全自動運行信號系統(tǒng)設計的工程優(yōu)化方案研究

弓 劍

機電工程

全自動運行信號系統(tǒng)設計的工程優(yōu)化方案研究

弓 劍

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100045）

城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)(FAO)根據(jù)自動化等級分為GoA3有人職守的全自動運行和GoA4無人職守的全自動運行。針對全自動運行系統(tǒng)“中心強化管控、故障快速恢復”的功能需求特點，闡述全自動運行的核心專業(yè)——信號系統(tǒng)，從GoA2級向GoA4級過渡中在系統(tǒng)架構(gòu)和功能上優(yōu)化設計方案的重要性。以中心直接管控列車為出發(fā)點，重點從中央集中管控、設備安全可靠、故障快速恢復等方面，提出了采用雙活中心、全電子聯(lián)鎖、集雷達與視頻分析技術(shù)于一體的智能探測設備的優(yōu)化建議，為提高全自動運行系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性提供參考。

軌道交通；全自動運行系統(tǒng)；信號系統(tǒng)；雙活中心；全電子聯(lián)鎖；非接觸式；障礙物檢測系統(tǒng)

全自動運行系統(tǒng)(fully automatic operation system，F(xiàn)AO )，是利用計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實現(xiàn)列車運行全過程自動化的城市軌道交通系統(tǒng)。它是軌道交通自動化等級的最高標準，采用了軌道交通領(lǐng)域最先進的技術(shù)，而信號系統(tǒng)在全自動運行系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，全自動運行帶來的所有變化都要從信號列控技術(shù)展開研究。國際公共運輸聯(lián)盟將列車運行自動化等級分成5級，如表1所示。FAO根據(jù)自動化等級(GoA)可分為GoA3有人職守的全自動運行和GoA4無人職守的全自動運行[1]。

表1 自動化等級與運行方式對照

在目前軌道交通領(lǐng)域，信號系統(tǒng)基本都采用基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)(communication based train control system，CBTC)。CBTC系統(tǒng)仍然是全自動運行信號系統(tǒng)的不二之選，但全自動運行系統(tǒng)并不僅僅由閉塞制式所確定，很多系統(tǒng)功能都發(fā)生了變化，運行等級也從GoA2升級為GoA4。

過去10年，各大城市普遍采用的自動化等級為GoA2級，而基于GoA4級全自動無人駕駛系統(tǒng)還處于起步階段，系統(tǒng)架構(gòu)和功能還有待進一步細化。

1 全自動運行信號系統(tǒng)實現(xiàn)功能

由于全自動運行系統(tǒng)的自動化程度提高，系統(tǒng)依靠計算機系統(tǒng)精準的運行控制，客觀上排除了在運營過程中人為因素而產(chǎn)生的不利影響，同時關(guān)鍵機電設備的主要單元均按主用和熱備冗余配置，故障率極低[2]。

全自動運行是一個系統(tǒng)工程，涉及多個專業(yè)，其中信號系統(tǒng)在全自動運行中起著至關(guān)重要的作用。全自動運行指列車無人值守，需利用設備取代司機控制列車自動運行，并解決突發(fā)事件。這種特點和配置的變化，帶來了功能的變化，主要有以下3方面：

1) 正線運行過程中的自動發(fā)車、自動跳躍對位、列車內(nèi)部空調(diào)照明調(diào)整；

2) 自動化場段中的自動喚醒/休眠、自動洗車、斷電位置記憶；

3) 側(cè)重故障應急處置，包括蠕動模式、門對位隔離、障礙物及脫軌檢測、遠程緊急制動等功能。

2 全自動運行信號系統(tǒng)設計方案優(yōu)化

全自動項目在起步階段都是在既有設備的基礎上增加各類設備來實現(xiàn)各種功能。信號系統(tǒng)作為全自動運行的核心技術(shù)，應具有更高的可靠性和可用性，各子系統(tǒng)均應采用必要的冗余技術(shù)，并實現(xiàn)主、備系統(tǒng)的“無縫”切換[3]。

隨著近年全自動運行工程數(shù)量的增長，研究人員也逐漸意識到實現(xiàn)全自動運行，系統(tǒng)設計并不是純粹地做加法，而應根據(jù)全自動線路車站無人、中心直接管理在線列車的特點，對信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能做適應性調(diào)整，使整個系統(tǒng)向中央集中化、結(jié)構(gòu)扁平化、設備可靠化、響應快速化的方向優(yōu)化。

2.1 中央集約化

2.1.1 中心集中控制，取消站控設備

傳統(tǒng)線路的ATC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多為分散自律式，將線路分成若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域設1套區(qū)域控制器及聯(lián)鎖主機，控制中心只設置ATS子系統(tǒng)的中心設備，區(qū)域控制器間及區(qū)域控制器與控制中心通過網(wǎng)絡連接，完成全線的ATC功能，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)ATC系統(tǒng)架構(gòu)

Figure 1 Traditional ATC system architecture

全自動運行系統(tǒng)帶來運營模式最大的改變就是中心功能的增強，車輛、信號、監(jiān)測、乘客服務等列車運行全過程均在中心監(jiān)控下，尤其是故障后的應急處置更要中心與車輛的直接“對話”，因此中心需要了解并迅速處理設備故障，新的運維關(guān)系使得車站職責發(fā)生變化，車站向無人值守方向發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也向中心集中控制發(fā)展，具體到信號系就是將區(qū)域控制器、聯(lián)鎖集中設于中心，來完成全部的列車自動控制功能，通過中心與車站遠程執(zhí)行單元相連，直接監(jiān)控現(xiàn)場設備，如圖2所示。

2.1.2 搭建主副“雙活”中心

控制中心需負責線路運營指揮的監(jiān)視和控制，不僅負責正常運營時統(tǒng)一調(diào)度指揮，更重要的是作為各類故障、災害發(fā)生時的應急處置中心。

Figure 2 Architecture of a new automatic ATC system

由于全自動功能強烈依賴控制中心，如果控制中心遭到損壞，需要借鑒災備的經(jīng)驗，增設備用控制中心，明確主備控制中心的切換原則并限定切換時間，確保不會因此而導致全線進入應急狀態(tài)[4]。因此宜搭建副控制中心，作為災備中心，2個中心須組建應用級雙活架構(gòu)，除了2套設備同時工作外，最重要的是構(gòu)建它們之間遠距離心跳檢測機制。所謂“心跳檢測”就是定時發(fā)送一個心跳幀，讓對方知道自己仍“在線”。傳統(tǒng)系統(tǒng)的主備雙中心，由于系統(tǒng)平時由主中心監(jiān)控，備中心只做數(shù)據(jù)上的接收，不參與控制，在長連接下，有可能很長一段時間都沒有數(shù)據(jù)往來，有的節(jié)點(如防火墻)會自動把一定時間之內(nèi)沒有數(shù)據(jù)交互的連接切斷，心跳幀就是為了維持長連接保活。

主副雙活中心心跳檢測原理如圖3所示，在異地設置的2個中心服務器之間增加1根光纜作為心跳線，服務器軟件通過心跳線來實時監(jiān)測對方的運行狀態(tài)。每隔一段時間向?qū)Ψ椒掌靼l(fā)送1個固定數(shù)據(jù)包，服務器收到后回復1個固定數(shù)據(jù)包，如果規(guī)定時間內(nèi)沒有收到該數(shù)據(jù)包，視為連接已斷開。

2.2 結(jié)構(gòu)扁平化

2.2.1 簡化降級方案，取消點式配置

中國軌道交通信號系統(tǒng)降級方案的提出是在早期CBTC系統(tǒng)剛引入、沒有開通經(jīng)驗的情況下，為保證基本開通的臨時過渡和防止因CBTC不穩(wěn)定造成較大影響的情況下產(chǎn)生的。點式降級是在CBTC系統(tǒng)軌旁ATP/ATO計算機故障或車地無線通信故障時的降級模式，在進路始端信號機外方設置有源應答器，列車通過有源應答器時，獲取對應信號機防護進路的移動授權(quán)信息，指導司機設備控制列車運行。

圖3 全自動主副雙活中心心跳檢測原理

Figure 3 Schematic of automatic dual active center heartbeat detection

由于點式方案在車地通信信息傳輸上不能形成閉環(huán)，對應CBTC同等運行模式下，增加了很多限制條件，為完善功能導致系統(tǒng)接口和設備增加，比如增加站臺區(qū)的紅燈誤觸發(fā)、站臺門聯(lián)動等功能，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜度。隨著中國CBTC項目開通運行日趨穩(wěn)定成熟，近年無線專用頻點更加提高了車地傳輸信息抗干擾能力，同時考慮全自動在系統(tǒng)配置上更加關(guān)注穩(wěn)定性和故障下的快速恢復，配置雙活中心、邊緣檢測設備、冗余網(wǎng)絡及接口等措施使得系統(tǒng)可靠、可用性進一步提高，并且點式方案無法實現(xiàn)全自動運行功能，如全自動系統(tǒng)故障需要考慮的是如何盡快處理故障恢復運營，因此可取消點式方案，如圖4所示，給全自動一個更加純粹的無人環(huán)境運行。

取消點式后，還可以優(yōu)化軌旁設備，減少區(qū)間計軸磁頭和有源信標，使得全自動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加清晰，同時也降低了初期投資和后期運營維護成本。

圖4 取消點式控制模式系統(tǒng)變化

Figure 4 System change by cancelling point control

2.2.2 采用全電子聯(lián)鎖，實現(xiàn)故障快速恢復

目前國內(nèi)大部分在用的聯(lián)鎖系統(tǒng)為計算機聯(lián)鎖，雖然其邏輯部分采用硬件冗余的計算機比較表決方式進行邏輯運算，但是執(zhí)行部分采用的繼電器組合方式由于存在大量的繼電器節(jié)點，使得在故障下維護檢修時間較長。

隨著技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖已經(jīng)向全電子聯(lián)鎖過渡，這種用電子器件取代由繼電器驅(qū)動的信號和轉(zhuǎn)轍機等設備的聯(lián)鎖系統(tǒng)，使設備更加小型化和智能化。目前在歐洲軌道交通項目中已經(jīng)普遍被采用。

全電子聯(lián)鎖采用冗余結(jié)構(gòu)的電子執(zhí)行單元代替了傳統(tǒng)的I/O機柜、接口柜、組合柜，并通過自檢、熱插拔以及監(jiān)測報警功能提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性，對比如圖5所示。

圖5 全電子聯(lián)鎖與傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖的結(jié)構(gòu)對比圖

Figure 5 Structure comparison of fully electronic interlock and traditional computer interlock

全電子聯(lián)鎖和傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖在功能、使用與維護、技術(shù)性、施工等方面的對比如表2所示。

2.3 設備可靠化

目前在國內(nèi)全自動運行項目中，障礙物探測主要方式為被動檢測，在車輛第一輪對前裝設觸碰傳感器，信號系統(tǒng)增加與車輛障礙物探測設備的接口，接收來自障礙物探測設備的信息，當探測到障礙物時，向車輛制動系統(tǒng)發(fā)出緊急制動指令[3]。被動檢測為事后防護，造成的危害也與列車當時的速度和障礙物體積、硬度有著直接關(guān)系，因此在全自動運行中應該開發(fā)主動檢測設備——基于AI技術(shù)的非接觸式遠距離主動障礙物檢測系統(tǒng)。

表2 全電子聯(lián)鎖和傳統(tǒng)計算機聯(lián)鎖對照

早期主動檢測采用雷達和紅外技術(shù)對軌道前方進行探問，當信號系統(tǒng)故障導致列車自動駕駛(automatic train operation，ATO)與自動防護(auto-matic train protection，ATP)失效時，為保障正常運營，列車將轉(zhuǎn)為司機人工駕駛，由于地鐵隧道里彎道、坡道以及照明不良等環(huán)境限制，司機瞭望視野會受到影響，此時需要輔助系統(tǒng)幫助司機進行前方列車距離判斷和提示，從而避免人為失誤造成追尾、側(cè)沖等運營事故，但始終無法解決誤報問題[6]。

隨著視頻分析、圖像動態(tài)處理等人工智能(artificial intelligence，AI)技術(shù)的發(fā)展，已有效結(jié)合激光探測、視頻場景分析等技術(shù)，實現(xiàn)主動識別預警。

基于AI技術(shù)的非接觸式遠距離主動障礙物檢測系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)由車前視頻攝像頭、雷達、天線、車載主機等組成。系統(tǒng)采用視覺設備感知環(huán)境獲取數(shù)據(jù)，通過智能算法實現(xiàn)對前方軌道和限界內(nèi)障礙物的智能檢測，包括與障礙物距離、類別、侵入范圍等，并向信號車載設備提供相關(guān)預警、告警，輔助防護車輛運行安全，如圖6所示。

基于AI技術(shù)的非接觸式遠距離安全防護系統(tǒng)主要具備以下功能：

1) 基于深度學習的識別技術(shù)。模仿人腦進行分析學習的神經(jīng)網(wǎng)絡，通過深度學習，利用圖像、點云數(shù)據(jù)不斷通過機器訓練優(yōu)化識別效果，做到機器自主選取特征進行學習與識別。

圖6 非接觸式遠距離主動障礙物檢測系統(tǒng)原理

Figure 6 Schematic of non-contact remote active obstacle detection system

2) 高性能車載計算技術(shù)。搭建定制化平臺，配備高性能處理器，合理進行GPU(圖形處理器)、CPU功能分配，實現(xiàn)運算的高效性以及高度實時性。

3) 多傳感器融合技術(shù)。根據(jù)不同類型傳感器特性定制開發(fā)的多傳感器融合識別算法，對全線樣本采集、訓練及建模，對障礙物進行有效識別，并輸出距離、限速等信息，提升行車安全性。有效彌補單一傳感器在特定環(huán)境中采集數(shù)據(jù)不準確的缺陷。

2.4 響應快速化

全自動運行中控制中心功能增強，列車為適應無人值守的運營規(guī)則，系統(tǒng)需增加遠程功能，包括遠程開關(guān)門、遠程制動及緩解、遠程升降弓、遠程休眠與喚醒、遠程換端、遠程清客等，除了這些常規(guī)運行狀態(tài)下所需的遠程功能外，為了解決全自動運行降低對運營的影響，遠程限制人工駕駛模式(remote restricted manual driving mode，RRM)就顯得尤為重要了。

在傳統(tǒng)軌道交通中，限制人工駕駛模式用于列車在無ATP地面速度信息的地點(如車輛段)及正線ATP地面設備故障或無線故障時的超速防護，由司機人工駕駛列車，一旦運行速度超過規(guī)定設備規(guī)定速度，車載ATP將實施停車。

RRM模式可實現(xiàn)區(qū)間列車的自動恢復而無需安排工作人員登車處理，與傳統(tǒng)限制人工駕駛模式最大的區(qū)別就是列車丟失定位或車載故障重啟后，由中心調(diào)度代替司機控制列車按限速在系統(tǒng)預定義運行移動距離內(nèi)行駛，列車到達指定區(qū)域后可恢復升級至自動模式，或列車由機動工作人員接管。除此之外，還可適用于對不能移動的故障列車進行遠程連掛救援的工況。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸越來越穩(wěn)定，為RRM駕駛的命令及視頻監(jiān)測手段提供了可靠保障。

3 結(jié)語

全自動運行技術(shù)在國內(nèi)尚處于初級階段，可借鑒的工程經(jīng)驗較少，本文針對全自動運行系統(tǒng)的特點和國內(nèi)工程方案，分析了適合全自動系統(tǒng)的優(yōu)化方向，并將個別功能優(yōu)化應用于新建工程中(如哈薩克斯坦阿斯塔納首條輕軌、我國紹興地鐵2號線等)。

全自動運行為軌道交通帶來了自動化技術(shù)和運營服務水平的提高，但在用先進技術(shù)實現(xiàn)各項功能的同時，也不能一味地堆積疊加，而應該以全自動行車為主線，優(yōu)化控制程序，使系統(tǒng)架構(gòu)更加清晰，制定更加適合全自動運行的方案。在中國未來的城軌交通中，全自動無人駕駛技術(shù)的應用將成為發(fā)展方向。

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Engineering Optimization Scheme for Design of Fully Automatic Operation Signal System

GONG Jian

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Limited, Beijing 100045)

According to the grade of automation, the fully automatic operation (FAO) system of an urban rail transit can be divided into driverless train operation (GoA3) and unattended train operation (GoA4). FAO is a typical functional requirement about “center intensive control, and fast recovery of faults.”The signal system is the core of FAO. In view of the above- mentioned facts, this paper expounds on the importance of the system architecture and function of the optimized design scheme when thesignal system transitions from level GoA2 to level GoA4. Beginning from the event of a center controlling train directly, this paper focuses on a center centralized control, equipment safety and reliability, and a fast recovery of faults. Optimization suggestions that provide a reference direction for improving the reliability and stability of FAO systems are raised with intelligent detection equipment that adopts a dual active center, fully electronic interlock, integrated radar, and video analysis technology.

rail transit; full automatic operation system; signal system; dual active center; fully electronic interlock; non-contact; obstacle detection system

U231

A

1672-6073(2021)02-0137-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.022

2019-11-29

2019-12-24

弓劍，男，碩士，高級工程師，從事軌道交通信號系統(tǒng)設計工作，gongjianbs@sina.com

弓劍. 全自動運行信號系統(tǒng)設計的工程優(yōu)化方案研究[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：137-141.

GONG Jian. Engineering optimization scheme for design of fully automatic operation signal system[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 137-141.

（編輯：王艷菊）