城市軌道交通無人駕駛模式下的列車自動防護系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 在分析了現(xiàn)有列車駕駛模式及傳統(tǒng)列車自動防護系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出無人駕駛模式下的車載列車自動防護系統(tǒng)概念，設(shè)計了列車自動防護系統(tǒng)的框架并定義了其功能，初步探討了其與關(guān)聯(lián)系統(tǒng)之間的信息交互。該系統(tǒng)疊加在現(xiàn)有信號控制系統(tǒng)之上，進一步保證無人駕駛模式下列車的運行安全。

關(guān)鍵詞： 無人駕駛;列車自動防護;信息交互

中圖分類號：U285

Abstract： Purposes—An overview of the state of the train driving mode and traditional train automatic protection system are presented，the onboard automatic train protection system is introduced.Method—System architecture and function are presented，and information exchange between association systems are contrasted.Results—As a safety overlay system of train control system，ATP can increase the safety of driverless train efficiently.

Key words： Fully automated and driverless;Automatic Train Protection（ATP）;Information Exchange

1 概述

隨著車輛設(shè)計技術(shù)、信號和通信技術(shù)、計算機技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等的完美結(jié)合，使得全自動無人駕駛地鐵，成為交通技術(shù)上的一次質(zhì)的飛躍，引領(lǐng)城市軌道交通的發(fā)展方向。正是如此，世界上許多城市地鐵正在將既有的傳統(tǒng)非全自動模式系統(tǒng)改造成這種全自動模式[1-2]。本論文對城市軌道交通無人駕駛模式下的列車自動防護ATP系統(tǒng)進行研究，提出一種車載ATP系統(tǒng)的設(shè)計方案，對ATP系統(tǒng)的構(gòu)成、與其他信號系統(tǒng)的連接等進行設(shè)計，確定該系統(tǒng)的功能方案。

2 ATP系統(tǒng)方案初步設(shè)計

本論文設(shè)計的ATP系統(tǒng)是一種車載子系統(tǒng)，用于直接保證列車的運行安全，實現(xiàn)對列車安全的全部防護，因此在設(shè)計時必須滿足故障—安全原則[3]。

ATP主要保護行車安全，為ATO自動駕駛提供信息及安全防護，為DMI信息顯示提供條件，ATP子系統(tǒng)還將自身的運行數(shù)據(jù)及故障報警信息發(fā)送到車載記錄系統(tǒng)，并能夠?qū)崟r在線輸出故障信息，以便進行故障分析和診斷[4]。

2.1 功能設(shè)計

有人駕駛的ATP系統(tǒng)，列車在ATP防護下，發(fā)車由司機觸發(fā)，采用列車自動控制系統(tǒng)ATO駕駛實現(xiàn)列車在區(qū)間自動運行和站臺定位停車，列車的關(guān)門、啟動與故障復(fù)位由司機操控[5]。

無人駕駛模式下的ATP要實現(xiàn)列車在CBTC運營模式或點式ATP運營模式下，實時獲取速度位置移動授權(quán)等信息，對列車運行進行實時防護。即列車啟動、運行的實時監(jiān)控、車門開關(guān)、列車的制動等，完全由列車自動防護系統(tǒng)完成。因此應(yīng)具備以下基本功能：實時測速、定位與車距推算;移動授權(quán)處理;安全制動模型的計算;牽引切除控制;車門監(jiān)督與控制;站臺門/車門聯(lián)動控制;障礙物/脫軌處理。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)ATP系統(tǒng)的功能分析，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可知，ATP系統(tǒng)主要包括：ATP主控組匣、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、接口擴展部分、輔助駕駛單元、人機界面、車載移動無線設(shè)備MR等。ATP主控單元主要由主機模塊、輸入輸出模塊、通信模塊等組成。ATP通過相關(guān)接口與其他系統(tǒng)相連，主機模塊將采集、接收到的數(shù)據(jù)處理后，通過軟件接口提供至應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件進行數(shù)學(xué)計算和邏輯處理，將輸出數(shù)據(jù)通過軟件接口傳送至主機模塊底層軟件，底層軟件經(jīng)安全表決和計算形成安全數(shù)據(jù)，經(jīng)通信總線發(fā)送至輸出模塊或外部設(shè)備。

2.3 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)

2.3.1 關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

ATP系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，需從其他系統(tǒng)獲取相應(yīng)的信息，因此ATP系統(tǒng)要與其他系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)關(guān)系圖如圖2所示。

2.3.2 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)描述

（1）ATO。ATO系統(tǒng)根據(jù)列車當(dāng)前的速度、位置、與前車的距離，結(jié)合線路參數(shù)及列車自動監(jiān)控系統(tǒng)ATS的控制命令，在ATP的安全防護下，控制列車運行及開關(guān)門等，使列車安全、舒適、高效的運行。

（2）ZC。ZC根據(jù)聯(lián)鎖信息和列車位置信息計算列車移動授權(quán)。車載ATP通過無線媒介接收ZC發(fā)送的移動授權(quán)和無人自動折返按鈕等信息，同時向ZC發(fā)送列車速度、列車運行方向、列車級別及駕駛模式、列車位置等信息。

（3）CI。CI實現(xiàn)進路、道岔和信號機等設(shè)備的聯(lián)鎖控制，按照運營要求為列車辦理進路。車載ATP通過無線媒介接收CI發(fā)送的站臺門狀態(tài)信息，同時發(fā)送站臺門控制命令至聯(lián)鎖，實現(xiàn)站臺門與車門的聯(lián)動控制。

（4）輔助駕駛單元。完成車輛供電，接收外部命令，對整車進行休眠、喚醒等控制。

（5）ATS系統(tǒng)。ATS實時監(jiān)督和控制列車，調(diào)整列車運行以滿足時刻表要求，并為運營服務(wù)提供調(diào)整數(shù)據(jù)，從而最小化無規(guī)律干擾的影響。車載ATP通過無線媒介接收ATS發(fā)送的表號、車次號、車組號信息，跳停、扣車信息，下一站運行等級和停站時間，遠程聯(lián)動等信息。同時向ATS發(fā)送列車運行速度及方向、列車駕駛模式、列車車門狀態(tài)、列車扣車狀態(tài)和相關(guān)報警等信息。

（6）信號設(shè)備維護支持系統(tǒng)MSS。MSS記錄各信號子系統(tǒng)的維護與報警數(shù)據(jù)信息。車載ATP通過通信接口向MSS子系統(tǒng)發(fā)送維護及報警數(shù)據(jù)。

（7）DMI系統(tǒng)。DMI在人工駕駛模式下顯示運行相關(guān)的信息輔助司機駕駛。車載ATP通過通信接口接收DMI發(fā)送的試閘、廣播測試、無線測試等信息;同時向DMI發(fā)送列車當(dāng)前速度、緊急制動速度、推薦速度、目標(biāo)速度/距離、當(dāng)前駕駛模式、運行等級、列車完整性、車門/屏蔽門狀態(tài)、牽引/制動狀態(tài)等信息。

（8）速度傳感器。速度傳感器測量列車速度。車載ATP通過硬線方式獲取速度傳感器的脈沖信息，進而計算出列車的運行速度和運行方向。

（9）應(yīng)答器傳輸模塊BTM。BTM獲取應(yīng)答器報文并發(fā)送給ATP設(shè)備。車載ATP通過CAN總線的通信接口接收BTM發(fā)送的應(yīng)答器報文信息;同時向BTM發(fā)送申請報文等信息。

（10）車輛。車載ATP通過電平方式/觸點方式采集列車接口中的輸入信號，并輸出制動信號，切除牽引和門控信號以控制列車的運行。

車載ATP系統(tǒng)初與上述系統(tǒng)關(guān)聯(lián)并進行信息交換，還需維護人員燒錄車載ATP所用線路相關(guān)數(shù)據(jù);需安裝司法記錄儀記錄車載ATP設(shè)備的工作狀態(tài)、駕駛模式、ATP輸出及司機操作等信息。

3 結(jié)語

為了保證無人駕駛模式下列車的運行安全，本文提出了車載列車自動防護系統(tǒng)，跟傳統(tǒng)有人駕駛列車的控制系統(tǒng)功能相比較，無人駕駛ATP的功能進行了重新定義，新增障礙物監(jiān)測及脫軌處理等新功能;結(jié)合無線通信新技術(shù)、先進的定位技術(shù)等，設(shè)計了ATP的總體結(jié)構(gòu)框架圖;為完成ATP的基本功能，最后討論了ATP與其他系統(tǒng)間的信息交互。

參考文獻：

[1]任安萍.淺談我國全自動無人駕駛地鐵的發(fā)展[J].科技視界，2012，25（9）：207-211.

[2]劉攀峰，邱昕夕，陳祥獻.城市軌道交通列車自動防護系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].計算機程，2012，38（19）：1-5.

[3]（加）B.S.迪隆.丁川，魯光泉，王云鵬，譯.交通運輸系統(tǒng)的可靠性與安全性[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018：138-153.

[4]張建平.城市軌道交通列車運行自動控制系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2017：50-73.

[5]高嶸華，鄭澤熙.軌道交通全自動運行系統(tǒng)對CBTC功能需求的研究[J].自動化與儀器儀表，2018，29（9）：5-10.

基金項目： 陜西省教育廳科研計劃項目資助（編號：19JK0043）;寶雞文理學(xué)院校級重點項目（編號：ZK2017006）

作者簡介： 陳啟香（1988—），女，甘肅白銀人，碩士研究生，講師，主要研究方向為鐵路信號與通信。