馮浩楠，黃蘇蘇，付 偉，李 智

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2. 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100081）

近年來，隨著城市軌道交通快速發(fā)展，基于通信的列車控制（communication based train control,CBTC）信號系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需求，全自動運行（fully automatic operation, FAO）技術正成為下一代發(fā)展趨勢[1-2]。

FAO 系統(tǒng)將信號系統(tǒng)、車輛、綜合監(jiān)控、通信和站臺門等多個系統(tǒng)深度融合，取消司機駕駛，車輛實現(xiàn)從出庫到回庫高度自動化運行，全面提升城市軌道交通系統(tǒng)自動化水平[3-4]。目前，國內(nèi)上海10 號線、北京機場線、亦莊線等應用了FAO 系統(tǒng)，更多城市正在規(guī)劃使用此類系統(tǒng)[5-7]。

城市軌道交通控制系統(tǒng)在投入工程應用前，為了驗證其功能完備性和安全性，確保系統(tǒng)安全可靠運行，需要借助實驗室的仿真系統(tǒng)進行仿真測試，完成多項性能檢驗[8-9]；此外，仿真系統(tǒng)還在控制系統(tǒng)的教學培訓和實踐學習中發(fā)揮重要作用[10-13]。

對比現(xiàn)有的CBTC 信號系統(tǒng)，F(xiàn)AO 系統(tǒng)在自動化集成度、可靠性、大數(shù)據(jù)運維和組織調(diào)配的靈活性等4 個方面實現(xiàn)了系統(tǒng)性能和功能全面提升[14]，相應的CBTC 系統(tǒng)仿真平臺已經(jīng)無法適應 FAO 系統(tǒng)的新需求。因此，本文針對FAO 系統(tǒng)的新特點，依托中國鐵道科學研究院軌道交通實驗平臺，針對中國城市軌道交通協(xié)會的城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)技術規(guī)范，基于廣州線路實際應用背景，建立FAO 系統(tǒng)多功能仿真平臺。仿真平臺在繼承現(xiàn)有CBTC 系統(tǒng)仿真平臺的基礎上，對功能和應用進行了拓展，除了具備現(xiàn)場工程參數(shù)的評估、系統(tǒng)性能評估和驗證基本功能外，增加貼合工程實踐需要的人員操作培訓和工程故障分析等功能，使仿真平臺更好地為工程應用服務，在工程生命周期中發(fā)揮最大功效。

1 FAO 系統(tǒng)仿真平臺設計

1.1 FAO 系統(tǒng)運營場景

根據(jù)中城協(xié)城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)技術規(guī)范的要求，F(xiàn)AO 系統(tǒng)的工作狀況設計為一個8 種工況轉換圖，如圖1 所示。車輛系統(tǒng)在喚醒上電命令下從斷電工況變?yōu)榇r，在出庫命令條件下進入車輛段內(nèi)變?yōu)閳鰞?nèi)工況。當車輛進入洗車線開始洗車命令和駛離洗車線結束洗車線的命令下，洗車工況與場內(nèi)工況相互轉換。在出段命令下，車輛進入正線工況。在終點站清客和清客完成啟動條件下，正線工況與清客工況相互轉換。入庫條件下車輛轉換為清掃工況。在按壓檢修和復位檢修條件下，系統(tǒng)在清掃工況與檢修工況之間轉換。

1.2 FAO 系統(tǒng)架構

針對FAO 系統(tǒng)工況任務，設計FAO 多功能仿真平臺分為中心級、軌旁級和車載級三個部分，結構如圖 2 所示。中心級系統(tǒng)包括中心自動列車監(jiān)控（automatic train supervision, ATS）系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)；軌旁級系統(tǒng)包括位于車輛段和正線的計算機聯(lián)鎖（computer interlocking, CI）系統(tǒng)、區(qū)域控制（zone controller, ZC）系統(tǒng)、軌旁仿真輸入輸出（input and output, IO）系統(tǒng)和車站ATS 系統(tǒng)；車載級系統(tǒng)包括列車自動駕駛（automatic train operation, ATO）系統(tǒng)、列車自動保護（automatic train protection, ATP）系統(tǒng)和車載檢測系統(tǒng)。所有系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（data communication system，DCS）按照規(guī)定協(xié)議完成數(shù)據(jù)信息交互，實現(xiàn)列車全自動駕駛。

圖1 FAO 系統(tǒng)工況轉換圖

圖2 FAO 仿真平臺組成架構圖

2 實驗內(nèi)容設計與實現(xiàn)

2.1 FAO 系統(tǒng)仿真平臺實現(xiàn)

FAO 系統(tǒng)仿真平臺選取廣州7 號線車輛段和正線4 個集中站作為應用場景，其中車輛段和廣州南站使用真實設備、其余三個設備集中站使用仿真設備模擬真實系統(tǒng)。這種混合系統(tǒng)配置方式既節(jié)省成本、減少空間占用，又很好地實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的需求，仿真平臺全景如圖3 所示，各個系統(tǒng)功能如表1 所示。

圖3 FAO 系統(tǒng)仿真平臺全景圖

表1 FAO 組成的系統(tǒng)功能表

2.2 FAO 系統(tǒng)仿真平臺實驗內(nèi)容設計

FAO 系統(tǒng)多功能仿真平臺具備工程參數(shù)評估、系統(tǒng)功能驗證和評估、人員培訓和故障分析4 大功能，貫穿于系統(tǒng)的工程全壽命周期，即從研發(fā)、預交付、交付使用和售后維保4 個階段。FAO 系統(tǒng)仿真平臺在工程生命周期各階段的功能、使用者和輸出如表2 所示。

（1）現(xiàn)場工程參數(shù)的評估。FAO 系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)，涉及眾多系統(tǒng)協(xié)同運轉。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自身設計目標和FAO 整體系統(tǒng)有效運轉的目標，需要對各個系統(tǒng)的配置參數(shù)在合理區(qū)間中選取優(yōu)選值，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。

表2 FAO 系統(tǒng)仿真平臺功用表

（2）系統(tǒng)功能驗證和評估。在工程生命周期中，功能驗證和評估可以分為內(nèi)部測試、第三方認證測試和驗收測試三個階段。內(nèi)部測試是系統(tǒng)完成后，開發(fā)人員交付測試工程師進行白盒和黑盒測試，驗證系統(tǒng)功能；目前城市軌道交通工程需要有資質(zhì)的認證機構進行第三方認證并提供認證報告，在此過程中認證人員會對系統(tǒng)的功能進行現(xiàn)場認證，并對系統(tǒng)功能測試報告進行評估；系統(tǒng)交付工程應用前，建設單位和運營單位依據(jù)系統(tǒng)和工程需求，利用仿真平臺進行功能測試，驗證系統(tǒng)功能是否達到系統(tǒng)初期設計要求，在實驗室功能測試滿足系統(tǒng)要求后，進一步將系統(tǒng)送往現(xiàn)場安裝，并進行真實環(huán)境下現(xiàn)場測試。

（3）人員培訓。雖然采用 FAO 系統(tǒng)后，司機的作用將弱化甚至取消，但是系統(tǒng)的正常運行仍涉及其他人員的支持和保證。人員培訓重點包括運營人員和故障檢修人員。針對人員職責不同，有針對性地編排培訓實操內(nèi)容。針對運營人員，重點是ATS 操作人員，在對其進行系統(tǒng)用戶手冊、系統(tǒng)界面顯示意義等內(nèi)容的培訓和考核后，通過在仿真平臺上設置典型運營場景，對運營人員進行實操培訓考察；針對現(xiàn)場維保人員，系統(tǒng)研發(fā)人員在向其進行系統(tǒng)性能、故障指示燈意義、常見故障分析處理的培訓后，通過在仿真平臺預設故障考察現(xiàn)場維護人員的掌握程度；此外，仿真平臺還可以作為單位新員工培訓工具，為新員工快速掌握系統(tǒng)性能、積極參與項目開發(fā)提供了途徑。

（4）故障分析。故障分析功能包括兩部分：一種是FAO 系統(tǒng)設計時建立的預設故障庫，包括報警意義表述、常見故障模式分析。在實驗階段，通過在仿真平臺上進行故障注入的方式實現(xiàn)對系統(tǒng)的可靠性、安全性進行評估。另一種是現(xiàn)場故障分析，通過對綜合監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場記錄回放分析，研發(fā)人員判斷系統(tǒng)故障原因，利用仿真平臺模擬現(xiàn)場故障產(chǎn)生條件復現(xiàn)故障，最終確認故障原因和出具故障分析報告，以及相應的系統(tǒng)提升方案；同時將新故障進行歸類，升級完善預設故障知識庫，統(tǒng)計運行期間的故障數(shù)目，評估系統(tǒng)運行性能。

3 FAO 系統(tǒng)仿真平臺實驗室應用

FAO 系統(tǒng)仿真平臺實驗室應用內(nèi)容包括：

（1）現(xiàn)場工程參數(shù)評估。城市軌道交通工程涉及眾多工程參數(shù)，可以分為設計工程數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)和維護數(shù)據(jù)4 大類，如圖4 所示。開發(fā)人員依據(jù)行業(yè)規(guī)范和系統(tǒng)需求完成系統(tǒng)設計和實現(xiàn)。在FAO 仿真平臺上進行參數(shù)評估，待評估的參數(shù)可以分為兩類：一類屬于固定參數(shù)，如各系統(tǒng)通信IP 地址、端口號、軌道區(qū)間長度、各類繼電器數(shù)目等，這類參數(shù)變動很小，只需在仿真平臺上進行配置可行性評估；另一類屬于可變參數(shù)，如通信周期、通信超時判斷等，這類參數(shù)通過在系統(tǒng)配置并進行集成實驗，根據(jù)實驗結果評估選取最優(yōu)值，提升系統(tǒng)運行性能。

（2）系統(tǒng)功能驗證和評估。在系統(tǒng)功能驗證和評估方面，F(xiàn)AO 系統(tǒng)仿真平臺包含的三類測試項目樣例如表3 所示。

（3）現(xiàn)場人員操作培訓。FAO 系統(tǒng)仿真平臺的培訓實驗內(nèi)容如表4 所示。

圖4 城市軌道交通FAO 系統(tǒng)工程參數(shù)

表3 FAO 仿真平臺測試項目列表

表4 FAO 系統(tǒng)仿真平臺培訓內(nèi)容

（4）故障分析。FAO 系統(tǒng)仿真平臺的預設故障庫的內(nèi)容包括故障原因、故障產(chǎn)生的預期報警、故障應對及解決措施等；現(xiàn)場故障分析功能包含系統(tǒng)故障描述、故障影響、故障記錄、故障原因以及故障解決方案等內(nèi)容。

4 結語

針對中城協(xié)城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)技術規(guī)范的要求，結合具體工程應用需求，依托中國鐵道科學研究院創(chuàng)新基地，以廣州7 號線為應用背景，設計并實現(xiàn)了FAO 系統(tǒng)多功能仿真平臺。仿真平臺涵蓋工程參數(shù)評估、系統(tǒng)性能驗證和評估、人員培訓和故障分析四大功能，在加速系統(tǒng)工程化應用、提升系統(tǒng)性能、加強運營技術支持和系統(tǒng)維護保障等方面發(fā)揮了重要作用。