肖芃,劉維萍
(青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司,山東 青島 266000)
淺談地鐵無(wú)人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)
肖芃,劉維萍
(青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司,山東 青島 266000)
地鐵無(wú)人駕駛技術(shù)是地鐵發(fā)展趨勢(shì),也是地鐵信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展改進(jìn)的方向,EN62290-1:2006的定義,無(wú)人駕駛列車(chē)應(yīng)具備自動(dòng)進(jìn)入/退出運(yùn)營(yíng)的功能,由此需要對(duì)相關(guān)系統(tǒng)如信號(hào)、安全門(mén)、通信等系統(tǒng)進(jìn)行深化、細(xì)致的設(shè)計(jì)改變,與傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)相比,無(wú)人駕駛的信號(hào)系統(tǒng)迫切需要解決移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性的問(wèn)題.本文介紹了無(wú)人駕駛技術(shù)、傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)存在的缺陷、針對(duì)信號(hào)系統(tǒng)缺陷提出的設(shè)計(jì)解決方案,并介紹了新開(kāi)發(fā)的,基于車(chē)載控制平臺(tái)的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng).
無(wú)人駕駛;LTE;車(chē)載控制平臺(tái)
無(wú)人駕駛地鐵列車(chē)是采用高度自動(dòng)化的先進(jìn)地鐵系統(tǒng),是由地鐵控制中心用大型電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控的,整個(gè)線路網(wǎng)的站際聯(lián)系、信號(hào)系統(tǒng)、列車(chē)運(yùn)行、車(chē)輛調(diào)度等,也完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的列車(chē).
根據(jù)EN62290-1:2006的定義,自動(dòng)化等級(jí)劃分如表1.
表1
各自動(dòng)化等級(jí)功能如表2.
無(wú)人駕駛技術(shù)的引入將給運(yùn)營(yíng)單位帶來(lái)如下改變.
(1)過(guò)濾掉了司機(jī)介入操作的失誤、延時(shí)等人為不可避免的時(shí)間、效率的浪費(fèi),過(guò)去司機(jī)完成的工作,全部(或者基本)交由設(shè)備自動(dòng)完成,大大降低司乘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度.(2)全自動(dòng)駕駛可根據(jù)客流量變化,動(dòng)態(tài)調(diào)整列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃,有效控制空車(chē)走行,節(jié)約牽引能耗,運(yùn)營(yíng)組織更加靈活.根據(jù)國(guó)外已運(yùn)營(yíng)無(wú)人駕駛線路估算,單位車(chē)每公里運(yùn)行能耗降低30%.(3)理論上全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以有效縮短行車(chē)間隔,提高旅行速度,在與傳統(tǒng)線路同等運(yùn)力情況下,加速車(chē)輛的周轉(zhuǎn),提高列車(chē)使用率,以減少配置列車(chē)數(shù)量.(4)全自動(dòng)駕駛可減少司機(jī)定員,弱化或簡(jiǎn)化車(chē)站行車(chē)調(diào)度人員配置.中國(guó)制造的國(guó)內(nèi)首列"無(wú)人駕駛"地鐵列車(chē),2014年6月17日,在上海2014中國(guó)國(guó)際軌道交通展亮相.無(wú)人駕駛地鐵列車(chē)最大的亮點(diǎn)是采用先進(jìn)的全自動(dòng)控制解決方案,無(wú)需司機(jī)操控即可實(shí)現(xiàn)列車(chē)自動(dòng)喚醒、自檢、自動(dòng)發(fā)車(chē)離站、上下坡行駛、到站精準(zhǔn)停車(chē)、自動(dòng)開(kāi)閉車(chē)門(mén)等全自動(dòng)操作.
表2
2010年4月開(kāi)通的上海10號(hào)線,于2014年8月開(kāi)始應(yīng)用有人值守的全自動(dòng)運(yùn)行.線路長(zhǎng)36km,29座車(chē)站,目前運(yùn)行間隔5分鐘,高峰斷面2.88萬(wàn)人次;遠(yuǎn)期高峰斷面4.84萬(wàn)人次,遠(yuǎn)期能力100秒.北京燕房線,是國(guó)內(nèi)首條采用自主化全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)的線路.
信號(hào)系統(tǒng)作為列車(chē)控制的核心系統(tǒng),在FAO模式的運(yùn)營(yíng)理念下,信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備完成的關(guān)鍵工作在于如何將司機(jī)對(duì)車(chē)輛發(fā)出的操作指令轉(zhuǎn)換為信號(hào)設(shè)備本身代替司機(jī)發(fā)出,并且保證行車(chē)安全,符合調(diào)度員和車(chē)站值班員的操作意圖.
現(xiàn)行的ATO模式信號(hào)系統(tǒng)存在如下問(wèn)題.(1)信號(hào)控制邏輯須經(jīng)過(guò)車(chē)載-地面區(qū)域控制-聯(lián)鎖子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)處理,當(dāng)前信號(hào)車(chē)地?zé)o線通信方案通常為2.4G的WLAN技術(shù),多個(gè)子系統(tǒng)之間的傳輸延時(shí),會(huì)降低系統(tǒng)效率和可靠性.(2)軌旁設(shè)備多,系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間長(zhǎng).(3)一旦區(qū)域設(shè)備故障,影響范圍大,后備模式切換時(shí)間長(zhǎng),對(duì)運(yùn)營(yíng)影響大.
列車(chē)控制自動(dòng)化的核心升級(jí)部分,就是升級(jí)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),針對(duì)傳統(tǒng)ATO模式信號(hào)系統(tǒng)存在問(wèn)題,系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下.(1)如果采用FAO技術(shù),從車(chē)地?zé)o線通信穩(wěn)定性角度考慮,宜采用LTE技術(shù).(2)信號(hào)系統(tǒng)新增接口的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)內(nèi)容(與車(chē)輛、站臺(tái)門(mén)、洗車(chē)機(jī)、門(mén)禁、停車(chē)列檢庫(kù)庫(kù)門(mén)等).(3)新增信號(hào)系統(tǒng)功能.無(wú)線通信的穩(wěn)定性是制約自動(dòng)駕駛的重要方面,LTE-M無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)是可靠的通信手段,目前青島地鐵聯(lián)合四方所、四方股份等各家單位,基于以上技術(shù)提出了"基于車(chē)載控制平臺(tái)的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)"的設(shè)計(jì)理念和實(shí)施方案.2016年11月獲得中城協(xié)批復(fù),同意推薦為示范工程.
基于車(chē)載控制平臺(tái)的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)主要由三方面設(shè)計(jì)思路構(gòu)成,一是"車(chē)-車(chē)"通信,二是列控設(shè)備從軌旁到車(chē)載,三是列車(chē)主體化運(yùn)行.
(1)"車(chē)-車(chē)"通信有別于傳統(tǒng)列控系統(tǒng) "車(chē)-地-車(chē)"的通信模式,采用車(chē)-車(chē)(地)的通信模式,列車(chē)之間通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)直接建立通信,無(wú)需車(chē)-地-車(chē)環(huán)節(jié),后續(xù)列車(chē)可獲取前行列車(chē)的信息,并可以根據(jù)該位置信息和線路狀態(tài)信息,自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)和防護(hù)曲線.(2)軌旁到車(chē)載的設(shè)計(jì)思路是整合線路資源管理及區(qū)域控制功能,將傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)軌旁的聯(lián)鎖設(shè)備以及區(qū)域控制設(shè)備與傳統(tǒng)車(chē)載控制系統(tǒng)進(jìn)行深度融合與集成,軌旁僅設(shè)置目標(biāo)控制器和必要的基礎(chǔ)設(shè)備(將傳統(tǒng)的AP、應(yīng)答器、信標(biāo)、波導(dǎo)管等設(shè)備進(jìn)行功能整合).(3)列車(chē)主體化運(yùn)行的設(shè)計(jì)思路是基于"車(chē)-車(chē)"通信和車(chē)載控制平臺(tái),列車(chē)可以獲得時(shí)刻表等相關(guān)信息,可以根據(jù)時(shí)刻表自主調(diào)整運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)以列車(chē)為主體的列車(chē)主動(dòng)進(jìn)路、列車(chē)自主防護(hù)以及運(yùn)行等自主調(diào)整功能(傳統(tǒng)列車(chē)運(yùn)行控制均由地面設(shè)備進(jìn)行進(jìn)路辦理和移動(dòng)授權(quán)).
該系統(tǒng)與傳統(tǒng)設(shè)備相比具備優(yōu)勢(shì)如下.(1)提高系統(tǒng)可靠性.列控系統(tǒng)仍然通過(guò)聯(lián)鎖和ATP防護(hù)功能保證了行車(chē)安全,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能優(yōu)化再分配,直接控制運(yùn)行對(duì)象,保證行車(chē)安全.(2)實(shí)現(xiàn)工廠化調(diào)試.除了軌旁目標(biāo)控制器外,主要列控功能整合到車(chē)載控制平臺(tái),因而主要列控功能均可實(shí)現(xiàn)工廠化調(diào)試,將顯著減少現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試時(shí)間,從而有利于縮短工程建設(shè)周期,降低建設(shè)成本.(3)提升性能.同時(shí),將線路資源管理及移動(dòng)授權(quán)功能由軌旁集成至車(chē)載,車(chē)載控制數(shù)據(jù)流直達(dá)控制對(duì)象,提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,有助提高系統(tǒng)性能.(4)減少相關(guān)專業(yè)負(fù)擔(dān).通過(guò)精簡(jiǎn)車(chē)站/軌旁設(shè)備,可以減少50%~60%用房面積.同時(shí),通過(guò)減少和整合軌旁設(shè)備,還將顯著減少系統(tǒng)維護(hù)工作量,降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本.(5)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng).列車(chē)運(yùn)行控制的主要功能整合至車(chē)載系統(tǒng)后,控制過(guò)程對(duì)軌旁及控制中心系統(tǒng)依賴性低,因而有利于同制式線路的跨線和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng).
根據(jù)設(shè)計(jì)思想及整體運(yùn)營(yíng)方案,系統(tǒng)包含車(chē)載控制子系統(tǒng)、軌旁設(shè)備、無(wú)線通信子系統(tǒng)、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng).
車(chē)載控制子系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)思想,將車(chē)載列控系統(tǒng)自身網(wǎng)絡(luò)與車(chē)輛實(shí)時(shí)以太網(wǎng)深度融合(該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)符合EN50159標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求),并將兩者的顯示器、傳感器等進(jìn)行融合.
軌旁子系統(tǒng)取消傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)必須的區(qū)域控制器及聯(lián)鎖設(shè)備,僅保留車(chē)地通信設(shè)備、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸器及應(yīng)答器等基礎(chǔ)設(shè)備,并在軌旁設(shè)置目標(biāo)控制器.作為示范線后備,軌旁同時(shí)具備完整的點(diǎn)式+聯(lián)鎖后備系統(tǒng).
無(wú)線通信子系統(tǒng)主要由骨干網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成,負(fù)責(zé)為各系統(tǒng)提供安全或非安全的信號(hào)傳輸通道,其中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采用LTE技術(shù),針對(duì)LTE已制定了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范,并在城軌系統(tǒng)中已成熟應(yīng)用,為車(chē)車(chē)通信提供了保證.
列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)監(jiān)視(正常情況下不參與控制),提供強(qiáng)大數(shù)據(jù)匯集及分析功能.某些列車(chē)降級(jí)運(yùn)行時(shí),提供人工介入的應(yīng)急處理手段.作為示范線后備,實(shí)現(xiàn)完整的列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控功能.
[1]曹炳坤.無(wú)人駕駛的地鐵列車(chē)[M].交通與運(yùn)輸,2006,1.
U231
A
1671-0711(2017)11(上)-0100-02