全自動運行系統(tǒng)地鐵車輛關(guān)鍵技術(shù)

李 猛，張艷兵，徐成永，郭澤闊

（1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

1 全自動運行系統(tǒng)概述

根據(jù)國際公共交通協(xié)會（UITP）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2016年7月，全球共有37座城市55條全自動運行地鐵線路投入運營，總里程達到803 km。運營里程相比2014年增長了14.2%，預(yù)計到2025年全球運營里程將增至2 200 km[1-2]。

近期，國內(nèi)各大城市對于新建城市軌道交通線路是否按全自動運行系統(tǒng)建設(shè)和運營進行了熱烈而廣泛的討論，討論的焦點集中在采用全自動運行系統(tǒng)對工程造價及建設(shè)工期的影響、全自動運行系統(tǒng)技術(shù)的成熟性、全自動運行系統(tǒng)運營管理模式及緊急運營場景應(yīng)對等方面[3-5]。

目前，國內(nèi)已經(jīng)開通運營的全自動運行地鐵線路（僅指系統(tǒng)建設(shè)自動化等級）包括上海10號線、首都機場線、香港迪斯尼線等。根據(jù)最新正在設(shè)計、在建的線路情況了解到，北京城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃（2016～2021）中的至少4條線路擬采用全自動運行系統(tǒng)進行建設(shè)[6]，寧波、成都、天津、濟南、杭州、哈爾濱、昆明等城市也在近一兩年內(nèi)開始研究應(yīng)用全自動運行系統(tǒng)。

從國內(nèi)外目前應(yīng)用情況及增長數(shù)據(jù)來看，采用全自動運行系統(tǒng)進行建設(shè)的地鐵線路相比常規(guī)線路具備諸多優(yōu)勢[7]，剩下關(guān)注的重點在于線路開通運營時采用何種自動化等級進行運營，以及對應(yīng)的運營管理模式、應(yīng)對乘客隨機性引起意外的處理措施等[8]。

全自動運行系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用主要看全自動運行系統(tǒng)技術(shù)的成熟度，包括土建系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)，其設(shè)備系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括車輛、信號、通信、綜合監(jiān)控等。

全自動運行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)所起作用如表1所示。

全自動運行系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備包括調(diào)度、車站、軌旁、車載等關(guān)鍵子系統(tǒng)，如圖1所示。

相對于常規(guī)線路，全自動運行車輛系統(tǒng)功能需求和技術(shù)存在較多區(qū)別[9]，技術(shù)的產(chǎn)生緣于功能需求和運營場景的改變。本文從 IEC62290規(guī)范[10]對全自動運行系統(tǒng)的功能需求出發(fā)，對全自動車輛關(guān)鍵技術(shù)進行逐一論述。

圖1 全自動運行系統(tǒng)組成示意Fig. 1 Composition of FAO system

2 全自動運行系統(tǒng)的功能需求

根據(jù)IEC62267[11]，列車運行的基本功能需求包括確保列車安全運行、駕駛列車、監(jiān)控軌道、監(jiān)控乘客上下車、管理列車、確保緊急情況的檢測和管理等部分，這些功能需求的實現(xiàn)可由設(shè)備系統(tǒng)完成，亦可由人工完成，不同自動化等級（grade of automation，GOA）的運行系統(tǒng)功能完成情況如表2所示。

上述 6種基本功能需求中保證列車安全運行由ATP（列車自動保護）完成，駕駛列車由ATO（列車自動運行）完成，這在目前常規(guī)GoA2自動化等級線路中已經(jīng)實現(xiàn)，下面重點討論監(jiān)控軌道、監(jiān)控乘客上下車、監(jiān)控列車、緊急狀態(tài)的檢測與處理這4種功能需求下車輛的關(guān)鍵技術(shù)。

表2 不同自動化等級下列車運行功能需求Tab. 2 The mandatory basic functions of train operation for a given grade of automation

3 全自動運行車輛職責(zé)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 監(jiān)控軌道

3.1.1 車輛職責(zé)

早期的城市軌道交通線路一般沒有設(shè)置站臺門系統(tǒng)，這對乘客安全和軌行區(qū)安全存在雙重隱患。這就要求自動運行的車輛做到兩點，一是防止和軌道障礙物碰撞，再是防止和軌道上的人碰撞。

3.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

基于上述對車輛的需求，車輛需新增障礙物檢測裝置與脫軌檢測裝置。當(dāng)車輛在接收到障礙物、脫軌檢測信息后，觸發(fā)緊急制動，同時將此信息發(fā)送至列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS），這就引出下列3步：

1）觸發(fā)緊急制動：車載VOBC收到TCMS匯報的障礙物或脫軌信息后，上傳至 TIAS車輛調(diào)和行調(diào)控制臺；同時VOBC輸出緊急制動、切除牽引指令；

2）報警信息上傳：TIAS車輛調(diào)和行調(diào)界面進行報警，同時聯(lián)動區(qū)間CCTV，查看現(xiàn)場情況，通知人工到事發(fā)地點處理；

3）障礙物/脫軌傳感器復(fù)位：人工現(xiàn)場清除障礙物，并確認軌道上沒有遺留障礙物時，復(fù)位障礙物、脫軌檢測傳感器，人工確認故障解除以及軌道上沒有作業(yè)人員且具備繼續(xù)全自動駕駛條件后，車輛、信號自動緩解緊急制動，等待人工按壓確認按鈕后可以FAM模式發(fā)車。

3.2 監(jiān)控乘客上下車

3.2.1 車輛職責(zé)

由于在UTO（無人駕駛）模式中，列車上或者車站沒有運營人員監(jiān)督乘客上下車，在控制乘客上下車方面，必須采取措施降低關(guān)閉和開啟車門時傷害乘客的風(fēng)險。在防止乘客在車廂之間或者在列車與站臺之間受傷方面，應(yīng)采取措施降低乘客掉入站臺和車廂間或者掉入車廂間連接區(qū)而受傷的風(fēng)險。在確保安全啟動條件方面，應(yīng)采取措施，降低一個或多個車門開著時列車突然啟動，或乘客身體某部分或行李被卡在車門中或者站臺門中造成乘客受傷的風(fēng)險。

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）基于上述對車輛的需求，在車門/站臺門對位隔離方面，包括下列關(guān)鍵技術(shù)：

自動發(fā)車條件確認：自動駕駛車載VOBC檢查以下條件滿足后發(fā)車：停站計時到時；車門、站臺門關(guān)閉且鎖閉；緊急停車按鈕未按下；出站信號開放；區(qū)間SPKS開關(guān)設(shè)置為非防護位；

車門故障提示：當(dāng)車門發(fā)生故障時，對乘客進行提示，車輛通過車載 PA系統(tǒng)觸發(fā)相對應(yīng)的隔離車門上方的動態(tài)地圖 LCD顯示器上顯示此門不打開的信息并點亮紅色指示燈，進行車門隔離故障廣播。站臺門系統(tǒng)應(yīng)點亮故障車門對應(yīng)站臺門的故障指示燈；

故障對位隔離：在列車進站停穩(wěn)后，車載VOBC自動打開車門，故障車門由車輛控制不打開，同時向聯(lián)鎖發(fā)送開站臺門指令，CI控制打開站臺門，故障車門對應(yīng)的站臺門由站臺門控制，不打開關(guān)閉車門和站臺門并發(fā)車；

故障信息傳遞：車輛 TCMS→車載 VOBC→聯(lián)鎖→站臺門；站臺門→聯(lián)鎖→車載VOBC→車輛TCMS。

根據(jù)上面列出的功能需求，車輛需新增車門故障隔離控制裝置及TCMS與站臺門聯(lián)鎖控制裝置。

2）在清客/再關(guān)車門控制方面，包括下列關(guān)鍵技術(shù)：

發(fā)送清客指令：車載VOBC根據(jù)電子地圖在折返站和終到站（含臨時清客站臺）停車后，車載VOBC向車輛TCMS發(fā)送清客工況指令，并通過硬線給車輛維持發(fā)送門使能指令直到清客完成；

自動車輛廣播：車輛 TCMS接收到車載 VOBC的“清客”工況指令后，自動觸發(fā)車輛廣播，提醒乘客下車，同時聯(lián)動車載PIS提示乘客下車；

車站聯(lián)動處理：TIAS聯(lián)動車站廣播，提醒站臺乘客不能上車，同時聯(lián)動站臺PIS提示本站清客，乘客請勿上車；站臺人員進行清客完成確認后，關(guān)閉車門和站臺門。

遠程再關(guān)車門控制：FAM模式下，車輛調(diào)給車載VOBC發(fā)送再關(guān)門指令，車載VOBC再次發(fā)出關(guān)門指令；TIAS預(yù)留遠程再關(guān)門功能：聯(lián)動站臺CCTV及車上CCTV人工遠程確認可以關(guān)門時，通過車輛調(diào)下發(fā)關(guān)門命令，按壓站臺關(guān)閉車門時，僅關(guān)閉未關(guān)閉的車門，已關(guān)閉的車門不再打開重新關(guān)閉。

根據(jù)上面列出的功能需求，需新增列車遠程廣播裝置及車門防夾精度提示及狀態(tài)上報裝置。

3.3 監(jiān)控列車/自動化列車運營

3.3.1 車輛職責(zé)

由于在 UTO 模式中，在投入/退出運營方面，列車上或車站沒有運營人員來準備列車投入運營或退出運營，所以必須采取措施減少對那些需要幫助且滯留在即將退出運營的列車上的乘客造成傷害的風(fēng)險。在監(jiān)控列車狀況方面，車上或者車站沒有運營人員監(jiān)督列車以便檢測故障，應(yīng)采取措施減小因未發(fā)現(xiàn)的列車故障直接或者間接導(dǎo)致事故對乘客造成傷害的風(fēng)險。

3.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

基于上述對車輛的需求，在自動列車喚醒/休眠方面，包括下列5個部分的關(guān)鍵技術(shù)：1）低壓上電/休眠指令接收：通過TIAS遠程或人工；2）列車設(shè)備自檢/整車延時斷電：車載各設(shè)備對狀態(tài)進行自檢；

3）靜調(diào)測試、動態(tài)測試條件確認：若庫內(nèi)列車滿足列車級靜態(tài)測試和動態(tài)測試的條件，執(zhí)行列車級靜態(tài)測試和動態(tài)測試；

4）自動換端測試/休眠狀態(tài)測試及上報：一端完成后，自動換端，另一端繼續(xù)進行列車級靜態(tài)測試和動態(tài)測試；

5）喚醒完成/休眠完成：兩端VOBC均動態(tài)測試完成且測試通過，VOBC向TIAS匯報喚醒成功總標記，則喚醒成功進入FAM模式待命工況。

根據(jù)上面列出的功能需求，車輛需新增車輛自檢模塊，車輛喚醒模塊，輔助駕駛模塊以及整車延時斷電控制模塊4個部分。

3.4 緊急狀態(tài)的檢測與處理

3.4.1 車輛職責(zé)

由于在 UTO模式中，列車上或車站沒有運營人員來識別車上或站內(nèi)發(fā)生的緊急狀況，應(yīng)采取防護措施降低因未辨識出的緊急狀況而對乘客造成傷害的風(fēng)險。車輛應(yīng)針對辨識出的危險狀況有相應(yīng)的安全措施，來彌補緊急狀況下沒有運營人員的情況。值得注意的是，確定的安全措施有時也用在DTO和STO模式。

3.4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）基于上述對車輛的需求，在遠程故障復(fù)位控制方面，關(guān)鍵技術(shù)包括遠程復(fù)位（合閘）和遠程旁路兩部分。中心車輛調(diào)根據(jù)TIAS的提示信息人工確認后，采取遠程復(fù)位和旁路措施。車輛TCMS周期將車輛故障信息、狀態(tài)信息、里程信息發(fā)送給車載VOBC。車輛需新增車載設(shè)備復(fù)位控制裝置，車輛可遠程復(fù)位設(shè)備表如表3所示。

2）在遠程緊急制動/呼叫方面，包括下列關(guān)鍵技術(shù)：

乘客按下緊急手柄：單車的TCMS采集到手柄被拉下信息，車輛直接施加緊急制動，并同時發(fā)送給車載VOBC和車載CCTV實現(xiàn)聯(lián)動；

觸發(fā)緊急制動并報警：車載VOBC將緊急手柄拉下信息轉(zhuǎn)發(fā)TIAS車輛調(diào)，TIAS車輛調(diào)顯示此信息，并輸出報警；車載CCTV將視頻信號通過PIS通道將緊急手柄拉下報警區(qū)域的畫面主動推送給地面乘客調(diào)CCTV監(jiān)視器；

表3 車輛可遠程復(fù)位設(shè)備Tab. 3 Remotely reset device of the vehicle

報警確認并發(fā)車：乘客調(diào)通過CCTV監(jiān)視器確認后可通過 Tetra對列車進行廣播，并由中心乘客調(diào)確認后通知行調(diào)可以發(fā)車；行調(diào)執(zhí)行發(fā)車確認操作；

緊急呼叫功能：客室內(nèi)設(shè)置緊急呼叫按鈕，當(dāng)乘客觸發(fā)客室內(nèi)的緊急呼叫按鈕后，可與中心調(diào)度臺通話。

根據(jù)上面列出的功能需求，車輛需新增車載廣播通信裝置以及車載PIS與緊急按鈕聯(lián)動裝置。

3）在車輛火災(zāi)方面，包括下列關(guān)鍵技術(shù)：

火災(zāi)檢測：車輛通過網(wǎng)絡(luò)和硬線方式給車載VOBC提供火災(zāi)報警信息，同時車輛通過硬線的方式給車載VOBC提供火災(zāi)報警信息，車載VOBC將火災(zāi)報警上報TIAS。

車輛PIS系統(tǒng)將火災(zāi)報警區(qū)域的畫面推送給地面車輛調(diào)、乘客調(diào)CCTV監(jiān)視器和司機臺CCTV監(jiān)視器。

應(yīng)急反應(yīng)：停站期間列車發(fā)生火災(zāi)時，列車打開車門不關(guān)閉，疏散乘客。TIAS本站鄰線站臺提示行調(diào)設(shè)置跳停。

在區(qū)間運行時列車發(fā)生火災(zāi)，列車不自動打開車門，運行至下一站對標停車，打開車門不關(guān)閉，疏散乘客。行調(diào)調(diào)度員人工設(shè)置上下行相鄰車站的扣車；行調(diào)對相鄰區(qū)間內(nèi)正在接近的列車，實施緊急制動。

火災(zāi)確認：車載VOBC保持在站臺打開車門不關(guān)閉狀態(tài)，待站臺人員上車后確認火災(zāi)情況（中心可通過 CCTV輔助確認），如確實有火災(zāi)，車輛調(diào)向車載VOBC發(fā)送火災(zāi)確認，由車載VOBC觸發(fā)TCMS預(yù)錄廣播對乘客進行廣播，車輛自行觸發(fā)預(yù)錄制的PIS信息提示乘客。

根據(jù)上面列出的功能需求，車輛需新增火災(zāi)探測裝置，火災(zāi)信息上傳裝置，火災(zāi)信息與PIS聯(lián)動裝置以及遠程復(fù)位FAS報警裝置。

4）在車輛制動系統(tǒng)故障方面，包括下列關(guān)鍵技術(shù)：

故障上傳：當(dāng)車輛制動系統(tǒng)故障時，車輛通過MVB網(wǎng)絡(luò)將車輛的緊急制動損失程度（損失的轉(zhuǎn)向架個數(shù)）告知VOBC；

故障信息采集：當(dāng)VOBC與TCMS網(wǎng)絡(luò)通信故障后，VOBC將采集制動力故障硬線（制動重故障）輸入，如制動力故障硬線輸入有效，則輸出緊急制動；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常時，VOBC將不采集制動力故障硬線，通過MVB網(wǎng)絡(luò)獲取制動狀態(tài)；

故障控制：①損失1/8（以4輛動車、8臺動力轉(zhuǎn)向架列車為例）轉(zhuǎn)向架緊急制動的時候，列車可以精確停車，維持運行完本次上下行服務(wù)后退出運營。車輛采取限速措施（超過70 km/h時切除牽引）并保證可保證的緊急制動率（GEBR）。信號超過該速度后切除牽引，不需要降低牽引和制動率保證精確停車；②損失1/4轉(zhuǎn)向架緊急制動的時候，列車繼續(xù)運行到站臺停車，人工上車，退出FAM模式，須以CM或RM模式駕駛，車輛采取限速措施（65 km/h）并保證GEBR，信號超過該速度后切除牽引；③損失3/8轉(zhuǎn)向架緊急制動的時候，VOBC直接采取緊急制動，等待人工救援（若網(wǎng)絡(luò)故障，制動硬線匯報有故障，則認為損失3/8以上緊急制動）。

根據(jù)上面列出的功能需求，車輛需新增制動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測裝置，制動力損失情況上報裝置以及制動力損失信息與限速聯(lián)動裝置。

4 全自動運行車輛的可靠性

4.1 可靠性指標

以北京燕房線為例，列車運營可靠性指標：

1）服務(wù)故障：每組車平均無故障時間6 000 h；

2）大晚點故障：每組車平均無故障時間4 500 h；（常規(guī)駕駛為3 000 h）

3）碎修、列檢故障：每列車平均無故障時間200 h。（常規(guī)駕駛為150 h）

另一方面，牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)具有自診斷功能，可實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)、故障及操作指令自動信息采集和記錄功能，并可將影響運營的故障信息、主要狀態(tài)信息及能耗記錄發(fā)送至車載VOBC用以統(tǒng)一記錄和顯示。

4.2 提高可靠性指標措施

4.2.1 車上設(shè)備狀態(tài)遠程檢測

車載VOBC系統(tǒng)和車輛TCMS系統(tǒng)通過增加與TIAS、IMS系統(tǒng)的接口，將列車狀態(tài)、診斷信息匯總到控制中心（車輛調(diào)和設(shè)備管理系統(tǒng)），強化遠程監(jiān)測功能。車輛TCMS周期將車輛故障信息、狀態(tài)信息和里程信息發(fā)送給車載VOBC。車輛TCMS與地面服務(wù)器通道傳輸車輛故障信息和維護信息。

4.2.2 列車控制與診斷系統(tǒng)自動控制

TCMS故障診斷和監(jiān)控；增強TCMS的數(shù)據(jù)記錄和傳輸系統(tǒng)；提升TCMS系統(tǒng)可靠性；TCMS遠程安全修復(fù)和故障安全自愈技術(shù)。

4.2.3 走行部安全監(jiān)測和故障診斷

車輛走行部若發(fā)生嚴重故障而未及時采取措施，容易造成運營安全事故，比如軸承燒損。

傳統(tǒng)車輛走行部監(jiān)測診斷未實現(xiàn)控車，嚴重故障應(yīng)急措施依靠診斷信息和司機人工決策的方式，全自動駕駛車輛需要研究高實時性的走行部故障診斷和自動分級報警決策技術(shù)。

嚴重故障實時報警通過列車網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度系統(tǒng)實時遠程連接用于監(jiān)控，從而保障全自動駕駛模式下的車輛運行安全。

4.2.4 采用以太網(wǎng)+MVB雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵系統(tǒng)均冗余設(shè)計，如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵系統(tǒng)均冗余設(shè)計示意Fig. 2 Key systems are redundant design

4.2.5 車地通信大數(shù)據(jù)處理

全自動駕駛車輛的車載子系統(tǒng)和傳感器多，需要實時把控制數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息實時記錄并發(fā)送給地面控制中心，為列車的運行和維護檢修提供支撐。

1）數(shù)據(jù)記錄要確保數(shù)據(jù)記錄的完整性和實時性。

2）數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)為TCMS通過MVB與各系統(tǒng)進行通信，采用大容量進行記錄，記錄芯片固化在設(shè)備內(nèi)部，且在列車兩端均冗余設(shè)置有快速存儲器。

3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為TCMS通過MVB和以太網(wǎng)與各系統(tǒng)進行通信，傳輸TCMS控制信息以及各系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、故障信息等，并通過校驗及安全傳輸技術(shù)確保數(shù)據(jù)的發(fā)送的安全性、準確性。

4）信號系統(tǒng)可通過TCMS反饋數(shù)據(jù)實時監(jiān)控關(guān)鍵系統(tǒng)如牽引、制動、車門等關(guān)鍵運行狀態(tài)，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)服務(wù)全自動駕駛車輛大數(shù)據(jù)量處理的需求。

5 結(jié)論

1）根據(jù)IEC62290的相關(guān)規(guī)定，全自動運行系統(tǒng)需由設(shè)備自動化實現(xiàn)監(jiān)控軌道、監(jiān)控乘客上下車、監(jiān)控列車、緊急情況下的處理等，而車輛是全自動運行系統(tǒng)關(guān)鍵的子系統(tǒng)，本文從車輛需求與職責(zé)出發(fā)，闡述了全自動運行車輛的關(guān)鍵技術(shù)。

2）全自動駕駛車輛在可靠性、可用性、可維護性以及智能化程度方面相對與常規(guī)車輛全面性升級。在GoA2模式下，全自動駕駛車輛也具有更高的可用性，可以有效提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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