基于無線通訊列車控制系統(tǒng)的全自動無人駕駛地鐵系統(tǒng)研究

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 266000)

0 引言

CBTC(communication based train control system)即基于無線通訊的列車控制系統(tǒng)，作為先進(jìn)的列車控制思想得到了全世界的認(rèn)可。它的主要特點(diǎn)為應(yīng)用可靠的、更高帶寬的無線通訊方式來實(shí)現(xiàn)列車和地面設(shè)備之間的雙向通信，用以代替軌道電路、應(yīng)答器等作為媒介來實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制。

全自動運(yùn)行系統(tǒng)涉及車輛、信號、綜合監(jiān)控、通信、等多個專業(yè)，各專業(yè)聯(lián)系密切。傳統(tǒng)意義上的運(yùn)行部分交由車載ATC以及TIMS負(fù)責(zé)，其余通訊以及監(jiān)控管理部分，則由控制中心負(fù)責(zé)。傳統(tǒng)的司機(jī)、控制中心調(diào)度員和車站值班員共同參與運(yùn)營管理，以控制中心調(diào)度員直接面向列車運(yùn)行。

運(yùn)營控制系統(tǒng)需要具有完善的自動控制功能，以列車為核心，信號與車輛、綜合監(jiān)控、通信等多系統(tǒng)配合，完成真正意義上的無人駕駛以及自動化控制。同時，運(yùn)營控制系統(tǒng)應(yīng)具有較為完善的綜合維護(hù)輔助功能，便于提升列車的安全性以及自愈能力。

圖1 運(yùn)行場景

城市軌道交通的運(yùn)行最早由司機(jī)目視駕駛，安全性完全取決于司機(jī)，列車運(yùn)行效率較低。后來，列車自動防護(hù)(ATP)系統(tǒng)的出現(xiàn)，可防止列車碰撞，提升了運(yùn)行安全性。隨著基于無線通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)的出現(xiàn)，列車在實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行(ATO)的同時進(jìn)一步提升運(yùn)營效率，司機(jī)的工作主要是控制列車車門開閉、列車啟動、降級模式下的處理和車內(nèi)廣播。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)安全性和效率，列車車門開閉、緊急情況處理皆由系統(tǒng)自動控制實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)自動化水平及可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性(RAMS)指標(biāo)提出了更高要求，在此背景下，全自動運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 全自動運(yùn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

全自動運(yùn)行系統(tǒng)必須安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在設(shè)備選型時，應(yīng)考慮建設(shè)要求以及冗余設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)的自愈能力，降低故障發(fā)生率。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須根據(jù)當(dāng)前環(huán)境考慮拓?fù)渚W(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)冗余管理，同時具備較強(qiáng)的抗干擾能力。在成本方面，應(yīng)加大本地生產(chǎn)供貨能力，為后期的維保提供方便快捷的保證。

場景的搭建應(yīng)做到實(shí)效、合理性雙重考慮，盡量將傳統(tǒng)運(yùn)行線路可能發(fā)生的情況都考慮到全自動處理中，保證全自動駕駛列車以及人員的安全。

中心以及車站的主要設(shè)備均加入冗余設(shè)計(jì)，保證主控系統(tǒng)、備用系統(tǒng)銜接正常，互為熱備。

列車內(nèi)所有主要設(shè)備(與運(yùn)行有關(guān)的)均有遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控，一旦遠(yuǎn)程終端顯示異常，立即采取應(yīng)急措施，人工干預(yù)或引導(dǎo)乘客緊急處理。列車在運(yùn)行過程中，全程視頻監(jiān)控，包括兩個頭車對線路的監(jiān)控?cái)z像頭。

1.2 系統(tǒng)安全原則

全自動運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)形成全封閉區(qū)域，無特殊情況必須杜絕人員的流動，做好門禁系統(tǒng)的監(jiān)督。在站臺應(yīng)保證應(yīng)急開關(guān)的安裝，包括SPKS等。列車內(nèi)ATC的觸發(fā)器模塊應(yīng)與時刻表相對應(yīng)，向TIMS發(fā)送廣播命令，提醒乘客注意的事項(xiàng)，遇到非緊急警報(bào)時，提醒乘客按照相應(yīng)對策執(zhí)行；每日的送電、斷電應(yīng)監(jiān)管到位，注意各個部門之間的聯(lián)系。

2 全自動運(yùn)行系統(tǒng)場景

根據(jù)全自動運(yùn)行系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合全自動運(yùn)行的運(yùn)行場景，對一些特定場景進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定運(yùn)營流程。在車內(nèi)設(shè)備及控制設(shè)備出現(xiàn)故障時，應(yīng)保證行車安全，提高故障排查速度，加強(qiáng)故障預(yù)警措施，降低故障發(fā)生率，使列車面對常見的問題時，能夠根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定自行解決。

根據(jù)每日早間到晚間列車運(yùn)行的線路，將列車能夠遇見的情況做成每一個場景來應(yīng)對，包含正常情況下的處理和異常情況下的處理，共包括場景40項(xiàng)，可根據(jù)需要自行選擇，如圖1。

全自動運(yùn)行系統(tǒng)在傳統(tǒng)有人值守的運(yùn)行模式中總結(jié)日常運(yùn)營流程，將部分人工手動操作部分自動化，因此，場景搭建是全自動運(yùn)行的基本建設(shè)內(nèi)容，可以說全自動運(yùn)行系統(tǒng)是圍繞場景的 搭建為主來設(shè)計(jì)的，也可以說場景是完整的全自動運(yùn)行系統(tǒng)的產(chǎn)物。

2.1 早間自動上電

早間上電需進(jìn)行人工視頻監(jiān)測道路是否有工作人員遺留，在列車喚醒前2分鐘，停車場內(nèi)的工作人員將攝像機(jī)推送到行調(diào)CCTV顯示終端上，并觸發(fā)錄制功能，對停車場內(nèi)進(jìn)行2分鐘的檢查，并通過站臺廣播播放錄制好的提示音 “線路即將送電，請工作人員撤離”，確認(rèn)無問題后，通過TIAS終端的對話框通知電調(diào)上電，特殊情況下，電調(diào)值班人員也可不經(jīng)行調(diào)確認(rèn)操作后的軟件提示，通過與行調(diào)電話溝通確認(rèn)具備送電條件的前提下，對相關(guān)區(qū)段人工遠(yuǎn)程送電，現(xiàn)場庫內(nèi)應(yīng)設(shè)置三軌帶電狀態(tài)指示燈。

2.2 喚醒-自檢

列車在當(dāng)日工作結(jié)束后，會進(jìn)入休眠模式，車輛以蓄電池低壓帶電，部分模塊仍然處于待命狀態(tài)，當(dāng)控制遠(yuǎn)程發(fā)送喚醒指令后，列車自動進(jìn)行上電自檢操作，當(dāng)自檢失敗后，向中心發(fā)送喚醒失敗警報(bào)信息，并遠(yuǎn)程休眠或人工手動休眠后，中心再次遠(yuǎn)程喚醒。

上電自檢時ATC與TIMS聯(lián)合進(jìn)行，自檢結(jié)果中有任何一個設(shè)備故障均不允許出車，顯示“無服務(wù)”，并向中心匯報(bào)。喚醒自檢時不允許開關(guān)門以及轉(zhuǎn)動司機(jī)駕駛模式手柄，否則自檢中斷。自檢全部通過后的列車即具備AM模式運(yùn)行的條件。

2.3 出庫

ATS在發(fā)車前的一段時間內(nèi)(根據(jù)需求設(shè)定計(jì)時時間)，為列車設(shè)定行駛目標(biāo)，加載時刻表并限速出庫，其中包括出庫手續(xù)辦理以及自動駕駛權(quán)限的激活，辦理結(jié)束后自動運(yùn)行至指定位置，自檢失敗且無法短時間修復(fù)的車輛，控制中心會替換為備用車辦理出庫，所有車輛準(zhǔn)備就緒后，準(zhǔn)備更換為進(jìn)入正線工況運(yùn)行。

AM模式下，列車出庫進(jìn)入正線時，車頭越過出庫信號機(jī)之前發(fā)送場內(nèi)運(yùn)行指令給車輛，用于車輛斷開母線高速斷路器(防止出現(xiàn)短路)，關(guān)閉空調(diào)；車尾進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌后，停止發(fā)送場內(nèi)運(yùn)行指令，車輛恢復(fù)母線高速斷路器。

2.4 巡道

控制中心喚醒首列車作為巡道車，環(huán)行一圈或運(yùn)行至另外一個終點(diǎn)(車輛段)，司機(jī)上車后以PM手動保護(hù)模式運(yùn)行，期間不開門、不停站?；氐秸€端點(diǎn)后，司機(jī)將模式打至AM(自動)模式，開始正線載客運(yùn)行。車輛巡道的目的是檢測并確定軌道系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、ISCS系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等運(yùn)行正常，滿足載客需求。

2.5 進(jìn)入正線服務(wù)

控制中心ATS終端檢查到列車從庫內(nèi)運(yùn)行至完全進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌，或已在正線存車線的列車后，自動根據(jù)運(yùn)行圖為該列車分配車次號，并向列車發(fā)送“正線服務(wù)”工況指令，當(dāng)列車ATC檢查到車尾已完全駛出場內(nèi)最后一個信號燈后，自動停止向車輛發(fā)送場內(nèi)運(yùn)行工況。此時列車的場景將切換至正線運(yùn)行場景，車內(nèi)空調(diào)、照明等系統(tǒng)投入使用。

2.6 進(jìn)站停車以及自動開關(guān)門

在列車運(yùn)行過程中，車內(nèi)攝像頭全程監(jiān)控車內(nèi)狀態(tài)，同時LED顯示器與動態(tài)電子地圖根據(jù)列車時刻表顯示到站信息，即將到達(dá)站臺前50米，廣播播報(bào)“即將到站”語音提示。當(dāng)列車未自動對準(zhǔn)站臺時，若在停車標(biāo)+5米以內(nèi)，ATC會對列車發(fā)送指令，跳躍對準(zhǔn)站臺；若超過5米的范圍，列車自動跳站至下一站，并向中心發(fā)送報(bào)警信息，同時ATC內(nèi)部“OVS”(超過站臺模塊觸發(fā)器)向TIMS發(fā)送過站指令，觸發(fā)車內(nèi)廣播，為乘客播報(bào)提示語音。

列車以AM模式運(yùn)行時，到站后自動開啟站臺側(cè)客室門，相應(yīng)的廣播、LED顯示器、動態(tài)電子地圖相應(yīng)的開始工作，正常情況下一分鐘后門自動關(guān)閉，門障礙物檢測功能在后述內(nèi)容中體現(xiàn)。

2.7 自動換端

列車行駛至規(guī)劃路線的終點(diǎn)站時，待車門全部關(guān)閉后進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌， ATC會將列車主控移交至另一端，并通過ATC完成與ZC的注銷和換端后的自動運(yùn)行授權(quán)申請，并適時辦理折返進(jìn)路，按照時刻表繼續(xù)行駛。

列車運(yùn)行至終點(diǎn)站時，保持車門不關(guān)閉，進(jìn)行清客處理，同時廣播播放提示語音，提醒乘客全部下車。站臺人員檢查清客完成后，手動按下關(guān)門按鈕，列車進(jìn)入折返轉(zhuǎn)換軌。

2.8 停止正線服務(wù)

在列車停止正線服務(wù)后，進(jìn)入正線存車線或者轉(zhuǎn)換軌，控制中心發(fā)送停止正線服務(wù)工況指令，并刪除列車識別號，ATC命令TIMS關(guān)閉一半的燈光并關(guān)閉空調(diào)和照明系統(tǒng)，準(zhǔn)備進(jìn)入停車場的列車斷開高速斷路器，準(zhǔn)備休眠。

2.9 回庫

AM模式運(yùn)行下，進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌的列車收到停止正線服務(wù)指令后，進(jìn)行回庫作業(yè)，中心為列車發(fā)送派遣指令，并觸發(fā)回庫進(jìn)路，ZC為列車辦理移動權(quán)限。CI收到回庫作業(yè)命令時，檢查庫門是否打開等連鎖條件是否滿足，為列車辦理回庫 。距離入庫信號機(jī)前，ATC觸發(fā)入庫模塊觸發(fā)器，向TIMS發(fā)送鳴笛指令。從正線回場的列車，車頭越過場內(nèi)信號機(jī)1米，ATC即向TIMS發(fā)送場內(nèi)運(yùn)行工況，直到車尾完全駛出出庫信號機(jī)，AM或人工駕駛模式在庫內(nèi)運(yùn)行時，列車速度限制在5 km/h以內(nèi)。

2.10 清洗

AM模式下，控制中心根據(jù)計(jì)劃提前打開洗車庫庫門，并設(shè)定好計(jì)劃內(nèi)列車的行駛目標(biāo)，同時將列車的工況設(shè)定為“洗車”模式，此時列車恒速(一般為7 km/h)進(jìn)入洗車庫，洗車臺位自動進(jìn)行洗車任務(wù)，清洗完畢的列車會按照中心排好的路段并設(shè)定行駛目標(biāo)進(jìn)入列檢庫內(nèi)，完成一天最后的列檢工作。

2.11 休眠

列車到達(dá)停車場內(nèi)后，中心遠(yuǎn)程發(fā)送休眠指令，一般休眠時間為2分鐘，列車斷開主要工作內(nèi)容，僅保留喚醒模塊的供電，由蓄電池提供。斷電前ATC與TIMS發(fā)送PMD并存儲，保存完畢后，車輛進(jìn)入休眠模式；若遠(yuǎn)程休眠失敗，工作人員上車手動休眠，按下“手動休眠按鈕”等待列車休眠。

3 全自動運(yùn)行系統(tǒng)基礎(chǔ)配置

全自動無人駕駛列車系統(tǒng)是充分利用信號技術(shù)、通信技術(shù)、控制及現(xiàn)代化信息技術(shù)的具備高度自動化水平的新一代軌道交通系統(tǒng)。

圖2 全自動運(yùn)行系統(tǒng)基礎(chǔ)配置

將列車駕駛員執(zhí)行的工作完全自動化、高度集中控制；車輛段列車自動喚醒、車站準(zhǔn)備、進(jìn)入正線服務(wù)、正線列車運(yùn)行、車站折返、退出正線服務(wù)、進(jìn)段、洗車和休眠等，列車的啟動、牽引、巡航、惰行和制動，以及車門和車站屏蔽門的開關(guān)；車站和車載廣播等控制均在無人的狀態(tài)下自動運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)配置圖

圖4 系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

3.1 信號系統(tǒng)

信號系統(tǒng)是列車全自動運(yùn)行控制核心系統(tǒng)，是控制列車運(yùn)行，保證行車安全，提高運(yùn)輸效率，傳遞行車信息。信號系統(tǒng)應(yīng)采用基于無線通信技術(shù)的移動閉塞系統(tǒng)，正線運(yùn)行、列車出入庫及段/場內(nèi)全自動區(qū)域運(yùn)行，均可實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行。

信號系統(tǒng)由ATS、ATC組成，其中車載ATC控制ATP以及ATO，對列車自動駕駛時提供保護(hù)以及約束。信號系統(tǒng)作為列車自動運(yùn)行的大腦，提供行動命令，因此應(yīng)具備完善的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及多模式場景的搭建。

列車場景的模式選擇由中心內(nèi)的調(diào)度人員發(fā)起，包括休眠、喚醒、自動進(jìn)出段、自動進(jìn)站停車、自動開關(guān)門、自動發(fā)車、自動折返、自動洗車和自動調(diào)車作業(yè)等。當(dāng)列車模式等級降低時，車載ATC自動為列車限速，在車輛有定位時可由中心為列車限速并排路，此時為有保護(hù)的人工駕駛PM模式，列車可高速運(yùn)行；當(dāng)駕駛模式降至RM模式時，列車為無區(qū)域保護(hù)的限制人工駕駛模式，此時司機(jī)只能駕駛列車低速運(yùn)行。

3.2 通訊系統(tǒng)

根據(jù)全自動運(yùn)行需求，通信系統(tǒng)需為調(diào)度人員提供運(yùn)行車輛現(xiàn)場圖像、故障信息以及相關(guān)聯(lián)動調(diào)度指令下發(fā)的傳輸通道，涉及視頻監(jiān)視、車地?zé)o線通信網(wǎng)(數(shù)據(jù))以及無線通信(語音)三個系統(tǒng)。

3.3 車輛系統(tǒng)

車輛是全自動運(yùn)行系統(tǒng)的載體，整個全自動運(yùn)行技術(shù)都是圍繞著車輛來構(gòu)成的，乘客直接面對的也是車輛，全自動運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)的成功需要高可靠性、高可用性車輛系統(tǒng)的支撐。

無人駕駛列車的司機(jī)室采用內(nèi)藏式設(shè)計(jì)，正常運(yùn)行時由玻璃罩板保護(hù)，司機(jī)操控面板安裝有車輛狀態(tài)指示燈，乘客可在玻璃罩板外觀看到車輛的運(yùn)行狀態(tài)。列車網(wǎng)絡(luò)之間采用冗余設(shè)計(jì)，各個接口之間采用雙通道傳輸，降低故障發(fā)生率。

每列車車門旁應(yīng)有供乘客應(yīng)急使用的緊急逃生手柄，并有蓋板保護(hù)；車內(nèi)安裝有緊急廣播按鈕為乘客開放，用于日常的車內(nèi)突發(fā)情況。防止電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，車內(nèi)蓄電池續(xù)航能力應(yīng)保持高水準(zhǔn)，最低帶電量的工況下應(yīng)保持至少10小時續(xù)航。

3.4 站臺門

每站相對應(yīng)的都有屏蔽門，防止乘客在列車未到站時誤跌入軌道。站內(nèi)的設(shè)備間可對站臺門進(jìn)行編輯，設(shè)置開啟標(biāo)準(zhǔn)信息錄入誤差，一直是人們亟需解決的問題。本文引用了智能技術(shù)、追蹤技術(shù)，同時針對IOS系統(tǒng)、Android系統(tǒng)、Blackberry系統(tǒng)、Windows phone四大系統(tǒng)的各項(xiàng)移動終端設(shè)備錄入信息進(jìn)行誤差控制。該控制系統(tǒng)能夠在不影響時間以及屏蔽信息，同時在站臺處應(yīng)有隔離/緊急開關(guān)手柄，同時應(yīng)有防擠壓功能。

3.5 綜合監(jiān)控

綜合監(jiān)控系統(tǒng)也叫ISCS系統(tǒng)，通過無線電的通道與車內(nèi)信息交流，車內(nèi)主要事件的觸發(fā)均應(yīng)顯示在ISCS的終端，例如乘客緊急通訊時的報(bào)警觸發(fā)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)在調(diào)試時應(yīng)注意與其余系統(tǒng)的接口問題，自身的程序調(diào)試無誤后，在調(diào)試的過程中仔細(xì)檢查與信號方及通訊方的信息交流。

3.6 車輛基地

全自動車輛基地是承擔(dān)全自動運(yùn)行列車運(yùn)用、停車、整備、清潔、檢查、定期檢修、調(diào)試等功能的場所，將正線對列車的運(yùn)營控制權(quán)由車站延伸至場段的全自動運(yùn)行區(qū)域。應(yīng)具備自動喚醒、休眠列車、自動出入場功能，宜具備與停車列檢庫庫門、洗車庫庫門聯(lián)動、自動洗車等功能。

4 結(jié)論

基于CBTC的全自動無人駕駛地鐵系統(tǒng)具有高安全性、高舒適性，節(jié)約了能源，減免了司機(jī)勞動，是目前城軌地鐵運(yùn)行的自動化程度最高級別的軌道系統(tǒng)，已經(jīng)成為下一代軌道車輛運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的趨勢。