全自動(dòng)運(yùn)行與非全自動(dòng)運(yùn)行車輛差異分析

莊 哲,周 坤

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司機(jī)械環(huán)工院,天津 300308）

0 概述

截至2021 年12 月31 日，中國(guó)內(nèi)地已運(yùn)營(yíng)、在建及規(guī)劃城軌全自動(dòng)運(yùn)行線路的城市有北京、上海、深圳、廣州、武漢、成都等28 座城市，線路共計(jì)85 條，線網(wǎng)規(guī)模2 515.77 km，其中已運(yùn)營(yíng)線路30 條，運(yùn)營(yíng)里程為728.46 km；在建線路46 條，在建里程為1 541.01 km；規(guī)劃線路9 條，規(guī)劃里程為246.30 km。

車輛系統(tǒng)作為全自動(dòng)運(yùn)行五大核心系統(tǒng)，相比非全自動(dòng)運(yùn)行車輛具有更高的自動(dòng)化程度，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)喚醒、休眠，自動(dòng)投入、退出運(yùn)營(yíng)，自動(dòng)折返，自動(dòng)停站、啟動(dòng)，自動(dòng)控制車門開閉等功能，實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)行控制，達(dá)到節(jié)能環(huán)保和高效運(yùn)行的目的。

分析非全自動(dòng)車輛與全自動(dòng)車輛差異，有助于從業(yè)人員更好地理解各專業(yè)需求，該文就此展開分析。

1 功能差異

功能差異是指全自動(dòng)車輛在原有部件基礎(chǔ)上，自身或與信號(hào)等系統(tǒng)加入新的功能，以適應(yīng)全自動(dòng)運(yùn)行要求。

1.1 運(yùn)行模式

非全自動(dòng)運(yùn)行車輛主要采用RM（Restricted Train Operation Mode，限制人工駕駛模式）、CM（Coded Train Operation Mode，列車自動(dòng)防護(hù)模式）、AM（Automatic Train Operation Mode，列車自動(dòng)駕駛模式）模式運(yùn)行。

全自動(dòng)車輛新加FAM（Fully automatic train operating mode，全自動(dòng)運(yùn)行模式）及CAM（Creep automatic mode，蠕動(dòng)模式）駕駛模式，F(xiàn)AM 模式下無需司機(jī)進(jìn)行發(fā)車確認(rèn)操作和瞭望列車運(yùn)行前方的軌道情況，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)列車駕駛。CAM 是在當(dāng)車輛通信故障不能進(jìn)行全自動(dòng)駕駛列車運(yùn)行時(shí)，由控制中心行車調(diào)度員人工遠(yuǎn)程確認(rèn)通信正常、列車其他設(shè)備正常，并通過調(diào)度員遙控啟動(dòng)列車，以限制速度（如不超過20 km/h）運(yùn)行的駕駛模式[1]。

新加運(yùn)行模式可讓全自動(dòng)運(yùn)行車輛完成無司乘人員操作下的自動(dòng)發(fā)車、正線運(yùn)行、車場(chǎng)運(yùn)行、回庫(kù)停車等操作。

1.2 喚醒、自檢與休眠

非全自動(dòng)車輛由司機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)行列車上電、激活、車門等系統(tǒng)自檢及斷電操作。

全自動(dòng)車輛新增車輛喚醒、自檢與休眠功能，由列車自動(dòng)完成低壓上電/休眠，列車設(shè)備自檢/整車延時(shí)斷電、靜調(diào)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試、自動(dòng)換端測(cè)試/休眠狀態(tài)測(cè)試等操作。

1.3 站臺(tái)停車對(duì)位

非全自動(dòng)車輛由司機(jī)或自動(dòng)控制精確停車，如果車輛未在站臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確停車，則由司機(jī)實(shí)施人工對(duì)標(biāo)停車，車輛停穩(wěn)后由司機(jī)或自動(dòng)開關(guān)車門，人工駕駛列車或按壓ATO 按鈕自動(dòng)出站。

全自動(dòng)車輛自動(dòng)控制列車精確停車，未精確停車時(shí)車輛與信號(hào)系統(tǒng)配合，采用跳躍方式對(duì)標(biāo)停車，直至車門與站臺(tái)門對(duì)位，接著車輛自動(dòng)打開車門，站停結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉車門，條件滿足后，列車自動(dòng)運(yùn)行出站。

1.4 車門與站臺(tái)門對(duì)位隔離功能

非全自動(dòng)車輛車門出現(xiàn)故障時(shí)，需人工處理相應(yīng)車門及站臺(tái)門的對(duì)位隔離。

全自動(dòng)車輛個(gè)別車門開關(guān)故障時(shí)，車輛可關(guān)閉并鎖定故障車門，向信號(hào)系統(tǒng)報(bào)告故障車門位置，由站臺(tái)門系統(tǒng)電氣隔離對(duì)應(yīng)站臺(tái)門，使其在該列車停站時(shí)不動(dòng)作；個(gè)別站臺(tái)門故障時(shí)，系統(tǒng)可關(guān)閉并鎖定故障站臺(tái)門，向信號(hào)系統(tǒng)報(bào)告被鎖定站臺(tái)門位置，由信號(hào)系統(tǒng)將故障站臺(tái)門的位置發(fā)送給列車，列車隔離對(duì)應(yīng)的車門，使其在該站停站時(shí)不動(dòng)作。車門與站臺(tái)門故障隔離時(shí)，車輛應(yīng)觸發(fā)車門故障信息廣播向乘客播報(bào)相關(guān)信息。

1.5 車輛關(guān)鍵系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能

非全自動(dòng)車輛人工設(shè)置空調(diào)、照明、雨刮器、電熱玻璃、受電弓等系統(tǒng)的運(yùn)行模式，人工啟動(dòng)/關(guān)閉這些系統(tǒng)。

全自動(dòng)車輛由于沒有司機(jī)操作，因此需根據(jù)工況自動(dòng)控制空調(diào)、照明等系統(tǒng)的運(yùn)行模式、啟停，還可以由控制中心遠(yuǎn)程控制，溫度、亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

1.6 車輛關(guān)鍵系統(tǒng)故障處理

車輛低壓邏輯電路、牽引輔助系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)自身狀態(tài)顯示、自檢、故障診斷與自恢復(fù)、冗余、旁路等功能[2]。當(dāng)車輛關(guān)鍵系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，TCMS 處置相關(guān)故障信息且上傳到控制中心；控制中心遠(yuǎn)程人工處理車輛遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程旁路；控制中心遠(yuǎn)程人工確認(rèn)車輛降級(jí)運(yùn)行。該技術(shù)需要全自動(dòng)車輛采用復(fù)位機(jī)構(gòu)來模擬人工復(fù)位斷路器的動(dòng)作，在檢測(cè)到斷路器跳閘后嘗試再次投入[3]。

1.7 車輛異常事件聯(lián)動(dòng)處理

非全自動(dòng)車輛司機(jī)的職責(zé)之一便是在車輛出現(xiàn)異常事件時(shí)，對(duì)車輛或乘客預(yù)計(jì)及時(shí)準(zhǔn)確地干預(yù)。

全自動(dòng)車輛沒有司乘人員，因此車輛與控制中心的聯(lián)動(dòng)及遠(yuǎn)程處理功能需求尤為迫切。當(dāng)車輛發(fā)生乘客緊急對(duì)講請(qǐng)求、車門緊急解鎖、車門狀態(tài)丟失、車門檢測(cè)到障礙物、逃生門蓋板被打開、司機(jī)操作臺(tái)蓋板被打開、電氣柜門被打開、滅火器被移動(dòng)、感煙或溫?zé)熃M合探測(cè)器檢測(cè)到火災(zāi)等情況時(shí)，車載CCTV、PIS 系統(tǒng)立刻啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能，TCMS 處置事件信息且由車地?zé)o線通信傳輸通道上傳到控制中心，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)處理或由控制中心遠(yuǎn)程人工處理，并向乘客廣播[4]。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，車輛空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)也將參與聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整及開啟，避免煙霧擴(kuò)散。

2 配置差異

全自動(dòng)車輛為滿足在無人工操作的情況下實(shí)現(xiàn)車輛喚醒、自檢、出庫(kù)、正線運(yùn)行、回庫(kù)、休眠等功能，其走行部、受電弓（受流器）、司機(jī)室等系統(tǒng)在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上需新增部分設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)、無人值守、可靠性及安全性升級(jí)等需求。

2.1 障礙物檢測(cè)系統(tǒng)

非全自動(dòng)車輛依靠司機(jī)自主判斷軌道障礙物并采取制動(dòng)或其他處理方式。

全自動(dòng)車輛加裝障礙物檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一功能，具體包括兩種方案，一種是接觸式障礙物檢測(cè)（被動(dòng)式障礙物檢測(cè)），這種方案主要依賴于接觸式障礙物檢測(cè)裝置前端探測(cè)橫梁的撞擊，若引起位移則確認(rèn)有障礙物，另外一種是非接觸式障礙物檢測(cè)（主動(dòng)式障礙物檢測(cè)），其核心是攝像機(jī)及雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)后，根據(jù)算法判斷障礙物是否存在[5]，信息上傳到TCMS 及控制中心。

2.2 脫軌檢測(cè)系統(tǒng)

脫軌檢測(cè)是指車輛監(jiān)測(cè)到脫軌或者構(gòu)架失效時(shí)，緊急停車并向信號(hào)系統(tǒng)報(bào)告，包括三種方案，接觸式、非接觸式及振動(dòng)式。接觸式脫軌檢測(cè)系統(tǒng)通過障礙物檢測(cè)系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)，非接觸式方案通過感應(yīng)式接近傳感器監(jiān)測(cè)鐵軌位置，發(fā)送脫軌信號(hào)，振動(dòng)式方案利用安裝在轉(zhuǎn)向架或輪對(duì)上的振動(dòng)傳感器檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，判斷是否脫軌[6]，信息上傳到TCMS 及控制中心。

實(shí)際車輛設(shè)計(jì)通常將障礙物檢測(cè)與脫軌檢測(cè)系統(tǒng)兩者合二為一，以降低軸重，簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)行可靠性。

2.3 走行部監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)

全自動(dòng)車輛通過加裝振動(dòng)、軸溫傳感器，施行走行部安全監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)走行部故障早期實(shí)時(shí)自動(dòng)診斷的功能，保障車輛運(yùn)行安全，信息上傳到TCMS 及控制中心。

2.4 弓網(wǎng)（靴軌）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

全自動(dòng)車輛采用受電弓受流的車輛宜設(shè)置受電弓檢測(cè)系統(tǒng)；采用受流器受流的車輛應(yīng)實(shí)現(xiàn)受流器的本地及遠(yuǎn)程自動(dòng)升降靴控制；對(duì)受電弓進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，信息上傳到TCMS 及控制中心。以弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，包括地面服務(wù)站和車載設(shè)備。地面設(shè)備安裝于運(yùn)營(yíng)單位機(jī)房或者辦公室，車載設(shè)備安裝于地鐵車輛上。車載設(shè)備包括車內(nèi)設(shè)備和車頂設(shè)備。車內(nèi)設(shè)備包括數(shù)據(jù)處理中心和安全供電模塊。車頂設(shè)備包括受電弓監(jiān)測(cè)模塊、弓網(wǎng)溫度測(cè)量模塊、弓網(wǎng)燃弧測(cè)量模塊、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)定位模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊[7]。

2.5 司機(jī)室及內(nèi)裝設(shè)計(jì)

全自動(dòng)車輛通常拆卸后端墻系統(tǒng)，不單獨(dú)設(shè)置司機(jī)室，僅配置臨時(shí)隔擋，以增加定員及乘客體驗(yàn)，取消或配置折疊司機(jī)座椅，設(shè)置可封閉的有鎖閉報(bào)警裝置且具備防水防塵功能的司機(jī)臺(tái)，封閉司機(jī)室外露電氣件，同時(shí)取消司機(jī)室側(cè)門[8]。

2.6 關(guān)鍵部件冗余設(shè)計(jì)

由于全自動(dòng)無人駕駛地鐵車輛上沒有運(yùn)營(yíng)工作人員，對(duì)于車輛的冗余設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)要求更高。為了盡可能減少由于單個(gè)設(shè)備故障導(dǎo)致的無人駕駛車輛降級(jí)運(yùn)行，在地鐵車輛設(shè)計(jì)過程中需充分考慮各系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。因此車輛在電路、牽引、輔助、控制、制動(dòng)、車門、廣播、空調(diào)、照明等系統(tǒng)均采用冗余設(shè)計(jì)方案，充分考慮各系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)及采用具有更高可靠性的技術(shù)，盡可能減少全自動(dòng)無人駕駛車輛降級(jí)運(yùn)行，保證地鐵車輛正常運(yùn)行[9]。

2.7 防火安全

為保證防火安全，車輛需提升電氣屏柜防火性能，采取優(yōu)化耐火隔板、通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)等措施，以減少起火的概率，控制火勢(shì)蔓延的速度。提升強(qiáng)化煙火報(bào)警系統(tǒng)功能及報(bào)警流程，敷設(shè)感溫電纜，對(duì)車廂內(nèi)外及車體下方設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警[10]。

3 RAMS 差異

與傳統(tǒng)列車相比，全自動(dòng)運(yùn)行列車需面對(duì)更高的安全風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，其RAMS 要求更高。

3.1 可靠性要求

列車發(fā)生故障的頻率反映了列車的可靠性。按故障導(dǎo)致的后果，列車故障可分為兩類：

（1）導(dǎo)致列車發(fā)生≥2 min 初始延誤的故障，參考控制目標(biāo)為≤1.44×10-6次/（車·km）。

（2）導(dǎo)致不適合繼續(xù)服務(wù)或未能出車的故障，參考控制目標(biāo)為≤0.41×10-6次/（車·km）。

全自動(dòng)運(yùn)行列車的可靠性指標(biāo)還需參照既有項(xiàng)目的故障數(shù)據(jù)等，來分配列車各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)權(quán)重，以使整車的可靠性指標(biāo)可控。

3.2 可維修性要求

根據(jù)全自動(dòng)運(yùn)行列車可維修性用時(shí)要求，列車在線維修可更換單元不超過0.5 h，無需架車作業(yè)的維修工作不超過4.0 h，需架車維修的作業(yè)不超過6.0 h。

3.3 安全完整性等級(jí)要求

依據(jù)EN50128 與EN50129 標(biāo)準(zhǔn)要求，全自動(dòng)車輛子系統(tǒng)如TCMS、制動(dòng)、牽引等部件安全完整性等級(jí)（SIL）要求，常見指標(biāo)如表1 所示。

表1 全自動(dòng)運(yùn)行車輛部件安全完整性等級(jí)（SIL）要求

4 接口差異

全自動(dòng)車輛相關(guān)設(shè)計(jì)在無司乘人員干預(yù)下完成，因此車輛與信號(hào)、通信及綜合監(jiān)控等系統(tǒng)增加了較多的接口功能，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)車載設(shè)備與車輛的接口技術(shù)是實(shí)現(xiàn)地鐵線路全自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.1 車輛與信號(hào)系統(tǒng)接口差異

全自動(dòng)車輛與信號(hào)新增的關(guān)鍵接口功能包括列車休眠、列車喚醒、逃生門控制、蠕動(dòng)模式控制、列車?guó)Q笛控制、緊急制動(dòng)復(fù)位、輕制動(dòng)控制和列車聯(lián)掛等，而傳統(tǒng)CBTC 信號(hào)系統(tǒng)均通過人工實(shí)現(xiàn)上述功能。

車輛與信號(hào)系統(tǒng)的接口包括信號(hào)車載系統(tǒng)與列車牽引子系統(tǒng)、制動(dòng)子系統(tǒng)及車輛控制子系統(tǒng)之間的接口。

4.2 車輛與通信系統(tǒng)接口差異

全自動(dòng)車輛與通信接口中增加與IMS（Image Monitoring System，視頻監(jiān)視系統(tǒng)）、PIS（Passenger Information System，乘客信息系統(tǒng)）、RAD（Radio Communication，無線通信系統(tǒng)）等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，完成緊急呼叫激活、緊急操作裝置激活、車輛火災(zāi)報(bào)警等緊急情況下的處理；通過RAD，實(shí)現(xiàn)乘客與控制中心的雙向語(yǔ)音通信，通過PIS，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、車輛、控制中心、車輛PA（Public Address，廣播系統(tǒng)）和IMS 之間的聯(lián)動(dòng)；通過IMS，實(shí)現(xiàn)車載的視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、車輛、控制中心、車輛PA 的聯(lián)動(dòng)。

4.3 車輛與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口差異

全自動(dòng)車輛增加了與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，如緊急呼叫激活、緊急操作激活、早間上電、車站火災(zāi)等。

5 總結(jié)

整體而言，全自動(dòng)運(yùn)行車輛與非全自動(dòng)運(yùn)行車輛差異主要體現(xiàn)在運(yùn)行模式、控制方式、列車狀態(tài)監(jiān)控、安全需求等方面，該文在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了車輛功能要求、軟硬件配置、RAMS、接口上的具體差異，當(dāng)然有些全自動(dòng)車輛在此基礎(chǔ)上增加了諸如乘客擁擠度分析系統(tǒng)、智能運(yùn)維系統(tǒng)、車門障礙物檢測(cè)系統(tǒng)、軌道狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、司機(jī)眼系統(tǒng)等裝置，這些裝置并非必裝選項(xiàng)，該文并未展開分析，但相信未來越來越多的全自動(dòng)設(shè)備將應(yīng)用于全自動(dòng)運(yùn)行車輛及線路上。