陳麗君

(上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上海∥高級(jí)工程師)

地鐵全自動(dòng)運(yùn)行(FAO)系統(tǒng)具有安全性高、可靠性高、靈活性高、能提高服務(wù)質(zhì)量、能優(yōu)化人力配置及降低運(yùn)營成本等諸多優(yōu)勢(shì)。截至2020年年末，國內(nèi)已運(yùn)營、在建及規(guī)劃中的城市軌道交通線路中采用FAO系統(tǒng)的有北京、上海、深圳、廣州、成都、鄭州、太原等26座城市，共計(jì)76條線路，總長達(dá)2 414.24 km。國內(nèi)的在建城市軌道交通線路中，采用自動(dòng)化等級(jí)最高的設(shè)計(jì)等級(jí)GoA4(自動(dòng)控制等級(jí)4)級(jí)的有北京、上海、深圳、廣州、武漢等13座城市，共計(jì)32條線路，總長達(dá)988.81 km，占所有在建線路規(guī)模的59.51%。由此可見，目前各城市地鐵選擇采用GoA4級(jí)的占絕大多數(shù)。從GoA4來看，中國內(nèi)地已運(yùn)營的FAO線路中，設(shè)計(jì)等級(jí)為GoA4的有北京、上海、廣州、成都、太原等5座城市，共計(jì)12條線路［1］。由此可見，F(xiàn)AO線路尤其是采用GoA4的線路將會(huì)成為城市軌道交通系統(tǒng)的主流，代表著城市軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)自動(dòng)化水平的發(fā)展趨勢(shì)。

根據(jù)IEC(國際電工委員會(huì))62290和國際公共交通協(xié)會(huì)(UITP)的規(guī)定，目前信號(hào)系統(tǒng)的列車運(yùn)行分為GoA0、GoA1、GoA2、GoA3、GoA4共5個(gè)自動(dòng)化等級(jí)，GoA3和GoA4即為FAO。GoA4為無人值守的列車運(yùn)行(UTO)，列車的起動(dòng)、停車、車門操作及緊急情況的處理全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無需人員隨車。在1個(gè)GoA4的FAO系統(tǒng)中，因無工作人員在列車上，所以故障可能會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)營。因而，提高系統(tǒng)的可靠性，以及在降級(jí)和異常情況下弱化故障，降低而不是完全喪失系統(tǒng)的自動(dòng)化功能，以便于救援工作的開展，是一個(gè)值得研究的問題。

1 FAO系統(tǒng)故障處理機(jī)制

由于GoA4的FAO線路不設(shè)置司機(jī)，因此FAO系統(tǒng)必須能替代司機(jī)完成其在有人駕駛模式中的職責(zé)，甚至要比司機(jī)做得更好，才有可能實(shí)現(xiàn)無人值守的全自動(dòng)運(yùn)行。FAO系統(tǒng)在正常情況下具備全自動(dòng)的全部功能，在異?；蚪导?jí)情況下會(huì)喪失部分全自動(dòng)功能。為了提高FAO系統(tǒng)的可用性，通常采用兩種防范措施:①提高系統(tǒng)的可靠性;②在極小概率的異常和降級(jí)場景下，根據(jù)具體的故障情況保留部分全自動(dòng)的功能。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于FAO系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，如車輛、信號(hào)、站臺(tái)門等采用成熟的、具有高可靠性的元器件。但一般來講，無論硬件所采用的元器件如何可靠，1個(gè)系統(tǒng)的隨機(jī)硬件故障是不可避免的，所以還需要采用冗余設(shè)計(jì)的方法。如信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)的核心設(shè)備(車載控制器、區(qū)域控制器、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖等)采用二乘二取二或三取二的冗余架構(gòu);ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)采用熱備的冗余架構(gòu);對(duì)于FAO線路，還可設(shè)置有備用的控制中心。此外，連接這些關(guān)鍵子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)通常采用完全獨(dú)立的A、B網(wǎng)構(gòu)成冗余。信號(hào)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分體現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)的理念，通常的信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of system architecture

圖1中的車載設(shè)備，不僅核心設(shè)備OBCU包含的ATP(列車自動(dòng)防護(hù))、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)和休眠喚醒單元應(yīng)采用冗余配置;而且其外部設(shè)備，如應(yīng)答器查詢單元和天線、測速設(shè)備、車載無線天線、安全網(wǎng)關(guān)和車載中級(jí)設(shè)備及車載人機(jī)界面(DMI)等也應(yīng)做到冗余設(shè)置，具體如圖2所示。

圖2 車載設(shè)備架構(gòu)圖Fig.2 Diagram of on-board equipment architecture

FAO系統(tǒng)在異?；蚪导?jí)情況下，為了盡量減少區(qū)間救援以及避免對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營造成重大影響，故需要弱化故障，適當(dāng)降低而不是完全喪失系統(tǒng)的自動(dòng)化功能，可采用故障軟化處理技術(shù)，例如遠(yuǎn)程重啟、遠(yuǎn)程旁路、降級(jí)運(yùn)營模式等來提供有限制的自動(dòng)化功能［1］。FAO系統(tǒng)的場景和功能設(shè)計(jì)也應(yīng)重點(diǎn)考慮如何保證乘客安全和實(shí)現(xiàn)乘客服務(wù)的目的，以盡量避免區(qū)間疏散。針對(duì)意外情況下的應(yīng)急處理，F(xiàn)AO系統(tǒng)應(yīng)做到:

1)輕微故障，如車門或站臺(tái)門故障不影響系統(tǒng)運(yùn)營。

2)中等故障下盡量避免迫停區(qū)間。對(duì)于無人值守列車，無論是地下線路還是高架線路在區(qū)間都要花費(fèi)較長的時(shí)間才能上車救援，因此對(duì)運(yùn)營影響較大。這就要求在區(qū)間運(yùn)行的列車發(fā)生故障或異常情況下，在調(diào)度人員干預(yù)或不干預(yù)時(shí)能運(yùn)行到站臺(tái)，而不要迫停在區(qū)間;同時(shí)，在前方區(qū)間有故障或異常情況時(shí)，要保證列車不進(jìn)入?yún)^(qū)間。

從運(yùn)營的全局來看，要著重于故障后如何做到更安全。這除了與行車密切相關(guān)的信號(hào)專業(yè)以外，其他如車輛、站臺(tái)門等專業(yè)也需要有同樣的故障處理機(jī)制。

2 FAO系統(tǒng)故障軟化技術(shù)

當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)的局部發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)的某些功能會(huì)減弱，但整體上仍能使設(shè)備或系統(tǒng)持續(xù)執(zhí)行一定降級(jí)功能的技術(shù)叫做故障軟化技術(shù)。FAO系統(tǒng)由于取消了司機(jī)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)(包括信號(hào)、車輛、站臺(tái)門等)的可靠性提出了更高的要求，在極小概率不可避免的異?；蚪导?jí)情況下，要盡可能降低故障對(duì)運(yùn)營的影響，盡量避免發(fā)生區(qū)間救援的情況。這就要求系統(tǒng)在降級(jí)和異常情況下弱化或軟化故障，降低而不是完全喪失系統(tǒng)的自動(dòng)化功能，如采用輕微故障不影響系統(tǒng)運(yùn)營、中等故障不迫停區(qū)間等故障軟化處理技術(shù)。FAO系統(tǒng)典型的故障軟化技術(shù)有:

1)CAM(蠕動(dòng)模式)下的精準(zhǔn)對(duì)位。當(dāng)車輛與信號(hào)車載設(shè)備發(fā)生通信故障時(shí)，由控制中心人工確認(rèn)后，信號(hào)系統(tǒng)啟動(dòng)CAM模式;列車以蠕動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，車輛根據(jù)來自信號(hào)系統(tǒng)的牽引制動(dòng)無極控制極位命令，實(shí)現(xiàn)CAM模式下的列車進(jìn)站精準(zhǔn)對(duì)位及停車后打開車門，以便工作人員上車處理故障;系統(tǒng)支持多次連續(xù)CAM命令，以應(yīng)對(duì)調(diào)度在某種情況下不安排工作人員救援，而直接將故障列車存放在存車線，或站后折返列車折入過程中發(fā)生此類故障，而蠕動(dòng)到折返線停車不再前進(jìn)，此時(shí)站后折返列車應(yīng)連續(xù)蠕動(dòng)到發(fā)車站臺(tái)，以便工作人員上車處理故障。

2)車載設(shè)備故障后重啟策略。列車處在正常運(yùn)營中，列車中的一系車載設(shè)備故障是由故障系車載設(shè)備自動(dòng)重啟或OCC(運(yùn)營控制中心)通過遠(yuǎn)程人工重啟命令進(jìn)行車載設(shè)備重啟而造成;此外，工作人員可以登車，在任意一端進(jìn)行重啟故障系的操作，以恢復(fù)車載的冗余熱備。

3)門對(duì)位隔離。當(dāng)站臺(tái)門或車門中的某扇門發(fā)生故障，列車或站臺(tái)門都會(huì)將具體故障的信息發(fā)送給對(duì)方，采取故障門的隔離措施，并通過車載PIS(乘客信息系統(tǒng))和廣播告知車上乘客，在站臺(tái)側(cè)對(duì)位隔離門的指示燈和PIS顯示屏上顯示門隔離信息，以引導(dǎo)上、下車的乘客避開被隔離的車門、站臺(tái)門。停站對(duì)準(zhǔn)開門時(shí)，被隔離的門和對(duì)應(yīng)的門不再打開［2］。

4)任意點(diǎn)折返應(yīng)對(duì)故障場景。當(dāng)某區(qū)間發(fā)生故障或下一站臺(tái)存在危險(xiǎn)的情況，列車不能按原計(jì)劃繼續(xù)前行時(shí)，系統(tǒng)支持在任意地點(diǎn)以FAM(全自動(dòng)駕駛模式)折返，進(jìn)行反向運(yùn)行。該功能為反向行車提供了與正向運(yùn)行一致的安全和效率保障，為運(yùn)營提供了更大的靈活性和更為便捷的故障調(diào)整手段，從而確保線路快速安全恢復(fù)運(yùn)營，可整體提升事故處理效率和運(yùn)營恢復(fù)能力。

5)停站再對(duì)位控制策略。在FAM模式下，若列車進(jìn)站停車時(shí)過標(biāo)或欠標(biāo)不大于5 m，系統(tǒng)可自動(dòng)控制列車進(jìn)行停站再對(duì)位。在停站再對(duì)位過程中，采用了對(duì)標(biāo)目標(biāo)點(diǎn)的距離一次調(diào)整的控制策略，而不是采用按照固定距離進(jìn)行跳躍調(diào)整，以減少停站再對(duì)位的調(diào)整次數(shù)。

6)遠(yuǎn)程限制人工駕駛模式(RRM)。RRM為列車以FAM/CAM運(yùn)行，列車丟失定位或位置有效但移動(dòng)授權(quán)無效時(shí)，由控制中心遠(yuǎn)程授權(quán)列車緩解緊急制動(dòng)，以一定限速值繼續(xù)向前運(yùn)行一定距離的一種駕駛模式。當(dāng)軌旁某個(gè)應(yīng)答器故障時(shí)不影響列車的正常運(yùn)行;當(dāng)連續(xù)2個(gè)應(yīng)答器同時(shí)故障時(shí)，經(jīng)過該故障區(qū)域的所有列車的車載設(shè)備產(chǎn)生報(bào)警、實(shí)施緊急制動(dòng)。車地通信正常情況下，系統(tǒng)將該區(qū)段轉(zhuǎn)換為降級(jí)運(yùn)營模式，列車轉(zhuǎn)換為RRM;當(dāng)列車越過故障區(qū)域、重獲定位后，可在不停車的情況下將列車轉(zhuǎn)換至FAM下運(yùn)行。控制中心在確定列車前方區(qū)段空閑、道岔位置正確且鎖閉信號(hào)已開放后，可授權(quán)列車緩解緊急制動(dòng)以RRM向前以一定限速值移動(dòng);列車根據(jù)授權(quán)可在限速條件下繼續(xù)運(yùn)行，重新獲得移動(dòng)授權(quán)，從而降低對(duì)運(yùn)營的影響。

7)自動(dòng)扣車。為了避免FAO下列車在區(qū)間迫停，在供電軌失電、區(qū)間軌道封鎖、區(qū)間或下一站臺(tái)存在危險(xiǎn)情況、相鄰CBI間和ZC間通信中斷、從CBTC(基于通信的列車控制)區(qū)域進(jìn)入后備區(qū)域等情況下，應(yīng)在相應(yīng)的站臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行扣車;在從CBTC區(qū)域進(jìn)入后備區(qū)域的情況下，要提示工作人員及時(shí)登車處理，順利以降級(jí)模式進(jìn)行跨區(qū)交接通過故障區(qū)域。

8)制動(dòng)重故障。對(duì)于制動(dòng)重故障，信號(hào)系統(tǒng)與車輛有兩種不同的接口，即制動(dòng)重故障的硬線接口以及TCMS(列車控制管理系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)接口，且網(wǎng)絡(luò)接口可以明確給出轉(zhuǎn)向架不可用的個(gè)數(shù)。為了避免FAO下列車在發(fā)生此類故障時(shí)在區(qū)間迫停，系統(tǒng)可根據(jù)制動(dòng)故障的情況進(jìn)行不同的處理，如1個(gè)轉(zhuǎn)向架空氣制動(dòng)不可用時(shí)，列車可采用FAM運(yùn)行至下一站，然后轉(zhuǎn)有人駕駛至終點(diǎn)站退出運(yùn)營;2個(gè)轉(zhuǎn)向架空氣制動(dòng)不可用時(shí)，緊急制動(dòng)停車，退出FAM/AM(自動(dòng)駕駛模式)，按CM(列車自動(dòng)防護(hù)下的人工模式)駕駛列車，至終點(diǎn)站退出運(yùn)營，ATS提示調(diào)度按照一站一區(qū)間運(yùn)營;3個(gè)轉(zhuǎn)向架空氣制動(dòng)不可用時(shí)，緊急制動(dòng)不緩解，退出FAM/AM，限速運(yùn)營至下一站清客退出運(yùn)營。

9)遠(yuǎn)程旁路和遠(yuǎn)程復(fù)位車輛輕微故障。對(duì)于FAO系統(tǒng)，車輛的輕微故障可以通過調(diào)度員在OCC的ATS上發(fā)送遠(yuǎn)程復(fù)位和旁路命令(如車輛輔助逆變器復(fù)位命令、車輛蓄電池充電機(jī)復(fù)位命令、車輛牽引逆變器復(fù)位命令、所有制動(dòng)緩解監(jiān)控旁路命令和停放制動(dòng)緩解監(jiān)控旁路命令等)進(jìn)行恢復(fù)，以減少對(duì)運(yùn)營的影響。

3 結(jié)語

目前國內(nèi)已開通運(yùn)營的FAO項(xiàng)目還不多，運(yùn)營時(shí)間也不長，已出現(xiàn)和已識(shí)別的故障和降級(jí)場景還不夠，相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)積累還不夠充分。太原軌道交通2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)采用富欣自主研發(fā)的JeRail CBTC全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，支持GoA4全自動(dòng)運(yùn)行，在項(xiàng)目實(shí)施的過程中采用了一系列故障軟化技術(shù)，使這些技術(shù)在實(shí)踐中得以驗(yàn)證。本文分析了提高FAO系統(tǒng)可靠性的方法，并介紹了適用于異常和降級(jí)場景下的故障軟化技術(shù)，對(duì)于故障軟化技術(shù)不應(yīng)該止步于此，要利用新技術(shù)來開拓思路，不斷完善現(xiàn)有技術(shù)、提出新的技術(shù)方法，以實(shí)現(xiàn)異常和降級(jí)情況下服務(wù)乘客、降低救援難度、對(duì)運(yùn)營影響最小的目標(biāo)。