地鐵FAO信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵場(chǎng)景分析與測(cè)試設(shè)計(jì)

李迎春，李 葉，劉錦峰

信號(hào)系統(tǒng)是全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的列車(chē)控制系統(tǒng)，在全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行中起著關(guān)鍵作用。隨著越來(lái)越多的城市軌道交通地鐵線路投入使用，傳統(tǒng)有人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的室內(nèi)測(cè)試方案已趨于完備成熟［1-3］，而全自動(dòng)無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)因?yàn)轫?xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)少［4-5］，在測(cè)試方法、測(cè)試場(chǎng)景和方案方面存在不足，這在一定程度上制約了全自動(dòng)無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的安全、高效實(shí)施和應(yīng)用。

本文結(jié)合上海軌道交通18號(hào)、15號(hào)線的室內(nèi)集成測(cè)試，對(duì)全自動(dòng)無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵場(chǎng)景提出一套相對(duì)完整的室內(nèi)仿真測(cè)試方案，可供類(lèi)似項(xiàng)目參考。

1 仿真測(cè)試方案設(shè)計(jì)原則

1.1 編制依據(jù)

上海市各線路無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)測(cè)試方案必須完全滿(mǎn)足合同，以及上海市交通運(yùn)輸行業(yè)規(guī)范《城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景規(guī)范》（T/SHJX0018—2020）規(guī)定的技術(shù)和功能場(chǎng)景要求。

1.2 仿真測(cè)試平臺(tái)

室內(nèi)仿真測(cè)試平臺(tái)需具備以下條件：①可將全自動(dòng)無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)動(dòng)起來(lái)，進(jìn)行系統(tǒng)集成確認(rèn)測(cè)試和仿真；②所有系統(tǒng)狀態(tài)均可控，可以注入故障配合測(cè)試；③為確保室內(nèi)測(cè)試環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境的一致性，信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備必須使用真實(shí)的設(shè)備；④平臺(tái)中被仿真的設(shè)備必須和實(shí)際設(shè)備接口功能一致。

1.3 測(cè)試用例設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)室的設(shè)備和測(cè)試平臺(tái)情況，梳理出適合在室內(nèi)仿真測(cè)試的無(wú)人駕駛功能點(diǎn)，對(duì)每個(gè)無(wú)人駕駛功能點(diǎn)及相應(yīng)接口進(jìn)行測(cè)試用例分析，測(cè)試用例不僅包括正常場(chǎng)景測(cè)試，還應(yīng)包括故障場(chǎng)景測(cè)試。

2 仿真測(cè)試平臺(tái)配置

仿真測(cè)試平臺(tái)采用半實(shí)物半仿真配置，車(chē)載控制器（CC）、區(qū)域控制器（ZC）、線路控制器（LC）、聯(lián)鎖（CBI）、列車(chē)自動(dòng)控制（ATS）、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DCS）和維護(hù)支持系統(tǒng)（MSS）均使用真實(shí)設(shè)備，駕駛臺(tái)、軌旁設(shè)備和車(chē)輛模型采用仿真軟件，且仿真軟件和相應(yīng)實(shí)際設(shè)備的接口功能完全一樣，盡可能地還原地鐵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境。仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1［6］，可將所有信號(hào)子系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)動(dòng)起來(lái)進(jìn)行全面測(cè)試。

圖1 全自動(dòng)無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵場(chǎng)景分析與測(cè)試設(shè)計(jì)

全自動(dòng)無(wú)人駕駛的關(guān)鍵場(chǎng)景包括全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式轉(zhuǎn)換、自動(dòng)休眠、自動(dòng)洗車(chē)、車(chē)門(mén)/屏蔽門(mén)對(duì)位隔離、自動(dòng)清客等，主要運(yùn)用場(chǎng)景分析法，分別從正常場(chǎng)景和故障場(chǎng)景測(cè)試進(jìn)行分析和研究。

3.1 全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式轉(zhuǎn)換測(cè)試

全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式（FAM）是在CBTC通信控制下由ATP監(jiān)控的列車(chē)全自動(dòng)運(yùn)行模式。FAM模式與其他模式轉(zhuǎn)換見(jiàn)圖2。

圖2 FAM駕駛模式轉(zhuǎn)換

1）FAM模式與其他有人駕駛模式轉(zhuǎn)換。列車(chē)處于停止?fàn)顟B(tài)，車(chē)輛和信號(hào)車(chē)載設(shè)備通信正常，CC車(chē)載司機(jī)室兩端未激活，將牽引手柄推至惰行位，選定FAM模式開(kāi)關(guān)，列車(chē)駕駛模式切換到FAM模式，在ATS中心請(qǐng)求并獲得FAM模式移動(dòng)授權(quán)后，列車(chē)以FAM模式在線路上自動(dòng)運(yùn)行。如果FAM模式運(yùn)行的列車(chē)遇到特殊情況需要降級(jí)進(jìn)入有人駕駛ATP模式或者ATO模式時(shí)，列車(chē)可以停穩(wěn)后，激活相應(yīng)端的司機(jī)室鑰匙，F(xiàn)AM模式開(kāi)關(guān)打到OFF位，此時(shí)車(chē)載CC退出FAM模式，再進(jìn)行相應(yīng)模式的轉(zhuǎn)換操作，即可進(jìn)入ATP模式或者ATO模式。

2）FAM模式與蠕動(dòng)模式轉(zhuǎn)換。列車(chē)以FAM模式運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)車(chē)輛與信號(hào)車(chē)載設(shè)備通信故障、車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)故障等，會(huì)導(dǎo)致ATO控制失效，ATP系統(tǒng)將立即施加緊急制動(dòng)，系統(tǒng)申請(qǐng)進(jìn)入蠕動(dòng)模式，經(jīng)ATS中心人工授權(quán)后，信號(hào)系統(tǒng)駕駛模式由FAM模式轉(zhuǎn)換為蠕動(dòng)模式。ATP監(jiān)控列車(chē)以不超過(guò)15 km/h（可設(shè)置）的速度全自動(dòng)行駛，列車(chē)到站后自動(dòng)扣車(chē)并打開(kāi)車(chē)門(mén)，等待多職能巡檢隊(duì)員［7］登車(chē)處理：可以直接切換到有人駕駛模式駛離站臺(tái)；也可以原地重啟CC，若列車(chē)滿(mǎn)足FAM模式條件，直接以FAM模式駛離站臺(tái)，否則切換到有人駕駛模式駛離站臺(tái)。

導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中做功，我們也可以把它分解為無(wú)數(shù)個(gè)自由電子在做功，而每個(gè)自由電子可拆分為垂直于導(dǎo)體棒的分力f2做功和平行于導(dǎo)體棒的分力f1做功?？磮D二我們可知f1與速度v2方向相同，f1做正功，則功率P1=f1v2=fcosαvsinα=fvcosαsinα

3）FAM模式與遠(yuǎn)程限制駕駛模式轉(zhuǎn)換。遠(yuǎn)程限制駕駛模式是信號(hào)系統(tǒng)車(chē)載CC丟失定位時(shí)的應(yīng)急模式。當(dāng)區(qū)間出現(xiàn)連續(xù)2個(gè)信標(biāo)故障或者車(chē)載控制器完全故障需要重啟，車(chē)載CC丟失定位，ATS中心人工設(shè)置遠(yuǎn)程限制駕駛模式后，列車(chē)可以以低于固定速度（如不超過(guò)15 km/h）運(yùn)行。列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中接收到2個(gè)連續(xù)信標(biāo)后，重新獲得定位，自動(dòng)升級(jí)到FAM模式。

根據(jù)以上FAM模式相關(guān)運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)換場(chǎng)景，測(cè)試設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 FAM駕駛模式轉(zhuǎn)換測(cè)試設(shè)計(jì)

3.2 自動(dòng)休眠測(cè)試

FAO系統(tǒng)中列車(chē)自動(dòng)休眠有2種方式：ATS遠(yuǎn)程自動(dòng)休眠和ATS遠(yuǎn)程人工自動(dòng)休眠［8］。首先列車(chē)以FAM模式在休眠點(diǎn)停穩(wěn)，ATS自動(dòng)發(fā)送休眠指令或者調(diào)試人員通過(guò)ATS遠(yuǎn)程發(fā)送休眠指令，CC收到指令后，通過(guò)列車(chē)信息管理系統(tǒng)TIMS（Train Information Management System）網(wǎng)絡(luò)向車(chē)輛輸出預(yù)休眠請(qǐng)求，當(dāng)車(chē)輛響應(yīng)該命令并反饋預(yù)休眠完成后，CC通過(guò)繼電器輸出休眠信號(hào)，具體休眠過(guò)程接口信息交互見(jiàn)圖3。

圖3 休眠過(guò)程接口信息交互

根據(jù)以上列車(chē)自動(dòng)休眠運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景以及接口信息交互，測(cè)試設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 列車(chē)自動(dòng)休眠測(cè)試設(shè)計(jì)

3.3 自動(dòng)洗車(chē)測(cè)試

自動(dòng)洗車(chē)功能一般采用自動(dòng)折返洗車(chē)的模式，實(shí)現(xiàn)列車(chē)以全自動(dòng)無(wú)人駕駛的方式自動(dòng)開(kāi)到洗車(chē)庫(kù)洗車(chē)，分為兩種方式［9］：一是根據(jù)洗車(chē)計(jì)劃安排列車(chē)進(jìn)行自動(dòng)洗車(chē)作業(yè)；二是由車(chē)輛基地值班員遠(yuǎn)程或者現(xiàn)地人工設(shè)置“洗車(chē)”工況。

自動(dòng)洗車(chē)流程：列車(chē)根據(jù)洗車(chē)計(jì)劃或者人工設(shè)置目的碼以FAM模式運(yùn)行到洗車(chē)庫(kù)前，車(chē)載CC將“洗車(chē)”工況發(fā)送給車(chē)輛系統(tǒng)，列車(chē)通過(guò)預(yù)濕預(yù)冷運(yùn)行到洗車(chē)庫(kù)后方，自動(dòng)換端，行駛至洗車(chē)停車(chē)點(diǎn)，信號(hào)系統(tǒng)向洗車(chē)機(jī)發(fā)送洗車(chē)指令［10］，如圖4所示，洗車(chē)機(jī)檢測(cè)列車(chē)停在對(duì)應(yīng)位置后，開(kāi)始洗車(chē)；列車(chē)前端清洗干凈后，車(chē)載CC控制列車(chē)以低速（3 km/h，可設(shè)置）運(yùn)行，進(jìn)行側(cè)面清洗，到下一個(gè)洗車(chē)停車(chē)點(diǎn)進(jìn)行列車(chē)尾端的清洗。洗車(chē)結(jié)束后，洗車(chē)機(jī)自動(dòng)或者人工關(guān)閉，列車(chē)工況從洗車(chē)工況自動(dòng)轉(zhuǎn)換為場(chǎng)段運(yùn)行工況，列車(chē)自動(dòng)駛向停車(chē)列檢庫(kù)或調(diào)度人員人工設(shè)置的目的碼。在洗車(chē)過(guò)程中，如果信號(hào)系統(tǒng)與洗車(chē)機(jī)接口故障或者人工按緊急停車(chē)按鈕，聯(lián)鎖向ZC發(fā)送激活SPKS（Staff Protection Key Switch，人員防護(hù)開(kāi)關(guān)）和ESA（Emergency Stop Area，緊急停車(chē)區(qū)域）的碼位，此時(shí)SPKS和ESA激活，列車(chē)施加緊急制動(dòng)。

圖4 自動(dòng)洗車(chē)接口信息交互

根據(jù)以上列車(chē)自動(dòng)洗車(chē)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景以及接口信息交互，測(cè)試設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 列車(chē)自動(dòng)洗車(chē)測(cè)試設(shè)計(jì)

3.4 車(chē)門(mén)/屏蔽門(mén)對(duì)位隔離測(cè)試

列車(chē)以FAM模式運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)車(chē)門(mén)或者屏蔽門(mén)故障時(shí)，列車(chē)主要依靠對(duì)位隔離功能實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)和屏蔽門(mén)對(duì)位故障隔離，鎖閉故障車(chē)門(mén)和屏蔽門(mén)，有效引導(dǎo)乘客從正常車(chē)門(mén)上下列車(chē)，保障列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)，從而提高列車(chē)運(yùn)行效率［9］。車(chē)門(mén)/屏蔽門(mén)對(duì)位隔離接口信息交互見(jiàn)圖5。

圖5 車(chē)門(mén)/屏蔽門(mén)對(duì)位隔離接口信息交互

車(chē)門(mén)故障需隔離對(duì)應(yīng)的屏蔽門(mén)時(shí)，車(chē)輛RS向車(chē)載CC發(fā)送被隔離的車(chē)門(mén)信息，車(chē)載CC經(jīng)過(guò)處理后將需要隔離的PSD（Platform Screen Door）信息通過(guò)ATS子系統(tǒng)發(fā)送給PSDC（Platform Screen Door Controller），PSDC接到命令后隔離對(duì)應(yīng)的屏蔽門(mén)。同理屏蔽門(mén)故障需隔離車(chē)門(mén)時(shí)，PSDC將被隔離的PSD信息通過(guò)ATS子系統(tǒng)傳送給車(chē)載CC，CC經(jīng)過(guò)處理后向車(chē)輛RS發(fā)送隔離對(duì)應(yīng)車(chē)門(mén)的命令，RS收到命令后隔離對(duì)應(yīng)的車(chē)門(mén)。

可通過(guò)2種方式查看對(duì)位隔離功能測(cè)試結(jié)果：抓包和觀察ATS中心界面。使用wireshark抓包查看被隔離的屏蔽門(mén)和車(chē)門(mén)碼位；在ATS中心界面上觀察被測(cè)車(chē)門(mén)和屏蔽門(mén)是否保持對(duì)位隔離狀態(tài)。

3.5 自動(dòng)清客測(cè)試

從列車(chē)運(yùn)營(yíng)服務(wù)角度，清客可以分為常規(guī)清客和非常規(guī)清客。常規(guī)清客是指列車(chē)按照運(yùn)營(yíng)計(jì)劃運(yùn)行到折返站臺(tái)或者終端站臺(tái)，執(zhí)行扣車(chē)清客作業(yè)，由多職能巡檢隊(duì)員確認(rèn)乘客全部下車(chē)后，按壓清客確認(rèn)按鈕，車(chē)門(mén)和屏蔽門(mén)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉，自動(dòng)進(jìn)行折返作業(yè)或者下線回庫(kù)。非常規(guī)清客是指列車(chē)在運(yùn)行途中，由于線路發(fā)生突發(fā)事件導(dǎo)致列車(chē)必須緊急清客，這時(shí)需要ATS中心調(diào)度人員遠(yuǎn)程設(shè)置臨時(shí)清客站臺(tái)，清客完畢后，由多職能巡檢隊(duì)員確認(rèn)乘客全部下車(chē)后，按壓清客確認(rèn)按鈕，并派遣多職能巡檢隊(duì)員處置清客列車(chē)。

根據(jù)以上清客運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的描述，測(cè)試設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 列車(chē)自動(dòng)清客測(cè)試設(shè)計(jì)

4 總結(jié)

本文基于仿真測(cè)試平臺(tái)，對(duì)全自動(dòng)無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵場(chǎng)景分析與仿真測(cè)試設(shè)計(jì)，為保證全自動(dòng)無(wú)人駕駛線路安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。該室內(nèi)仿真測(cè)試方案已成功應(yīng)用于上海軌道交通全自動(dòng)無(wú)人駕駛18號(hào)、15號(hào)線。由于測(cè)試平臺(tái)和室內(nèi)設(shè)備的限制，室內(nèi)仿真測(cè)試有其局限性，無(wú)法覆蓋所有的無(wú)人駕駛運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，例如站臺(tái)自動(dòng)對(duì)位，信號(hào)系統(tǒng)與綜合監(jiān)控、廣播系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)測(cè)試等仍需要在現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證。如何提高無(wú)人駕駛功能的室內(nèi)仿真測(cè)試覆蓋率，還需進(jìn)一步研究。