全自動(dòng)運(yùn)行城市軌道交通的列車控制管理系統(tǒng)

仇年柱

摘 要：近年來隨著車輛、信號(hào)、通信和綜合監(jiān)控等核心專業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高。城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行列車采用無人值守運(yùn)行。列車一旦發(fā)生火情，如果沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，很有可能會(huì)造成人員傷亡。出于對(duì)安全的高度重視，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行的列車上已成為標(biāo)配系統(tǒng)。本文就全自動(dòng)運(yùn)行城市軌道交通的列車控制管理系統(tǒng) 展開探討。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;無人值守的全自動(dòng)運(yùn)行;車輛;列車控制管理系統(tǒng)

引 言

UTO（無人值守的全自動(dòng)運(yùn)行）是指列車上無需司機(jī)，而是由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等級(jí)為GoA4（無人干預(yù)列車運(yùn)行）的列車全自動(dòng)駕駛模式。UTO的實(shí)現(xiàn)主要依靠列車的信號(hào)、通信和車輛等核心系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)控制。列車控制管理系統(tǒng)（TC-MS）是UTO車輛運(yùn)行的大腦，也是車輛與信號(hào)ATC（列車自動(dòng)控制）數(shù)據(jù)通信的唯一接口，用于收集和控制車輛運(yùn)行的牽引輔助、制動(dòng)、車門、空調(diào)等信息，因此TCMS在UTO的功能實(shí)現(xiàn)中起到關(guān)鍵作用。

1全自動(dòng)運(yùn)行的特點(diǎn)

目前有不少城市正在考慮發(fā)展無人駕駛的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，因?yàn)樗哂性S多優(yōu)點(diǎn)，成為城市軌道交通的發(fā)展方向。（1）提高服務(wù)水平。全自動(dòng)運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)列車精確定位、高速運(yùn)行、實(shí)時(shí)跟蹤和自動(dòng)折返，能有效地縮短列車運(yùn)行間隔，提高行車密度和運(yùn)送速度，適應(yīng)大客流的需要。低峰時(shí)段和夜間也可保持合理的行車間隔，縮短乘客的候車時(shí)間，增加乘客的安全感。車上和車站內(nèi)的流動(dòng)值勤人員可提高服務(wù)水平。（2）優(yōu)化行車組織。行車計(jì)劃的安排和行車調(diào)度有更大的靈活性，不受人員編制的制約，從而提高系統(tǒng)的效率。運(yùn)能安排可更接近于客流變化，對(duì)于特殊的情況，例如博覽會(huì)期間，可以保持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。（3）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行后，可以安排更多的工作人員直接面向乘客，提供更好的服務(wù)。另一方面可以進(jìn)一步提高員工的技能和素質(zhì)。（4）保證行車安全。計(jì)算機(jī)控制的精確度和快速反應(yīng)，可以避免人工操作易受主觀和外界因素的干擾，而造成安全方面的不確定性和不穩(wěn)定性。

2 TCMS的結(jié)構(gòu)與功能

TCMS負(fù)責(zé)整合和處理所有車輛的控制設(shè)備數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)故障診斷、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)控制功能。對(duì)于車輛系統(tǒng)內(nèi)部，TCMS通過多功能車輛總線（MVB）協(xié)議與牽引輔助、制動(dòng)、車門、空調(diào)、乘客信息系統(tǒng)（PIS）等其他車輛子系統(tǒng)相連接;對(duì)于車輛系統(tǒng)外部，TCMS通過串口RS485/CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）協(xié)議與信號(hào)系統(tǒng)、無線電及地面WLAN（無線局域網(wǎng)）系統(tǒng)進(jìn)行通信。由此可知，TCMS對(duì)于車輛整體運(yùn)行的安全可靠至關(guān)重要。以3節(jié)編組為例，TCMS主要由中央控制單元（CCU）、人機(jī)交互界面（HMI）、輸入輸出模塊（RI-OM）以及中繼器（REP）等設(shè)備組成。其中：CCU作為TCMS的核心，主要負(fù)責(zé)MVB管理和列車控制邏輯設(shè)計(jì)，兩端司機(jī)室的CCU互為熱備份冗余;HMI設(shè)置在司機(jī)室，用于顯示列車網(wǎng)絡(luò)所采集的牽引高壓、制動(dòng)、車門和空調(diào)等實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，并顯示故障診斷信息及報(bào)警;RIOM用于采集列車運(yùn)行控制電氣設(shè)備的輸入硬線信號(hào)，并能通過輸出硬線信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)的控制，其電氣設(shè)備包括開關(guān)、按鈕、斷路器、繼電器和接觸器等;REP主要起中繼和放大信號(hào)的作用，可增加MVB連掛節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及提高M(jìn)VB信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

3列車控制系統(tǒng)

常規(guī)城市軌道交通列車的控制系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控功能主要是記錄列車運(yùn)行過程中的各類關(guān)鍵信號(hào)，用于列車故障的事后分析。全自動(dòng)運(yùn)行列車的控制系統(tǒng)則更加智能化，強(qiáng)調(diào)對(duì)所有列車信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將數(shù)據(jù)同步傳輸至OCC（運(yùn)營控制中心），并根據(jù)監(jiān)控到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷列車的故障類型。這無論是在列車信號(hào)的記錄量和時(shí)效性上，還是列車故障判斷的快速性上都有了質(zhì)的提升。保證全自動(dòng)運(yùn)行列車控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于確保列車與地面設(shè)備、OCC之間通信的持續(xù)順暢，設(shè)備狀態(tài)始終保持在良好狀態(tài)。相應(yīng)的維保方案為（1）每月對(duì)列車MPU（主處理單元）、VCU（列車控制單元）、EVR（事件記錄儀）中的故障記錄進(jìn)行下載，檢查故障記錄是否存在缺失;（2）每月對(duì)MPU的系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)，確保其誤差不超過10s;（3）每6個(gè)月對(duì)MPU、VCU與列車網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的各個(gè)接口進(jìn)行檢查，確保接口無松動(dòng)。

4 TCMS在UTO下的控制方案

4.1TCMS內(nèi)部控制方案

UTO功能的實(shí)現(xiàn)需要增加較多RIOM硬線數(shù)字輸入信號(hào)的采集以及數(shù)字輸出信號(hào)的控制，與GOA2車輛相比，其數(shù)量增加2～3倍，因而硬件RIOM模塊的數(shù)量也隨之需要增加。UTO車輛的故障數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)除了在CCU中記錄之外，還需要增加司法記錄儀硬件進(jìn)行單獨(dú)存儲(chǔ)。該司法記錄儀具有較高的抗沖擊和抗高溫性能，可作為第三方設(shè)備對(duì)列車故障進(jìn)行具有法律效益的裁決。TCMS的MVB連接器采用兩個(gè)單通道形式，以保證連接器的松動(dòng)或脫落不影響整體MVB網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，并提高整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。RIOM模塊對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的輸入采集采用雙路輸入方式，根據(jù)該信號(hào)引起不同故障等級(jí)的大小進(jìn)行分類處理，確保列車的可靠性和可用性。

4.2全自動(dòng)運(yùn)行列車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)要求配置兩臺(tái)主機(jī)，采用列車級(jí)局域網(wǎng)（CAN）總線進(jìn)行通信，兩臺(tái)主機(jī)互為冗余。在每個(gè)車廂內(nèi)配置七個(gè)火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器和一臺(tái)火災(zāi)分控器?；馂?zāi)報(bào)警探測(cè)器采用環(huán)路連接，任何一個(gè)探測(cè)器發(fā)生故障不會(huì)對(duì)其它設(shè)備工作造成影響?；馂?zāi)分控器用以管理該車廂的探測(cè)器，任何一個(gè)分控器故障，不影響其他分控器工作。如果主機(jī)和分控器之間的CAN總線在其中任何一個(gè)設(shè)備的連接處出現(xiàn)單點(diǎn)故障均不會(huì)擴(kuò)散，整個(gè)系統(tǒng)仍能保持正常工作。

4.3 TCMS參與控制列車遠(yuǎn)程自動(dòng)喚醒和休眠

車輛車載信號(hào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)喚醒模塊通過列車提供不間斷供電，以保證列車在休眠狀態(tài)下能夠?qū)崟r(shí)接收到地面ATC發(fā)送的喚醒請(qǐng)求。車輛通過信號(hào)系統(tǒng)輸出的硬線控制指令使喚醒繼電器得電，TCMS在采集到喚醒繼電器得電后會(huì)通過MVB向各個(gè)車載控制模塊發(fā)出自檢指令。比如，牽引和制動(dòng)系統(tǒng)在收到自檢指令后需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的電氣元件進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有繼電器通斷故障，則會(huì)將故障信息告知TCMS。只有當(dāng)TCMS收到各系統(tǒng)自檢結(jié)果均正常，并將自檢正常的信息反饋給ATC后，列車才得以正常喚醒。列車休眠指令由地面OCC發(fā)出，經(jīng)由地面ATC發(fā)送給車載ATC設(shè)備。車載ATC將休眠指令通過自身硬線信號(hào)數(shù)字輸出i（DOi）發(fā)送給TCMS。TC-MS通過軟件分析有效性后通過RIOM硬線信號(hào)數(shù)字輸出j（DOj），在DOi和DOj硬線信號(hào)都為1時(shí)，車輛的休眠繼電器得電，列車進(jìn)入休眠狀態(tài)。

結(jié) 語

與常規(guī)城市軌道交通列車相比，全自動(dòng)運(yùn)行列車受本身結(jié)構(gòu)性能、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行線路、運(yùn)營管理等因素影響，發(fā)生火災(zāi)的概率增加。由于UTO列車具有完全無人駕駛的特性，可靠性和安全性是UTO最重要的指標(biāo)，對(duì)于TCMS來說更是如此。UTO運(yùn)行模式下對(duì)TCMS的要求包括：在故障發(fā)生前要有預(yù)警機(jī)制，故障發(fā)生過程中要有自愈及指示性操作建議;在故障發(fā)生后要有數(shù)據(jù)庫的積累和分析，用來指導(dǎo)故障再次發(fā)生的預(yù)警和判定。

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