成都地鐵1 號線車輛無人駕駛改造可行性分析

曹長琴，李 沖

（成都地鐵運營有限公司，成都610000）

成都地鐵1 號線車輛設計生產于2008 年，2010 年正式運營。截至目前線路全長41 km，日均客流量超100 萬，最小行車間隔2 min，信號、車輛設備技術落后且嚴重老化，車輛智能化水平低，大量的人工操作容易產生操作失誤影響行車安全。列車狀態(tài)和故障數據無法實時落地，給正線車輛故障應急處理帶來極大不便，影響處置時間和效果。為了提高列車運行效率，減少人工作業(yè)量并提升行車客運安全水平，研究對1 號線地鐵車輛升級改造的可行性，全面提升1 號線地鐵車輛自動化水平。

近年來，國內已有4 個城市、7 條線路開通了全自動駕駛，包括香港南港島線、上海地鐵10 號線和北京地鐵燕房線等，在建線路100 km 以上。截至2019 年全球已有42 個城市、63 條線、1 003 km 線路采用全自動駕駛。全自動運行模式下的無人駕駛，其本質上是通過調度人員遠程控制列車的喚醒、自檢、啟動、行車、開關門、控制電路、退出服務以及休眠等。車輛設備必須要在設備信息化、智能化、數據傳輸的時效性上做好深入研究，搜集大量的試驗數據，以滿足嚴苛的安全等級評估。1 號線地鐵車輛設備實現全自動運行需要對各個系統(tǒng)全面升級改造。

1 地鐵1 號線車輛改造需求

從目前的GOA3 升級改造為GOA4 全自動運行的無人駕駛車輛，相比傳統(tǒng)的有司機值守運營線路，全自動運行沒有司機監(jiān)控，那么車輛設計方案上就必須實現更高的系統(tǒng)容錯能力、各個系統(tǒng)需配備多重冗余功能和遠程數據監(jiān)測功能。列車需要更加穩(wěn)定、可靠的通信系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)以及設備的智能化操控。信號控車系統(tǒng)中，對于行車過程中的列車位置追蹤間隔、控車精度、控車速度曲線等要求提高。車輛故障時，列車需要具備遠程控制、故障數據監(jiān)測時效性以及準確的故障自診斷功能的完整性。

表1 軌道交通自動化等級的分類

2 全自動駕駛電氣控制系統(tǒng)

（1） 自動休眠、喚醒

基本要求:根據ATC 的指令自動休眠、喚醒列車。

實施方案:1 號線車輛需要增加喚醒模塊，以及喚醒模塊到蓄電池間的控制電路。蓄電池、輔助系統(tǒng)、受電弓、空調、牽引制動系統(tǒng)、空壓機等的控制在目前的手動控制按鈕基礎上增加網絡控制。

由信號系統(tǒng)的喚醒模塊輸出硬線指令到車輛激活電路喚醒、休眠列車。每天運營前，已休眠的列車需要喚醒，喚醒需要啟動車載控制，并激活整個列車的其他設備，使之進入正常工作狀態(tài)。列車收到喚醒指令后，接通車上設備系統(tǒng)的低壓供電電源，列車自動升弓，接入供電接觸網。

正常情況下，列車的喚醒由ATS 根據時刻表自動喚醒，如果有特殊情況，可以通過遠程人工喚醒和列車就地喚醒使列車喚醒。

輔助逆變器和充電機啟動是采用網絡+硬線模式，全自動情況下網絡控制，人工操作或故障時采用硬線控制，高電平為停止。中壓母線接觸器閉合由TCMS 進行控制。

空調/電熱預熱→牽引系統(tǒng)部件動作情況→TCMS判斷條件滿足后，自動發(fā)送閉合高速斷路器允許指令，牽引判斷條件滿足，自動閉合高速斷路器，預充電接觸器自動閉合。

（2） 洗車

基本要求:根據ATC 指令自動控制列車在車場全自動運行區(qū)（含洗車線）內的走行及洗車作業(yè)。

實施方案:增加1 號線TCMS 系統(tǒng)軟件中相關功能模塊。由信號系統(tǒng)發(fā)送洗車指令給TCMS，TCMS 接收到洗車指令后會對車輛限速，并對空調、電熱、照明做相應的控制，刮雨器恢復到初始位置。車輛根據信號發(fā)出的方向、牽引、制動及級位信號運行。

（3） 列車自檢

基本要求:自動完成發(fā)車前的系統(tǒng)自檢，如列車牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車門、空調、照明、廣播、乘客信息顯示系統(tǒng)、通信車載設備等，并向控制中心發(fā)送自檢結果和列車準備就緒狀態(tài)報告。

實施方案:需要增加TCMS 系統(tǒng)和各個子系統(tǒng)通信協(xié)議及接口，TCMS 增加自檢結果運算功能。各系統(tǒng)上電后開始自檢并將自檢結果反饋給TCMS 系統(tǒng)，由TCMS 系統(tǒng)將自檢結果發(fā)送給信號系統(tǒng)，再由信號系統(tǒng)上傳至控制中心。

TCMS 的數據信息需要上傳到地面控制中心，控制中心對列車運行的實時故障數據進行處理，并遠程指導正線駐站維修作業(yè)人員進行相應處置。

（4） 蠕動模式

基本要求:在全自動運行模式下，當車輛網絡出現故障，或車輛與車載信號設備通信故障時，可由行調人員確認，ATC 遠程觸發(fā)蠕動模式，列車以蠕動模式運行，ATP 監(jiān)控列車以不超過固定限速（如25 km/h，固定限速由信號系統(tǒng)設計階段確定）的速度全自動運行。列車以蠕動模式進站停車后，施加緊急制動防止列車移動，等待司機上車處理。

實施方案:需要增加牽引制動系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的硬線控制接口，牽引制動系統(tǒng)修改軟件。

（5） 跳躍模式

基本要求:若列車進站停車過標或欠標不大于5 m（暫定）系統(tǒng)可自動控制列車進行對位調整。當列車進站停車欠標，ATO 自動運行對位停車。

實施方案:增加牽引制動系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的硬線控制接口，牽引制動系統(tǒng)修改軟件。當信號系統(tǒng)判斷進入跳躍模式時，輸出硬線指令給制動系統(tǒng)，當制動系統(tǒng)收到此硬線指令時，將釋放保持制動并施加固定小級位的常用制動，牽引系統(tǒng)仍然照常根據信號系統(tǒng)的指令運行。

（6） 遠程控制場景

基本要求:特殊情況下，控制中心可遠程操控:喚醒、休眠、升降受電弓、控制客室照明及空調、開/關門、緊急制動、停放制動、遠程復位斷路器、雨刮器、司機室前窗玻璃加熱器等功能。

實施方案:需要將目前的斷路器改造為遠程控制斷路器。

3 輔助電源系統(tǒng)

如果蓄電池虧電導致車載cc 無法啟動，1 號線車輛SIV 無應急啟動功能，只有使用移動充電設備給蓄電池充電。1 號線車輛需增加一個SIV 應急啟動裝置。人工上車操作應急升弓按鈕或使用腳踏泵升弓，升弓后操作SIV 應急啟動按鈕給蓄電池充電，待蓄電池電壓恢復后激活列車。

4 制動系統(tǒng)

基本要求:每個客室內設置一個緊急手柄，此手柄設置防護罩，防護罩的狀態(tài)由列車進行監(jiān)控，狀態(tài)信息同時上傳至控制中心。緊急制動手柄（或按鈕）的動作聯(lián)動攝像裝置，圖像信息上傳控制中心。

車輛在區(qū)間運行時若觸發(fā)緊急手柄，列車繼續(xù)運行至下一站，停站后施加緊急制動，緊急手柄復位后，緊急制動緩解；若車輛在站臺區(qū)內時觸發(fā)緊急手柄，列車立即施加緊急制動。

實施方案:

每個客室內設置一個緊急手柄。

將整車緊急拉手的狀態(tài)輸入給信號系統(tǒng)，信號系統(tǒng)將根據車輛位置做控制。在RM 或ATC 切除模式將不做控制。

緊急手柄的狀態(tài)輸入給TCMS 系統(tǒng)，TCMS 系統(tǒng)將此狀態(tài)傳輸給廣播系統(tǒng)，廣播系統(tǒng)將聯(lián)動緊急對講及CCTV 視頻監(jiān)控。

5 轉向架系統(tǒng)

（1） 障礙物及脫軌檢測裝置

實施方案:在兩端司機室轉向架上增加障礙物、脫軌檢測裝置。障礙物、脫軌檢測裝置的系統(tǒng)結構如圖1所示。

（2） 走行部在線檢測系統(tǒng)

基本要求:走行部檢測系統(tǒng)，對轉向架軸箱、齒輪箱、電機的沖擊、振動、溫度進行監(jiān)測，實現對走行部的早期預警和分級報警等功能，車輛回庫后具備數據無線上傳的功能，提供地面分析臺進行數據分析及處理，準確指導車輛的運用和維修。

圖1 障礙物、脫軌檢測裝置

實施方案:在轉向架上增加走行部在線檢測系統(tǒng)，并將數據上傳到地面控制中心，見圖2。

圖2 在線監(jiān)測傳感器布置點位示意圖

6 車門系統(tǒng)

（1） 車門與站臺門故障隔離

基本要求:列車全自動運行模式下，車門與站臺門故障隔離功能，當個別車站站臺門故障隔離時，故障站臺門（站臺門系統(tǒng)控制）及對應的車門（車輛控制）不打開；當個別車門故障隔離時，故障車門（車輛控制）及對應的站臺門（站臺門系統(tǒng)控制）不打開。

實施方案:門控器功能改造，增加單門接收遠程隔離信號的功能。

當列車的單個車門故障隔離后，本列車停站時對應的單個站臺門應能保持鎖閉不參與停站的開、關門作業(yè)。站臺的其他站臺門可正常打開，車載控制器仍對其打開狀態(tài)進行防護。故障車門的信息由車輛TCMS 送至車載CC，車載CC 向中心ATS 傳送車門的故障信息，并在OCC 調度臺上顯示和報警。

增加車門數據落地裝置，車輛向地面控制中心傳送車門發(fā)生故障的狀態(tài)信息，并可實時顯示和報警。

（2） 車門緊急解鎖

基本要求:使用車門緊急解鎖手柄打開車門，解鎖手柄動作信息在司機室和控制中心進行顯示并報警。當車輛在區(qū)間運行時，車輛到下一站停車并扣車；當車輛在站臺區(qū)時，車輛不能啟動。整列車上任何一個緊急解鎖裝置被觸發(fā)，應在控制中心和司機室報警和顯示。相關位置信息通過列車控制系統(tǒng)發(fā)送給車載ATC、并且相應位置的攝像頭的圖像由車載監(jiān)控系統(tǒng)設備上傳至控制中心（圖像信息包含車次號、車組號、位置信息、報警類型等）。同時，通過列車控制系統(tǒng)觸發(fā)就近客室緊急對講裝置，建立控制中心乘客調度、駕駛員與乘客之間的對講。

實施方案:增加車門解鎖后的信息上傳OCC、CCTV 聯(lián)動控制功能、廣播緊急對講自動建立功能。

7 蓄電池系統(tǒng)

基本要求:蓄電池需要配備在線檢測裝置，可在線測量、記錄并存儲電池組或單體電池在充電和放電階段的電壓、電流、溫度等參數，該裝置可與TCMS 通信。TCMS 應監(jiān)測蓄電池電壓、電流、箱內溫度，并具備蓄電池容量管理功能。所有數據可實時傳輸到地面控制中心。

蓄電池容量應滿足1 號線6 輛編組列車休眠7 d 后，可靠喚醒列車（單端信號喚醒模塊（包含LTE）能耗暫定為70 W）；或滿足運行時在任何工況時的需要，在無高壓輸入情況下，且電量為滿容量的85%時應滿足緊急通風、照明使用45 min，并且45 min 之后能完成一次開關門、一次升弓、一次投入SIV。

參考其他線路喚醒模塊休眠7 d 耗電量為455 Ah，成都地鐵1 號線車輛目前蓄電池配置為2 組160 Ah，共計320 Ah，455?320=135 Ah，至少需要增加一組蓄電池或更換單體蓄電池容量。

8 乘客信息系統(tǒng)

（1） 視頻監(jiān)控（CCTV）的聯(lián)動

基本要求:客室與控制中心、司機室同步報警和對講，與PIS 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻實現聯(lián)動功能；整列車上任何一個緊急解鎖裝置被觸發(fā)，應在控制中心和司機室報警和顯示。客室緊急手柄可以觸發(fā)就近的一個緊急對講裝置，由司機或控制中心乘客調度確認后進行緊急對講，同時觸發(fā)就近的攝像頭將畫面?zhèn)魉椭量刂浦行某丝驼{度顯示屏/司機室顯示屏；車門防夾相關信息上傳至控制中心，同時聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)及攝像頭畫面。

實施方案:每個車廂需要增加攝像頭，司機室需要增加前置攝像頭并且實現視頻實時上傳。

（2） 乘客緊急對講的聯(lián)動

基本要求:客室車門緊急解鎖裝置可以觸發(fā)就近的一個緊急對講裝置進行控制中心乘客調度或司機與乘客之間的緊急對講。

客室緊急手柄可以觸發(fā)就近的一個緊急對講裝置，由司機或控制中心乘客調度確認后進行緊急對講，同時觸發(fā)就近的攝像頭將畫面?zhèn)魉椭量刂浦行某丝驼{度顯示屏/司機室顯示屏。

實施方案:增加廣播系統(tǒng)車門緊急解鎖和緊急手柄觸發(fā)對應某個乘客緊急對講的功能。在全自動運行模式下，控制中心乘客調度可以選定某一緊急對講裝置，而觸發(fā)控制中心與乘客之間的緊急對講和對客室進行監(jiān)聽。

9 電氣設置

（1） 司機臺設置罩板

基本要求:在全自動運行模式下，駕駛臺蓋板的開/閉位置應由列車控制系統(tǒng)監(jiān)控和儲存，同時該蓋板位置信息上傳至控制中心。

實施方案:增加司機臺罩板，將所有操作臺按鈕和顯示屏遮擋，并設置罩板位置的監(jiān)控聯(lián)動。拆除司機室隔門和座椅（考慮司機臨時手動駕駛時的座椅），乘客可進入這個空間。

（2） 滅火器移動監(jiān)控

基本要求:滅火器的移動應由列車控制系統(tǒng)監(jiān)控，當車輛在運行中滅火器被動用，則自動向司機和控制中心報警。

實施方案:在滅火器的固定座或者罩板上設置行程開關，當罩板被打開或者滅火器被移動時，行程開關觸點被觸發(fā)并發(fā)送給TCMS，TCMS 將信息發(fā)送給控制中心和乘客信息系統(tǒng)做聯(lián)動。

（3） 控制柜門監(jiān)控

基本要求:對列車上客室電氣柜門的關閉狀態(tài)進行監(jiān)控，車輛在收到ATS 下發(fā)相應工況時，當電器柜門開啟后，車輛的CCTV 進行聯(lián)動控制，同時將該狀態(tài)作為報警信息反饋給控制中心。

實施方案:在電氣柜上設置行程開關，當電氣柜門被打開時觸發(fā)行程開關動作，行程開關觸點信息發(fā)送給TCMS，TCMS 將信息發(fā)送給控制中心和乘客信息系統(tǒng)做聯(lián)動。

（4） 駕駛模式指示燈

實施方案:車輛外部增加輔助提示燈，至少包含全自動運行/非全自動運行模式指示燈等。

10 結束語

地鐵1 號線實現無人駕駛，首先需要信號系統(tǒng)具備精良的控車和管理能力。而車輛方面的技術改造，需要在信號控車功能設計的基礎上加裝大量的遠程監(jiān)測和遠程控制設備。從技術角度來說，具備改造的可行性，各方需對軟硬件接口充分討論，最大化的降低施工時間和經濟成本?？紤]到整個施工過程，建議結合大修等高級修程開展，可大大降低施工改造成本。