從運(yùn)營角度談城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)中的關(guān)鍵問題

李 冰 蔡鵬飛 談逸文 朱 杰

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營二分公司, 215001, 蘇州∥第一作者，工程師)

城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)具備自動化程度高、安全防護(hù)完善、冗余配置充分及中央遠(yuǎn)程功能豐富等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，已成為現(xiàn)代城市軌道交通發(fā)展的趨勢。全自動運(yùn)行系統(tǒng)在提供高效準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)營的同時，由于缺少列車司機(jī)的現(xiàn)場把控，對其系統(tǒng)功能設(shè)計和性能提出了更高的要求，也對線路的設(shè)計規(guī)劃和運(yùn)營管理提出了更加嚴(yán)苛的要求。

很多運(yùn)營管理單位并未參與前期的設(shè)計建設(shè)，只能根據(jù)最終接管線路的實(shí)際情況來確定相應(yīng)管控方法。而規(guī)劃設(shè)計部門也未實(shí)現(xiàn)對設(shè)計可用性標(biāo)準(zhǔn)化考量，故而很多設(shè)計仍參照傳統(tǒng)的設(shè)計理念執(zhí)行，沒有充分考慮運(yùn)營管理的實(shí)際需求。因而，全自動運(yùn)行線路設(shè)計能否有效提高其系統(tǒng)可用性，以及在出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事件時能否高效應(yīng)對，都將是未知數(shù)[1]。因此，在建設(shè)階段，運(yùn)營單位應(yīng)該深度參與線路建設(shè)，根據(jù)運(yùn)營場景需求，對相關(guān)安全設(shè)計及功能設(shè)計把關(guān)，并積極參與全自動運(yùn)行系統(tǒng)測試，加強(qiáng)對全自動運(yùn)行系統(tǒng)性能和RAMS(可靠性、可用性、可維修性和安全性)指標(biāo)的驗(yàn)證與管理[2]。

1 全自動運(yùn)行線路運(yùn)營面臨的問題

我國城市軌道交通全自動運(yùn)行線路的建設(shè)剛剛起步，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較少，其線路設(shè)計與運(yùn)營管理仍處于摸索階段。本文總結(jié)了新建全自動運(yùn)行線路運(yùn)營面臨的一系列問題。

1.1 運(yùn)行安全壓力大的問題

自動化程度高，是全自動運(yùn)行線路最大的優(yōu)勢，也是最影響運(yùn)營安全的因素之一。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的發(fā)展，運(yùn)行安全問題日益突出[2]，尤其是全自動運(yùn)行線路投入運(yùn)營后，換乘車站的客流組織、設(shè)備設(shè)施故障后的運(yùn)輸組織，以及突發(fā)事故情況下的應(yīng)急管理等，都會給線路運(yùn)營帶來更大壓力[3]。

1.2 應(yīng)急處置效率低的問題

在非全自動運(yùn)行線路上，司機(jī)不僅負(fù)責(zé)駕駛工作，還是現(xiàn)場應(yīng)急處置的關(guān)鍵角色。當(dāng)列車因故障停在區(qū)間時，司機(jī)須根據(jù)故障處理指南及時處置，以保證線路的暢通。在列車火災(zāi)、疏散、救援等運(yùn)營異常場景下，司機(jī)還要兼作安全員，在第一時間進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，并進(jìn)行乘客安全疏導(dǎo)。

在全自動運(yùn)行線路上，當(dāng)列車各子系統(tǒng)或核心設(shè)備發(fā)生故障時，由于沒有司機(jī)第一時間處置，故會延長故障排除時間，擴(kuò)大影響范圍。

列車在全自動運(yùn)行線路運(yùn)行過程中，甚至?xí)驗(yàn)橐恍┬」收系膽?yīng)急處置效率低而擴(kuò)大故障影響范圍，導(dǎo)致運(yùn)營事故的發(fā)生。

1.3 指標(biāo)考核難的問題

全自動運(yùn)行線路的安全運(yùn)行離不開設(shè)備的穩(wěn)定。鑒于此，與非全自動運(yùn)行系統(tǒng)相比，全自動運(yùn)行系統(tǒng)的RAMS指標(biāo)要求更高。

但從運(yùn)營角度來看，全自動運(yùn)行系統(tǒng)的RAMS指標(biāo)并非等同于運(yùn)營指標(biāo)，設(shè)備故障率指標(biāo)也非等同于運(yùn)營早晚點(diǎn)指標(biāo)。而合同文件通常僅會基于設(shè)備RAMS指標(biāo)提出約束考核，卻未從運(yùn)營指標(biāo)角度提出約束考核，從而導(dǎo)致在運(yùn)營階段難以根據(jù)運(yùn)營指標(biāo)來對相關(guān)設(shè)備廠家進(jìn)行考核。

1.4 運(yùn)營培訓(xùn)難度大

全自動運(yùn)行系統(tǒng)具有全新的設(shè)計理念，其設(shè)備功能設(shè)計及人員架構(gòu)都與傳統(tǒng)模式不同。全自動運(yùn)行系統(tǒng)要求相關(guān)工作人員具有更高的專業(yè)素養(yǎng)，基本要“一崗多能”。這需要運(yùn)營單位對全自動運(yùn)行系統(tǒng)上的工作人員投入更多更全面的培訓(xùn)。

2 設(shè)計和建設(shè)中的關(guān)鍵問題

新建全自動運(yùn)行線路運(yùn)營面臨的問題，大多需在設(shè)計和建設(shè)階段予以全盤考慮。經(jīng)歸納總結(jié)，在全自動運(yùn)行線路設(shè)計和建設(shè)階段，運(yùn)營方需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵問題包括統(tǒng)籌設(shè)計運(yùn)營場景、獨(dú)立第三方安全評估、功能設(shè)計需兼顧安全與效率、RAMS指標(biāo)需滿足運(yùn)營要求、聯(lián)調(diào)聯(lián)試應(yīng)充分全面等。

2.1 統(tǒng)籌設(shè)計運(yùn)營場景

全自動運(yùn)行系統(tǒng)由信號、車輛、綜合監(jiān)控、通信等子系統(tǒng)組成。每個子系統(tǒng)的設(shè)計一定程度上都需考慮正常、非正常和緊急情況下的功能需求。

全自動運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)需各子系統(tǒng)緊密協(xié)作，才能發(fā)揮全自動運(yùn)行的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)運(yùn)行模式下，各子系統(tǒng)大多各自為營，無論是功能設(shè)計還是運(yùn)營管理，都沒有考慮各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動需求。因此，在建設(shè)前期，統(tǒng)籌設(shè)計適用于全自動運(yùn)行線路運(yùn)營的場景文件至關(guān)重要。

蘇州軌道交通5號線(以下簡為“5號線”)自2017年開始籌備建設(shè)。在正式招標(biāo)前，由運(yùn)營分公司牽頭完成了該線路運(yùn)營場景文件的編制，并在招標(biāo)時將其作為招標(biāo)文件的附件，為后期全自動運(yùn)行功能設(shè)計提供依據(jù)。該線路的場景目錄見表1。

由表1可見，整個運(yùn)營場景包括列車特定功能、全自動正常運(yùn)行、故障運(yùn)行、應(yīng)急處置、運(yùn)營調(diào)整及維修施工等部分，可覆蓋線路上所有的運(yùn)營相關(guān)場景，能充分體現(xiàn)運(yùn)營方對全自動運(yùn)行系統(tǒng)的功能需求。

表1 5號線的全自動運(yùn)行場景目錄

2.2 獨(dú)立第三方安全評估

為了給全自動運(yùn)行系統(tǒng)工程提供足夠的安全保障，應(yīng)聘請獨(dú)立第三方安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)，對工程項目核心系統(tǒng)的初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計，設(shè)備的生產(chǎn)和制造、國產(chǎn)化，以及全自動運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)試等工作進(jìn)行安全評估，并適時提交安全評估報告。

5號線項目已聘請里卡多認(rèn)證(北京)有限公司為獨(dú)立第三方安全認(rèn)證單位。信號系統(tǒng)集成商作為全系統(tǒng)運(yùn)行評估工作管理的牽頭方，配合獨(dú)立第三方安全認(rèn)證單位，完成該線核心機(jī)電系統(tǒng)(含信號、車輛、綜合監(jiān)控、站臺門、通信等專業(yè))工程的安全評估。各子系統(tǒng)的安全完整性等級(SIL)如表2、表3、表4所示。

表2 車輛子系統(tǒng)的安全完整性定義

表3 信號子系統(tǒng)的安全完整性定義

表4 其他子系統(tǒng)的安全完整性定義

由上述表格可以看出，車輛專業(yè)的緊急制動子系統(tǒng)，以及信號專業(yè)的ATP(列車自動保護(hù))子系統(tǒng)、CBI(計算機(jī)聯(lián)鎖)子系統(tǒng)及計軸子系統(tǒng)均需達(dá)SIL 4級，而TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))、ATO(列車自動運(yùn)行)及ATS(列車自動監(jiān)控)等子系統(tǒng)也需達(dá)SIL 2級。

2.3 功能設(shè)計需兼顧安全與效率

全自動運(yùn)行系統(tǒng)雖自動化程度高，但在故障或緊急情況下，其先期處置會因沒有司機(jī)而變得較為被動。因此，其功能設(shè)計要充分考慮異常場景處置的需求，須全力保障全自動運(yùn)行安全。對此，5號線的全自動運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計中增設(shè)了運(yùn)營異常處理模式，如表5所示。

表5 5號線全自動運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)營異常處理模式

一旦全自動運(yùn)行系統(tǒng)判定運(yùn)行場景為異常場景，則自動進(jìn)入異常處理模式，觸發(fā)相關(guān)系統(tǒng)間的聯(lián)動，進(jìn)而激活信號系統(tǒng)安全防護(hù)功能，從而有效保障行車安全。

此外，全自動運(yùn)行系統(tǒng)的功能設(shè)計還要充分考慮應(yīng)急處置效率。例如，對于列車丟失定位、道岔故障、車地通信故障、ATP故障、計軸故障等信號系統(tǒng)常見故障，全自動運(yùn)行系統(tǒng)功能應(yīng)能滿足應(yīng)急處置運(yùn)營手段的需求，以盡量保障運(yùn)營效率。

2.4 RAMS指標(biāo)需滿足運(yùn)營要求

為使城市軌道交通更高效、更安全、更可靠，需對全自動運(yùn)行線路的運(yùn)營指標(biāo)和設(shè)備指標(biāo)提出更高要求。與有人值守模式相比，全自動運(yùn)行系統(tǒng)UTO(無人值守全自動運(yùn)行)模式下的故障響應(yīng)時間會有所增加，很可能使故障造成的列車晚點(diǎn)情況更嚴(yán)重。

鑒于上述情況，并參考CoMET(國際地鐵聯(lián)盟)組織成員運(yùn)營指標(biāo)情況，結(jié)合蘇州軌道交通線網(wǎng)的運(yùn)營指標(biāo)特點(diǎn)，建議5號線的運(yùn)營指標(biāo)為：列車正點(diǎn)率≥99.96%，列車兌現(xiàn)率≥99.98%，5 min晚點(diǎn)指標(biāo)≥170萬車km/次，清客事件數(shù)≤3次/年，救援事件數(shù)≤1次/年。這些指標(biāo)可根據(jù)運(yùn)營開通后的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

為了提高運(yùn)營對RAMS指標(biāo)的管控能力,促使RAMS滿足全自動運(yùn)行的運(yùn)營要求，本文建議：

1)在合同文件中增加相關(guān)運(yùn)營指標(biāo)相關(guān)的約束條款。以5號線信號專業(yè)為例，其合同要求：由軌旁信號設(shè)備造成的降低運(yùn)行等級的故障≤3次/年；對于車載信號設(shè)備故障，能執(zhí)行遠(yuǎn)程指令運(yùn)行至下一站臺、但不能通過遠(yuǎn)程指令恢復(fù)到全自動運(yùn)行等級的故障率≤0.5次/(百萬列km)，無法執(zhí)行遠(yuǎn)程指令繼續(xù)運(yùn)行的故障率≤0.2次/(百萬列km)。

2)在線路具備條件的情況下配合使用智能運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)時計算統(tǒng)計信號系統(tǒng)整體及各子系統(tǒng)的MTBF(平均故障間隔時間)及MTTR(平均修復(fù)時間)等指標(biāo)，盡量由預(yù)防修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)修。

3)設(shè)備應(yīng)盡可能具有自檢和自診斷功能，以及遠(yuǎn)程檢測和診斷功能。

2.5 聯(lián)調(diào)聯(lián)試應(yīng)充分全面

聯(lián)調(diào)聯(lián)試是全自動運(yùn)行線路開通前進(jìn)行的系統(tǒng)測試，為了順利開通，全自動運(yùn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試必須要充分全面。

為此，5號線專門搭建了1條場外測試線，旨在測試全自動運(yùn)行系統(tǒng)中的核心功能實(shí)現(xiàn)情況，測試各系統(tǒng)間的接口關(guān)系及聯(lián)動功能實(shí)現(xiàn)情況。

聯(lián)調(diào)聯(lián)試分為廠家組織的多系統(tǒng)測試和運(yùn)營單位牽頭組織的綜合測試。由于全自動運(yùn)行線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的周期相對較長，故工期安排時須預(yù)留充足的聯(lián)調(diào)聯(lián)試時間。運(yùn)營單位也需更全面深入地參與調(diào)試。

3 結(jié)語

綜上所述，全自動運(yùn)行線路的建設(shè)在思想上要有適度的超前意識，在功能設(shè)計上要有統(tǒng)籌的運(yùn)營場景功能需求作為輸入；在安全方面要有嚴(yán)格的第三方安全把控，對工程項目核心系統(tǒng)的初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、設(shè)備的生產(chǎn)和制造、國產(chǎn)化、系統(tǒng)調(diào)試等工作進(jìn)行安全評估；在指標(biāo)上要有更嚴(yán)格的要求，保證設(shè)備性能的同時提高運(yùn)營對RAMS指標(biāo)的管控能力；聯(lián)調(diào)聯(lián)試應(yīng)全面充分，運(yùn)營單位應(yīng)更全面更深入地參與綜合調(diào)試。在設(shè)計和建設(shè)階段，運(yùn)營方須重點(diǎn)關(guān)注上述關(guān)鍵問題，并實(shí)施相關(guān)措施，以利于全自動運(yùn)行線路的開通和運(yùn)營。