曹長(zhǎng)琴,李 沖
(成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司,成都610000)
成都地鐵1 號(hào)線車(chē)輛設(shè)計(jì)生產(chǎn)于2008 年,2010 年正式運(yùn)營(yíng)。截至目前線路全長(zhǎng)41 km,日均客流量超100 萬(wàn),最小行車(chē)間隔2 min,信號(hào)、車(chē)輛設(shè)備技術(shù)落后且嚴(yán)重老化,車(chē)輛智能化水平低,大量的人工操作容易產(chǎn)生操作失誤影響行車(chē)安全。列車(chē)狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)落地,給正線車(chē)輛故障應(yīng)急處理帶來(lái)極大不便,影響處置時(shí)間和效果。為了提高列車(chē)運(yùn)行效率,減少人工作業(yè)量并提升行車(chē)客運(yùn)安全水平,研究對(duì)1 號(hào)線地鐵車(chē)輛升級(jí)改造的可行性,全面提升1 號(hào)線地鐵車(chē)輛自動(dòng)化水平。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)已有4 個(gè)城市、7 條線路開(kāi)通了全自動(dòng)駕駛,包括香港南港島線、上海地鐵10 號(hào)線和北京地鐵燕房線等,在建線路100 km 以上。截至2019 年全球已有42 個(gè)城市、63 條線、1 003 km 線路采用全自動(dòng)駕駛。全自動(dòng)運(yùn)行模式下的無(wú)人駕駛,其本質(zhì)上是通過(guò)調(diào)度人員遠(yuǎn)程控制列車(chē)的喚醒、自檢、啟動(dòng)、行車(chē)、開(kāi)關(guān)門(mén)、控制電路、退出服務(wù)以及休眠等。車(chē)輛設(shè)備必須要在設(shè)備信息化、智能化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性上做好深入研究,搜集大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),以滿足嚴(yán)苛的安全等級(jí)評(píng)估。1 號(hào)線地鐵車(chē)輛設(shè)備實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行需要對(duì)各個(gè)系統(tǒng)全面升級(jí)改造。
從目前的GOA3 升級(jí)改造為GOA4 全自動(dòng)運(yùn)行的無(wú)人駕駛車(chē)輛,相比傳統(tǒng)的有司機(jī)值守運(yùn)營(yíng)線路,全自動(dòng)運(yùn)行沒(méi)有司機(jī)監(jiān)控,那么車(chē)輛設(shè)計(jì)方案上就必須實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容錯(cuò)能力、各個(gè)系統(tǒng)需配備多重冗余功能和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。列車(chē)需要更加穩(wěn)定、可靠的通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及設(shè)備的智能化操控。信號(hào)控車(chē)系統(tǒng)中,對(duì)于行車(chē)過(guò)程中的列車(chē)位置追蹤間隔、控車(chē)精度、控車(chē)速度曲線等要求提高。車(chē)輛故障時(shí),列車(chē)需要具備遠(yuǎn)程控制、故障數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)效性以及準(zhǔn)確的故障自診斷功能的完整性。
表1 軌道交通自動(dòng)化等級(jí)的分類(lèi)
(1) 自動(dòng)休眠、喚醒
基本要求:根據(jù)ATC 的指令自動(dòng)休眠、喚醒列車(chē)。
實(shí)施方案:1 號(hào)線車(chē)輛需要增加喚醒模塊,以及喚醒模塊到蓄電池間的控制電路。蓄電池、輔助系統(tǒng)、受電弓、空調(diào)、牽引制動(dòng)系統(tǒng)、空壓機(jī)等的控制在目前的手動(dòng)控制按鈕基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)控制。
由信號(hào)系統(tǒng)的喚醒模塊輸出硬線指令到車(chē)輛激活電路喚醒、休眠列車(chē)。每天運(yùn)營(yíng)前,已休眠的列車(chē)需要喚醒,喚醒需要啟動(dòng)車(chē)載控制,并激活整個(gè)列車(chē)的其他設(shè)備,使之進(jìn)入正常工作狀態(tài)。列車(chē)收到喚醒指令后,接通車(chē)上設(shè)備系統(tǒng)的低壓供電電源,列車(chē)自動(dòng)升弓,接入供電接觸網(wǎng)。
正常情況下,列車(chē)的喚醒由ATS 根據(jù)時(shí)刻表自動(dòng)喚醒,如果有特殊情況,可以通過(guò)遠(yuǎn)程人工喚醒和列車(chē)就地喚醒使列車(chē)喚醒。
輔助逆變器和充電機(jī)啟動(dòng)是采用網(wǎng)絡(luò)+硬線模式,全自動(dòng)情況下網(wǎng)絡(luò)控制,人工操作或故障時(shí)采用硬線控制,高電平為停止。中壓母線接觸器閉合由TCMS 進(jìn)行控制。
空調(diào)/電熱預(yù)熱→牽引系統(tǒng)部件動(dòng)作情況→TCMS判斷條件滿足后,自動(dòng)發(fā)送閉合高速斷路器允許指令,牽引判斷條件滿足,自動(dòng)閉合高速斷路器,預(yù)充電接觸器自動(dòng)閉合。
(2) 洗車(chē)
基本要求:根據(jù)ATC 指令自動(dòng)控制列車(chē)在車(chē)場(chǎng)全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)(含洗車(chē)線)內(nèi)的走行及洗車(chē)作業(yè)。
實(shí)施方案:增加1 號(hào)線TCMS 系統(tǒng)軟件中相關(guān)功能模塊。由信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送洗車(chē)指令給TCMS,TCMS 接收到洗車(chē)指令后會(huì)對(duì)車(chē)輛限速,并對(duì)空調(diào)、電熱、照明做相應(yīng)的控制,刮雨器恢復(fù)到初始位置。車(chē)輛根據(jù)信號(hào)發(fā)出的方向、牽引、制動(dòng)及級(jí)位信號(hào)運(yùn)行。
(3) 列車(chē)自檢
基本要求:自動(dòng)完成發(fā)車(chē)前的系統(tǒng)自檢,如列車(chē)牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)門(mén)、空調(diào)、照明、廣播、乘客信息顯示系統(tǒng)、通信車(chē)載設(shè)備等,并向控制中心發(fā)送自檢結(jié)果和列車(chē)準(zhǔn)備就緒狀態(tài)報(bào)告。
實(shí)施方案:需要增加TCMS 系統(tǒng)和各個(gè)子系統(tǒng)通信協(xié)議及接口,TCMS 增加自檢結(jié)果運(yùn)算功能。各系統(tǒng)上電后開(kāi)始自檢并將自檢結(jié)果反饋給TCMS 系統(tǒng),由TCMS 系統(tǒng)將自檢結(jié)果發(fā)送給信號(hào)系統(tǒng),再由信號(hào)系統(tǒng)上傳至控制中心。
TCMS 的數(shù)據(jù)信息需要上傳到地面控制中心,控制中心對(duì)列車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并遠(yuǎn)程指導(dǎo)正線駐站維修作業(yè)人員進(jìn)行相應(yīng)處置。
(4) 蠕動(dòng)模式
基本要求:在全自動(dòng)運(yùn)行模式下,當(dāng)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障,或車(chē)輛與車(chē)載信號(hào)設(shè)備通信故障時(shí),可由行調(diào)人員確認(rèn),ATC 遠(yuǎn)程觸發(fā)蠕動(dòng)模式,列車(chē)以蠕動(dòng)模式運(yùn)行,ATP 監(jiān)控列車(chē)以不超過(guò)固定限速(如25 km/h,固定限速由信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段確定)的速度全自動(dòng)運(yùn)行。列車(chē)以蠕動(dòng)模式進(jìn)站停車(chē)后,施加緊急制動(dòng)防止列車(chē)移動(dòng),等待司機(jī)上車(chē)處理。
實(shí)施方案:需要增加牽引制動(dòng)系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)的硬線控制接口,牽引制動(dòng)系統(tǒng)修改軟件。
(5) 跳躍模式
基本要求:若列車(chē)進(jìn)站停車(chē)過(guò)標(biāo)或欠標(biāo)不大于5 m(暫定)系統(tǒng)可自動(dòng)控制列車(chē)進(jìn)行對(duì)位調(diào)整。當(dāng)列車(chē)進(jìn)站停車(chē)欠標(biāo),ATO 自動(dòng)運(yùn)行對(duì)位停車(chē)。
實(shí)施方案:增加牽引制動(dòng)系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)的硬線控制接口,牽引制動(dòng)系統(tǒng)修改軟件。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)判斷進(jìn)入跳躍模式時(shí),輸出硬線指令給制動(dòng)系統(tǒng),當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)收到此硬線指令時(shí),將釋放保持制動(dòng)并施加固定小級(jí)位的常用制動(dòng),牽引系統(tǒng)仍然照常根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)的指令運(yùn)行。
(6) 遠(yuǎn)程控制場(chǎng)景
基本要求:特殊情況下,控制中心可遠(yuǎn)程操控:喚醒、休眠、升降受電弓、控制客室照明及空調(diào)、開(kāi)/關(guān)門(mén)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、遠(yuǎn)程復(fù)位斷路器、雨刮器、司機(jī)室前窗玻璃加熱器等功能。
實(shí)施方案:需要將目前的斷路器改造為遠(yuǎn)程控制斷路器。
如果蓄電池虧電導(dǎo)致車(chē)載cc 無(wú)法啟動(dòng),1 號(hào)線車(chē)輛SIV 無(wú)應(yīng)急啟動(dòng)功能,只有使用移動(dòng)充電設(shè)備給蓄電池充電。1 號(hào)線車(chē)輛需增加一個(gè)SIV 應(yīng)急啟動(dòng)裝置。人工上車(chē)操作應(yīng)急升弓按鈕或使用腳踏泵升弓,升弓后操作SIV 應(yīng)急啟動(dòng)按鈕給蓄電池充電,待蓄電池電壓恢復(fù)后激活列車(chē)。
基本要求:每個(gè)客室內(nèi)設(shè)置一個(gè)緊急手柄,此手柄設(shè)置防護(hù)罩,防護(hù)罩的狀態(tài)由列車(chē)進(jìn)行監(jiān)控,狀態(tài)信息同時(shí)上傳至控制中心。緊急制動(dòng)手柄(或按鈕)的動(dòng)作聯(lián)動(dòng)攝像裝置,圖像信息上傳控制中心。
車(chē)輛在區(qū)間運(yùn)行時(shí)若觸發(fā)緊急手柄,列車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)行至下一站,停站后施加緊急制動(dòng),緊急手柄復(fù)位后,緊急制動(dòng)緩解;若車(chē)輛在站臺(tái)區(qū)內(nèi)時(shí)觸發(fā)緊急手柄,列車(chē)立即施加緊急制動(dòng)。
實(shí)施方案:
每個(gè)客室內(nèi)設(shè)置一個(gè)緊急手柄。
將整車(chē)緊急拉手的狀態(tài)輸入給信號(hào)系統(tǒng),信號(hào)系統(tǒng)將根據(jù)車(chē)輛位置做控制。在RM 或ATC 切除模式將不做控制。
緊急手柄的狀態(tài)輸入給TCMS 系統(tǒng),TCMS 系統(tǒng)將此狀態(tài)傳輸給廣播系統(tǒng),廣播系統(tǒng)將聯(lián)動(dòng)緊急對(duì)講及CCTV 視頻監(jiān)控。
(1) 障礙物及脫軌檢測(cè)裝置
實(shí)施方案:在兩端司機(jī)室轉(zhuǎn)向架上增加障礙物、脫軌檢測(cè)裝置。障礙物、脫軌檢測(cè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(2) 走行部在線檢測(cè)系統(tǒng)
基本要求:走行部檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)轉(zhuǎn)向架軸箱、齒輪箱、電機(jī)的沖擊、振動(dòng)、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)走行部的早期預(yù)警和分級(jí)報(bào)警等功能,車(chē)輛回庫(kù)后具備數(shù)據(jù)無(wú)線上傳的功能,提供地面分析臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理,準(zhǔn)確指導(dǎo)車(chē)輛的運(yùn)用和維修。
圖1 障礙物、脫軌檢測(cè)裝置
實(shí)施方案:在轉(zhuǎn)向架上增加走行部在線檢測(cè)系統(tǒng),并將數(shù)據(jù)上傳到地面控制中心,見(jiàn)圖2。
圖2 在線監(jiān)測(cè)傳感器布置點(diǎn)位示意圖
(1) 車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)故障隔離
基本要求:列車(chē)全自動(dòng)運(yùn)行模式下,車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)故障隔離功能,當(dāng)個(gè)別車(chē)站站臺(tái)門(mén)故障隔離時(shí),故障站臺(tái)門(mén)(站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)控制)及對(duì)應(yīng)的車(chē)門(mén)(車(chē)輛控制)不打開(kāi);當(dāng)個(gè)別車(chē)門(mén)故障隔離時(shí),故障車(chē)門(mén)(車(chē)輛控制)及對(duì)應(yīng)的站臺(tái)門(mén)(站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)控制)不打開(kāi)。
實(shí)施方案:門(mén)控器功能改造,增加單門(mén)接收遠(yuǎn)程隔離信號(hào)的功能。
當(dāng)列車(chē)的單個(gè)車(chē)門(mén)故障隔離后,本列車(chē)停站時(shí)對(duì)應(yīng)的單個(gè)站臺(tái)門(mén)應(yīng)能保持鎖閉不參與停站的開(kāi)、關(guān)門(mén)作業(yè)。站臺(tái)的其他站臺(tái)門(mén)可正常打開(kāi),車(chē)載控制器仍對(duì)其打開(kāi)狀態(tài)進(jìn)行防護(hù)。故障車(chē)門(mén)的信息由車(chē)輛TCMS 送至車(chē)載CC,車(chē)載CC 向中心ATS 傳送車(chē)門(mén)的故障信息,并在OCC 調(diào)度臺(tái)上顯示和報(bào)警。
增加車(chē)門(mén)數(shù)據(jù)落地裝置,車(chē)輛向地面控制中心傳送車(chē)門(mén)發(fā)生故障的狀態(tài)信息,并可實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警。
(2) 車(chē)門(mén)緊急解鎖
基本要求:使用車(chē)門(mén)緊急解鎖手柄打開(kāi)車(chē)門(mén),解鎖手柄動(dòng)作信息在司機(jī)室和控制中心進(jìn)行顯示并報(bào)警。當(dāng)車(chē)輛在區(qū)間運(yùn)行時(shí),車(chē)輛到下一站停車(chē)并扣車(chē);當(dāng)車(chē)輛在站臺(tái)區(qū)時(shí),車(chē)輛不能啟動(dòng)。整列車(chē)上任何一個(gè)緊急解鎖裝置被觸發(fā),應(yīng)在控制中心和司機(jī)室報(bào)警和顯示。相關(guān)位置信息通過(guò)列車(chē)控制系統(tǒng)發(fā)送給車(chē)載ATC、并且相應(yīng)位置的攝像頭的圖像由車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備上傳至控制中心(圖像信息包含車(chē)次號(hào)、車(chē)組號(hào)、位置信息、報(bào)警類(lèi)型等)。同時(shí),通過(guò)列車(chē)控制系統(tǒng)觸發(fā)就近客室緊急對(duì)講裝置,建立控制中心乘客調(diào)度、駕駛員與乘客之間的對(duì)講。
實(shí)施方案:增加車(chē)門(mén)解鎖后的信息上傳OCC、CCTV 聯(lián)動(dòng)控制功能、廣播緊急對(duì)講自動(dòng)建立功能。
基本要求:蓄電池需要配備在線檢測(cè)裝置,可在線測(cè)量、記錄并存儲(chǔ)電池組或單體電池在充電和放電階段的電壓、電流、溫度等參數(shù),該裝置可與TCMS 通信。TCMS 應(yīng)監(jiān)測(cè)蓄電池電壓、電流、箱內(nèi)溫度,并具備蓄電池容量管理功能。所有數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹?/p>
蓄電池容量應(yīng)滿足1 號(hào)線6 輛編組列車(chē)休眠7 d 后,可靠喚醒列車(chē)(單端信號(hào)喚醒模塊(包含LTE)能耗暫定為70 W);或滿足運(yùn)行時(shí)在任何工況時(shí)的需要,在無(wú)高壓輸入情況下,且電量為滿容量的85%時(shí)應(yīng)滿足緊急通風(fēng)、照明使用45 min,并且45 min 之后能完成一次開(kāi)關(guān)門(mén)、一次升弓、一次投入SIV。
參考其他線路喚醒模塊休眠7 d 耗電量為455 Ah,成都地鐵1 號(hào)線車(chē)輛目前蓄電池配置為2 組160 Ah,共計(jì)320 Ah,455?320=135 Ah,至少需要增加一組蓄電池或更換單體蓄電池容量。
(1) 視頻監(jiān)控(CCTV)的聯(lián)動(dòng)
基本要求:客室與控制中心、司機(jī)室同步報(bào)警和對(duì)講,與PIS 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)功能;整列車(chē)上任何一個(gè)緊急解鎖裝置被觸發(fā),應(yīng)在控制中心和司機(jī)室報(bào)警和顯示。客室緊急手柄可以觸發(fā)就近的一個(gè)緊急對(duì)講裝置,由司機(jī)或控制中心乘客調(diào)度確認(rèn)后進(jìn)行緊急對(duì)講,同時(shí)觸發(fā)就近的攝像頭將畫(huà)面?zhèn)魉椭量刂浦行某丝驼{(diào)度顯示屏/司機(jī)室顯示屏;車(chē)門(mén)防夾相關(guān)信息上傳至控制中心,同時(shí)聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及攝像頭畫(huà)面。
實(shí)施方案:每個(gè)車(chē)廂需要增加攝像頭,司機(jī)室需要增加前置攝像頭并且實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)上傳。
(2) 乘客緊急對(duì)講的聯(lián)動(dòng)
基本要求:客室車(chē)門(mén)緊急解鎖裝置可以觸發(fā)就近的一個(gè)緊急對(duì)講裝置進(jìn)行控制中心乘客調(diào)度或司機(jī)與乘客之間的緊急對(duì)講。
客室緊急手柄可以觸發(fā)就近的一個(gè)緊急對(duì)講裝置,由司機(jī)或控制中心乘客調(diào)度確認(rèn)后進(jìn)行緊急對(duì)講,同時(shí)觸發(fā)就近的攝像頭將畫(huà)面?zhèn)魉椭量刂浦行某丝驼{(diào)度顯示屏/司機(jī)室顯示屏。
實(shí)施方案:增加廣播系統(tǒng)車(chē)門(mén)緊急解鎖和緊急手柄觸發(fā)對(duì)應(yīng)某個(gè)乘客緊急對(duì)講的功能。在全自動(dòng)運(yùn)行模式下,控制中心乘客調(diào)度可以選定某一緊急對(duì)講裝置,而觸發(fā)控制中心與乘客之間的緊急對(duì)講和對(duì)客室進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。
(1) 司機(jī)臺(tái)設(shè)置罩板
基本要求:在全自動(dòng)運(yùn)行模式下,駕駛臺(tái)蓋板的開(kāi)/閉位置應(yīng)由列車(chē)控制系統(tǒng)監(jiān)控和儲(chǔ)存,同時(shí)該蓋板位置信息上傳至控制中心。
實(shí)施方案:增加司機(jī)臺(tái)罩板,將所有操作臺(tái)按鈕和顯示屏遮擋,并設(shè)置罩板位置的監(jiān)控聯(lián)動(dòng)。拆除司機(jī)室隔門(mén)和座椅(考慮司機(jī)臨時(shí)手動(dòng)駕駛時(shí)的座椅),乘客可進(jìn)入這個(gè)空間。
(2) 滅火器移動(dòng)監(jiān)控
基本要求:滅火器的移動(dòng)應(yīng)由列車(chē)控制系統(tǒng)監(jiān)控,當(dāng)車(chē)輛在運(yùn)行中滅火器被動(dòng)用,則自動(dòng)向司機(jī)和控制中心報(bào)警。
實(shí)施方案:在滅火器的固定座或者罩板上設(shè)置行程開(kāi)關(guān),當(dāng)罩板被打開(kāi)或者滅火器被移動(dòng)時(shí),行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)被觸發(fā)并發(fā)送給TCMS,TCMS 將信息發(fā)送給控制中心和乘客信息系統(tǒng)做聯(lián)動(dòng)。
(3) 控制柜門(mén)監(jiān)控
基本要求:對(duì)列車(chē)上客室電氣柜門(mén)的關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,車(chē)輛在收到ATS 下發(fā)相應(yīng)工況時(shí),當(dāng)電器柜門(mén)開(kāi)啟后,車(chē)輛的CCTV 進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制,同時(shí)將該狀態(tài)作為報(bào)警信息反饋給控制中心。
實(shí)施方案:在電氣柜上設(shè)置行程開(kāi)關(guān),當(dāng)電氣柜門(mén)被打開(kāi)時(shí)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作,行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)信息發(fā)送給TCMS,TCMS 將信息發(fā)送給控制中心和乘客信息系統(tǒng)做聯(lián)動(dòng)。
(4) 駕駛模式指示燈
實(shí)施方案:車(chē)輛外部增加輔助提示燈,至少包含全自動(dòng)運(yùn)行/非全自動(dòng)運(yùn)行模式指示燈等。
地鐵1 號(hào)線實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛,首先需要信號(hào)系統(tǒng)具備精良的控車(chē)和管理能力。而車(chē)輛方面的技術(shù)改造,需要在信號(hào)控車(chē)功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加裝大量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制設(shè)備。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō),具備改造的可行性,各方需對(duì)軟硬件接口充分討論,最大化的降低施工時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本??紤]到整個(gè)施工過(guò)程,建議結(jié)合大修等高級(jí)修程開(kāi)展,可大大降低施工改造成本。