TSTCBTC?2.0系統(tǒng)DTO模式的功能特點(diǎn)、應(yīng)用場景與技術(shù)要點(diǎn)

張 磊

(上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司，201206，上海//工程師)

2018年10月19日，上海軌道交通5號線順利完成信號系統(tǒng)新舊系統(tǒng)割接，由西門子點(diǎn)式ATP(列車自動保護(hù))信號系統(tǒng)升級為上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司(以下簡稱“TST”)提供的TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)。TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)，以雙CBTC(基于通信的列車控制)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)冗余和更高的可用性，使上海軌道交通5號線的整體運(yùn)力和系統(tǒng)性能有了大幅提升。與TST上一代SelTrac? CBTC技術(shù)相比，TSTCBTC?2.0子系統(tǒng)采用有人值守的自動駕駛是一大亮點(diǎn)。按照IEC 62290-2—2014的定義，列車運(yùn)行的自動化等級分為5級：GOA0—GOA4[1]。其中，自動化等級較高的GOA3和GOA4 屬于無人駕駛范疇。DTO(有人值守的列車自動運(yùn)行)模式屬于GOA3等級，UTO(無人值守的列車自動運(yùn)行)模式屬于GOA4等級。上海軌道交通5號線列車運(yùn)行采用GOA3等級的DTO模式，系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)符合歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN 50128—2011 規(guī)定的SIL4的軟件安全完整性等級[2]，能夠安全可靠地提高系統(tǒng)的運(yùn)營效率和自動化程度。TST的GOA4等級的FAO(全自動運(yùn)行)無人駕駛技術(shù)正處于研發(fā)后期，將率先用于上海軌道交通14號線。DTO模式在上海軌道交通5號線的成功部署，將為后續(xù)FAO模式的順利實(shí)施提供寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。本文著重于介紹區(qū)別于TST上一代SelTrac?CBTC技術(shù)的TSTCBTC?2.0系統(tǒng)的DTO新增功能、應(yīng)用場景與技術(shù)要點(diǎn)。

1 功能介紹

上海軌道交通5號線列車有多種運(yùn)行模式可供選擇，各種模式對應(yīng)于特定的應(yīng)用場景。RM(限制人工駕駛)模式用于列車初始建立定位，以及特殊情況的處理；此模式下沒有ATP(列車自動保護(hù))防護(hù)，只有最大限速防護(hù)，通常速度限定在20 km/h以內(nèi)。WSP(軌旁信號保護(hù))模式為信號保護(hù)運(yùn)行模式，作為CBTC失效的后備模式。WM(洗車模式)用于列車洗車。ATPM(列車自動保護(hù)下的人工駕駛)模式為ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式，列車的牽引、制動、開關(guān)門等都由司機(jī)操控。ATO(列車自動運(yùn)行)模式為有人駕駛的列車自動運(yùn)行模式，關(guān)門和發(fā)車操作需要司機(jī)發(fā)出指令。DTO模式是上海軌道交通5號線列車的最高級別運(yùn)行模式，在DTO模式下，只有在列車首次發(fā)車時(shí)，需要司機(jī)按發(fā)車按鈕進(jìn)行發(fā)車確認(rèn)；然后列車會自動靠站、對齊、開門，并在靠站停留時(shí)間超出后自動關(guān)門發(fā)車；在折返站臺能自動折返，全程無需司機(jī)干預(yù)。DTO模式是日常運(yùn)營中最常用的模式，列車一般在此模式下運(yùn)行。以下詳細(xì)分析DTO模式的功能特點(diǎn)、應(yīng)用場景與技術(shù)要點(diǎn)。

1.1 DTO模式的可用性

DTO模式可用性條件包括：列車已經(jīng)建立位置，輪徑已經(jīng)校驗(yàn)完成，牽引、制動列車線輸出正常，方向列車線輸出正常，等等。為了提高運(yùn)營效率和自動化程度，減少司機(jī)工作量，確保DTO模式上電后立即可用，VOBC(車載控制器)增加了位置恢復(fù)和輪徑記憶兩項(xiàng)新功能。

1.1.1 位置恢復(fù)功能

列車完整的定位信息包括列車運(yùn)行方向與列車所處位置，定位前司機(jī)需用RMF(限制向前人工駕駛)模式駕駛列車運(yùn)行。當(dāng)VOBC檢測到2個(gè)連續(xù)的定位信標(biāo)后，方可建立定位。在引入位置恢復(fù)功能后，系統(tǒng)上電時(shí)位置能夠立即建立，司機(jī)用RMF模式定位的過程可以省去。車輛庫存車站臺為位置恢復(fù)站臺，在存車站臺布置了2個(gè)位置喚醒信標(biāo)W-Tag。當(dāng)列車完成運(yùn)營駛?cè)氪孳囌九_對齊后，司機(jī)在確認(rèn)位于列車首尾兩端的2個(gè)VOBC能夠檢測到喚醒信標(biāo)后，列車斷電。當(dāng)列車重新上電后，2個(gè)VOBC讀入各自的喚醒信標(biāo)并進(jìn)行比對，如果配對成功，則進(jìn)行位置恢復(fù)。列車所在位置依據(jù)信標(biāo)在數(shù)據(jù)庫中的位置即可確定，運(yùn)行方向可以通過信標(biāo)數(shù)據(jù)的方向?qū)傩垣@得。

1.1.2 輪徑記憶功能

導(dǎo)軌上裝有特殊的車輪校準(zhǔn)應(yīng)答器對，這些應(yīng)答器對之間的距離被精確地測量并存儲在導(dǎo)軌數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)列車行駛在導(dǎo)軌上，遇到校準(zhǔn)的第一個(gè)應(yīng)答器時(shí)，VOBC開始積累轉(zhuǎn)速表脈沖；當(dāng)遇到第二個(gè)應(yīng)答器后，結(jié)束脈沖積累。通過應(yīng)答器對之間的距離和脈沖累計(jì)數(shù)進(jìn)行車輪直徑計(jì)算。每次輪徑校驗(yàn)后，VOBC將有效的新的輪徑值存入FeRAM(鐵電存儲器)中，同時(shí)更新CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))校驗(yàn)值并寫入FeRAM。上電后，VOBC從FeRAM讀入輪徑值，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)；若校驗(yàn)通過，則恢復(fù)斷電前的輪徑值。

2.2 DTO模式進(jìn)入

當(dāng)DTO模式可用性條件滿足時(shí)，司機(jī)應(yīng)在列車靜止的前提下將模式選擇開關(guān)打到OFF位置，并按壓DTO模式請求按鈕DOMR向VOBC請求進(jìn)入DTO模式。在收到請求信號后，VOBC激活DTO模式使能列車線(DOME)，從而帶起車輛模式列車線到DTO模式，列車進(jìn)入DTO模式并在司機(jī)室顯示；同時(shí)，VOBC跟隨當(dāng)前激活的司機(jī)室(CAB)進(jìn)行CAB列車線的激活輸出。司機(jī)在看到模式從OFF到DTO后，移除駕駛室鑰匙。在DOME、CAB列車線以及DTO模式列車線穩(wěn)定后，VOBC校驗(yàn)激活CAB是否與進(jìn)路授權(quán)的方向一致；如果不一致，則先去激活當(dāng)前CAB，然后按照進(jìn)路方向激活另一個(gè)CAB。在確保CAB與進(jìn)路方向一致后，VOBC按照激活的CAB來激活運(yùn)行方向列車線。隨后，VOBC判斷DTO模式進(jìn)入就緒狀態(tài)，許可發(fā)車授權(quán)并將其顯示到司機(jī)室，司機(jī)可以按壓發(fā)車按鈕發(fā)車。整個(gè)DTO模式進(jìn)入的流程比較復(fù)雜，模式同步和列車線輸出是模式進(jìn)入過程中的2個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。

2.2.1 模式同步

TSTCBTC?2.0車載處理單元采用2乘2取2的冗余架構(gòu)，由2套互為備份的VOBC組成。任一時(shí)刻，最多只能有一套激活的VOBC主用，并將其輸出連接到列車進(jìn)行控制；另一套VOBC為非激活狀態(tài)，雖然邏輯運(yùn)算在同時(shí)進(jìn)行，但是其輸出列車線與車輛斷開，無法實(shí)際控制列車。當(dāng)激活的VOBC發(fā)生故障，非激活的VOBC立即激活并接管控制，同時(shí)重啟故障的VOBC。非激活的VOBC只有在切換前已經(jīng)進(jìn)入DTO模式，才能保證列車在DTO模式下進(jìn)行無擾動的切換。在司機(jī)通過按壓DOMR按鈕、拔鑰匙的操作流程進(jìn)入DTO時(shí)，若非激活 VOBC的DTO模式可用，則非激活的VOBC會按照正常流程進(jìn)入DTO模式；若非激活的VOBC由于模式不可用而無法同步進(jìn)入DTO模式，或者在DTO模式下被重啟導(dǎo)致DTO模式丟失，則其應(yīng)在DTO模式可用時(shí)，通過UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)數(shù)據(jù)包將對端VOBC的DTO模式進(jìn)行同步。

2.2.2 列車線輸出

當(dāng)VOBC進(jìn)入DTO模式后，需要持續(xù)輸出3類列車線，并持續(xù)監(jiān)控它們的輸出與對應(yīng)回踩值的狀態(tài)；若兩者不匹配，則判定當(dāng)前VOBC發(fā)生不可恢復(fù)的錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)到非激活狀態(tài)，并發(fā)生VOBC切換。這3類列車線如下：

1)模式使能列車線。此列車線輸出到列車，列車會將DTO模式的列車線帶起來，在DTO模式運(yùn)行過程中，VOBC讀入的模式列車線應(yīng)持續(xù)為DTO模式。

2)司機(jī)室激活列車線。在DTO模式下，司機(jī)會移除司機(jī)室鑰匙，整個(gè)CAB會掉電。VOBC應(yīng)該按照LMA(移動授權(quán))的授權(quán)方向和所在的CAB來決定激活本端司機(jī)室還是遠(yuǎn)端司機(jī)室。

3)運(yùn)行方向列車線 。在非DTO模式下，方向輸出與模式選擇開關(guān)(MSS)相關(guān)聯(lián)。而在DTO模式下，MSS在OFF位置，方向的控制依賴于VOBC輸出的方向列車線，VOBC會依據(jù)當(dāng)前激活CAB選擇正確的方向輸出。

由于VOBC采用2乘2取2的冗余架構(gòu)，激活司機(jī)室和激活的VOBC可能在相同端，也可能在不同端，這導(dǎo)致CAB和方向的列車線輸出在邏輯判斷上有一定復(fù)雜性。

2.3 DTO模式運(yùn)行流程

DTO模式進(jìn)入就緒狀態(tài)后，在列車首次發(fā)車時(shí)，需要司機(jī)按發(fā)車按鈕進(jìn)行發(fā)車確認(rèn)，然后列車會按照ATS(列車自動監(jiān)控)分配的進(jìn)路自動運(yùn)行，全程無需司機(jī)再干預(yù)。列車能夠自動靠站、對齊、開門、關(guān)門、發(fā)車。自動折返和自動進(jìn)庫是列車自動運(yùn)行過程中的兩個(gè)特殊場景。

2.3.1 自動折返

DTO模式下，VOBC可以完成傳統(tǒng)的站前折返與站后折返功能。與SelTrac?CBTC原有的DTB(無人值守折返)模式不同，TSTCBTC?2.0數(shù)據(jù)庫中不需要定義站臺的折返屬性。另外，對于站后折返場景，也沒有倒行的過程(激活的司機(jī)室與運(yùn)動方向不一致)。DTO模式下的自動折返過程中，列車在對齊折返站臺后(折返點(diǎn)或者終點(diǎn)站)，觸發(fā)新的ATS進(jìn)路，VOBC依據(jù)新的進(jìn)路授權(quán)方向來進(jìn)行司機(jī)室激活，確保列車運(yùn)行方向和激活的司機(jī)室一致。在切換司機(jī)室過程中，會出現(xiàn)列車首尾兩端司機(jī)室都沒激活的過渡情形，由此會觸發(fā)列車緊急制動(EB)，因此VOBC會跟隨這個(gè)EB，這種場景下的EB應(yīng)該能自動緩解，以避免列車無法自動發(fā)車。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，VOBC在切換CAB操作前，會記住當(dāng)前的EB狀態(tài)，在CAB切換結(jié)束后，恢復(fù)之前的EB狀態(tài)。

2.3.2 自動進(jìn)庫

為了提高運(yùn)營效率，上海軌道交通5號線增加了自動化車輛庫，業(yè)主要求列車能用高級模式(ATO、DTO)自動停靠并對齊存車站臺。為了在有限空間內(nèi)停較多車輛，節(jié)約土建成本和用地面積，存車車位和車庫邊緣及存車車位之間的間隔都設(shè)計(jì)得比較短。原有的ATP安全制動模型[3]使以ATO方式運(yùn)行的列車在站外就停車，導(dǎo)致無法進(jìn)站對齊。為了解決這一難題，TSTCBTC?2.0信號系統(tǒng)采用了超短安全防護(hù)距離下的close-up的進(jìn)站控制方案。此方案依據(jù)車輛性能、軌道布置參數(shù)等實(shí)際數(shù)據(jù)，改進(jìn)了安全制動模型。此模型符合IEEE 1474.1—2004安全制動的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，經(jīng)過了嚴(yán)格的仿真計(jì)算和現(xiàn)場測試，論證了其可行性。Close-up方案的引入，解決了列車以ATO方式自動進(jìn)站并對齊防護(hù)區(qū)域受限的存車站臺這一新問題。

2.4 DTO模式退出

DTO模式的退出包括正常退出和異常退出。當(dāng)司機(jī)在任一端的司機(jī)室插入鑰匙并旋轉(zhuǎn)至ON的位置，VOBC正常退出DTO模式，進(jìn)入OFF模式；當(dāng)VOBC的模式可用性條件變得不滿足或者模式列車線不是DTO模式時(shí)，VOBC將會異常退出DTO模式，并進(jìn)入非激活模式，同時(shí)向ATS報(bào)告異常退出事件。

3 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)TSTCBTC?2.0系統(tǒng)的DTO功能，保證列車高效可靠運(yùn)行，很多新的場景被識別了出來，并開發(fā)出了對應(yīng)的新功能。這些新功能在上海軌道交通5號線上的成功應(yīng)用，為TST的GOA4級別的FAO技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。上海軌道交通5號線項(xiàng)目工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也必將為上海軌道交通14號線的工程實(shí)施提供可靠的實(shí)踐指導(dǎo)?？梢灶A(yù)期，在TSTCBTC?2.0系統(tǒng)的FAO新功能的加持下，致力于智慧交通的上海軌道交通14號線勢必樹立行業(yè)新的標(biāo)桿。