■　王　偉

面向互聯(lián)互通的全自動運(yùn)行系統(tǒng)

■王偉

論述面向互聯(lián)互通的全自動運(yùn)行系統(tǒng)的必要性與可行性，以及全自動運(yùn)行技術(shù)和城市軌道交通系統(tǒng)互聯(lián)互通發(fā)展歷程；闡述基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）組成和技術(shù)特點；從統(tǒng)一的電子地圖描述方式和全生命周期的安全保障方法分析I-FAO的關(guān)鍵技術(shù)，提出需要解決的關(guān)鍵問題與核心技術(shù)，互聯(lián)互通與全自動運(yùn)行系統(tǒng)必將合并研究，并成為今后CBTC的技術(shù)發(fā)展方向。

互聯(lián)互通；全自動運(yùn)行系統(tǒng)；城市軌道交通；列車運(yùn)行控制系統(tǒng)；全自動駕駛系統(tǒng)；CBTC；FAO；I-FAO

0　引言

基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）在我國城市軌道交通中得到了普遍應(yīng)用，并較好地服務(wù)于城市軌道交通的發(fā)展。但在持續(xù)國產(chǎn)化與自主化CBTC建設(shè)與運(yùn)營過程中，存在智能化程度低，可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）持續(xù)改進(jìn)能力不足，節(jié)能優(yōu)化策略簡單，網(wǎng)絡(luò)化規(guī)劃基礎(chǔ)不到位等問題，設(shè)備應(yīng)用水平距國外還有一定差距。

CBTC是一種可持續(xù)發(fā)展的信號系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全自動運(yùn)行，整個軌道交通行業(yè)RAMS水平的持續(xù)提升為全自動運(yùn)行系統(tǒng)（FAO）的推廣奠定了基礎(chǔ)。目前，供貨商都是按照各自產(chǎn)品的特點設(shè)置解決方案，造成CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)、子系統(tǒng)之間接口設(shè)計、車-地通信方式等方面不統(tǒng)一，制約了CBTC在線路間的互聯(lián)互通與資源共享。因此，CBTC如何實現(xiàn)互聯(lián)互通及如何實現(xiàn)全自動運(yùn)行，正在作為相對獨立的兩個技術(shù)方向進(jìn)行研究［1-2］。

我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展至今，一直采用單線建設(shè)、單線運(yùn)營、有人駕駛的模式。隨著行業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市軌道交通的新線和延伸線建設(shè)，以及一些區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通提出了更高要求。據(jù)公共交通國際聯(lián)會（UITP）訊息：到2020年，全球（除我國內(nèi)地）共有40%的老線將改造為全自動運(yùn)行線路，75%的新線使用全自動運(yùn)行技術(shù)。目前，北京在建的全自動駕駛線路為燕房線，已列為國家發(fā)展和改革委員會與北京市的示范工程，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的自主化技術(shù)和裝備，在示范工程建成后，北京市將在新建的5條地鐵線路上推廣應(yīng)用。到2020年，北京將有183 km的線路采用全自動駕駛。這些線路如何實現(xiàn)互聯(lián)互通運(yùn)營是必須提前考慮并規(guī)劃的問題。

1　技術(shù)發(fā)展歷程

1.1FAO技術(shù)發(fā)展歷程

FAO在國外城市軌道交通中廣泛應(yīng)用，其發(fā)展歷程可分為起步階段和廣泛應(yīng)用階段［3］。

（1）起步階段。1971—2004年是FAO的起步階段，這個時期FAO多用于輕軌或運(yùn)量小的線路。1971年，為提高城市軌道運(yùn)營的服務(wù)品質(zhì)，增強(qiáng)與其他交通方式的競爭力，法國開始研究城市軌道FAO技術(shù)，1973年完成VAL系統(tǒng)的原型機(jī)研制。1978年，世界第一條FAO城市軌道線路——法國里爾1號線動工，1983年開通運(yùn)營。1977年開通運(yùn)行的倫敦道克蘭輕軌（DLR）是Driverless Train Operation（DTO）等級自動化城市軌道的典型。1998年，為紀(jì)念巴黎地鐵100周年，巴黎第一條FAO線——14號線開通運(yùn)營。在此期間，國內(nèi)地鐵建設(shè)速度緩慢，并未建設(shè)FAO線路。

（2）廣泛應(yīng)用階段（2005年至今）。新加坡東北線是全世界第一條實現(xiàn)正線、車輛段全自動運(yùn)行的大運(yùn)量地鐵線路，2003年6月開通運(yùn)營。2008年6月，德國紐倫堡的U3線正式開通DTO，該線路是德國首條FAO線。2009年開通運(yùn)營的阿聯(lián)酋迪拜的地鐵紅線是目前世界上最長的FAO線路。巴黎地鐵1號線是世界上首條由人工駕駛改造為FAO的線路，1900年建成。巴黎地鐵1號線是巴黎最繁忙、最擁擠（75萬人次/d）同時也是最老舊的線路。截至2013年，全世界有32個城市開通運(yùn)營48條線路、700座車站和674 km的FAO。全自動運(yùn)行列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)集成技術(shù)一次質(zhì)的飛躍，是城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國地鐵建設(shè)發(fā)展速度明顯提高。北京機(jī)場線、上海10號線采用全自動運(yùn)行技術(shù)建設(shè)。為更好地為運(yùn)營和乘客服務(wù)，在CBTC信號系統(tǒng)成功研發(fā)、示范應(yīng)用后，北京交通大學(xué)和北京交控科技有限公司采用“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”的自主創(chuàng)新模式，歷經(jīng)8年完成了FAO核心技術(shù)研發(fā)、裝備研制和試驗，目前在北京地鐵燕房線工程中實施。

1.2城市軌道交通系統(tǒng)互聯(lián)互通發(fā)展歷程

實現(xiàn)互聯(lián)互通有五種途徑。一是采用同一廠商相同制式的信號系統(tǒng)，如上海地鐵6、7、8、9號線。二是加裝多套信號車載設(shè)備，如未制定歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（ETCS）標(biāo)準(zhǔn)前的歐洲鐵路。三是加裝多套信號地面設(shè)備，如香港將軍澳線改造工程。四是采用通用信號車載設(shè)備，在依托軌道電路技術(shù)的系統(tǒng)中比較常見，但由于軌道電路的可靠性較低，已逐漸被CBTC所替代。五是采用基于統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的信號互聯(lián)互通設(shè)備配置，目前中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS）和ETCS均采用這種方式。

目前，國外巴黎、紐約、東京、墨爾本已實現(xiàn)或正在實現(xiàn)互聯(lián)互通，國內(nèi)對互聯(lián)互通的研究處于第三輪研究階段。第一輪是上海申通地鐵率先研究，在上海地鐵6、7、8、9號線尚未建成時，采用捆綁招標(biāo)的方式進(jìn)行探索，著眼于國產(chǎn)化，希望通過“市場換技術(shù)”，但由于核心技術(shù)依托國外，實現(xiàn)難度很大。第二輪由北京地鐵和廣州地鐵牽頭，著眼于功能和界面的統(tǒng)一，提出互聯(lián)互通、互通互換的要求，同樣是由于核心技術(shù)依托國外，實現(xiàn)難度很大。前兩輪研究進(jìn)展難度大的主要原因是互聯(lián)互通需求不明確和國內(nèi)未掌握核心技術(shù)。在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以北京交控科技有限公司為代表的國內(nèi)信號集成商已掌握核心技術(shù)，并有多條線路開通的經(jīng)驗，由中國城市軌道交通協(xié)會牽頭，重慶、北京、青島等地業(yè)主提出了互聯(lián)互通的明確要求，并形成相關(guān)規(guī)范，國家已經(jīng)批復(fù)設(shè)立互聯(lián)互通示范工程，并納入了國家“十三五”規(guī)劃。

1.3小結(jié)

目前，國內(nèi)對CBTC的研究已在世界前列，預(yù)計“十三五”期間全球城市軌道交通在建線路約8 000 km，其中，我國大陸約6 000 km，占75%；境外約2 000 km，占25%。目前，國內(nèi)互聯(lián)互通技術(shù)和全自動駕駛均設(shè)立了示范工程，借鑒巴黎互聯(lián)互通的經(jīng)驗，在建設(shè)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)時即提出預(yù)留升級全自動駕駛的條件，今后面向互聯(lián)互通的全自動駕駛系統(tǒng)（I-FAO）將是CBTC技術(shù)發(fā)展的重要方向。

2　CBTC組成與特點

2.1組成

互聯(lián)互通是CBTC的一個重要屬性，關(guān)鍵是若干個互聯(lián)互通的CBTC能否配置匹配的列車自動監(jiān)督系統(tǒng)（ATS）和電子地圖。在組成方面，增加互聯(lián)互通屬性的FAO并不一定要增加新的設(shè)備。

I-FAO是由中央監(jiān)控系統(tǒng)、車站子系統(tǒng)、車載控制器和車-地通信網(wǎng)絡(luò)等子系統(tǒng)構(gòu)成的、覆蓋整條線路及其所有車站和列車的復(fù)雜系統(tǒng)，是全天候不間斷運(yùn)行的高可靠、高安全、高度自動化的系統(tǒng)［4］。其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

加強(qiáng)的中央監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對全線的行車、車輛、機(jī)電設(shè)備、供電設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)視、控制和維護(hù)，并進(jìn)行緊急事故情況下的應(yīng)急處理；車站子系統(tǒng)負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)列車管理、進(jìn)路辦理、車站監(jiān)控等，以及軌旁布置定位、區(qū)段占用、道岔、信號機(jī)等設(shè)備；車載控制器具有列車安全防護(hù)、自動駕駛、乘客響應(yīng)、車輛監(jiān)控等功能；車-地通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大容量綜合承載的雙向無線車-地通信。

為提高互聯(lián)互通電子地圖的更新效率，可配置車載DSU設(shè)備，以實現(xiàn)電子地圖數(shù)據(jù)的自動下載，從而提高可用性。

2.2特點

FAO不僅提升技術(shù)裝備的自動化水平，也全面提升軌道交通技術(shù)水平和運(yùn)營方式，提高整個軌道交通控制設(shè)備的RAMS等級，以保障在無人監(jiān)控情況下的高安全、高可靠、高度自動化運(yùn)行。FAO需要解決以下技術(shù)問題：

（1）通過多專業(yè)的深度集成提升整體自動化水平。以行車指揮為核心，信號與車輛、電力、機(jī)電、通信等多系統(tǒng)深度集成，實現(xiàn)正常及故障情況下多專業(yè)自動聯(lián)動，提升軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)的整體自動化水平。

（2）通過全方位充分的冗余配置提高系統(tǒng)可靠性。信號在既有設(shè)備冗余的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)冗余配置。如車輛加強(qiáng)雙網(wǎng)冗余控制，增加與信號、乘客信息系統(tǒng)（PIS）的接口冗余配置等。

（3）通過對乘客和運(yùn)營人員的增強(qiáng)防護(hù)提升整體安全性。增強(qiáng)乘客防護(hù)功能，對乘客上下車及車內(nèi)安全進(jìn)行防護(hù)；增強(qiáng)運(yùn)營人員防護(hù)功能。增加應(yīng)急情況下的各系統(tǒng)聯(lián)動功能，如火災(zāi)情況下，通風(fēng)、行車、供電、視頻、廣播的聯(lián)動等。

（4）通過豐富的中央控制功能提升應(yīng)急處理能力。FAO將弱化車站功能，加強(qiáng)中心控制功能，實現(xiàn)對列車全自動運(yùn)行的全面監(jiān)控和對設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)測與維護(hù)調(diào)度，提供遠(yuǎn)程的面向乘客的服務(wù)。控制中心新增車輛調(diào)度及乘客調(diào)度，實現(xiàn)對車輛遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)控及乘客服務(wù)的功能。

（5）通過列車跨線、共線互聯(lián)互通運(yùn)營提高資源共享能力。互聯(lián)互通是指列車可在一條以上的線路上安全運(yùn)行，并且要求相對應(yīng)的車輛、信號、通信、供電、線路限界和運(yùn)營商等能夠一致。互聯(lián)互通最大的優(yōu)勢在于資源共享，通過互聯(lián)互通，實現(xiàn)在運(yùn)營管理、車輛調(diào)配、人機(jī)操作方式、檢修設(shè)備、維修工藝、備品備件、人力資源、培訓(xùn)資源等全方位的資源重組，盤活建設(shè)和運(yùn)營單位的人力與設(shè)備資產(chǎn)，最大限度降低軌道交通建設(shè)和運(yùn)營成本，提升軌道交通建設(shè)和運(yùn)營單位的管理水平與效益。

圖1　I-FAO結(jié)構(gòu)組成

3　I-FAO關(guān)鍵技術(shù)

與CBTC相比，F(xiàn)AO實現(xiàn)了車輛信號的一體化設(shè)計、信號設(shè)備高可靠性冗余配置和信號與綜合監(jiān)控的深度集成，根據(jù)運(yùn)營需求實現(xiàn)了信號系統(tǒng)場景的重新設(shè)計。實現(xiàn)I-FAO時應(yīng)根據(jù)FAO的需求，依托互聯(lián)互通的接口設(shè)計技術(shù)路線進(jìn)行實現(xiàn)。

I-FAO互聯(lián)互通接口解決方案見圖2。在我國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會及北京、上海、南京等地專家的支持下，自2014年開始編制《城市軌道交通基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）接口規(guī)范-互聯(lián)互通接口規(guī)范》工作，實現(xiàn)了裝備不同信號廠家車載設(shè)備的列車可在裝備不同信號廠家軌旁設(shè)備的一條軌道線路或多條軌道線路上無縫互通安全可靠運(yùn)行，總體目標(biāo)是支持軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，實現(xiàn)軌道交通線網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)營資源共享。目前，已經(jīng)制定了《CBTC總體要求》《應(yīng)答器報文》《CBTC車-地連續(xù)通信協(xié)議規(guī)范》《CBTC架構(gòu)和功能分配技術(shù)要求》規(guī)范。通過規(guī)范約束，明確列車共線、跨線運(yùn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)I-FAO還應(yīng)重點解決以下問題。

圖2　I-FAO互聯(lián)互通接口解決方案

圖3　全生命周期安全設(shè)計保障平臺

3.1統(tǒng)一的電子地圖描述方式

作為整個信號系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)，線路電子地圖的統(tǒng)一化定制與描述尤為重要，有利于規(guī)范信號系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)間的接口，使裝備不同信號廠家車載設(shè)備的列車具有跨線互聯(lián)互通運(yùn)營的接口條件，有利于規(guī)范信號系統(tǒng)的整體設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)化電子地圖格式的描述（如信號機(jī)布置、防護(hù)區(qū)段劃分等），形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心。

線路電子地圖的統(tǒng)一化設(shè)計應(yīng)從兩方面入手。一是統(tǒng)一化線路電子地圖的準(zhǔn)備流程；二是統(tǒng)一化線路電子地圖的描述格式。其準(zhǔn)備流程是將信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與技術(shù)方案實施作為兩條獨立的主線進(jìn)行考慮，針對線路的土建數(shù)據(jù)提取和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)化措施；信號系統(tǒng)供應(yīng)商可自身或委托第三方進(jìn)行設(shè)計，或由信號系統(tǒng)招標(biāo)方統(tǒng)一制定。

3.2全生命周期的安全保障方法

I-FAO繼承了FAO對RAMS的各項指標(biāo)要求，必須尋找有效的方法對I-FAO的設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用進(jìn)行全生命周期管理。該方法必須突破的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）基于復(fù)雜交互的運(yùn)營需求和場景辨識設(shè)計。（2）全生命周期列車通信與運(yùn)行控制系統(tǒng)產(chǎn)品安全設(shè)計方法。（3）列車運(yùn)行控制系統(tǒng)SIL4級軟件可信性評估和安全功能分配。（4）FAO、綜合自動化、互聯(lián)互通的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)風(fēng)險評估與危險源庫。

建立全生命周期安全設(shè)計保障平臺（見圖3）支撐I-FAO的設(shè)計與開發(fā)。采用基于列車運(yùn)行復(fù)雜場景的失效傳播模型和涵蓋全生命周期的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)方法，構(gòu)建滿足CENELEC標(biāo)準(zhǔn)的最高安全完善度等級的SIL4安全保障管理體系，搭建一個涵蓋列車運(yùn)營場景辨識、產(chǎn)品安全設(shè)計、軟件可信性評估、風(fēng)險與危險源分析和管理等核心技術(shù)的全生命周期安全設(shè)計保障平臺，滿足城市軌道交通運(yùn)營安全和可靠性要求，為城市軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全評估提供支撐。

全生命周期安全設(shè)計保障平臺可開展I-FAO運(yùn)營需求辨識和場景辨識、建模和分析，并對I-FAO風(fēng)險進(jìn)行評估，建立危險源庫，指導(dǎo)工程設(shè)計和應(yīng)用。

4　結(jié)束語

“Shift2Rail計劃”是2014年啟動的歐盟史上第一個大型鐵路科研創(chuàng)新項目，明確提出：先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)，應(yīng)是自動化、可互操作、互聯(lián)互通的，應(yīng)與司機(jī)建議系統(tǒng)（DAS）和自動行駛功能相配合，在正常運(yùn)行和降級運(yùn)行時能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)見性的動態(tài)交通管理［5］，整合并利用從列車及網(wǎng)絡(luò)獲取的實時狀態(tài)與性能數(shù)據(jù)，可使用基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的車載完整性驗證技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)對象控制功能。這與所研究的面向互聯(lián)互通的全自動駕駛系統(tǒng)目的一致。目前，國內(nèi)信號設(shè)備生產(chǎn)廠家在研究FAO時要放眼未來，參考我國目前制定的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)，在軌道交通行業(yè)落實“中國制造2025”計劃。

［1］ 郜春海. 基于通信的軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2007（2）：7-10.

［2］ 唐濤，郜春海，李開成，等.基于通信的列車運(yùn)行控制技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略探討［J］.都市快軌交通，2005（6）：25-29.

［3］ 劉波，孫軍國.中國完全自主化的全自動駕駛系統(tǒng)將于明年底開通運(yùn)營［J］.軌道世界，2015（9）：9.

［4］ 杜薇.全自動運(yùn)行燕房線工程七大核心設(shè)備系統(tǒng)獨立RAMS評估研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（4）：22-28.

［5］ 方挺.歐盟“Shift2Rail”鐵路科研創(chuàng)新項目面面觀［J］.軌道世界，2015（11）：14.

王偉：北京交控科技股份有限公司，副總裁，北京，100070

責(zé)任編輯盧敏

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