自動旅客運輸系統(tǒng)集成研究

尹燕萍 陸宗彬

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖//第一作者，高級工程師)

自動旅客運輸(APM)系統(tǒng)具有線路配線簡單、造價低、工期短等特點，要求配套的機電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮其制式特征和運營需求。由于此類制式的機電系統(tǒng)規(guī)模較小，宜采用機電系統(tǒng)集成管理方式，構(gòu)建高效的運營系統(tǒng)，降低工程造價及運維成本。另一方面，APM系統(tǒng)采用全自動無人駕駛技術(shù)，要求信號、車輛、通信、綜合監(jiān)控等機電系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作，高度集成。為了滿足APM系統(tǒng)的建設(shè)及運營的需求，本文從系統(tǒng)集成的控制方案和系統(tǒng)集成的管理方法兩個方面對APM系統(tǒng)的集成進(jìn)行研究。

1 APM系統(tǒng)的集成方案

無人駕駛的APM系統(tǒng)，是基于計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)，以行車為核心，通過車輛、信號、通信、供電、站臺門等系統(tǒng)的集成，共同協(xié)調(diào)運作來實現(xiàn)列車運行全過程的自動化。

本集成方案是以信號系統(tǒng)為核心構(gòu)建的綜合調(diào)度管理系統(tǒng)，將APM系統(tǒng)的運輸組織與調(diào)度、運行控制與監(jiān)視、供電系統(tǒng)、車輛管理、旅客服務(wù)、應(yīng)急指揮等核心業(yè)務(wù)進(jìn)行科學(xué)融合，以計劃、調(diào)度指揮和運行控制為主，采用先進(jìn)的系統(tǒng)集成技術(shù)和支撐平臺，制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和協(xié)議，以實現(xiàn)對APM系統(tǒng)運輸全過程的管理與控制。

1. 1 APM系統(tǒng)集成的原理

以運行控制系統(tǒng)為核心擴(kuò)展開發(fā)出來的APM系統(tǒng)集成軟件平臺，通過集成或互聯(lián)實現(xiàn)以行車調(diào)度為核心的綜合運營調(diào)度管理，與列車自動監(jiān)控、電力監(jiān)控、 乘客信息、 廣播、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)控、調(diào)度電話等弱電系統(tǒng)相集成，較大程度地避免了各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動性較差的情況。系統(tǒng)硬件和接口方面，以行車為核心的綜合調(diào)度管理系統(tǒng)，在調(diào)度中心配置了運行控制系統(tǒng)服務(wù)器和接口設(shè)備，并根據(jù)運營需要配置綜合調(diào)度工作站。其他相關(guān)弱電系統(tǒng)可不配置服務(wù)器和調(diào)度終端，僅需配置與綜合調(diào)度管理系統(tǒng)相關(guān)的接口設(shè)備和必要的中央設(shè)備，實現(xiàn)調(diào)度中心弱電系統(tǒng)的整合，從而減少設(shè)備配置、節(jié)省投資。同時，綜合調(diào)度管理系統(tǒng)還具有能夠?qū)崿F(xiàn)子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)聯(lián)動的功能，提高APM機電系統(tǒng)的自動化程度，并具有能夠統(tǒng)一對外接口等優(yōu)勢。

綜合運營調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)對APM系統(tǒng)的運輸組織、運行監(jiān)控、車輛運用、供電監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控和維修管理等方面的智能化、綜合化和集成化管理，提高了系統(tǒng)的管理水平和運行安全，降低了系統(tǒng)的總運行成本。

1. 2 APM系統(tǒng)集成特點

1. 2. 1 系統(tǒng)架構(gòu)變化

傳統(tǒng)的城市軌道交通機電系統(tǒng)通常采用中心級、車站級和現(xiàn)場級三級控制，以及中心和車站兩級調(diào)度的方式。而APM系統(tǒng)為了運營管理的集約化，減少運維人員，實現(xiàn)車站無人值守，采用控制中心和就地兩級控制、控制中心綜合調(diào)度的方式。

1. 2. 2 深度集成

采用同一軟件平臺將列車監(jiān)控、電力監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、廣播、乘客信息、車輛等系統(tǒng)的信息集成在一起；基于這個平臺實現(xiàn)資源共享、信息互通，形成數(shù)據(jù)處理方式一致、用戶界面統(tǒng)一的綜合調(diào)度管理系統(tǒng)。通用的人機界面可以方便和簡化運營方的工作，使發(fā)生錯誤的風(fēng)險最小化。此外，由于信息充分共享，在故障災(zāi)害情況下，多專業(yè)能夠快速聯(lián)動協(xié)作。

1. 2. 3 綜合的數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合APM系統(tǒng)的功能需求和工程造價需求，推薦基于網(wǎng)際協(xié)議(IP)的數(shù)據(jù)承載網(wǎng)技術(shù)。各子系統(tǒng)不再單獨組網(wǎng)，其數(shù)據(jù)信息直接通過骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心。各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)實現(xiàn)邏輯隔離，保證系統(tǒng)的安全性要求。

無線網(wǎng)絡(luò)則采用地鐵LTE-M系統(tǒng)(LTE：長期演進(jìn))一網(wǎng)綜合承載了CBTC(基于通信的列車控制)、乘客信息、視頻信息、專用語音調(diào)度等業(yè)務(wù)。

1. 3 APM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵項點

1. 3. 1 系統(tǒng)運行性能仿真

采用專用的軟件對APM系統(tǒng)進(jìn)行運營仿真計算，用于分析列車性能、軌道配置的影響、不同信號系統(tǒng)的影響、行車間隔和線路載客量、系統(tǒng)延遲和故障的影響，以及系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)健性。

1. 3. 2 車輛、信號與站臺門系統(tǒng)在站臺上的集成

根據(jù)車輛的空間要求、限界、載荷等因素來考慮站臺的土建設(shè)計。該集成項點還包括了列車精確停車、列車自動對位調(diào)整、站臺門與車門同步開關(guān)控制，以及故障對位隔離、車門與站臺門之間的防夾控制等功能。

1. 3. 3 車輛與牽引供電系統(tǒng)的集成

關(guān)鍵的集成項點包括供電軌與車輛集電靴的接口，以及牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷分析。可根據(jù)其供電仿真結(jié)果來確定變電所的容量和重要設(shè)備的選型。

1. 3. 4 車輛與信號系統(tǒng)的集成

關(guān)鍵的集成項點包括列車的自動運行控制、災(zāi)害模式下的列車聯(lián)動控制，以及列車的遠(yuǎn)程休眠/喚醒、蠕動模式、遠(yuǎn)程故障復(fù)位等。

1. 3. 5 通信設(shè)備的集成

主要的集成項點包括車載廣播、乘客信息、視頻監(jiān)控與站臺的一體化控制，以及通信設(shè)備與信號系統(tǒng)的接口等。

1. 3. 6 集成的安全保證措施

涉及ATS(列車自動監(jiān)控)功能部分(含軟件及硬件兩方面)的集成，須滿足ATS子系統(tǒng)安全等級的要求；對于擁有安全功能和安全等級的系統(tǒng)，例如火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、門禁控制系統(tǒng)，可部分集成；安全數(shù)據(jù)傳輸采取專用的數(shù)據(jù)安全防護(hù)措施，防止所傳安全數(shù)據(jù)遭到有意或無意的破壞。

1. 3. 7 系統(tǒng)聯(lián)動功能

通過系統(tǒng)工作模式實現(xiàn)必要的聯(lián)動功能。正常模式下，可實現(xiàn)自動開關(guān)車站、斷電控制等；災(zāi)害模式下，可啟動消防、廣播、自動售檢票、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)的聯(lián)動；故障模式下，可聯(lián)動斷電、廣播、乘客信息等系統(tǒng)。用戶可根據(jù)無人駕駛的特點對各種聯(lián)動場景進(jìn)行定義。

2 系統(tǒng)集成的管理

圖1為系統(tǒng)集成從系統(tǒng)概念定義到完成集成測試的全過程示意圖。在這樣一個V型的集成過程中，包括了系統(tǒng)的需求管理、接口管理、系統(tǒng)驗證等內(nèi)容。

圖1 APM系統(tǒng)集成過程示意圖

2. 1 需求管理

無人駕駛的APM系統(tǒng)，借助需求管理矩陣，對每一條系統(tǒng)需求進(jìn)行追蹤，包括需求識別、分配、評審、設(shè)計、變更和驗證等方面。APM系統(tǒng)的需求管理流程如圖2所示。

為了縮短項目的設(shè)計周期，基于APM系統(tǒng)平臺的功能需求，建立需求管理平臺進(jìn)行追蹤管理，各項目可不需要對該部分需求進(jìn)行追蹤；任何需求的變更都要進(jìn)行嚴(yán)格而有效的變更管理流程來控制，以減少項目執(zhí)行的風(fēng)險。

2. 2 接口管理

全自動運行APM系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，子系統(tǒng)高度集成、專業(yè)接口多、復(fù)雜程度高。在系統(tǒng)集成時應(yīng)特別注意對所有接口的識別及接口功能的確認(rèn)，并明確接口主導(dǎo)專業(yè)，由接口主導(dǎo)專業(yè)牽頭負(fù)責(zé)接口文件的編制以及接口調(diào)試工作?？赏ㄟ^如表1所示的接口表對APM中各子系統(tǒng)的接口進(jìn)行識別和管理。

圖2 APM系統(tǒng)需求管理流程

子系統(tǒng)信號站臺門車輛通信綜合監(jiān)控(含電力監(jiān)控)區(qū)間防入侵牽引供電軌道車輛段設(shè)備信號E&FE&M&FE&FE&FE&F---站臺門E&F---ME&F--車輛E&M&F-E&M&F--EMM通信E&F-E&M&FE&F----綜合監(jiān)控(含電力監(jiān)控)E&F--E&FE&FE&F--區(qū)間防入侵E&FM- -E&FE&F--牽引供電--E-E&FE&F-E&M軌道--M-----車輛段設(shè)備--M---E&M-注: E———電氣接口;M———機械接口;F———功能接口;“-”表示沒有接口;“&”表示前后兩者是并列關(guān)系,如“E&F”表示屬于電氣接口和功能接口

接口控制文件包括物理接口位置、通信介質(zhì)、鏈路數(shù)量、物理接口形式、軟件接口通信形式、冗余要求、電磁兼容性要求等內(nèi)容，并對監(jiān)控對象、屬性、編碼格式、數(shù)據(jù)流等信息需求有詳細(xì)的描述。接口雙方須確認(rèn)接口并在接口文件上簽字。

2 .3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是系統(tǒng)集成過程的延續(xù)。整個APM系統(tǒng)應(yīng)從各子系統(tǒng)測試開始，最終完成整個系統(tǒng)的集成測試。所有的測試都應(yīng)按照批準(zhǔn)的測試規(guī)程進(jìn)行。

集成測試是針對各集成項點進(jìn)行的測試，用以充分驗證全自動無人駕駛各子系統(tǒng)的接口及其功能、子系統(tǒng)間聯(lián)動及應(yīng)急處理能力。集成測試完成后，方可進(jìn)行系統(tǒng)的運營測試。

在成功完成包括所有要求的系統(tǒng)運營測試以及集成測試和調(diào)試后，將通過系統(tǒng)演示測試或試運行來驗證整個APM系統(tǒng)在集成后是否已具備載客運營功能。

APM系統(tǒng)測試活動將被分類，其系統(tǒng)驗證測試流程如圖3所示。分類的目的是為了確定試驗的總體順序，分類后的試驗活動可根據(jù)各系統(tǒng)部件的預(yù)期技術(shù)可行性按順序進(jìn)行?；旧细鱾€試驗流程均含有特定的必備試驗前提條件，任何類別的試驗活動都必須在其前提試驗成功實施后方可進(jìn)行。只有在獲得批準(zhǔn)的特殊情況下，前提試驗流程中一些特定要素可不按順序完成實施。

在發(fā)布安全證書之前，APM系統(tǒng)將進(jìn)行整體演示，這是開始載客運行的先決條件。在演示過程中，系統(tǒng)將根據(jù)業(yè)主首選的系統(tǒng)運行計劃和日常服務(wù)時間表按照滿載狀態(tài)實施運行計劃，遵守所有操作、維護(hù)策略和程序，唯一不同是沒有載運乘客，只有指定的授權(quán)人員。完整的系統(tǒng)演示將根據(jù)系統(tǒng)驗收程序中規(guī)定的測試程序來運行，直到系統(tǒng)服務(wù)可用性在連續(xù)3個月演示期限內(nèi)達(dá)到了規(guī)定的水平。

圖3 APM系統(tǒng)測試流程

3 結(jié)語

APM系統(tǒng)的集成，應(yīng)始終遵循高可靠性、高可用性和高可維護(hù)性的設(shè)計理念，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各子系統(tǒng)的深度整合，用以提高設(shè)備復(fù)用率，增強各子系統(tǒng)自檢和自診斷功能，減少設(shè)備數(shù)量，減少運營和維護(hù)人員。在APM項目的建設(shè)過程中，要利用系統(tǒng)集成管理的思路開展工作，控制和管理各子系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)和接口需求。