軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)新增功能研究

王天嬌

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

1 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)概述

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO）是實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)[1]。截至2021 年12 月31 日，我國已運(yùn)營、在建及規(guī)劃全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的城市有28 座，共計(jì)85條線路，運(yùn)營里程達(dá)2515.77km，其中已運(yùn)營線路30條，運(yùn)營里程為728.46km，在建及規(guī)劃里程達(dá)1787.31km。全球75%的新建線路及40%的改造線路將采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，可見全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)已經(jīng)成為城市軌道交通建設(shè)的主流制式。

國際公共交通協(xié)會(huì)（UITP）將列車運(yùn)行的自動(dòng)化水平劃分為5 級，如表1 所示。其中，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)包 含GOA3（DTO）和GOA4（UTO）[2]，即 在 正 常 運(yùn) 營情況下，由自動(dòng)化設(shè)備取代司機(jī)，自動(dòng)駕駛列車在全線運(yùn)行。與傳統(tǒng)有人駕駛的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)相比，F(xiàn)AO 新增部分功能，從而使列車自動(dòng)實(shí)現(xiàn)喚醒、自檢、出庫、發(fā)車、行駛、?？空尽㈤_關(guān)車門、折返，結(jié)束運(yùn)營后自動(dòng)回庫、洗車和休眠等作業(yè)任務(wù)。

表1 列車運(yùn)行自動(dòng)化等級

2 采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的必要性

中國城市軌道交通協(xié)會(huì)制定的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中指出：全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是城市軌道交通的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。此外，采用全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)，不僅能夠提高運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本，還能夠提高系統(tǒng)可靠性，保證運(yùn)營安全[3]。FAO 的技術(shù)優(yōu)勢如下。

2.1 提高地鐵線路運(yùn)輸能力

采用FAO 的地鐵正線運(yùn)營間隔最短可達(dá)到90s，較現(xiàn)在的技術(shù)水平有較大的提高。

2.2 提高系統(tǒng)可靠度

采用先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備，能夠有效防止人為誤操作引起的地鐵事故，從而減小事故發(fā)生的概率，提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。

2.3 靈活運(yùn)營

不僅擺脫了傳統(tǒng)運(yùn)營系統(tǒng)對司機(jī)的依賴，而且可以根據(jù)運(yùn)輸需求靈活地調(diào)整列車的數(shù)量及發(fā)車間隔，從而提高系統(tǒng)對大客流的應(yīng)變能力。

2.4 改善列車行駛特性

FAO 可消除人工駕駛中的人為因素，改善列車運(yùn)行曲線，有利于提高列車運(yùn)行速度及旅客乘坐列車的舒適度。

2.5 優(yōu)化人員配置

通過智能調(diào)度平臺(tái)降低運(yùn)營人員工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)一專多能。同時(shí)，將司機(jī)從重復(fù)作業(yè)中解放出來，改配多職能隊(duì)伍服務(wù)乘客。

2.6 節(jié)能減排，降低成本

進(jìn)一步協(xié)調(diào)列車的協(xié)同控制，充分利用再生制動(dòng)能量，降低系統(tǒng)能耗；也可通過協(xié)調(diào)列車啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰啟動(dòng)，降低系統(tǒng)峰值能耗，同時(shí)減少運(yùn)營后期司機(jī)人員，降低人員成本[4]。

3 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)功能配置

3.1 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)營場景

FAO 包含早間自動(dòng)上電、列車自動(dòng)喚醒休眠、自動(dòng)出入庫、洗車、對位停車、自動(dòng)發(fā)車等正常場景，還包含車門/站臺(tái)門狀態(tài)丟失等故障場景，以及車輛/站臺(tái)/區(qū)間火災(zāi)等應(yīng)急場景，如圖1 所示[5]。

圖1 全自動(dòng)運(yùn)行場景

3.2 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)功能

傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)功能包含臨時(shí)限速、自動(dòng)折返、后退防護(hù)、進(jìn)路及速度防護(hù)、定位與測速、車門控制與隔離、停穩(wěn)檢測、完整性監(jiān)督等。FAO 系統(tǒng)功能除了包含傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)全部功能外，還包含喚醒休眠、自動(dòng)洗車、全自動(dòng)折返、對位隔離、障礙檢測、車輛遠(yuǎn)程監(jiān)督與控制等功能，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)功能

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是通過信號、車輛、綜合監(jiān)控、通信、站臺(tái)門等子系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)控制，從而完成列車運(yùn)行全過程的全自動(dòng)控制。下面將簡單介紹各子系統(tǒng)新增功能。

3.2.1 信號系統(tǒng)新增功能

（1）全自動(dòng)運(yùn)行模式（FAM）和蠕動(dòng)駕駛模式（CAM）

FAM 為在連續(xù)式通信控制級別下由列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）監(jiān)控的列車全自動(dòng)運(yùn)行模式。在該模式下，ATP 子系統(tǒng)保證列車的運(yùn)行安全，列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在正線、車輛段/停車場自動(dòng)控制區(qū)域內(nèi)的列車無人自動(dòng)運(yùn)行。在FAM 模式下具備自動(dòng)進(jìn)/出站、自動(dòng)開/關(guān)門、自動(dòng)喚醒/休眠、自動(dòng)折返等功能。

當(dāng)車輛通信出現(xiàn)故障時(shí)，經(jīng)由控制中心人工確認(rèn)，F(xiàn)AM 模式降級為CAM 模式。在CAM 模式下，ATP 監(jiān)控列車以限制速度（小于25km/h）全自動(dòng)運(yùn)行，列車進(jìn)站自動(dòng)停車后，施加緊急制動(dòng)，等待人工處理。CAM 應(yīng)具備ATO 精確控制列車的功能[6]。

（2）列車休眠、喚醒

當(dāng)列車運(yùn)行至計(jì)劃中的休眠位置時(shí)，ATS 判斷列車具備無故障、在非檢修或清掃狀態(tài)、無任務(wù)、在FAM 模式下等休眠條件后，自動(dòng)或人工向車載信號設(shè)備發(fā)送列車休眠指令。車載信號設(shè)備收到休眠指令并傳遞給車輛，車輛控制車載設(shè)備斷電并將休眠結(jié)果反饋給控制中心。

若休眠不成功，則報(bào)警。車場控制中心（DCC）調(diào)度員可在調(diào)度臺(tái)上人工遠(yuǎn)程向該列車的車載信號設(shè)備發(fā)送休眠指令讓列車休眠。若人工遠(yuǎn)程休眠還不成功，可由DCC 調(diào)度員通知工作人員上車進(jìn)行人工休眠。

信號系統(tǒng)依據(jù)列車派班計(jì)劃在投入運(yùn)營前的規(guī)定時(shí)間自動(dòng)喚醒相應(yīng)計(jì)劃出庫的列車。收到喚醒命令后，觸發(fā)車上各設(shè)備系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)自檢及測試，自檢測試結(jié)果應(yīng)報(bào)送到OCC 行車調(diào)度臺(tái)和車輛調(diào)度臺(tái)，自檢的故障信息應(yīng)在行車調(diào)度臺(tái)和車輛調(diào)度臺(tái)上顯示和報(bào)警。

自檢全部通過的列車為喚醒成功的列車，車載信號設(shè)備將默認(rèn)為FAM 模式，列車進(jìn)入上線前的等待工況。OCC 的行車調(diào)度工作站和DCC 的調(diào)度工作站上顯示列車處于上線待命狀態(tài)。列車按時(shí)刻表在獲取移動(dòng)授權(quán)后自動(dòng)出庫投入運(yùn)營。

（3）進(jìn)站對位停車調(diào)整

當(dāng)列車以FAM 模式或者CAM 模式運(yùn)行到車站停穩(wěn)后，若停車位置準(zhǔn)確，則系統(tǒng)自動(dòng)打開車門及站臺(tái)門；若停車位置超出指定范圍，則車門和站臺(tái)門不能打開。當(dāng)列車以FAM 或CAM 模式進(jìn)站停車欠標(biāo)超過5m（5m 以及下文提到的1m 都可根據(jù)實(shí)際情況自定義）時(shí)，車載設(shè)備向運(yùn)行控制中心（OCC）調(diào)度臺(tái)報(bào)警，并繼續(xù)運(yùn)行對位停車；當(dāng)列車以FAM 或CAM 模式進(jìn)站停車欠標(biāo)未超過5m 時(shí)，車載設(shè)備向OCC 報(bào)告未停準(zhǔn)信息，并在調(diào)度臺(tái)報(bào)警，車載設(shè)備以向前跳躍的方式自動(dòng)調(diào)整對標(biāo)，中心ATS 顯示列車處于跳躍對標(biāo)的狀態(tài)。

當(dāng)列車以FAM 或CAM 模式進(jìn)站過標(biāo)小于1m時(shí)，車載設(shè)備向OCC 報(bào)告未停準(zhǔn)信息，并在調(diào)度臺(tái)報(bào)警，車載設(shè)備控制列車以跳躍方式自動(dòng)調(diào)整對標(biāo)，中心ATS 顯示列車處于跳躍調(diào)整的狀態(tài)。

當(dāng)列車以FAM 或CAM 模式進(jìn)站過標(biāo)大于1m 時(shí)，車載設(shè)備自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，停車后未過標(biāo)5m 時(shí)，車載設(shè)備向OCC 報(bào)告未停準(zhǔn)信息，并在調(diào)度臺(tái)報(bào)警。車載設(shè)備自動(dòng)緩解緊急制動(dòng)，并以向后跳躍的方式自動(dòng)調(diào)整對標(biāo)，中心ATS 顯示列車處于跳躍調(diào)整的狀態(tài)。

當(dāng)列車以FAM 或CAM 模式進(jìn)站過標(biāo)大于1m時(shí)，車載設(shè)備自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，停車后過標(biāo)5m 時(shí)，車載設(shè)備不可自動(dòng)緩解緊急制動(dòng)，并向OCC 中心行車調(diào)度臺(tái)報(bào)告過標(biāo)超過5m 且報(bào)警，綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）自動(dòng)觸發(fā)車站站臺(tái)廣播，列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）自動(dòng)觸發(fā)車載廣播，中心乘客調(diào)度還可通過無線通信向列車進(jìn)行語音廣播，同時(shí)進(jìn)行人工站臺(tái)廣播，中心行車調(diào)度遠(yuǎn)程緩解列車，并下達(dá)列車開往下一站停車的命令。

（4）遠(yuǎn)程復(fù)位及控制

系統(tǒng)應(yīng)具備中央列車運(yùn)行監(jiān)督和本地的兩級控制，兩級都可進(jìn)行自動(dòng)或者人工控制。其中，自動(dòng)控制分為中央列車運(yùn)行監(jiān)督自動(dòng)控制、聯(lián)鎖設(shè)備自動(dòng)控制，人工控制分為中央列車運(yùn)行監(jiān)督人工控制和本地聯(lián)鎖設(shè)備人工控制兩類。相較于自動(dòng)控制的進(jìn)路，人工控制的進(jìn)路優(yōu)先級更高?？刂浦行目蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的自動(dòng)或人工控制列車。

（5）自動(dòng)洗車

當(dāng)聯(lián)鎖系統(tǒng)采集到洗車機(jī)準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)時(shí)，列車運(yùn)行監(jiān)督系統(tǒng)根據(jù)洗車計(jì)劃自動(dòng)排列至洗車庫的進(jìn)路，列車以全自動(dòng)運(yùn)行模式運(yùn)行至洗車庫前停車。在收到洗車機(jī)的洗車確認(rèn)后，信號系統(tǒng)向車輛發(fā)送“洗車”任務(wù)，開始洗車。

洗車過程中，信號系統(tǒng)根據(jù)洗車機(jī)的需要控制列車停止或移動(dòng)到特定的洗車位置。洗車完畢，列車運(yùn)行至洗車庫停車點(diǎn)停車，退出洗車模式，列車?yán)^續(xù)以全自動(dòng)運(yùn)行模式運(yùn)行回庫。

（6）人員防護(hù)

聯(lián)鎖系統(tǒng)與設(shè)置的人員防護(hù)開關(guān)（SPKS）接口，當(dāng)工作人員通過SPKS 封鎖作業(yè)區(qū)域后，聯(lián)鎖系統(tǒng)不允許辦理經(jīng)過該封鎖區(qū)域的進(jìn)路，從而保證工作人員的安全。

3.2.2 通信系統(tǒng)新增功能

（1）在控制中心增加車輛及乘客無線調(diào)度臺(tái)，為調(diào)度人員提供運(yùn)行車輛現(xiàn)場圖像、乘客緊急對講、故障信息以及相關(guān)聯(lián)動(dòng)調(diào)度指令下發(fā)的傳輸通道，涉及無線通信、視頻監(jiān)視、乘客信息、車站廣播系統(tǒng)等。

（2）在列車上增加車頭、車尾兩端的固定臺(tái)與列車廣播系統(tǒng)及列車對講電話的接口。

（3）車頭車尾各增加一路觀察路況的監(jiān)控?cái)z像機(jī)。

（4）各列車客室增設(shè)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)客室監(jiān)控全覆蓋。

（5）CCTV 與其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)推送。

3.2.3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)新增功能

（1）強(qiáng)化與信號系統(tǒng)中列車自動(dòng)監(jiān)督（ATS）的接口，接收ATS 提供的信號系統(tǒng)信息。

（2）強(qiáng)化與通信視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、廣播對講系統(tǒng)（PA）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）等系統(tǒng)接口，增強(qiáng)聯(lián)動(dòng)功能。

（3）強(qiáng)化與站臺(tái)門的接口，實(shí)時(shí)監(jiān)視車門狀態(tài)、車門與站臺(tái)門的對位隔離狀態(tài)。

（4）強(qiáng)化自動(dòng)開、關(guān)站等聯(lián)動(dòng)功能，提高車站自動(dòng)化水平。

（5）強(qiáng)化對車輛健康狀態(tài)及火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)視功能。

3.2.4 站臺(tái)門系統(tǒng)新增功能

（1）SIL4 級認(rèn)證：通過信號系統(tǒng)和站臺(tái)門控制系統(tǒng)的相互結(jié)合，完成對站臺(tái)門的精準(zhǔn)控制，并將站臺(tái)門控制系統(tǒng)安全等級提升至最高等級SIL4，最大程度地保證乘客上下車及列車運(yùn)行的安全。

（2）對位隔離功能：當(dāng)即將到站列車車門故障無法開啟時(shí)，信號系統(tǒng)提供故障車門的編號等信息給站臺(tái)門系統(tǒng)，該列車停站時(shí)故障車門對應(yīng)的站臺(tái)門滑動(dòng)門應(yīng)能保持鎖閉不開啟（即對位隔離）；相應(yīng)地，當(dāng)車站站臺(tái)門系統(tǒng)某一道滑動(dòng)門故障或被人工鎖閉隔離后，站臺(tái)門系統(tǒng)提供故障滑動(dòng)門編號等信息給信號系統(tǒng)，停該側(cè)站臺(tái)的所有列車相對應(yīng)的車門應(yīng)保持鎖閉，不進(jìn)行該列車車門的開、關(guān)門作業(yè)。

（3）防夾檢測功能：關(guān)閉站臺(tái)門時(shí)，會(huì)檢測有無障礙物。

（4）故障運(yùn)營模式：一個(gè)站臺(tái)門故障，可將其與對應(yīng)的列車車門對位隔離，不影響列車的正常運(yùn)行。

3.2.5 車輛系統(tǒng)新增功能

（1）全自動(dòng)運(yùn)行模式（FAM）、蠕動(dòng)駕駛模式（CAM）。

（2）列車休眠、喚醒和自檢。

（3）與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

（4）車門與站臺(tái)門對位隔離。

（5）列車自動(dòng)運(yùn)行、對位停車及開關(guān)車門。

（6）新增車輛調(diào)度工作站，實(shí)現(xiàn)列車遠(yuǎn)程控制。

（7）主動(dòng)障礙物檢測。

（8）自動(dòng)連掛/解編。

（9）其他功能：如空調(diào)遠(yuǎn)程控制、照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制、脫軌監(jiān)測、自動(dòng)升降弓、故障傳輸?shù)取?/p>

3.2.6 車輛基地新增功能

（1）自動(dòng)化車輛段/停車場，實(shí)現(xiàn)無人區(qū)內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行功能。

（2）增加人員防護(hù)措施，無人區(qū)與有人區(qū)之間設(shè)隔離措施，增加門禁。

（3）增加對車輛段/停車場廣播聯(lián)動(dòng)功能。

（4）加強(qiáng)無人區(qū)內(nèi)廣播、視頻監(jiān)控及火災(zāi)報(bào)警等各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能。

（5）增加停車列檢庫庫門與該分區(qū)行車進(jìn)路信號的聯(lián)動(dòng)。

（6）全自動(dòng)洗車。

（7）停車庫內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的登車通道。

（8）設(shè)置有人區(qū)/無人區(qū)轉(zhuǎn)換軌及登車平臺(tái)。

4 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 主動(dòng)障礙物檢測

列車障礙物檢測分為被動(dòng)檢測和主動(dòng)檢測。相比被動(dòng)檢測，主動(dòng)障礙物檢測手段更能確保行車安全，因此建議全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)采用主動(dòng)障礙物檢測手段。

主動(dòng)檢測可將圖像識(shí)別技術(shù)、毫米雷達(dá)波技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)相融合，并與信號系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，信號系統(tǒng)可控制列車制動(dòng)，從而保證列車運(yùn)行安全。

4.2 站臺(tái)門縫隙檢測

車門與站臺(tái)門間異物檢測技術(shù)：在車門和站臺(tái)門關(guān)閉后，可采用激光對射、激光掃射、視頻檢測等技術(shù)，檢測車門與站臺(tái)門間縫隙內(nèi)的障礙物，從而取代司機(jī)瞭望和確認(rèn)，保證旅客的乘降安全和節(jié)省司機(jī)確認(rèn)時(shí)間，提高行車效率和運(yùn)營效益。

4.3 自動(dòng)連掛與解編

無人自動(dòng)連掛可實(shí)現(xiàn)列車救援，減少列車在區(qū)間被迫停車后對整體運(yùn)營的影響，特別是在緊急狀態(tài)下，列車通過自動(dòng)連掛與解編可減小災(zāi)難的后果。

要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連掛與解編，機(jī)械上要保證運(yùn)營線路上的列車都能機(jī)械連掛上，管路上要保證空壓管路聯(lián)通，電氣上要保證列車MVB 或控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)對故障列車的控制。此外，還需要信號系統(tǒng)控制連掛列車的安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國交通系統(tǒng)的技術(shù)升級，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的優(yōu)勢愈加明顯，是我國軌道交通發(fā)展的重要方向之一。相關(guān)人員必須在明確其應(yīng)用優(yōu)勢和必要性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的新增功能和關(guān)鍵技術(shù)，從列車運(yùn)行安全及乘客需求入手，不斷提高列車運(yùn)行自動(dòng)化水平，進(jìn)而提高城市交通系統(tǒng)的智能化水平，為我國建設(shè)智慧城市軌道交通的藍(lán)圖添磚加瓦。