全自動無人駕駛系統(tǒng)ATS聯(lián)動功能設(shè)計

趙青莉

(通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著城市規(guī)模不斷發(fā)展，城市人口也日益增多，因此對城市基礎(chǔ)設(shè)施的要求也隨之提高，而城市軌道交通以其運力強的特點在城市交通系統(tǒng)中占據(jù)著不可小覷的地位。近年來，城市軌道交通快速發(fā)展，城市軌道交通的線路越來越多，且線路復(fù)雜度越來越大，需要的城市軌道交通專業(yè)技術(shù)人員也就越來越多，另外，基于人工操作的局限性等特點，使城市軌道交通的運行效率遇到了瓶頸，為解決這些問題，全自動無人駕駛系統(tǒng)（Fully Automatic Operation system，F(xiàn)AO）就應(yīng)運而生。FAO 系統(tǒng)是在城市軌道交通互聯(lián)互通系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加城市軌道交通正常運營的各系統(tǒng)間的信息交互，以滿足系統(tǒng)安全、高效運行。

全自動無人駕駛的情況下，控制中心應(yīng)具備列車的遠程控制、遠程列車廣播、實時接收列車上傳的數(shù)據(jù)等功能，并通過監(jiān)控設(shè)備監(jiān)視列車車廂乘客動態(tài)，且能夠自動完成以往由人工保證的運營場景，基于這些需求，傳統(tǒng)列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）已不滿足全自動無人駕駛的需求，傳統(tǒng)ATS 有必要根據(jù)FAO 系統(tǒng)需求進行修改，來滿足FAO 系統(tǒng)正常運行。對于傳統(tǒng)ATS 系統(tǒng)的控制中心已經(jīng)具備列車的遠程控制、遠程列車廣播、實時接收列車上傳的數(shù)據(jù)等功能，但對于城市軌道交通的早間上電、列車休眠/喚醒、出庫等場景不能自動完成，而要將這些場景自動的串聯(lián)起來，ATS 系統(tǒng)就需要添加聯(lián)動功能，聯(lián)動功能可有效提高這些場景的有序的自動運營，并根據(jù)控制對象反饋的結(jié)果做應(yīng)急處理，減輕緊急情況下運營人員的工作壓力以及不必要的錯誤操作，降低工作人員勞動強度，提高城市軌道交通的運營管理水平。因此，分析研究ATS 聯(lián)動功能的設(shè)計具有重要意義。

2 全自動運行系統(tǒng)ATS聯(lián)動功能概述

2.1 ATS聯(lián)動功能概述

ATS 聯(lián)動功能區(qū)別于TIAS 系統(tǒng)中綜合監(jiān)控的聯(lián)動功能，綜合監(jiān)控專業(yè)的聯(lián)動是對通信系統(tǒng)各專業(yè)的聯(lián)動，而ATS 聯(lián)動主要針對信號系統(tǒng)內(nèi)部各專業(yè)進行聯(lián)動，根據(jù)運營計劃，對車、聯(lián)鎖、區(qū)域控制器（ZC）等專業(yè)進行聯(lián)動操作，來滿足FAO 系統(tǒng)各場景的自動運行，并能夠在故障或緊急情況下自動進行操作處理。

2.2 ATS聯(lián)動場景分析

全自動無人駕駛系統(tǒng)就是使用自動化的、集成化高的控制系統(tǒng)替代駕駛員的工作，從運營狀況分，可分為正常運營和故障處理兩類場景，共提煉出41個運營場景。

正常運營的場景有：早間上電、喚醒、出庫、軋道車運行、正線運行、進站停車、站臺發(fā)車、折返換端、終點清客、停止正線服務(wù)、回庫、清掃、清洗、休眠、車輛段內(nèi)自動轉(zhuǎn)線、日檢與維修、列車遠程廣播、扣車、跳停、行李系統(tǒng)場景。

故障處理的場景有：故障復(fù)位控制、再關(guān)車門/站臺門控制、遠程緊急制動、緊急制動緩解、區(qū)間疏散、緊急手柄、緊急呼叫、車輛火災(zāi)、FAM/CAM 相關(guān)模式轉(zhuǎn)換、蠕動模式、車上設(shè)備工作狀態(tài)遠程監(jiān)測、車門/站臺門故障隔離、車門狀態(tài)丟失、雨雪模式、車輛制動系統(tǒng)故障、救援、車站火災(zāi)、障礙物/脫軌檢測、其他遠程控制功能、運營中信號或車輛發(fā)生故障后的處理、站臺門狀態(tài)丟失場景。

這41 個場景中ATS 參與的方式有自動執(zhí)行、半自動執(zhí)行、以及狀態(tài)監(jiān)視3 種，其中自動執(zhí)行和半自動自行的場景就需要ATS 進行聯(lián)動處理，來滿足各場景的正常高效運行。

3 ATS聯(lián)動功能的設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

ATS 系統(tǒng)聯(lián)動功能主要是為了滿足FAO 系統(tǒng)各場景的自動運營，根據(jù)ATS 內(nèi)部的運行計劃，對VOBC、AOM、TCMS、CI、ZC 等信號系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)以及綜合監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)進行深度互聯(lián)，提升FAO 系統(tǒng)的整體自動化水平的技術(shù)要求，對FAO 各日常運營場景及故障場景進行設(shè)計。因此，ATS 系統(tǒng)的聯(lián)動功能設(shè)計和實施應(yīng)遵循以下原則。

1） 為增強聯(lián)動功能的靈活性，聯(lián)動功能應(yīng)不僅僅適用于目前的41 個場景，還可以處理臨時增加的其他場景，基于此，對FAO 各場景進行抽象，概括出基本的聯(lián)動步驟，所有場景均可套用，聯(lián)動動作、觸發(fā)條件、執(zhí)行順序等信息可人工配置。

2） 由于FAO 系統(tǒng)場景繁多，且后期會有不可預(yù)期的場景，因此聯(lián)動功能的配置難免工作量大，因此，聯(lián)動配置設(shè)的計應(yīng)簡潔、易于理解。

3） 在FAO 系統(tǒng)中，ATS 系統(tǒng)是一個非安全系統(tǒng)（部分功能為安全功能），對于某些操作必須進行人工干預(yù)，因此，聯(lián)動類型需設(shè)計為自動執(zhí)行、半自動執(zhí)行和人工執(zhí)行3 類。

4） 不管是人工執(zhí)行的聯(lián)動還是自動或半自動執(zhí)行的聯(lián)動，均需提供清晰的輸入條件，并有明確的輸出結(jié)果。

5） 觸發(fā)聯(lián)動的邏輯條件之間通過邏輯表達式的形式完整的邏輯判斷。

6） ATS 系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此，聯(lián)動的執(zhí)行位置應(yīng)明確，可分為中心執(zhí)行和車站執(zhí)行兩類。

7） 考慮到ATS 的聯(lián)動為信號系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)動，因此，各聯(lián)動操作均通過既有ATS 與各系統(tǒng)的接口來完成，必要時需新加接口。

8） ATS 聯(lián)動功能主要是完成全自動無人自動駕駛系統(tǒng)各運營場景，以及用戶提供的功能需求，因此，聯(lián)動功能主要通過系統(tǒng)配置實現(xiàn)。

3.2 ATS聯(lián)動分類

根據(jù)聯(lián)動執(zhí)行地方的不同，可以將聯(lián)動分為中心聯(lián)動和車站聯(lián)動。中心聯(lián)動功能主要用于需要中心進行控制，多個車站配合協(xié)調(diào)完成的動作。車站聯(lián)動功能主要用于車站管轄范圍內(nèi)的各系統(tǒng)和設(shè)備間的配合協(xié)調(diào)動作。

全自動聯(lián)動是在沒有人工干預(yù)的情況下，自動完成所有動作。即系統(tǒng)自動監(jiān)測聯(lián)動的觸發(fā)條件，當滿足觸發(fā)條件時，在沒有人工干預(yù)的情況下，ATS 系統(tǒng)自動完成聯(lián)動步驟中的所有動作，并將相關(guān)控制命令發(fā)送給相關(guān)被控系統(tǒng)。

半自動聯(lián)動是指在聯(lián)動執(zhí)行過程中，部分操作需要人工干預(yù)后才能進行后續(xù)的聯(lián)動動作，一般跟安全相關(guān)的操作需要人工干預(yù)。當聯(lián)動被觸發(fā)后，部分操作由系統(tǒng)自動完成，部分操作會提示操作員進行操作，當操作員執(zhí)行完成后，聯(lián)動繼續(xù)執(zhí)行，直至聯(lián)動所有動作完成。例如，喚醒場景中，當每條庫線里所有列車都出庫后，系統(tǒng)自動在行調(diào)工作站上彈出關(guān)閉庫門提示，待行調(diào)確認關(guān)閉庫門后，ATS 聯(lián)動執(zhí)行自動關(guān)閉庫門操作，在這個聯(lián)動過程中，前半部分操作由系統(tǒng)自動完成，后半部分有人工干預(yù)完成，這類就屬于半自動聯(lián)動。

手動聯(lián)動是完全由人工參與的聯(lián)動步驟，操作員可自行編輯聯(lián)動執(zhí)行的步驟，并選擇執(zhí)行某一聯(lián)動動作。

根據(jù)聯(lián)動功能的不同，可以將聯(lián)動分為預(yù)定義聯(lián)動和自定義聯(lián)動兩類。預(yù)定義聯(lián)動是根據(jù)聯(lián)動場景預(yù)先定義好的聯(lián)動功能，操作員不允許在線修改這些聯(lián)動定義和設(shè)置；自定義聯(lián)動是由操作員在線自定義的聯(lián)動，并允許操作員修改或刪除自定義的聯(lián)動。

3.3 預(yù)定義聯(lián)動設(shè)計

經(jīng)過分析全自動無人自動駕駛系統(tǒng)的41 個正常及故障運營場景，將對這41 個場景進行預(yù)定義聯(lián)動設(shè)計，其中自動執(zhí)行的場景有喚醒、 軋道車運營場景、列車進站、區(qū)間疏散、障礙物/脫軌檢測、跳停場景，需要調(diào)度及其他工作人員配合執(zhí)行的半自動執(zhí)行場景有早間上電、出庫、清客、回庫、清掃、洗車場景，完全人工執(zhí)行的場景有站臺門故障隔離車門、車站火災(zāi)場景，其他場景ATS 系統(tǒng)只進行狀態(tài)監(jiān)視。

ATS 系統(tǒng)預(yù)先將各場景的執(zhí)行順序定義好，并定義好各場景的觸發(fā)時機，當觸發(fā)時機滿足時，ATS 系統(tǒng)自動觸發(fā)各場景的聯(lián)動，將相關(guān)操作按執(zhí)行順序發(fā)送給相關(guān)專業(yè)，并在執(zhí)行過程中不斷檢查各專業(yè)反饋的執(zhí)行結(jié)果，并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果判斷聯(lián)動是否執(zhí)行完成，最終將聯(lián)動執(zhí)行的結(jié)果反饋給行車調(diào)度、電力調(diào)度、車輛調(diào)度、維修調(diào)度等工作人員。

當聯(lián)動被觸發(fā)或自動聯(lián)動被執(zhí)行時，ATS 系統(tǒng)在HMI 上提供顯著的響應(yīng)方式被操作員觀察到，針對不同的場景，響應(yīng)方式包括：彈出提醒對話框、工具欄聯(lián)動按鈕閃爍。其中，根據(jù)場景危害的嚴重級別，工具欄聯(lián)動按鈕閃爍可以分為3 個等級：災(zāi)害、警告、一般事件。不同場景對應(yīng)的危害級別，其中屬于災(zāi)害等級的有車輛火災(zāi)、車站火災(zāi)、障礙物/脫軌檢測場景，屬于警告等級的有區(qū)間疏散場景，屬于一般事件等級的有早間上電、喚醒、出庫、軋道車運營場景、列車進站、清客、回庫、清掃、洗車、跳停場景。

3.4 自定義聯(lián)動設(shè)計

3.4.1 聯(lián)動動作

如果把聯(lián)動看做一個自動控制系統(tǒng)的話，ATS系統(tǒng)內(nèi)部的信息屬于控制器，信號系統(tǒng)其他系統(tǒng)是被控對象，ATS 聯(lián)動模塊為執(zhí)行器，各系統(tǒng)反饋給ATS 系統(tǒng)的結(jié)果為測量儀表，也就是當ATS 系統(tǒng)提供的信息滿足聯(lián)動觸發(fā)條件時，聯(lián)動模塊觸發(fā)響應(yīng)的聯(lián)動動作，并發(fā)送與該動作相關(guān)的命令到信號系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)處理完收到的這些命令后，將結(jié)果反饋給ATS 系統(tǒng)，完成一個閉環(huán)控制。聯(lián)動執(zhí)行的過程也就是一系列聯(lián)動動作的執(zhí)行過程，因此，可以把聯(lián)動動作定義為聯(lián)動功能的最小執(zhí)行單元。

經(jīng)過對FAO 各運營場的分析，總結(jié)出每個場景需參與的專業(yè)，并結(jié)合ATS 系統(tǒng)本身的特點，歸納出ATS 系統(tǒng)聯(lián)動功能的聯(lián)動基本動作有：發(fā)送時刻表、喚醒、休眠、出庫、正線運行、扣車、跳停、清客、停止正線服務(wù)、回庫、清掃、洗車、折返等。系統(tǒng)可支持部分固定的聯(lián)動動作，也可自定義其他的聯(lián)動動作，并可對這些動作的屬性進行編輯和修改。

3.4.2 聯(lián)動設(shè)置

聯(lián)動功能設(shè)置基本操作包括新建、查詢、編輯、刪除。對于一條聯(lián)動可選擇該聯(lián)動的觸發(fā)條件，可設(shè)置聯(lián)動的類型、聯(lián)動執(zhí)行方式、聯(lián)動的危害，以及聯(lián)動動作等級等內(nèi)容。

觸發(fā)條件又分為條件觸發(fā)、定時觸發(fā)、周期觸發(fā)3 類。條件觸發(fā)中多個判斷條件必須用邏輯運算符連接起來，系統(tǒng)的提供的“與”、“或”、“非”等邏輯運算符。

定時觸發(fā)，只需要設(shè)置好觸發(fā)的日期和時間即可。

周期觸發(fā)，設(shè)置聯(lián)動觸發(fā)的周期，例如，每年、每月、每周、每天、每秒等。

聯(lián)動的類型，根據(jù)全自動無人駕駛系統(tǒng)的運營場景進行劃分，可設(shè)置為早間上電、喚醒、正線運行、洗車、休眠等類型。

聯(lián)動執(zhí)行方式，即全自動、半自動、手工3 種執(zhí)行方式設(shè)置。

聯(lián)動的危害，即聯(lián)動的危害等級，分為災(zāi)害、告警、一般事件等。

聯(lián)動動作，根據(jù)不同的聯(lián)動場景選擇對應(yīng)的聯(lián)動動作，設(shè)置聯(lián)動動作的執(zhí)行順序。

3.5 聯(lián)動觸發(fā)設(shè)計

聯(lián)動是由觸發(fā)源來觸發(fā)執(zhí)行的，即當滿足觸發(fā)條件時系統(tǒng)才執(zhí)行聯(lián)動動作。歸納總結(jié)全自動無人自動駕駛系統(tǒng)的場景，可抽象出ATS 聯(lián)動的觸發(fā)源可以是列車運行計劃，也可以是列車所處的位置，以及列車的狀態(tài)，ATS 聯(lián)動模塊將這些信息組合，作為各個場景的出發(fā)條件，例如，喚醒場景，當收到的列車運行計劃中，該列車在某時刻上線運行，ATS 聯(lián)動會提前一定的時間檢查列車是否處于可喚醒的軌道（列檢庫、存車線、折返線），并檢查列車的狀態(tài)是否滿足喚醒的條件，當這幾方面均滿足時，即可給列車下發(fā)喚醒命令，并處理后續(xù)列車正常運營的其他場景聯(lián)動。

3.6 聯(lián)動執(zhí)行設(shè)計

聯(lián)動執(zhí)行可根據(jù)聯(lián)動執(zhí)行的狀態(tài)將所有聯(lián)動分為待執(zhí)行聯(lián)動和正在執(zhí)行的聯(lián)動，且所有聯(lián)動都有一個聯(lián)動執(zhí)行操作區(qū)，聯(lián)動執(zhí)行操作區(qū)包含聯(lián)動的危害等級、聯(lián)動名稱以及聯(lián)動的觸發(fā)時間等。對于“待執(zhí)行的聯(lián)動”，操作員可以對這些聯(lián)動進行“執(zhí)行”和“終止執(zhí)行”的操作，也可臨時修改聯(lián)動各步驟的聯(lián)動動作。對于“正在執(zhí)行的聯(lián)動”，操作員可以進行“終止執(zhí)行”操作，但不可修改聯(lián)動各步驟。

3.7 聯(lián)動執(zhí)行結(jié)果設(shè)計

聯(lián)動的執(zhí)行結(jié)果，根據(jù)各專業(yè)反饋的執(zhí)行結(jié)果進行更新，并作為后續(xù)聯(lián)動執(zhí)行的判定條件。聯(lián)動功能通過有向無環(huán)圖實現(xiàn)，因此聯(lián)動執(zhí)行失敗后，通過觸發(fā)條件重新觸發(fā)聯(lián)動，不可重復(fù)執(zhí)行失敗后的聯(lián)動。

4 總結(jié)

地鐵A T S 系統(tǒng)中的聯(lián)動功能是實現(xiàn)全自動無人駕駛系統(tǒng)功能的一個重要環(huán)節(jié)，因此，對于A T S 聯(lián)動功能設(shè)計應(yīng)該以“安全第一”為基礎(chǔ)，堅持高度集中、統(tǒng)一指揮的原則，結(jié)合既有TIAS的信息集成優(yōu)勢，設(shè)計出滿足全自動無人駕駛系統(tǒng)所需要的綜合聯(lián)動功能，保證全自動無人駕駛系統(tǒng)的運行效率。