某軌道交通項(xiàng)目車輛全自動(dòng)駕駛升級(jí)改造設(shè)計(jì)

王丹梅 尚江傲 錢江林 萬(wàn)曉峰

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，株洲 421001）

城市軌道交通的自動(dòng)化等級(jí)（Grades of Automation，GOA）分為GOA0 到GOA4 共5 個(gè)等級(jí)。目前，國(guó)內(nèi)主流的基于通信系統(tǒng)的列車自動(dòng)控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)屬于GOA2 等級(jí)，是一種半自動(dòng)列車運(yùn)行系統(tǒng)，其列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO）模式下的運(yùn)行安全完全依賴于人工，在車輛段和停車場(chǎng)僅依靠駕駛員根據(jù)軌旁信號(hào)顯示行車。某城市軌道交通項(xiàng)目由一期工程和西延工程組成，其中一期工程為GOA2 等級(jí)，西延工程為GOA3 等級(jí)。為實(shí)現(xiàn)2 條線路的全線貫通運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)一期工程車輛進(jìn)行GOA3 自動(dòng)化升級(jí)改造。

1 全自動(dòng)駕駛功能需求分析

全自動(dòng)駕駛的場(chǎng)景一般分為正常場(chǎng)景、故障場(chǎng)景和應(yīng)急場(chǎng)景3 大類。某軌道交通項(xiàng)目一期線路為有人值守的全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，即GOA3 等級(jí)，共涉及14 個(gè)正常運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景、13 個(gè)故障運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和7 個(gè)應(yīng)急運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。為滿足場(chǎng)景中的全自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)模式轉(zhuǎn)換、列車出庫(kù)、列車進(jìn)入正線服務(wù)、列車進(jìn)站、折返換端、自動(dòng)洗車、自動(dòng)轉(zhuǎn)線作業(yè)、車門故障、站臺(tái)門故障以及列車遠(yuǎn)程廣播等功能需求，車輛需要進(jìn)行相應(yīng)的全自動(dòng)功能升級(jí)改造，包括全自動(dòng)模式（Fully Automatic Mode，F(xiàn)AM）相關(guān)功能、跳躍功能、車門和站臺(tái)門對(duì)位隔離功能、司機(jī)室車門防護(hù)功能、全自動(dòng)方向控制、全自動(dòng)洗車控制、列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，ATC）保持制動(dòng)施加控制以及自動(dòng)鳴笛等相關(guān)功能[1-2]。主要的全自動(dòng)功能需求說(shuō)明，如表1 所示。

表1 全自動(dòng)功能需求說(shuō)明

2 信號(hào)接口分析

2.1 機(jī)械接口

車載信號(hào)系統(tǒng)新增司機(jī)室天線，增加與場(chǎng)段的車地通信功能，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)段的全自動(dòng)功能，同時(shí)將二合一合路器更換為三合一合路器，車輛改造實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的布置。

2.2 電氣接口

車載信號(hào)系統(tǒng)電氣接口新增FAM 模式、ATO 前向、ATO 后向、跳躍模式和ATC 保持制動(dòng)等硬線接口，車輛電路進(jìn)行相應(yīng)改造后能夠適應(yīng)各項(xiàng)全自動(dòng)控制功能。

2.3 MVB 協(xié)議接口

車載信號(hào)系統(tǒng)多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）協(xié)議中增加轉(zhuǎn)譯字符，提升數(shù)據(jù)通信的可靠性和安全性。同時(shí)，增加方向手柄和牽引制動(dòng)手柄零位信息、制動(dòng)單元損失數(shù)量、跳躍指令、自動(dòng)洗車和FAM 模式等全自動(dòng)功能相關(guān)的信號(hào)反饋，車輛軟件進(jìn)行相應(yīng)改造升級(jí)[3]。

3 車輛改造方案

為滿足GAO3 全自動(dòng)升級(jí)改造，對(duì)車輛車體、屏柜、電氣原理、列控、車門、牽引、制動(dòng)、布線、乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）和司控器等系統(tǒng)及部件進(jìn)行了相應(yīng)改造。

3.1 車體改造

車體改造主要包括新增信號(hào)天線、新增FAM 指示燈進(jìn)行相應(yīng)的接口更改，安裝位置分別如圖1和圖2所示。

圖1 新增天線位置

圖2 新增FAM 指示燈位置

3.2 電氣原理改造

電氣原理改造主要涉及方向控制、跳躍模式控制、FAM 模式、ATC 保持制動(dòng)施加和ATO 激活條件等電路改造[4]，同時(shí)新增繼電器、開(kāi)關(guān)等低壓器件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電路功能。改造后的方向控制電路如圖3 所示，新增了全自動(dòng)模式下的方向控制和跳躍模式下信號(hào)對(duì)車輛的方向控制功能。FAM 模式、跳躍模式、保持制動(dòng)控制電路，如圖4 所示。

圖3 方向控制電路

圖4 FAM 模式、跳躍模式、保持制動(dòng)施加控制

另外，更改其他電路。例如：將司機(jī)室車門關(guān)閉狀態(tài)作為牽引封鎖條件，防止司機(jī)上下車過(guò)程中自動(dòng)發(fā)車帶來(lái)的安全隱患；ATO 激活條件由原來(lái)的司控器方向手柄向前及主控器手柄零位改為增加司控器鑰匙、方向手柄零位和司控器手柄零位的條件。

3.3 屏柜改造

屏柜改造主要涉及新增網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊、二合一合路器更換為三合一合路器、新增繼電器及端子排等部件。設(shè)備改造后的方案，如圖5 和圖6 所示。

圖5 新增繼電器

圖6 新增網(wǎng)絡(luò)I/O 模塊

3.4 軟件改造

車輛軟件主要針對(duì)TCMS 軟件、車門軟件、牽引和制動(dòng)系統(tǒng)軟件、PIS 等系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)改造。其中車門新增對(duì)位隔離功能，PIS 新增遠(yuǎn)程廣播及全自動(dòng)報(bào)站功能，TCMS、牽引和制動(dòng)實(shí)現(xiàn)跳躍模式下的控制功能。文章僅對(duì)跳躍模式下的車載各子系統(tǒng)軟件控制功能進(jìn)行說(shuō)明。

全自動(dòng)駕駛模式下，若列車到站停車距離停車窗口±50 cm，則車門和安全門不能打開(kāi)。為保證ATO 子系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行站停位置調(diào)整，信號(hào)系統(tǒng)向列車輸出緩慢跳躍調(diào)整指令。在列車進(jìn)行跳躍操作時(shí)，跳躍模式為電平信號(hào)，在整個(gè)跳躍過(guò)程中持續(xù)給出。在列車進(jìn)行跳躍操作時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)會(huì)輸出方向向前指令或方向向后指令，并根據(jù)對(duì)位停車所需的跳躍距離，向車輛輸出ATO 牽引指令和ATO 制動(dòng)指令。車輛根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)輸出模式、方向、ATO 牽引指令和固定級(jí)位，牽引系統(tǒng)按照信號(hào)輸出執(zhí)行，信號(hào)控制列車加速至目標(biāo)速度。達(dá)到目標(biāo)速度后，ATO 繼續(xù)施加牽引指令和級(jí)位，抵消制動(dòng)系統(tǒng)施加的保持制動(dòng)[5]。同時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)輸出的制動(dòng)指令和級(jí)位等會(huì)控制列車減速至零，信號(hào)系統(tǒng)會(huì)在車輛達(dá)到零速后輸出保持制動(dòng)指令。需注意，車輛在一定條件下能夠自動(dòng)施加保持制動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將某城市軌道交通項(xiàng)目一期車輛及線路全自動(dòng)功能升級(jí)為GOA3，實(shí)現(xiàn)與西延工程車輛的全線貫通運(yùn)行，目前已完成相關(guān)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。通過(guò)該項(xiàng)目的成功實(shí)施，為將來(lái)GOA4 全自動(dòng)無(wú)人駕駛功能升級(jí)提供了技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)。