城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的需求分析

陳春輝

(深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，518035，深圳 ∥ 高級(jí)工程師)

列車(chē)作為乘客運(yùn)輸和安全運(yùn)營(yíng)的主體，在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)在完全沒(méi)有司機(jī)和乘務(wù)人員參與的情況下，由控制中心統(tǒng)一控制，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)。其自動(dòng)完成休眠、喚醒、自檢、運(yùn)行、精確停車(chē)、開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)及洗車(chē)等操作，在故障情況下還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)等。本文以CBTC(基于通信的列車(chē)控制)制式的傳統(tǒng)列車(chē)作為比較對(duì)象，對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)從功能需求、RAMS(可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性)需求以及列車(chē)設(shè)計(jì)需求等方面進(jìn)行分析。

1 列車(chē)功能需求分析

與傳統(tǒng)列車(chē)相比，全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)增加了自動(dòng)喚醒、休眠、故障報(bào)警、障礙物檢測(cè)、脫軌檢測(cè)及低壓系統(tǒng)恢復(fù)供電等功能。此外，全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)還需在傳統(tǒng)列車(chē)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)車(chē)門(mén)系統(tǒng)控制功能和火災(zāi)報(bào)警功能，增強(qiáng)電磁兼容性，各子系統(tǒng)也需冗余配置。全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)功能與傳統(tǒng)列車(chē)的功能差異主要體現(xiàn)在運(yùn)行模式、遠(yuǎn)程控制、列車(chē)聯(lián)動(dòng)、列車(chē)狀態(tài)監(jiān)控等方面。

1.1 運(yùn)行模式的功能需求

全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)在傳統(tǒng)列車(chē)的駕駛模式基礎(chǔ)上，新增了FAM(全自動(dòng)駕駛模式)和CAM(蠕動(dòng)模式)。

在FAM下，ATP(列車(chē)自動(dòng)防護(hù))子系統(tǒng)負(fù)責(zé)保證列車(chē)的運(yùn)行安全，ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成列車(chē)在區(qū)間的自動(dòng)運(yùn)行、調(diào)整及對(duì)位停車(chē)控制等。在列車(chē)到站自動(dòng)對(duì)位停車(chē)時(shí)，如出現(xiàn)停車(chē)對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的情況，ATO子系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行對(duì)位調(diào)整，實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)的對(duì)標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)自動(dòng)對(duì)位調(diào)整時(shí)，需要列車(chē)響應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)的精細(xì)化調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)標(biāo)。

CAM為FAM的應(yīng)急模式。當(dāng)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，或列車(chē)通信與信號(hào)車(chē)載設(shè)備通信發(fā)生故障時(shí)，列車(chē)先向控制中心申請(qǐng)切換為蠕動(dòng)模式；在列車(chē)停車(chē)后，經(jīng)控制中心確認(rèn)，列車(chē)運(yùn)行模式由FAM切換為CAM。因列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)存在問(wèn)題，部分列車(chē)狀態(tài)不可實(shí)時(shí)監(jiān)控，故列車(chē)需限速運(yùn)行。在CAM下，ATP子系統(tǒng)監(jiān)控列車(chē)以不超過(guò)25 km/h的速度自動(dòng)運(yùn)行至下一座車(chē)站對(duì)標(biāo)停車(chē)，并在自動(dòng)打開(kāi)車(chē)門(mén)完成清客后，在站臺(tái)等待工作人員上車(chē)對(duì)故障進(jìn)行處理。

1.2 控制功能需求

傳統(tǒng)列車(chē)的電氣設(shè)備由司機(jī)來(lái)操控。為實(shí)現(xiàn)行車(chē)控制，全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的電氣設(shè)備增加了遠(yuǎn)程控制功能。全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的遠(yuǎn)程控制功能需求主要有：

1) 替代司機(jī)進(jìn)行列車(chē)激活及斷電功能。具體有遠(yuǎn)程喚醒功能及休眠功能等。

2) 替代司機(jī)進(jìn)行常規(guī)調(diào)節(jié)操作的功能。此類(lèi)功能包括遠(yuǎn)程控制空調(diào)、照明、刮雨器及電熱玻璃等。在FAM下，列車(chē)智能控制系統(tǒng)依據(jù)工況來(lái)自動(dòng)控制空調(diào)與照明的啟閉：在上線工況下自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)、照明；在待命工況下自動(dòng)關(guān)閉中間車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)，并降低照明亮度或關(guān)閉照明。通過(guò)遠(yuǎn)程控制功能，也可對(duì)空調(diào)及照明進(jìn)行人工控制。在列車(chē)喚醒與休眠過(guò)程中， TCMS(列車(chē)監(jiān)控管理系統(tǒng))按照設(shè)定的流程條件控制受電弓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降；在特殊工況下，工作人員也可遠(yuǎn)程手動(dòng)控制受電弓的升降。

3) 特殊工況的遠(yuǎn)程操作功能。除正常系統(tǒng)自動(dòng)控制之外，特殊工況還需要工作人員進(jìn)行受電弓升降遠(yuǎn)程控制或列車(chē)對(duì)標(biāo)停車(chē)后的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)等操作。

4) 應(yīng)用于列車(chē)排除故障的遠(yuǎn)程控制功能。當(dāng)牽引或輔助系統(tǒng)因發(fā)生故障而被隔離時(shí)，可嘗試通過(guò)遠(yuǎn)程復(fù)位功能，使隔離的牽引逆變器或輔助逆變器重新投入運(yùn)行。遠(yuǎn)程復(fù)位斷路器，是影響行車(chē)的關(guān)鍵斷路器。當(dāng)其異常跳開(kāi)且自復(fù)位一次失敗時(shí)，在列車(chē)靜止且沒(méi)有火災(zāi)告警情況下，可通過(guò)遠(yuǎn)程復(fù)位斷路器來(lái)恢復(fù)。對(duì)于PIS(乘客信息系統(tǒng))主機(jī)等較常需要斷電重啟的重要設(shè)備，可對(duì)其供電回路設(shè)置遠(yuǎn)程跳開(kāi)及復(fù)位斷路器，以便在其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程斷電重啟，進(jìn)而使設(shè)備從故障狀態(tài)恢復(fù)正常。

5) 遠(yuǎn)程復(fù)位單個(gè)轉(zhuǎn)向架空氣制動(dòng)單元的功能。如出現(xiàn)單個(gè)轉(zhuǎn)向架空氣制動(dòng)緩解不良的情況，影響了列車(chē)起動(dòng)，可通過(guò)該功能來(lái)嘗試復(fù)位發(fā)生了故障的轉(zhuǎn)向架，進(jìn)而排除故障，使列車(chē)具備運(yùn)行條件。

1.3 列車(chē)狀態(tài)監(jiān)控功能需求

傳統(tǒng)列車(chē)由司機(jī)監(jiān)控運(yùn)行。當(dāng)列車(chē)出現(xiàn)故障時(shí)，由司機(jī)處置并報(bào)告行車(chē)調(diào)度員；行車(chē)調(diào)度員依據(jù)司機(jī)報(bào)告的列車(chē)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)組織決策。

為了遠(yuǎn)程監(jiān)視列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)需在地面設(shè)置列車(chē)調(diào)度工作站來(lái)替代行車(chē)監(jiān)控功能。列車(chē)調(diào)度工作站通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信傳輸通道來(lái)接收全線列車(chē)實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息(如圖1所示)，對(duì)全線列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)列車(chē)發(fā)生的故障情況進(jìn)行及時(shí)處理。

圖1 列車(chē)調(diào)度工作站狀態(tài)監(jiān)控界面

1.4 列車(chē)聯(lián)動(dòng)功能需求

列車(chē)運(yùn)行中的應(yīng)急事件有乘客緊急對(duì)講請(qǐng)求、車(chē)門(mén)緊急解鎖、車(chē)門(mén)狀態(tài)丟失、車(chē)門(mén)檢測(cè)到障礙物、逃生門(mén)蓋板被打開(kāi)、司機(jī)操作臺(tái)蓋板被打開(kāi)、電氣柜門(mén)被打開(kāi)、滅火器被移動(dòng)、感煙或溫?zé)熃M合探測(cè)器檢測(cè)到火災(zāi)等。在傳統(tǒng)列車(chē)上，司機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)急事件進(jìn)行處理。而全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)應(yīng)具有在應(yīng)急事件場(chǎng)景中快速反應(yīng)的聯(lián)動(dòng)功能：

1) 當(dāng)車(chē)上發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)，車(chē)載CCTV(閉路電視)及車(chē)載PIS立即啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能，將觸發(fā)源對(duì)應(yīng)區(qū)域的攝像頭，通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信傳輸通道傳送至OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)調(diào)度臺(tái)，以供調(diào)度人員第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。同時(shí)，TCMS將對(duì)應(yīng)的告警信息同步發(fā)送至控制中心的各調(diào)度臺(tái)。

2) 車(chē)門(mén)緊急解鎖、逃生門(mén)蓋板、司機(jī)臺(tái)蓋板打開(kāi)等突發(fā)事件，可觸發(fā)對(duì)應(yīng)的乘客緊急對(duì)講功能，以方便OCC調(diào)度人員第一時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)乘客溝通。

3) 在列車(chē)火災(zāi)或區(qū)間火災(zāi)等場(chǎng)景下，需聯(lián)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整，以免給乘客帶來(lái)進(jìn)一步危害。如發(fā)生區(qū)間火災(zāi)，則在區(qū)間運(yùn)行的列車(chē)收到區(qū)間火災(zāi)信號(hào)后，應(yīng)立即關(guān)閉新風(fēng)及廢排，以避免區(qū)間火災(zāi)產(chǎn)生的濃煙被吸入列車(chē)，直至列車(chē)通過(guò)火災(zāi)區(qū)域后，再取消區(qū)間火災(zāi)信號(hào)，使空調(diào)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

4) 全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)應(yīng)配置障礙物及脫軌檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)檢測(cè)軌道是否有影響列車(chē)運(yùn)行的障礙物或列車(chē)是否脫軌。如檢測(cè)到障礙物或脫軌信息，則立即觸發(fā)列車(chē)的緊急制動(dòng)。列車(chē)通過(guò)緊急制動(dòng)來(lái)降低車(chē)速，可減少因列車(chē)碰撞障礙物或脫軌而造成的人員損傷。同時(shí)，該檢測(cè)系統(tǒng)將障礙物及脫軌檢測(cè)信息作為緊急信號(hào)報(bào)送給OCC行車(chē)調(diào)度員，并將行車(chē)攝像頭視頻推送至OCC調(diào)度員。行車(chē)調(diào)度員組織工作人員現(xiàn)場(chǎng)處置，只有等到所有障礙物引起的風(fēng)險(xiǎn)解決后才能恢復(fù)正常運(yùn)行。

2 全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的RAMS需求分析

與傳統(tǒng)列車(chē)相比，全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)需面對(duì)更高的安全風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，其RAMS要求更高。

2.1 安全完整性等級(jí)要求

依據(jù)EN 50128與EN 50129標(biāo)準(zhǔn)要求，基于全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的安全風(fēng)險(xiǎn)分析，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分配、邊界危害的控制，參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，列車(chē)子系統(tǒng)及設(shè)備的SIL(安全完整性等級(jí))應(yīng)滿足表1要求。

表1 全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)SIL需求

針對(duì)安全性風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)列車(chē)開(kāi)展PHA(初步危害分析)、安全評(píng)估、IHA(接口危害分析)、SSHA(子系統(tǒng)危害分析)、O&SHA(運(yùn)營(yíng)和支持危害分析)、FTA(故障樹(shù)分析)及FMECA(故障模式影響和危害性分析)等安全性分析。通過(guò)安全分析對(duì)存在的危害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而采取積極的應(yīng)對(duì)措施，降低危害風(fēng)險(xiǎn)對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)運(yùn)行的影響。

2.2 可靠性要求

列車(chē)發(fā)生故障的頻率反映了列車(chē)的可靠性。按故障導(dǎo)致的后果，列車(chē)故障可分為兩類(lèi)：①導(dǎo)致列車(chē)發(fā)生≥2 min初始延誤的故障；②導(dǎo)致不適合繼續(xù)服務(wù)或未能出車(chē)的故障。具體的故障頻率控制目標(biāo)如表2所示。

表2 全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的故障頻率控制目標(biāo)

全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的可靠性指標(biāo)還需參照既有項(xiàng)目的故障數(shù)據(jù)等，來(lái)分配列車(chē)各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)權(quán)重，以使整車(chē)的可靠性指標(biāo)可控。

2.3 可維修性要求

根據(jù)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)可維修性用時(shí)要求，列車(chē)在線維修可更換單元不超過(guò)0.5 h，無(wú)需架車(chē)作業(yè)的維修工作不超過(guò)4.0 h，需架車(chē)維修的作業(yè)不超過(guò)6.0 h。

3 全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的設(shè)計(jì)需求分析

基于更高的RAMS要求，全自動(dòng)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)整體的設(shè)計(jì)要求更高。

3.1 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的冗余性

全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)ATC(列車(chē)自動(dòng)控制)子系統(tǒng)、TCMS、PIS、BCU(制動(dòng)系統(tǒng))、EDCU(車(chē)門(mén)系統(tǒng))等均要求網(wǎng)絡(luò)通道冗余，主從熱備冗余。此外， TCMS的I/O(輸入/輸出)模塊也要進(jìn)行冗余采集及控制。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)需求

在列車(chē)激活電路上：傳統(tǒng)列車(chē)一般從列車(chē)一端發(fā)出指令，激活列車(chē)；全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)從列車(chē)兩端同時(shí)發(fā)出激活指令，使列車(chē)激活上電，可提高列車(chē)喚醒的成功率。

為盡可能地提高列車(chē)可靠性，全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的牽引授權(quán)、方向選擇、緊急制動(dòng)等關(guān)鍵控制電路均為冗余設(shè)計(jì)，降低了電路單點(diǎn)故障對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響。

傳統(tǒng)列車(chē)的乘客緊急對(duì)講裝置不關(guān)聯(lián)列車(chē)牽引授權(quán)。全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的乘客緊急對(duì)講裝置關(guān)聯(lián)了列車(chē)牽引授權(quán)：當(dāng)乘客按壓緊急對(duì)講按鈕后，未發(fā)車(chē)的列車(chē)將扣留在站臺(tái)，已發(fā)車(chē)的列車(chē)將在下一站扣車(chē)，以處理乘客緊急對(duì)講請(qǐng)求。

車(chē)門(mén)控制電路采取控制電路冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一路控制電路發(fā)生故障時(shí)，另一路控制電路能打開(kāi)一半車(chē)門(mén)。

3.3 底架設(shè)備懸掛的二次防護(hù)需求

為減少底架設(shè)備掉落的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)在車(chē)輛底架安裝的設(shè)備采取二次防護(hù)措施，以防止因設(shè)備緊固不足導(dǎo)致其脫落至軌道而影響行車(chē)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控軌道、監(jiān)控乘客上下車(chē)、監(jiān)控列車(chē)和應(yīng)急處理等的自動(dòng)化。列車(chē)是全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)關(guān)鍵的子系統(tǒng)。相對(duì)傳統(tǒng)列車(chē)，全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的可靠性、可用性、可維護(hù)性及智能化等方面要求更高。本文探討了全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的功能需求、RAMS需求及列車(chē)設(shè)計(jì)需求，以期為全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)的設(shè)計(jì)及全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。