范榮巍

(1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所, 北京100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

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燕房線全自動無人駕駛車輛制動系統(tǒng)

范榮巍1,2

(1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所, 北京100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

隨著軌道交通的發(fā)展，全自動無人駕駛技術(shù)被越來越多的應(yīng)用。北京燕房線做為國內(nèi)第一條自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動無人駕駛線路，實現(xiàn)了無人駕駛技術(shù)的全部國產(chǎn)化。本文介紹了全自動無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用；同時對燕房線無人駕駛車輛的特點以及制動系統(tǒng)的組成、功能及技術(shù)特點等進行了分析。

全自動無人駕駛技術(shù); 燕房線; 制動系統(tǒng)

軌道交通全自動無人駕駛(Unattended Train Operation)技術(shù)是將列車司機所執(zhí)行的工作完全自動化、高度集中控制的列車控制技術(shù)。車輛在控制中心的統(tǒng)一控制下實現(xiàn)列車速度的精確調(diào)整、自動加速和制動實現(xiàn)全自動運營，同時可實現(xiàn)列車自動喚醒、自檢、自動發(fā)車離站、到站精準停車和自動開關(guān)車門，完成運營后自動休眠，以及在故障情況下實現(xiàn)自動恢復等功能。該技術(shù)具有更高的安全性和可靠性；可實現(xiàn)城軌列車高密度運行，有利于降低運營成本。隨著國內(nèi)外軌道交通的發(fā)展，全自動無人駕駛車輛在世界很多國家得到關(guān)注和應(yīng)用。

制動系統(tǒng)是全自動無人駕駛車輛的核心組成系統(tǒng)，也是實現(xiàn)列車全自動駕駛控制的核心關(guān)鍵技術(shù)。制動系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的密切配合協(xié)同，具備及時制動響應(yīng)，實現(xiàn)車輛的制動性能滿足自動駕駛的精確停車要求。區(qū)別與普通城軌列車，制動系統(tǒng)具備更多的冗余功能、故障自動檢測和遠程操作等功能，確保行車安全。

1 全自動無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用

全世界有20多個項目采用了全自動無人駕駛。法國從里爾市建成全自動駕駛系統(tǒng)后，里昂、巴黎等多個城市地鐵線路采用無人駕駛技術(shù)。英國倫敦和格拉斯、德國紐倫堡的U2、U3線等也都采用了無人駕駛系統(tǒng)。新加坡于2002年也建成通車了NEL線無人駕駛系統(tǒng)；意大利的都靈市也修建了無人駕駛系統(tǒng)。從目前的趨勢看，無人駕駛技術(shù)得到了大量的應(yīng)用和發(fā)展。

國內(nèi)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前在上海、北京等已經(jīng)有應(yīng)用的無人駕駛項目。但均采用國外的控制系統(tǒng)。上海軌道交通10號線采用無人駕駛設(shè)計，開通初期，從運營安全角度考慮，采用有人駕駛模式目前實現(xiàn)了有人值守的無人駕駛模式，配備司機但不參與直接駕駛，只負責監(jiān)控車輛運行。北京軌道交通機場線采用全自動無人駕駛列車，全線采用直線電機車輛，4輛編組，實現(xiàn)了列車的精確定位、高速運行、實時跟蹤和自動折返，縮短了列車運行間隔，提高了行車密度和旅行速度。但一直沒有實現(xiàn)真正的無人駕駛。香港南港島線(東段)將采用完全無人駕駛運營的地鐵列車，采用3輛編組方式，無需司機操控，即可實現(xiàn)列車自動喚醒、自檢、自動發(fā)車離站、上下坡行駛、到站精準停車、自動開閉車門等全自動操作，正在建設(shè)。

北京軌道交通燕房線車輛是國內(nèi)首家自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動無人駕駛車輛，列車、牽引、網(wǎng)絡(luò)、信號均采用國產(chǎn)化設(shè)計。車輛設(shè)計充分考慮各場景及遠程控制功能，具備遠程喚醒、自動折返換端、自動調(diào)車、遠程緊急制動緩解、車上設(shè)備工作狀態(tài)遠程檢測、蠕動模式、跳躍模式等功能。

2 全自動無人駕駛車輛的技術(shù)特點

全自動無人駕駛車輛原本司機完成的工作由運營控制中心(OCC)來進行，設(shè)備的配置或控制、邏輯都采用冗余備份的方案；同時考慮設(shè)備故障后能夠原車控制或自動降級，從硬件和軟件方面進行相關(guān)補充或補償，保證列車運行安全可靠。

(1)列車采用開放式司機室，司機操縱臺整體封閉，僅用于緊急事故情況或車場調(diào)車作業(yè)時的人工駕駛；

(2)車輛增加了障礙物檢測系統(tǒng)以及脫軌檢測系統(tǒng)。采用高靈敏度的傳感裝置探測沿線障礙物，當車輛接收到障礙物、脫軌檢測信息后，觸發(fā)緊急制動，避免車輛脫軌或傾覆。

(3)列車應(yīng)具備更高的可靠性及安全性，充分考慮系統(tǒng)的容錯能力。關(guān)鍵系統(tǒng)，如制動、信號系統(tǒng)以及列車控制電路等采用冗余設(shè)計。

(4)列車需具備快速、準確、安全的故障診斷能力和完善的監(jiān)控功能，以便對列車運行狀態(tài)進行監(jiān)控、診斷及故障遠程處理。因此，要求各子系統(tǒng)具備完善的故障診斷能力。最大程度的確保車輛的安全運營。

(5)列車及子系統(tǒng)需具備多場景多模式運營的控制及響應(yīng)能力，車輛可自動喚醒、進站停車、折返換端、休眠、自動調(diào)車以及在雨雪模式、蠕動模式下實現(xiàn)全自動控制。使得車輛按照接近優(yōu)化的運行曲線進行運營，達到節(jié)能環(huán)保的目的。全自動化運營也避免了人為操作失誤導致的運營故障。

3 燕房線全自動無人駕駛車輛制動系統(tǒng)技術(shù)

燕房線制動系統(tǒng)采用架控方式的微機控制模擬式直通電空制動系統(tǒng)，更好的適應(yīng)列車4輛編組的要求，在單個BUC故障下具有更高的冗余和可靠性。制動系統(tǒng)采用通用及兼容配置，可滿足遠期車輛速度為100 km/h，6輛編組的擴編要求。

3.1 燕房線制動系統(tǒng)的組成

制動系統(tǒng)主要由風源系統(tǒng)、制動控制單元、輔助控制模塊以及基礎(chǔ)制動等組成。

全列車有兩套風源系統(tǒng)。風源系統(tǒng)包括空氣壓縮機、雙塔干燥器、油水分離器、安全閥、壓力開關(guān)等。兩套風源系統(tǒng)互為冗余，由TCMS集中控制管理，采用單雙日網(wǎng)絡(luò)控制，壓力開關(guān)備用。風源系統(tǒng)設(shè)置溫度、以及干燥監(jiān)控等功能，便于狀態(tài)的監(jiān)控和故障診斷。

每輛車配置制動網(wǎng)關(guān)單元(EP09G)和制動控制單元(EP09S)。EP09G通過MVB總線接收制動指令和電制動信號，并計算本單元中各個轉(zhuǎn)向架上應(yīng)施加的空氣制動，通過制動系統(tǒng)CAN總線傳送給本單元的各架控EP09S。兩輛車組成的一個CAN網(wǎng)段內(nèi)，兩套EP09G分別工作在主從模式，互為冗余，提高系統(tǒng)可靠性。

EP09S根據(jù)接收到的制動力請求進行基于轉(zhuǎn)向架的常用制動和緊急制動控制，以及進行基于軸控的防滑控制。同時，裝置基于軟件和硬件的監(jiān)控功能，能檢測系統(tǒng)潛在的風險及故障。

圖1 制動系統(tǒng)的組成

輔助控制模塊集成了停放控制功能及空氣彈簧供風控制功能，采用集成化和模塊化設(shè)計，便于設(shè)備安裝。制動系統(tǒng)采用輪盤制動方式，包括制動夾鉗及閘片。每軸配備一套具有停放制動功能的夾鉗，可保證超員列車能安全停放在線路的最大坡道上。

3.2 燕房線制動系統(tǒng)的功能

(1)常用制動

常用制動用于車輛的正常減速制動和停車制動，根據(jù)載荷和制動級位調(diào)節(jié)制動力。在全自動無人駕駛狀態(tài)下，根據(jù)信號的制動指令和載荷實施相應(yīng)的制動。速度80 km/h最大常用制動的平均減速度不小于1.0 m/s2。

常用制動采用電空混合制動方式并優(yōu)先使用電制動，當電制動不能滿足制動力要求時，由空氣制動力補充；電制動在低速退出后，由空氣制動替代。制動系統(tǒng)在補充空氣制動時按等磨耗原則在各轉(zhuǎn)向架上平均施加空氣制動力 。常用制動指令通過MVB網(wǎng)絡(luò)或PWM指令線傳送給EP09G網(wǎng)關(guān)單元，網(wǎng)關(guān)單元通過制動CAN總線控制CAN網(wǎng)段內(nèi)(1動1拖) 每個制動控制單元的空氣制動力。

(2)緊急制動

緊急制動采用純空氣制動方式，用于緊急情況下的安全停車。 速度80 km/h緊急制動的平均減速度不小于1.2 m/s2。

緊急制動由列車線控制，采用失電制動,得電緩解，具有故障導向安全的原則。

(3)停放制動

停放制動用于保持列車長時間靜止狀態(tài)的一種制動方式。停放制動是由彈簧施加的制動,具有制動力長時間不衰減的特性。在全自動駕駛車輛中，停放制動的施加和緩解不僅可以通過控制線遠程操作，排風后施加的停放制動還可以通過緩解機構(gòu)人工緩解。

(4)保持制動

保持制動用于保持列車停車后的靜止狀態(tài)和列車起動過程中防止倒溜。

保持制動施加指令在列車接近零速時由信號系統(tǒng)通過TCMS發(fā)給制動系統(tǒng),當信號系統(tǒng)在列車速度低于0.5 km/h時未發(fā)出保持制動施加指令,制動系統(tǒng)自動施加保持制動。保持制動緩解指令由TCMS在牽引力足以起動列車發(fā)給制動系統(tǒng),當TCMS系統(tǒng)在列車速度高于0.5 km/h時未發(fā)出保持制動緩解指令,制動系統(tǒng)自動緩解保持制動。

在全自動駕駛車輛中，正常模式下保持制動根據(jù)信號系統(tǒng)的指令進行保持制動的施加緩解；同時根據(jù)列車的牽引及速度參數(shù)進行自動施加和緩解，確保車輛的自動駕駛功能。

(5)防滑功能

制動系統(tǒng)具有基于單軸控制的滑行保護功能。發(fā)生滑行時，先由電制動進行防滑控制，電制動連續(xù)滑行時或嚴重滑行時，由牽引系統(tǒng)主動切除電制動滑行信號，由空氣制動進行滑行控制。

基于燕房線高架線路的特點，優(yōu)化防滑功能的參數(shù)和判據(jù)，采用減速度及速度差檢測進行防滑控制。

(6)系統(tǒng)檢測及故障診斷功能

制動系統(tǒng)具有系統(tǒng)檢測及故障診斷功能。系統(tǒng)檢測包括上電自動檢測和運行檢測。

運行檢測是在系統(tǒng)正常工作時不需要外部干預也能進行的檢測。運行檢測內(nèi)容主要包括：壓力傳感器自檢、速度傳感器故障、MVB通信故障等。

根據(jù)全自動無人駕駛車輛的特點，制動系統(tǒng)的故障診斷主要是對系統(tǒng)的功能進行診斷，如各種制動和緩解功能故障。當系統(tǒng)檢測出有故障時，能夠通過MVB發(fā)送給列車監(jiān)控系統(tǒng)(TMS)，并有控制中心根據(jù)故障的影響程度進行有效的處理，確保列車在線路正常運營。

3.3 燕房線制動系統(tǒng)的特點

制動系統(tǒng)適應(yīng)全自動無人駕駛車輛的要求，充分考慮系統(tǒng)的安全和冗余設(shè)計，具有以下的特點：

(1)為保證系統(tǒng)的高可靠性、高可用性要求，系統(tǒng)采用冗余設(shè)計：

①PWM制動級位與MVB網(wǎng)絡(luò)指令互為冗余，網(wǎng)絡(luò)中斷時通過緊急牽引模式實現(xiàn)制動功能。

②制動系統(tǒng)采用MVB與CAN兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CAN網(wǎng)段內(nèi)兩個EP09G互為熱備冗余。

③MVB網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)均采用兩路冗余的方式，一路故障時自動采集另一路。

④氣動控制單元采用雙路冗余的氣路控制結(jié)構(gòu)，兩路壓力控制閥的輸出可連通閥溝通。正常情況下只有一路壓力控制閥工作，當一路壓力控制閥故障時可通過連通閥使用另一路來控制制動缸壓力。

(2)制動系統(tǒng)采用安全性設(shè)計，具有更高的安全保障措施,以保證在發(fā)生緊急情況時能緊急制動能可靠施加：

①緊急制動為“失電制動”，緊急制動安全環(huán)路一旦失電列車自動實施緊急制動。

②緊急制動采用硬線直接控制而不是通過CAN網(wǎng)絡(luò)進行控制，以提高緊急制動的安全性。

③緊急制動時的空重車調(diào)節(jié)采用失電鎖存式電子稱重閥，控制電源失電時仍保持失電前的空重車狀態(tài)。

④緊急制動的電子稱重閥具有機械式壓力上限和下限控制可以對稱重故障時緊急制動壓力進行上下限限制;

(3)制動系統(tǒng)具備快速、準確、安全的故障診斷能力和完善的監(jiān)控功能。制動系統(tǒng)可將系統(tǒng)故障以重故障、中故障和輕故障進行分級判斷，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳TCMS，以便于對列車運行狀態(tài)分析判斷和故障遠程處理。

(4)制動系統(tǒng)具有遠程制動切除功能：每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置一個遠程切除電磁閥，用于EP09控制單元未正常緩解時，可通過車輛電路控制實現(xiàn)遠程緩解操作。當某轉(zhuǎn)向架被遠程切除后，該架喪失包含緊急制動在內(nèi)的空氣制動力。為確保安全，車輛電氣控制可以保證一列車只允許一個遠程切除電磁閥進行遠程緩解操作。

(5)制動系統(tǒng)增加了踏面清單功能：為改善輪軌間黏著狀況，每天出車前由TCMS控制施加踏面清掃，以確保輪軌間黏著。

(6)制動系統(tǒng)可響應(yīng)車輛跳躍模式：“跳躍模式”是在停車位置超出正常范圍后短距離移動列車的一種方式。“跳躍模式”需適當減小保持制動力使列車能夠移動，但還要防止列車溜車或者移動距離過長。

制動系統(tǒng)檢測硬線或網(wǎng)絡(luò)上“跳躍模式”時,制動系統(tǒng)自動減小保持制動力，并始終施加，直至退出跳躍模式。

4 結(jié)束語

全自動無人駕駛系統(tǒng)是未來城市軌道交通發(fā)展的趨勢和技術(shù)制高點。作為核心系統(tǒng)的制動系統(tǒng)，將隨著不同線路應(yīng)用的要求，不斷的增加系統(tǒng)的可靠性和功能，適應(yīng)全自動無人駕駛車輛的要求。北京軌道交通燕房線在系統(tǒng)的自主化設(shè)備集成、安全運行技術(shù)及信號、車輛裝備的研發(fā)和制造上取得階段性成果，將進一步引領(lǐng)無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

[1] 朱蓓玲，宋 鍵．全自動無人駕駛車輛功能與特點[J]．地下工程與隧道，2005，(4)：33-35.Braking System of Fully Automatic Driverless Metro Car in Yanshan-Fangshan Line

FANRongwei1,2

(1 Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Science, Beijing 10081, China;2 Beijing Zhongheng Electromechanical Technology Development Co, Beijing 100094, China)

With the development of urban rail transit，the fully automatic driverless technology has been applied in more and more subway lines. Beijing Yanshan-Fangshan Line is the first metro line with independent intellectual property rights of fully automatic driverless integrated technology. The integrated technology realized localization completely. This paper introduces the application of the fully automatic driverless technology. The characteristic of the vehicle of Yanshan-Fangshan Line is also introduced. Especially the composition,function and technical features of the braking system are analyzed in detail.

automatic driverless technology; Yanshan-Fangshan Line; braking system

??)女，助理研究員(

2016-05-24)

地鐵與輕軌

1008-7842 (2016) 05-0107-03

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.25