肖 衍 蘇立勇

隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，需要開(kāi)發(fā)新的技術(shù)以提高其可靠性、先進(jìn)性。全自動(dòng)駕駛技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、高效的最佳化運(yùn)行，代表未來(lái)軌道交通技術(shù)發(fā)展的方向。

信號(hào)系統(tǒng)是全自動(dòng)駕駛的核心系統(tǒng)，研究全自動(dòng)駕駛信號(hào)系統(tǒng)的功能需求是開(kāi)展這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，本文從全自動(dòng)駕駛的影響因素分析入手，梳理信號(hào)系統(tǒng)的功能需求、接口，為后續(xù)的系統(tǒng)集成和建設(shè)創(chuàng)造條件。

1 全自動(dòng)駕駛信號(hào)系統(tǒng)影響因素分析

全自動(dòng)駕駛信號(hào)系統(tǒng)具有更高的自動(dòng)化程度，運(yùn)行可靠、安全、高效。系統(tǒng)能夠達(dá)到更高的自動(dòng)化運(yùn)行等級(jí)，列車(chē)在全線(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行 (含車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng))，車(chē)輛根據(jù)運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表自動(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(chē)門(mén)、屏蔽門(mén)的開(kāi)閉，根據(jù)運(yùn)營(yíng)需要自動(dòng)加減車(chē)，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。列控系統(tǒng)的核心設(shè)備冗余備份，具有更高的可靠性和安全性，與傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)的差別體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

首先，要求列車(chē)在全線(xiàn)任意地點(diǎn)能夠停車(chē)，即能夠應(yīng)對(duì)軌道上碰到異物、緊急情況下的人員疏散和應(yīng)急處理、列車(chē)故障情況下的緊急停車(chē)，能自動(dòng)出入停車(chē)場(chǎng)/車(chē)輛段。在傳統(tǒng)線(xiàn)路上，遇到問(wèn)題司機(jī)可以采取措施停車(chē)，車(chē)輛段停車(chē)也是由司機(jī)人工完成的。在全自動(dòng)駕駛線(xiàn)路，以上控制由信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)完成，或者由中心遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。

其次，粘著控制需要特殊考慮。在有人駕駛的運(yùn)營(yíng)模式下，出現(xiàn)雨雪天氣，駕駛員可以第一時(shí)間采取措施，避免可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)。在全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境中，遇到惡劣天氣，信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)感知輪軌打滑的情況，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)增大摩擦力，自動(dòng)降低行駛速度，不影響運(yùn)力，自動(dòng)增加發(fā)車(chē)密度;還要能夠判斷出系統(tǒng)需要退出全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)的條件，及時(shí)通知控制中心，改變運(yùn)營(yíng)模式或停止運(yùn)營(yíng)。

第三，屏蔽門(mén)需要聯(lián)動(dòng)控制。站臺(tái)屏蔽門(mén)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的前提條件，據(jù)法國(guó)巴黎地鐵1號(hào)線(xiàn)統(tǒng)計(jì)，造成該線(xiàn)行車(chē)延遲60%的情況是由于有人進(jìn)入站臺(tái)軌道區(qū)或者干擾該區(qū)域。目前，北京的新建線(xiàn)路都己經(jīng)安裝了屏蔽門(mén)，但是全自動(dòng)駕駛要求對(duì)單個(gè)屏蔽門(mén)的聯(lián)動(dòng)需要更加精確的控制，另外，安裝屏蔽門(mén)需要考慮屏蔽門(mén)與車(chē)門(mén)夾縫內(nèi)人員和物品的探測(cè)技術(shù)。

2 全自動(dòng)駕駛信號(hào)系統(tǒng)功能需求

2.1 提高軌道交通自動(dòng)化運(yùn)行等級(jí)的功能需求

1.全線(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。目前的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)采用CBTC系統(tǒng)，已經(jīng)基本具備一定的正線(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行能力，但在車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)仍然依靠人工駕車(chē)和計(jì)算機(jī)集中聯(lián)鎖控制的調(diào)度管理。這種運(yùn)營(yíng)方式的好處是車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)的管理相對(duì)獨(dú)立，調(diào)車(chē)作業(yè)非常靈活;缺點(diǎn)是由于正線(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)與車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)的信號(hào)系統(tǒng)不同，列車(chē)出入車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)分界點(diǎn)，需要車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)與正線(xiàn)CBTC系統(tǒng)的信息交互，以確認(rèn)列車(chē)是否可以繼續(xù)行駛，需要在轉(zhuǎn)換軌停車(chē)或減速，因此運(yùn)行效率不高。要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)的全自動(dòng)運(yùn)行，應(yīng)將正線(xiàn)CBTC系統(tǒng)延伸到車(chē)輛段/停車(chē)廠(chǎng)，需要在車(chē)輛段新增ATP/ATO設(shè)備，納入正線(xiàn)一體化管理 (由中心統(tǒng)一管理)，全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)出入車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)，車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)設(shè)專(zhuān)門(mén)的ATS遠(yuǎn)程終端。

2.行車(chē)綜合自動(dòng)化深度集成ATS。由于車(chē)上無(wú)司機(jī)，原來(lái)由司機(jī)承擔(dān)的職能，現(xiàn)在由系統(tǒng)和中心接替，中心集中控制、聯(lián)動(dòng)各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)指揮。因此，行車(chē)綜合自動(dòng)化系統(tǒng) (TIAS)應(yīng)運(yùn)而生，它深度集成信號(hào)ATS、PSCADA和BAS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以行車(chē)為主導(dǎo)的綜合控制系統(tǒng)，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，減少故障，縮短災(zāi)害情況下系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

3.車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)的喚醒休眠。傳統(tǒng)線(xiàn)路上列車(chē)投入或退出運(yùn)營(yíng)是由人工操作完成，全自動(dòng)駕駛情況下，信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表發(fā)給車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)相應(yīng)模塊的喚醒、休眠命令，用于啟動(dòng)處于休眠狀態(tài)、或關(guān)閉處于運(yùn)行狀態(tài)在存車(chē)線(xiàn)上的或是停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的列車(chē)。

4.駕駛端的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。列車(chē)應(yīng)能根據(jù)移動(dòng)授權(quán)的方向，自動(dòng)確定運(yùn)行方向，并自動(dòng)激活/關(guān)閉相應(yīng)的駕駛端，實(shí)現(xiàn)駕駛端的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。換端時(shí)不能引起任何ATO數(shù)據(jù)的中斷，如列車(chē)門(mén)的狀態(tài)/控制數(shù)據(jù)，停站時(shí)間，列車(chē)的狀態(tài)等。

5.支持全自動(dòng)洗車(chē)作業(yè)。自動(dòng)洗車(chē)功能應(yīng)由車(chē)輛段工藝專(zhuān)業(yè)實(shí)現(xiàn)，信號(hào)專(zhuān)業(yè)與其接口，信號(hào)系統(tǒng)增加自動(dòng)洗車(chē)模式以便支持自動(dòng)洗車(chē)功能，信號(hào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)連鎖設(shè)備與洗車(chē)機(jī)以硬線(xiàn)接口，信號(hào)系統(tǒng)接收洗車(chē)機(jī)發(fā)來(lái)的洗車(chē)線(xiàn)狀態(tài)和清洗模式，能夠控制車(chē)輛以設(shè)定的模式和速度通過(guò)洗車(chē)機(jī)，完成洗車(chē)作業(yè)。

6.空車(chē)探測(cè)。需要服務(wù)完成后，如果列車(chē)自動(dòng)回到側(cè)線(xiàn)/車(chē)輛段/場(chǎng)，沒(méi)有操作人員進(jìn)行目視檢查，需要自動(dòng)探測(cè)列車(chē)是否空車(chē)。可以考慮利用車(chē)載CCTV模糊控制技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分辨。

7.駕駛模式及其轉(zhuǎn)換。信號(hào)系統(tǒng)支持以下6種列車(chē)駕駛模式：無(wú)人駕駛、蠕動(dòng)、列車(chē)自動(dòng)駕駛、列車(chē)自動(dòng)防護(hù)下的人工駕駛、限制人工駕駛、非限制人工駕駛等。

列車(chē)駕駛模式由高等級(jí)向低等級(jí)轉(zhuǎn)換時(shí)，要求列車(chē)停車(chē)或不停車(chē)轉(zhuǎn)換駕駛模式;駕駛模式由低等級(jí)向高等級(jí)轉(zhuǎn)換時(shí)，要求不停車(chē)轉(zhuǎn)換駕駛模式。

8.列車(chē)工況管理。正線(xiàn)服務(wù)和停車(chē)場(chǎng)內(nèi)列車(chē)移動(dòng)前，應(yīng)設(shè)定列車(chē)工況，并通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)向正線(xiàn)或停車(chē)場(chǎng)內(nèi)指定的列車(chē)發(fā)布工況命令。全自動(dòng)駕駛包含以下工況：?jiǎn)拘?、調(diào)車(chē)、正線(xiàn)服務(wù)、停止正線(xiàn)服務(wù)、待命、清掃、休眠、洗車(chē)、關(guān)閉、自動(dòng)區(qū)與非自動(dòng)區(qū)之間轉(zhuǎn)換運(yùn)行，此外，還需實(shí)現(xiàn)列車(chē)自動(dòng)折返，支持停車(chē)場(chǎng)車(chē)庫(kù)門(mén)的自動(dòng)化運(yùn)行，行車(chē)自動(dòng)調(diào)整 (ATR)等。

2.2 提高系統(tǒng)的可靠性、安全性

1.信號(hào)系統(tǒng)采用完整的ATC，各子系統(tǒng)均需要冗余。增加車(chē)載ATO設(shè)備，均需主備冗余、熱備份，出現(xiàn)故障的時(shí)候主備“無(wú)縫”切換。

2.信號(hào)系統(tǒng)需要具有自診斷及中央遠(yuǎn)程監(jiān)督控制功能。信號(hào)系統(tǒng)需要增強(qiáng)診斷分析能力，車(chē)載與軌旁設(shè)備的實(shí)時(shí)報(bào)警功能，由信號(hào)專(zhuān)業(yè)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)增加與行車(chē)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的接口，將診斷信息匯總到控制中心，強(qiáng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的功能，定位為就地監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程報(bào)警。

3.故障/復(fù)位控制使得有人駕駛中由駕駛員復(fù)位的功能能夠遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。車(chē)載檢測(cè)裝置判斷車(chē)載控制器系統(tǒng)故障，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)停車(chē)，向控制中心報(bào)警，將相關(guān)故障信息報(bào)告控制中心，控制中心復(fù)位車(chē)載信號(hào)設(shè)備，認(rèn)定故障時(shí)段沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)方向的變化和車(chē)門(mén)打開(kāi)的情況下，列車(chē)方可投入運(yùn)行。

4.障礙物探測(cè)。為預(yù)防鋼軌飛進(jìn)障礙物和檢測(cè)列車(chē)脫軌，需新增軌道障礙物檢測(cè)及脫軌檢測(cè)系統(tǒng)。從安全的角度考慮，應(yīng)當(dāng)設(shè)置車(chē)載障礙物及脫軌檢測(cè)裝置，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題時(shí)，車(chē)輛能及時(shí)制動(dòng)，并將告警信息報(bào)告給信號(hào)系統(tǒng)。

此外，還需增強(qiáng)備用控制中心，引入車(chē)載軌道自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以滿(mǎn)足安全性要求。

2.3 停車(chē)功能需求

1.車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)停車(chē)。車(chē)輛綜合基地/停車(chē)場(chǎng)定位為全自動(dòng)車(chē)輛綜合基地/停車(chē)場(chǎng)，分為全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)和非全自動(dòng)駕駛區(qū) (內(nèi)含試車(chē)線(xiàn)和檢修車(chē)庫(kù))。全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域，中心ATS根據(jù)目的地自動(dòng)觸發(fā)進(jìn)路，列車(chē)將以限定速度直接運(yùn)行到指定的存車(chē)點(diǎn)。停車(chē)線(xiàn)停車(chē)時(shí)，保證列車(chē)之間的距離及列車(chē)與車(chē)擋之間的距離不大于設(shè)定距離 (設(shè)定距離可調(diào)整)。車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)防護(hù)分區(qū)車(chē)輛的移動(dòng)和停止，受人員防護(hù)開(kāi)關(guān)狀態(tài) (設(shè)于防護(hù)分區(qū)入口處)制約。

2.正線(xiàn)車(chē)站停車(chē)。①停車(chē)對(duì)位自動(dòng)調(diào)整。對(duì)于誤差大于設(shè)定停車(chē)精度時(shí)，允許列車(chē)自動(dòng)再啟動(dòng)對(duì)位停車(chē)或允許列車(chē)倒退對(duì)位停車(chē)，如果誤差仍大于設(shè)定精度，則跳站。②停車(chē)倒退防護(hù)。為適應(yīng)全自動(dòng)駕駛，信號(hào)系統(tǒng)需增強(qiáng)倒退防護(hù)功能，當(dāng)誤差大于設(shè)定距離時(shí)，不允許列車(chē)倒退，而直接控制列車(chē)運(yùn)行至下一站停車(chē)。同時(shí)應(yīng)向行調(diào)人員、車(chē)內(nèi)乘客發(fā)出報(bào)警、通知。

3.緊急制動(dòng)停車(chē)。在站臺(tái)區(qū)域，當(dāng)發(fā)生離站列車(chē)失去相關(guān)站臺(tái)屏蔽門(mén)鎖閉信息，或觸發(fā)站臺(tái)緊急關(guān)閉按鈕，車(chē)-地通信中斷，車(chē)輛、信號(hào)系統(tǒng)故障，區(qū)間或車(chē)載障礙物探測(cè)到人員或物品侵入軌道區(qū)時(shí)，應(yīng)觸發(fā)緊急制動(dòng)停車(chē)。另外，接收到授權(quán)行調(diào)人員下達(dá)的緊急停車(chē)指令 (ATS能提供遠(yuǎn)程對(duì)車(chē)輛的緊急制動(dòng)緩解功能)也應(yīng)觸發(fā)緊急制動(dòng)停車(chē)。

4.列車(chē)初始位置確定。全自動(dòng)車(chē)輛基地/停車(chē)場(chǎng)需要安裝信標(biāo)，或者采用相關(guān)定位技術(shù)確定車(chē)輛的初始位置，正線(xiàn)、停車(chē)線(xiàn)也需要同樣的信標(biāo)或相關(guān)定位技術(shù)，以確定車(chē)輛的停車(chē)位置。

2.4 粘著控制

對(duì)于高架線(xiàn)路，由于線(xiàn)路開(kāi)放，粘著力很容易受天氣狀況、樹(shù)葉、昆蟲(chóng)的影響，而發(fā)生變化。因此需要粘著控制，并對(duì)粘著力狀況進(jìn)行評(píng)估。通知控制人員潛在的差別、降低制動(dòng)率或終止自動(dòng)運(yùn)行。需要增加信號(hào)與粘著控制系統(tǒng)的接口，車(chē)輛應(yīng)增加粘著控制和狀況評(píng)估：可以考慮增加雨雪天的特殊駕駛模式，在該模式下系統(tǒng)自動(dòng)減速運(yùn)行，按照實(shí)際測(cè)算的打滑狀況，確定對(duì)應(yīng)的減速控制等級(jí)，根據(jù)雨雪天氣狀況采用適當(dāng)措施提高摩擦力如灑沙，甚至退出自動(dòng)運(yùn)行。

2.5 屏蔽門(mén)/安全門(mén)的控制

1.對(duì)位隔離鎖定功能。車(chē)門(mén)與屏蔽門(mén)/安全門(mén)故障對(duì)位鎖定功能，是指當(dāng)列車(chē)車(chē)門(mén)故障隔離后，本列車(chē)停站時(shí)對(duì)應(yīng)的屏蔽門(mén)/安全門(mén)應(yīng)能保持鎖閉，不參與停站的開(kāi)、關(guān)門(mén)作業(yè)。而且，當(dāng)車(chē)站屏蔽門(mén)/安全門(mén)故障或被人工鎖閉隔離后，停該側(cè)站臺(tái)的所有列車(chē)相對(duì)應(yīng)的車(chē)門(mén)也保持鎖閉，不參與停站的開(kāi)、關(guān)門(mén)作業(yè)。

2.屏蔽門(mén)/安全門(mén)與車(chē)門(mén)之間空隙中的人員物品探測(cè)。屏蔽門(mén)/安全門(mén)與車(chē)門(mén)之間留有空隙以避免它們之間發(fā)生碰撞，從結(jié)構(gòu)限界設(shè)計(jì)上就必須留有一定的安全距離。此安全距離恰恰對(duì)于乘客卻變成了有害的危險(xiǎn)空間，并且這一安全距離越大造成的乘客乘車(chē)危險(xiǎn)性就越高。綜合考慮選擇采用激光探測(cè)、安全擋板等技術(shù)措施，配合以土建，設(shè)計(jì)上盡可能減小車(chē)門(mén)和屏蔽門(mén)間隙，以解決屏蔽門(mén)/安全門(mén)與車(chē)門(mén)之間空隙的人員物品綜合探測(cè)。

3 系統(tǒng)接口

信號(hào)系統(tǒng)與外圍多個(gè)系統(tǒng)之間有消息交互，圖1是信號(hào)系統(tǒng)的接口圖，其中屏蔽門(mén)、人員防護(hù)、車(chē)庫(kù)門(mén)、洗車(chē)機(jī)、安監(jiān)中心、車(chē)輛、洗車(chē)，在實(shí)施全自動(dòng)駕駛后受到影響，發(fā)生變化或需新增接口。為滿(mǎn)足全自動(dòng)駕駛的功能需求，提高系統(tǒng)安全性、可靠性，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和故障診斷參量的數(shù)據(jù)流，需要從車(chē)輛、軌旁和車(chē)站上傳控制中心。這就帶來(lái)了一系列的接口改變，包括車(chē)輛和信號(hào)的接口、通信和車(chē)輛的接口、信號(hào)和綜合監(jiān)控的接口等等。

此外，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，有些原來(lái)內(nèi)部接口變?yōu)橥獠拷涌冢缇C合監(jiān)控深度集成ATS成為T(mén)IAS，使信號(hào)和綜合監(jiān)控之間的接口位置也由控制中心變?yōu)檐?chē)站和車(chē)輛段的信號(hào)機(jī)房，ATS與車(chē)站和車(chē)輛段ATP/ATO、CI的接口由信號(hào)內(nèi)部接口變?yōu)樾盘?hào)與行車(chē)綜合自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的外部接口。因此，深入分析關(guān)鍵系統(tǒng)間的接口變化至關(guān)重要。

圖1 信號(hào)系統(tǒng)接口圖

4 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)駕駛技術(shù)已成為軌道交通行業(yè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重要方向，有利于提高軌道交通系統(tǒng)的效率，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)最佳化運(yùn)行。深入分析信號(hào)等核心系統(tǒng)的功能需求，定義系統(tǒng)間的接口，是建設(shè)全自動(dòng)駕駛示范線(xiàn)，開(kāi)展系統(tǒng)集成和設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)。新一輪城市軌道交通建設(shè)即將開(kāi)啟，提前做好全自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究和技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)城軌交通下一步發(fā)展，提高線(xiàn)網(wǎng)的先進(jìn)性有著十分重要的指導(dǎo)意義。具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］ M.Ghantous-Mouawad，Walter Schon，Jean-Louis Boulanger and Gerald Churchill，Line 1 Automation Project：From Manual Train Driving to a Driverless Operation［C］.Railway Condition Monitoring，2006.

［2］ Internation Electrotechnical Commission.Fuctiona1 Safety andIEC 61508：A Basic Guide［S］.2002.

［3］ CENELEC.EN 50129：Railway Application-Communication，Signalling，Processing Systems-Safey Related Electronic Systems for Signailing［S］.2003.

［4］ Rail Transit Vehicle Interface Standard Committee.IEEEStd 1474.1-2004：Communications Based Train Control(CBTC)Performance and Functional Requirements［S］.2004.

［5］ 王日凡.全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)—全新理念的城市軌道交通模式［J］.城市軌道交通研究，2006，9(8)：1-5.

［6］ 堵建中.新加坡地鐵全自動(dòng)列車(chē)控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2006，(2)：54 56.