全自動(dòng)駕駛地鐵車輛功能與優(yōu)勢(shì)研究

陳 威

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

1 概述

國(guó)際公共交通協(xié)會(huì)（UITP）將列車運(yùn)行的自動(dòng)化水平（Grades of Automation，簡(jiǎn)稱GoA）劃分為5個(gè)等級(jí)[1]，5個(gè)等級(jí)下列車運(yùn)行方式及駕駛模式如表1所示。

表1 自動(dòng)化等級(jí)分類

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是地鐵車輛中自動(dòng)化程度最高的系統(tǒng)，主要運(yùn)用通信、信號(hào)、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)等使列車在運(yùn)行過(guò)程中能夠達(dá)到全過(guò)程自動(dòng)化運(yùn)行[2-3]。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是一種將列車駕駛員執(zhí)行的工作，完全由自動(dòng)化的、高度集中的控制系統(tǒng)所替代的列車運(yùn)行模式，地鐵車輛在控制中心的統(tǒng)一控制下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，車輛具備多種全自動(dòng)運(yùn)行功能。各項(xiàng)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依靠車輛、通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、車輛基地、站臺(tái)門(mén)等多個(gè)專業(yè)間的密切配合及聯(lián)動(dòng)，全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方案

車輛作為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)多項(xiàng)子模塊中最重要的載體之一，需要在傳統(tǒng)地鐵車輛的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)喚醒、休眠、故障報(bào)警、障礙物檢測(cè)、脫軌檢測(cè)、低壓系統(tǒng)恢復(fù)供電等功能，同時(shí)傳統(tǒng)地鐵車輛既有的功能需相應(yīng)增強(qiáng)，如增強(qiáng)車門(mén)系統(tǒng)控制功能、電磁兼容性、火災(zāi)報(bào)警功能、各子系統(tǒng)須冗余配置等。全自動(dòng)運(yùn)行對(duì)車輛功能提出了更高的要求，以滿足全自動(dòng)運(yùn)行線路的高安全性、低運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)營(yíng)組織靈活、降低運(yùn)營(yíng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度等要求。文章結(jié)合國(guó)內(nèi)外既有全自動(dòng)化運(yùn)行車輛的特點(diǎn)，分析了與傳統(tǒng)地鐵車輛相比，全自動(dòng)運(yùn)行車輛的功能及優(yōu)勢(shì)。

2 全自動(dòng)駕駛車輛功能分析

全自動(dòng)運(yùn)行地鐵車輛與傳統(tǒng)有司機(jī)控制車輛相比，主要增加了列車自動(dòng)喚醒及自動(dòng)休眠功能、列車自檢功能、列車停車控制功能、蠕動(dòng)功能、車門(mén)/站臺(tái)門(mén)對(duì)位隔離功能、軌面障礙物探測(cè)及脫軌檢測(cè)功能、自動(dòng)洗車功能、列車故障遠(yuǎn)程處理功能和緊急手柄功能等。

2.1 列車自動(dòng)喚醒及自動(dòng)休眠功能

全自動(dòng)運(yùn)行車輛具備喚醒控制邏輯，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)喚醒、休眠，喚醒休眠控制線路由蓄電池供電，受信號(hào)系統(tǒng)控制，執(zhí)行結(jié)果被信號(hào)系統(tǒng)監(jiān)控，列車喚醒和休眠也可由人工或OCC遠(yuǎn)程控制。

2.2 列車自檢功能

列車上電后依次詢問(wèn)各個(gè)子系統(tǒng)自檢狀態(tài)，配合信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測(cè)試及動(dòng)態(tài)測(cè)試。列車自檢主要包括以下系統(tǒng)：TCMS及其與其他系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信、牽引、輔助、車門(mén)、制動(dòng)、廣播、火災(zāi)報(bào)警、PIS、CCTV、走行部在線檢測(cè)等。

列車自檢及靜/動(dòng)態(tài)測(cè)試完成后，完成自檢報(bào)告并自動(dòng)上傳報(bào)告至OCC，由OCC判斷列車是否可以參與正線運(yùn)營(yíng)。

2.3 列車停車控制功能

在列車未到或超出停車點(diǎn)時(shí)，列車將自動(dòng)采取跳躍調(diào)整直至對(duì)準(zhǔn)停車點(diǎn)。若列車超出停車點(diǎn)5 m以上或在給定次數(shù)的跳躍調(diào)整后仍未停準(zhǔn)，列車將自動(dòng)越過(guò)本站，并發(fā)送報(bào)告至OCC，通過(guò)車載PIS系統(tǒng)向列車乘客進(jìn)行廣播。

2.4 蠕動(dòng)功能

FAM運(yùn)行模式下，信號(hào)監(jiān)測(cè)到車輛網(wǎng)絡(luò)故障、車輛網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)通信故障、或列車監(jiān)測(cè)到牽引制動(dòng)反饋異常的情況下，列車自動(dòng)向OCC申請(qǐng)進(jìn)入蠕動(dòng)模式，列車以不高于25 km/h（可設(shè)定）速度運(yùn)行，ATP系統(tǒng)監(jiān)督運(yùn)行速度，超速時(shí)列車將緊急制動(dòng)。

2.5 車門(mén)/站臺(tái)門(mén)對(duì)位隔離功能

個(gè)別車門(mén)開(kāi)關(guān)故障時(shí)，車輛可關(guān)閉并鎖定故障車門(mén)，向信號(hào)系統(tǒng)報(bào)告故障車門(mén)位置，由站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)電氣隔離對(duì)應(yīng)站臺(tái)門(mén)，使其在該列車停站時(shí)不動(dòng)作；反之，個(gè)別站臺(tái)門(mén)故障時(shí)，系統(tǒng)可關(guān)閉并鎖定故障站臺(tái)門(mén)，向信號(hào)系統(tǒng)報(bào)告被鎖定站臺(tái)門(mén)位置，由信號(hào)系統(tǒng)將故障站臺(tái)門(mén)的位置發(fā)送給列車，列車將電氣隔離對(duì)應(yīng)的車門(mén)，使其在該站停站時(shí)不動(dòng)作。

車門(mén)與站臺(tái)門(mén)故障隔離時(shí)，車輛應(yīng)觸發(fā)車門(mén)故障信息廣播向乘客播報(bào)相關(guān)信息。

2.6 軌面障礙物探測(cè)與脫軌檢測(cè)功能

全自動(dòng)運(yùn)行列車具備軌面障礙物探測(cè)及脫軌檢測(cè)功能。一旦探測(cè)到影響列車運(yùn)行安全的軌面障礙物或脫軌信息，立即觸發(fā)緊急制動(dòng)、切除牽引，同時(shí)將相應(yīng)信息發(fā)送至OCC，由OCC人工設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)區(qū)，防護(hù)區(qū)內(nèi)列車實(shí)施緊急制動(dòng)，并調(diào)動(dòng)工作人員至事發(fā)地點(diǎn)處理相關(guān)情況。

2.7 自動(dòng)洗車功能

在FAM運(yùn)行模式下，列車根據(jù)洗車計(jì)劃，自動(dòng)運(yùn)行至洗車進(jìn)路，并以3～5 km/h的速度通過(guò)洗車機(jī)完成洗車。

2.8 列車故障遠(yuǎn)程處理功能

車輛在關(guān)鍵子系統(tǒng)上采用可控微型斷路器、冗余、旁路設(shè)計(jì)，列車發(fā)生故障時(shí)，TCMS自動(dòng)執(zhí)行復(fù)位、旁路操作，自動(dòng)動(dòng)作失敗后，由OCC通過(guò)遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程隔離、遠(yuǎn)程旁路、遠(yuǎn)程操作等手段處理列車故障。原則上，對(duì)于非全自動(dòng)駕駛列車可人工處理的故障，全自動(dòng)運(yùn)行列車均可由OCC遠(yuǎn)程處理。

對(duì)影響正常行車功能的系統(tǒng)的低壓供電及其斷路器應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位或遠(yuǎn)程復(fù)位，如牽引（包括牽引逆變器控制單元斷路器脫扣、牽引逆變器冷卻風(fēng)機(jī)供電斷路器脫扣、輔助逆變器控制單元斷路器脫扣、輔助逆變器冷卻風(fēng)機(jī)供電斷路器脫扣、牽引制動(dòng)控制電路斷路器脫扣等）、制動(dòng)（包括制動(dòng)裝置控制電源斷路器脫扣、停放制動(dòng)控制電路斷路器脫扣、停放制動(dòng)狀態(tài)電路斷路器脫扣、常用制動(dòng)狀態(tài)電路斷路器脫扣、制動(dòng)電阻冷卻風(fēng)機(jī)供電斷路器脫扣等）、空調(diào)、照明、車門(mén)、信號(hào)系統(tǒng)等；對(duì)影響列車運(yùn)行的單個(gè)車輛設(shè)備，如單個(gè)車門(mén)和單個(gè)轉(zhuǎn)向架的空氣制動(dòng)等，應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隔離或遠(yuǎn)程隔離；對(duì)影響列車運(yùn)行的所有同類車輛設(shè)備、電氣線路，應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旁路或遠(yuǎn)程旁路；對(duì)受電弓升降、緊急制動(dòng)的施加及緩解、車輛視頻監(jiān)控調(diào)用等功能應(yīng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

2.9 緊急手柄功能

客室內(nèi)設(shè)置緊急手柄，乘客拉下緊急手柄后，OCC與乘客對(duì)話對(duì)采取相應(yīng)的處理措施。

列車在區(qū)間運(yùn)行中緊急手柄拉下，列車?yán)^續(xù)運(yùn)行至下一站對(duì)標(biāo)停車，打開(kāi)車門(mén)不關(guān)閉；列車在停站中緊急手柄拉下，列車保持車門(mén)打開(kāi)且不自動(dòng)關(guān)閉；列車在出站過(guò)程中緊急手柄拉下，列車觸發(fā)緊急制動(dòng)。

3 全自動(dòng)駕駛車輛優(yōu)勢(shì)分析

由于全自動(dòng)運(yùn)行車輛具備自動(dòng)化運(yùn)行的多種功能，與傳統(tǒng)地鐵車輛相比，全自動(dòng)運(yùn)行車輛具備優(yōu)勢(shì)主要有：提升運(yùn)營(yíng)安全性、降低運(yùn)營(yíng)成本、提升運(yùn)營(yíng)組織靈活性、降低運(yùn)營(yíng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.1 提升運(yùn)營(yíng)安全性

全自動(dòng)無(wú)人駕駛要求各相關(guān)系統(tǒng)具備高可靠性和設(shè)備冗余度，如建立在線式的備用控制中心，車輛控制系統(tǒng)冗余配置，并設(shè)置后備的駕駛員操作設(shè)備等。在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，特別是網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)后，任何設(shè)備故障或操作失誤，將嚴(yán)重影響正常運(yùn)營(yíng)秩序。采用先進(jìn)的全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)，通過(guò)切實(shí)有效的控制策略，可以有效地防止人為誤操作，提升運(yùn)營(yíng)安全性和可靠性。

3.2 降低運(yùn)營(yíng)成本

全自動(dòng)運(yùn)行車輛能夠根據(jù)優(yōu)化算法充分利用區(qū)間內(nèi)列車牽引、勻速、惰行和制動(dòng)的工況序列[4-5]，按照算法優(yōu)化后的曲線運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的效果。同時(shí)，全自動(dòng)運(yùn)行列車不設(shè)司機(jī)，可以節(jié)省人力成本。

3.3 提升運(yùn)營(yíng)組織靈活性

全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可靈活調(diào)整運(yùn)能，擺脫了傳統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)司機(jī)的依賴，可依據(jù)實(shí)際需求，靈活調(diào)整列車運(yùn)行間隔、配置上線列車數(shù)量，提升線路對(duì)突發(fā)大客流的響應(yīng)能力。

3.4 優(yōu)化人力資源配置，降低運(yùn)營(yíng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，增強(qiáng)設(shè)備的自診斷功能，運(yùn)營(yíng)維護(hù)功能得到加強(qiáng)，降低了運(yùn)營(yíng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是將司機(jī)從重復(fù)作業(yè)中解放出來(lái)，列車上可以配置乘務(wù)人員，在為乘客服務(wù)的同時(shí)，監(jiān)視列車運(yùn)行狀態(tài)，其勞動(dòng)強(qiáng)度將極大減低。

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了自動(dòng)駕駛的等級(jí)分類，將全自動(dòng)運(yùn)行地鐵車輛與傳統(tǒng)車輛進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了全自動(dòng)運(yùn)行地鐵車輛的功能與優(yōu)勢(shì)，全自動(dòng)運(yùn)行車輛具備的功能主要有：

（1）列車自動(dòng)喚醒及自動(dòng)休眠功能；（2）列車自檢功能；（3）列車停車控制功能；（4）蠕動(dòng)功能；（5）車門(mén)/站臺(tái)門(mén)對(duì)位隔離功能；（6）軌面障礙物探測(cè)及脫軌檢測(cè)功能；（7）自動(dòng)洗車功能；（8）列車故障遠(yuǎn)程處理功能；（9）緊急手柄功能。

全自動(dòng)駕駛車輛具備的優(yōu)勢(shì)主要是能夠提升運(yùn)營(yíng)安全性和可靠性，降低運(yùn)營(yíng)成本，提升運(yùn)營(yíng)組織靈活性，優(yōu)化人力資源配置，降低運(yùn)營(yíng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。