統(tǒng)的制動(dòng)保護(hù)距離限制。庫(kù)線的長(zhǎng)度需要滿足列車本身的長(zhǎng)度及車載ATP系統(tǒng)對(duì)最小制動(dòng)保護(hù)距離的要求。結(jié)合應(yīng)答器、計(jì)軸、局部定位設(shè)備等信號(hào)系統(tǒng)軌旁設(shè)備的調(diào)整布置，通過(guò)變更入庫(kù)控車流程及相關(guān)的安全制動(dòng)模型減少車載ATP系統(tǒng)的制動(dòng)保護(hù)距離限制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行列車短庫(kù)線自動(dòng)入庫(kù)停車及喚醒后跳躍功能。此方案是車輛段自動(dòng)化改造的較為經(jīng)濟(jì)可行的方案。

1 全自動(dòng)車輛段庫(kù)線設(shè)計(jì)方案及分析

1.1 全自動(dòng)車輛段列檢庫(kù)線劃分

圖1為車輛段庫(kù)線劃分示意圖。按照廣州地鐵大洲車輛段庫(kù)線布置，既有非全自動(dòng)線路的列檢庫(kù)線只有AG和BG兩個(gè)計(jì)軸區(qū)段。6輛編組的列車長(zhǎng)度為120 m，A和B兩個(gè)列位所在計(jì)軸區(qū)段的長(zhǎng)度通常分別為131 m和140 m。

圖1 車輛段庫(kù)線劃分

為了滿足全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)喚醒后軌旁ATP對(duì)非自動(dòng)列車的篩選條件，需要將列檢庫(kù)線劃分為AG、BG、CG ，總共3個(gè)計(jì)軸區(qū)段。但由于既有非全自動(dòng)線路的庫(kù)線長(zhǎng)度普遍較短(268 m左右)，不能滿足理論上的299 m[5]的全自動(dòng)車輛段庫(kù)線長(zhǎng)度需求。需要根據(jù)車輛參數(shù)及原有庫(kù)線長(zhǎng)度重新劃分計(jì)軸區(qū)段長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)置AG、BG長(zhǎng)度均為128 m，CG的長(zhǎng)度為15 m，其中BG的保護(hù)距離(停車點(diǎn)到車擋安全點(diǎn)的距離)為7 m。

1.2 全自動(dòng)車輛段列檢庫(kù)線布置

圖2為車輛段庫(kù)線信號(hào)設(shè)備布置示意圖。在庫(kù)線安裝有固定應(yīng)答器，用于VOBC(車載控制器)自動(dòng)精確入庫(kù)停車。在庫(kù)線停車點(diǎn)附近安裝有局部定位設(shè)備，局部定位設(shè)備的通信范圍可以根據(jù)需要調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)只與本列位已停準(zhǔn)的車載設(shè)備雙向通信。地面ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)可以在車載設(shè)備休眠后通過(guò)局部定位設(shè)備追蹤休眠列車位置。車載定位設(shè)備也可以通過(guò)接收ATS的命令喚醒信號(hào)及車輛設(shè)備。喚醒后的VOBC通過(guò)局部定位設(shè)備確定列車定位，且只允許在局部定位設(shè)備通信范圍內(nèi)進(jìn)行跳躍測(cè)試，以保證動(dòng)態(tài)自檢安全。

圖2 車輛段庫(kù)線信號(hào)設(shè)備布置示意圖

1.3 自動(dòng)化車輛段入庫(kù)停車安全制動(dòng)模型

標(biāo)準(zhǔn)安全制動(dòng)模型[6-8]考慮了車載ATP的輸出延遲tout、車輛的牽引切除延遲ttraciton、車輛的制動(dòng)施加延遲tcoastiong。標(biāo)準(zhǔn)安全制動(dòng)如圖3中1#曲線所示，包含最大牽引階段、惰行階段和緊急制動(dòng)階段。由于BG的停車點(diǎn)距離車檔的距離很短，且標(biāo)準(zhǔn)安全制動(dòng)模型的曲線需要的保護(hù)區(qū)段為18 m，因此通過(guò)ATO不能實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)入庫(kù)停車。

對(duì)于變更后的安全制動(dòng)模型，在入庫(kù)階段，車載ATP接收到局部定位設(shè)備信息后提前切除牽引，通過(guò)ATO控制列車在庫(kù)線以惰行、制動(dòng)工況行駛并精確停車。停車點(diǎn)處布置有局部定位設(shè)備，當(dāng)ATP接收到局部定位設(shè)備信息且速度大于設(shè)置值時(shí)，ATP會(huì)施加緊急制動(dòng)，以保證安全停車。采用這種控車方式，在ATP的安全制動(dòng)模型中可以不考慮最大牽引階段，只考慮惰行階段和緊急制動(dòng)階段。

注：s代表距離；v代表速度

如圖3所示，1#曲線為標(biāo)準(zhǔn)安全制動(dòng)模型曲線，2#曲線為變更后的安全制動(dòng)模型曲線。同樣的初始速度v0下，按照2#曲線計(jì)算得到的緊急制動(dòng)距離要小于按照1#曲線計(jì)算得到的緊急制動(dòng)距離，等價(jià)于變更后的安全制動(dòng)模型需要的保護(hù)距離小于標(biāo)準(zhǔn)安全制動(dòng)模型需要的保護(hù)距離。1#曲線相關(guān)計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：

s1——牽引階段運(yùn)行距離；

s2——惰行階段運(yùn)行距離；

s3——制動(dòng)階段運(yùn)行距離；

m——質(zhì)量；

η——最大下坡坡度：

Δh——緊急制動(dòng)時(shí),速度為v0時(shí)列車所在位置的海拔高度與速度為v3時(shí)列車所在位置的海拔高度之差；

f——阻力；

ao——牽引階段加速度；

ac——惰行階段加速度；

aeb——緊急制動(dòng)階段加速度；

ag,min——坡度造成的加速度;

g——重力加速度。

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出式(2)：

[v0+aoto-aeb(tc+to)]2-2gΔh}/(2aeb)

(2)

如不考慮牽引階段的加速過(guò)程，可以根據(jù)式(2)推導(dǎo)出式(3):

aebtc)2-2gΔh]/(2aeb)

(3)

式(2)代表圖3所示的1#曲線制動(dòng)模型，其需要的制動(dòng)保護(hù)距離長(zhǎng)度為18 m。式(3) 代表圖3所示的2#曲線制動(dòng)模型，其需要的保護(hù)距離長(zhǎng)度為3 m，該距離要小于BG停車點(diǎn)到車擋的距離(7 m)。因此，2#曲線制動(dòng)模型是能夠滿足列車自動(dòng)進(jìn)站停車條件的。限速距離曲線如圖4所示。表1為安全制動(dòng)參數(shù)表。

圖4 限速距離曲線圖

表1 安全制動(dòng)參數(shù)表

1.4 自動(dòng)化車輛段入庫(kù)流程

以庫(kù)線AG停車為例，在VOBC控制下，列車自動(dòng)入庫(kù)過(guò)程可以分解為以下2個(gè)主要過(guò)程(見(jiàn)圖5)：

(1)在列車從段場(chǎng)向庫(kù)內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，VOBC根據(jù)應(yīng)答器修正的位置判斷距離局部定位設(shè)備HX 0104的距離。當(dāng)判斷未到局部定位設(shè)備HX 0104通信范圍但已收到局部定位設(shè)備報(bào)文時(shí)，施加緊急制動(dòng)停車；當(dāng)判斷越過(guò)局部定位設(shè)備HX 0104通信范圍但還未收到局部定位設(shè)備報(bào)文時(shí)，施加緊急制動(dòng)停車。目的是判斷車載局部定位設(shè)備接收單元的健康接收狀態(tài)，當(dāng)存在不確定性因素時(shí)倒向安全側(cè)。如果在允許范圍內(nèi)接收到局部定位設(shè)備報(bào)文，則切除列車牽引，允許列車以惰行或者制動(dòng)模式繼續(xù)向前運(yùn)行。

(2)在惰行或制動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，VOBC根據(jù)應(yīng)答器修正的位置判斷距離局部定位設(shè)備HX 0103的距離。當(dāng)判斷未進(jìn)入局部定位設(shè)備HX 0103通信范圍但收到定位設(shè)備報(bào)文時(shí)，施加緊急制動(dòng)停車；當(dāng)判斷進(jìn)入局部定位設(shè)備HX 0103通信范圍但還未收到局部定位設(shè)備報(bào)文時(shí)，施加緊急制動(dòng)停車。如果在允許范圍內(nèi)接收到局部定位設(shè)備報(bào)文，則要判斷速度是否超過(guò)限制速度；如果超過(guò)限制速度則施加緊急制動(dòng)，如果速度非零但又接收不到定位設(shè)備報(bào)文則施加緊急制動(dòng)停車。

圖5 列車入庫(kù)流程控制圖

2 仿真驗(yàn)證

圖6為系統(tǒng)仿真測(cè)試環(huán)境示意圖。如圖6所示，在既有CBTC仿真測(cè)試環(huán)境(包含正線聯(lián)鎖、ATP、ATS等仿真軟件)的基礎(chǔ)上搭建全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)仿真測(cè)試環(huán)境[9],以及增加車輛段設(shè)備(聯(lián)鎖、ATP、ATS)接入和局部定位設(shè)備的仿真。

在仿真環(huán)境中初始化列車位置為轉(zhuǎn)換軌，排列入段及入庫(kù)的列車進(jìn)路；手動(dòng)駕駛列車接近信號(hào)機(jī)并轉(zhuǎn)換為全自動(dòng)駕駛模式；根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)的控制命令及列車模型參數(shù)計(jì)算列車的當(dāng)前速度；列車自動(dòng)駕駛?cè)霂?kù)停車，停車過(guò)程中可以接收到軌旁仿真軟件發(fā)送的應(yīng)答器報(bào)文及局部定位設(shè)備報(bào)文。

列車正常情況下自動(dòng)入庫(kù)運(yùn)行曲線如圖7所示。通過(guò)修改ATP的安全制動(dòng)模型及變更信號(hào)設(shè)備布置方式，VOBC可以控制列車自動(dòng)入段及入庫(kù)停車。列車異常情況下自動(dòng)入庫(kù)運(yùn)行曲線如圖8所示，異常情況是指列車在入庫(kù)過(guò)程中接收不到局部定位設(shè)備HX 0104信號(hào)而觸發(fā)緊急制動(dòng)。

通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，正常情況和異常情況下的列車自動(dòng)入庫(kù)流程能夠保證列車不會(huì)碰撞車檔(安全點(diǎn))，且正常情況下的列車自動(dòng)入庫(kù)流程能夠?qū)崿F(xiàn)精確對(duì)位停車。

圖6 系統(tǒng)仿真測(cè)試環(huán)境示意圖

注:序號(hào)700—1 500為段內(nèi)運(yùn)行過(guò)程的采樣；序號(hào)1 500—1 800為庫(kù)內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行及自動(dòng)停車的采樣

圖8 列車異常情況下自動(dòng)入庫(kù)運(yùn)行曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的既有車輛段短庫(kù)線全自動(dòng)駕駛改造方案，立足于車輛段既有線土建規(guī)模不變，通過(guò)安全制動(dòng)模型變更及列檢庫(kù)計(jì)軸區(qū)段合理劃分實(shí)現(xiàn)短庫(kù)線列車自動(dòng)入庫(kù)停車及喚醒后篩選。通過(guò)局部定位設(shè)備的額外防護(hù)增加列車自動(dòng)入庫(kù)停車過(guò)程中的安全距離判斷，保證了短庫(kù)線列車自動(dòng)入庫(kù)停車的安全性。通過(guò)搭建仿真測(cè)試環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證了車輛段自動(dòng)化的相關(guān)功能。