銀益輝，雷成健，劉 澤

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

城軌交通全自動(dòng)運(yùn)行（fully automatic operation，F(xiàn)AO）系統(tǒng)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過(guò)程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)[1]。它能夠?qū)崿F(xiàn)列車的自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行、車站定點(diǎn)停車、自動(dòng)折返及自動(dòng)出入車輛段等功能, 同時(shí)對(duì)列車上乘客狀況、車廂狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和檢測(cè), 對(duì)列車各系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)診斷,將列車設(shè)備狀況及故障報(bào)警信息傳送到控制中心, 對(duì)各種故障和意外情況分門(mén)別類做出處置預(yù)案[2]，其整個(gè)過(guò)程遵循IEC 62267[3-4]和IEC 62290[5-6]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

FAO系統(tǒng)在列車運(yùn)營(yíng)調(diào)度、維護(hù)維修和行車控制等方面的性能與既有軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)的相比均有大幅度提升[7]，實(shí)現(xiàn)了高可用、高可靠和高安全，是必然的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[8]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)FAO系統(tǒng)滿足GoA3和GoA4[3]級(jí)別的自動(dòng)化水平要求時(shí)，列車上不配備司機(jī)，因此列車的運(yùn)行控制完全依賴列車自動(dòng)運(yùn)行（automatic train operation，ATO）子系統(tǒng)，一旦控制端ATO發(fā)生故障，列車將無(wú)法繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行，只能等待控制中心下令派遣司機(jī)或維修人員上車救援。若故障發(fā)生位置在長(zhǎng)間隔運(yùn)營(yíng)區(qū)間內(nèi)，救援難度將大大增加，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)效率降低。

針對(duì)以上情況，本文創(chuàng)新性地提出了一種解決方案，即若列車在區(qū)間內(nèi)發(fā)生控制端ATO故障，可經(jīng)過(guò)控制中心授權(quán)，進(jìn)入到新增的受限自動(dòng)駕駛模式（restricted autopilot mode, RAM），由列車自動(dòng)防護(hù)（automatic train protection, ATP）系統(tǒng)通過(guò)列車網(wǎng)絡(luò)使系統(tǒng)（train control and management system,TCMS）控制列車自動(dòng)運(yùn)行到下一站外停車后再實(shí)施救援。這樣大大縮短了救援時(shí)間，提高了運(yùn)營(yíng)效率。

1 FAO系統(tǒng)

FAO系統(tǒng)是基于連續(xù)、雙向和高性能的車地?zé)o線通信，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)閉塞的高性能列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，涉及車輛、信號(hào)、綜合監(jiān)控、通信、站臺(tái)門(mén)、車輛基地等多個(gè)聯(lián)系密切的系統(tǒng)。其在傳統(tǒng)的基于通信的列車控制系統(tǒng)（communication based train control system,CBTC）的基礎(chǔ)上做了全自動(dòng)運(yùn)行功能的提升，將司機(jī)的工作移交給ATO系統(tǒng)和控制中心去完成。將由原來(lái)的司機(jī)、控制中心調(diào)度員和車站值班員共同參與控制的運(yùn)營(yíng)控制模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥刂浦行恼{(diào)度員直接面向運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)控制模式，該運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加完善的自動(dòng)控制功能，以行車為核心，信號(hào)、車輛、綜合監(jiān)控、通信等多系統(tǒng)配合，提升了軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)的整體自動(dòng)化水平[9]。

信號(hào)系統(tǒng)是FAO系統(tǒng)的核心組成部分，由車載列車自動(dòng)保護(hù)（automatic train protection, ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）、休眠/喚醒單元、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（computer based interlocking, CI）、列車自動(dòng)監(jiān)控（automatic train supervision, ATS）、數(shù)據(jù)通信（data communication system, DCS）子系統(tǒng)構(gòu)成。

如圖1所示，全自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)分為 3 層，包括中心系統(tǒng)、車站系統(tǒng)和車載系統(tǒng)。中心系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控列車運(yùn)行和服務(wù)乘客；車站系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控站內(nèi)設(shè)備；車載系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車的全自動(dòng)運(yùn)行。FAO系統(tǒng)在基于CBTC的系統(tǒng)和設(shè)備上的改動(dòng)主要在以下幾個(gè)方面：

圖1 基于CBTC的全自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Structure of FAO system based on CBTC

（1）ATS子系統(tǒng)增強(qiáng)了線路、列車、車輛段/停車場(chǎng)的監(jiān)控與聯(lián)動(dòng)控制功能和維護(hù)監(jiān)測(cè)功能。

（2）車載系統(tǒng)增加了列車休眠、喚醒、自動(dòng)洗車、自動(dòng)駕駛和精確停車、開(kāi)關(guān)門(mén)控制、緊急制動(dòng)、對(duì)位調(diào)整、對(duì)位隔離、列車工況管理、車輛鳴笛、車輛緊急狀態(tài)處置、遠(yuǎn)程控制及維修監(jiān)測(cè)等功能。

（3）地面ATP系統(tǒng)，包括區(qū)域控制器（zone control,ZC）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（data management system, DMS）,新增了休眠喚醒防護(hù)、停車列檢庫(kù)及洗車庫(kù)庫(kù)門(mén)防護(hù)、建立防護(hù)區(qū)、軌旁人員作業(yè)防護(hù)開(kāi)關(guān)防護(hù)、雨雪模式管理等功能。

（4）正線及車輛基地CI子系統(tǒng)增加了作業(yè)封鎖區(qū)防護(hù)、站臺(tái)關(guān)門(mén)按鈕/庫(kù)門(mén)控制、站臺(tái)門(mén)隔離、維修監(jiān)測(cè)功能。

（5）車站及軌旁設(shè)備增加了人員防護(hù)開(kāi)關(guān)、站臺(tái)關(guān)門(mén)按鈕、駐車位應(yīng)答器（環(huán)線）、與站臺(tái)門(mén)的數(shù)據(jù)接口。

（6）車載設(shè)備增加了休眠/喚醒模塊和ATO設(shè)備冗余配置，其與車輛通信采用冗余的MVB總線。

（7）車輛段增加了與正線一致的軌旁ATP/ATO計(jì)算機(jī)設(shè)備、應(yīng)答器和人員防護(hù)開(kāi)關(guān)。

2 當(dāng)前ATO系統(tǒng)故障時(shí)的處理方案

在全自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)中，車頭與車尾各配置一套ATO系統(tǒng)，列車運(yùn)行過(guò)程中，車頭的ATO系統(tǒng)為控制端，車尾的ATO系統(tǒng)為非控制端。當(dāng)列車處于全自動(dòng)駕駛模式(fully automatic operation mode, FAM)時(shí)，若控制端ATO系統(tǒng)出現(xiàn)故障，列車緊急制動(dòng)，無(wú)法以FAM模式繼續(xù)運(yùn)行，需要人工救援；若是非控制端ATO系統(tǒng)故障，列車則不降級(jí)，繼續(xù)運(yùn)行至終端站臺(tái)后不再發(fā)車，等待人工救援。

2.1 控制端ATO故障處理流程

當(dāng)前控制端ATO系統(tǒng)故障處理流程如圖2所示。

圖2 目前全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)控制端ATO故障處理流程Fig. 2 Processing flow of ATO fault at the control end in FAO system at present

（1）車載ATP系統(tǒng)控制列車緊急制動(dòng)停車（列車無(wú)法以FAM模式繼續(xù)運(yùn)行），向控制中心匯報(bào)故障，等待人工上車救援。

（2）控制中心ATS自動(dòng)顯示車載設(shè)備故障緊急制動(dòng)，維護(hù)系統(tǒng)記錄并顯示“車載ATO設(shè)備故障”信息。

（3）收到報(bào)警信息后，控制中心乘客調(diào)度員通過(guò)遠(yuǎn)程廣播安撫乘客，行車調(diào)度員指揮救援，中心派遣司機(jī)或維修人員上車救援。

（4）司機(jī)或維修人員根據(jù)運(yùn)營(yíng)規(guī)則現(xiàn)場(chǎng)記錄故障現(xiàn)象后，可嘗試斷合ATO子系統(tǒng)斷路器，重啟ATO設(shè)備；若故障仍未恢復(fù)，打開(kāi)控制端鑰匙，轉(zhuǎn)人工駕駛，根據(jù)運(yùn)營(yíng)指示駕駛列車運(yùn)行。

可以看出，在當(dāng)前FAO系統(tǒng)中，若列車在區(qū)間內(nèi)發(fā)生控制端ATO故障，列車只能在區(qū)間內(nèi)停車等待救援。若故障發(fā)生地點(diǎn)距離下一站臺(tái)較遠(yuǎn)，救援人員從站臺(tái)趕到現(xiàn)場(chǎng)花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，極大地降低運(yùn)營(yíng)效率，乘客的情緒也會(huì)受到影響。

2.2 非控制端ATO系統(tǒng)故障處理流程

若非控制端ATO系統(tǒng)發(fā)生故障, 當(dāng)前系統(tǒng)的處理流程如下：

（1）系統(tǒng)自動(dòng)向控制中心乘客調(diào)度設(shè)備報(bào)警，乘客調(diào)度設(shè)備顯示車載設(shè)備非控制端ATO系統(tǒng)故障，維護(hù)系統(tǒng)記錄并顯示“非控制端車載ATO設(shè)備故障”信息。

（2）列車保持FAM模式運(yùn)行到終端站臺(tái)后不再發(fā)車。

（3）收到報(bào)警后，中心派遣司機(jī)或維修人員在終端站臺(tái)等待列車，列車進(jìn)站后司機(jī)或維修人員上車后根據(jù)運(yùn)營(yíng)規(guī)則現(xiàn)場(chǎng)記錄故障現(xiàn)象，并嘗試斷合ATO子系統(tǒng)斷路器，重啟ATO設(shè)備；若故障仍未恢復(fù)，則轉(zhuǎn)人工駕駛，根據(jù)運(yùn)營(yíng)指示駕駛列車運(yùn)行。

可見(jiàn)，即使列車非控制端ATO系統(tǒng)發(fā)生故障，控制端ATO系統(tǒng)依然可以正?？刂屏熊囎詣?dòng)運(yùn)行至終端站，救援人員在終端站臺(tái)等待列車到站后上車實(shí)施救援。

3 控制端ATO系統(tǒng)故障的新解決方案

為了提高FAO系統(tǒng)在控制端出現(xiàn)ATO故障時(shí)的運(yùn)營(yíng)效率，在列車信號(hào)系統(tǒng)中增加受限的自動(dòng)駕駛模式，即RAM模式。當(dāng)控制端ATO系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，在控制中心授權(quán)后，列車可進(jìn)入RAM駕駛模式。在該模式下，車載ATP系統(tǒng)通過(guò)TCMS控制列車自動(dòng)運(yùn)行到下一站外停車，再由控制中心安排司機(jī)或維護(hù)人員上車救援，可大大減少救援時(shí)間，提高運(yùn)營(yíng)效率。

3.1 RAM模式的實(shí)現(xiàn)方式

3.1.1 RAM模式下信號(hào)系統(tǒng)的控制

在FAO系統(tǒng)中，牽引/制動(dòng)指令和級(jí)位由ATO系統(tǒng)計(jì)算并輸出給TCMS，控制列車的牽引與制動(dòng)。在RAM模式下，由于控制端ATO系統(tǒng)故障，無(wú)法通過(guò)總線（如MVB）向TCMS發(fā)送牽引/制動(dòng)指令和級(jí)位信息。因此，需在車載信號(hào)設(shè)備上增加兩根硬線，用于向TCMS輸出“RAM模式”與“RAM列車啟動(dòng)/停止”信息，以此向TCMS傳輸牽引/制動(dòng)指令及限速要求。此時(shí)需由TCMS承擔(dān)一定的牽引/制動(dòng)級(jí)位計(jì)算功能，從而越過(guò)故障ATO系統(tǒng)完成對(duì)列車的牽引與制動(dòng)控制，使列車?yán)^續(xù)運(yùn)行。RAM模式下信號(hào)系統(tǒng)控制的具體過(guò)程如下：

（1）當(dāng)車載ATP收到控制中心授權(quán)進(jìn)入RAM模式后，其向TCMS輸出“RAM模式”高電平與“RAM列車啟動(dòng)”高電平。此時(shí)，由TCMS進(jìn)行列車級(jí)位的計(jì)算，以恒速的方式控制列車向車站運(yùn)行。

（2）車載ATP系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前的列車位置，并與電子地圖線路數(shù)據(jù)中的RAM停車位置信息進(jìn)行比較。當(dāng)列車進(jìn)入RAM停車位置時(shí)，向TCMS輸出“RAM模式”高電平與“RAM列車啟動(dòng)”低電平，并通過(guò)TCMS控制列車制動(dòng)。

3.1.2 RAM模式下TCMS控制行車

在RAM模式下，牽引/制動(dòng)指令和級(jí)位由TCMS系統(tǒng)計(jì)算和發(fā)出，牽引系統(tǒng)DCU執(zhí)行牽引和電制動(dòng)操作，制動(dòng)力不足部分通過(guò)牽引系統(tǒng)BCU的空氣制動(dòng)補(bǔ)足。

TCMS收到“RAM模式”高電平與“RAM列車啟動(dòng)”高電平時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的限速值（25 km/h，可配置）控制列車以25 km/h的速度恒速運(yùn)行（偏差暫定為±3 km/h）。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采集到的硬線“RAM列車啟動(dòng)”信號(hào)同時(shí)為高電平時(shí)，在列車已進(jìn)入RAM模式的前提下，TCMS主動(dòng)向DCU和BCU輸出牽引指令，并根據(jù)預(yù)設(shè)的限速值輸出對(duì)應(yīng)的級(jí)位信息至DCU與BCU，使列車保持恒速運(yùn)行。

當(dāng)“RAM列車啟動(dòng)”高電平被撤銷時(shí)（此時(shí)RAM模式仍有效），TCMS根據(jù)列車實(shí)時(shí)狀態(tài)按照預(yù)設(shè)邏輯主動(dòng)向BCU與DCU輸出制動(dòng)指令及級(jí)位，控制列車停車。在列車停車后，由BCU自動(dòng)施加保持制動(dòng)，同時(shí)也可由ATP補(bǔ)充施加緊急制動(dòng)。

3.2 基于RAM模式的控制端ATO系統(tǒng)故障處理流程

當(dāng)列車在區(qū)間內(nèi)發(fā)生控制端ATO系統(tǒng)故障時(shí)，基于RAM模式的列車自動(dòng)運(yùn)行處理流程如圖3所示。

圖3 RAM模式下列車區(qū)間內(nèi)控制端ATO故障處理流程Fig. 3 Processing flow of ATO fault at the control end when train in blocks

（1）車載ATP與車載ATO系統(tǒng)進(jìn)行周期性通信。當(dāng)控制端車載ATP系統(tǒng)識(shí)別到車載ATO系統(tǒng)故障時(shí)，立即輸出“緊急制動(dòng)”指令，并向控制中心匯報(bào)故障信息；控制中心在行車調(diào)度工作站、車輛調(diào)度工作站和維修調(diào)度工作站上進(jìn)行提示。

（2）ATP系統(tǒng)向行車調(diào)度工作站和車輛調(diào)度工作站發(fā)送“申請(qǐng)RAM模式”指令。

（3）車輛調(diào)度工作站對(duì)車輛條件是否滿足要求進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果反饋給行車調(diào)度工作站。判斷條件主要包括TCMS工作正常、列車上一狀態(tài)為FAM模式、牽引與制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)中等及以上故障等。若條件不滿足，行車調(diào)度則不授權(quán)進(jìn)入RAM模式，ATP系統(tǒng)施加緊急制動(dòng)且不緩解，等待人工救援；若條件滿足，行車調(diào)度則授權(quán)ATP進(jìn)入RAM模式。

（4）ATP系統(tǒng)將列車已進(jìn)入RAM模式這一信息反饋至行車調(diào)度工作站，行車調(diào)度和車輛調(diào)度監(jiān)控屏上應(yīng)標(biāo)注此列車已進(jìn)入RAM模式；ATP通過(guò)硬線向TCMS發(fā)送“RAM模式啟動(dòng)”命令。

（5）收到“RAM模式”和“RAM模式啟動(dòng)”命令后，TCMS控制列車以25 km/h（可配置）的速度恒速運(yùn)行，在此過(guò)程中牽引/制動(dòng)指令及級(jí)位由TCMS管理。整個(gè)過(guò)程中， ATP系統(tǒng)對(duì)列車安全進(jìn)行防護(hù)，當(dāng)列車速度大于安全速度時(shí)，由ATP系統(tǒng)對(duì)車輛施加緊急制動(dòng)指令。

（6）列車運(yùn)行至下一站站外的預(yù)設(shè)RAM模式停車點(diǎn)時(shí)，ATP撤銷“RAM模式啟動(dòng)”命令。此時(shí)，TCMS施加制動(dòng)指令及級(jí)位（最終級(jí)位為100%），控制列車停止；滿足保持制動(dòng)施加條件后，若BCU未收到“保持制動(dòng)施加”指令，則由BCU主動(dòng)施加保持制動(dòng)指令。

（7）列車停止后， ATP系統(tǒng)施加緊急制動(dòng)不緩解。

（8）行車調(diào)度工作站派遣人員上車救援。

（9）司機(jī)或維修人員根據(jù)運(yùn)營(yíng)規(guī)則現(xiàn)場(chǎng)記錄故障現(xiàn)象后，可嘗試斷合ATO子系統(tǒng)斷路器，重啟ATO設(shè)備。若故障消除，轉(zhuǎn)為列車自動(dòng)防護(hù)模式駕駛；條件滿足時(shí)，升級(jí)成FAM模式；若故障仍未消除，轉(zhuǎn)為人工駕駛模式，由司機(jī)駕駛進(jìn)站對(duì)位停車，由控制中心行車調(diào)度工作站安排列車清客后，列車停放在存車線或返回庫(kù)內(nèi)。

綜上所述，在新的解決方案中，當(dāng)列車在區(qū)間內(nèi)發(fā)生控制端ATO設(shè)備故障時(shí)，經(jīng)中心授權(quán)后，列車可以進(jìn)入新增的RAM模式，由車載ATP系統(tǒng)取代ATO系統(tǒng)通過(guò)TCMS控制列車運(yùn)行。但是由于ATO故障導(dǎo)致列車進(jìn)站后無(wú)法自動(dòng)對(duì)位停車，所以將列車停在站外，由救援人員上車處理，故障消除后重新升級(jí)成FAM模式自動(dòng)運(yùn)行；或者以人工駕駛的方式進(jìn)站對(duì)位停車，完成清客后，再進(jìn)行后續(xù)處理。當(dāng)列車在站臺(tái)或場(chǎng)段發(fā)生控制端ATO故障，或列車發(fā)生非控制端ATO故障時(shí)，其處理方式都是需要人工救援，與既有的處理方式保持一致。

將新解決方案與既有方案進(jìn)行對(duì)比，考慮最不利的情況，即假設(shè)列車控制端ATO系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的位置恰好在兩個(gè)站臺(tái)區(qū)間（區(qū)間長(zhǎng)度為5 km）的中點(diǎn)處。既有方案中，救援人員需從一個(gè)站臺(tái)出發(fā)，步行上車（正常人步行的平均速度為5.4 km/h）；本方案中，列車進(jìn)入到RAM模式后，以25 km/h的速度恒速（不考慮加速/降速所需的時(shí)間）運(yùn)行到下一個(gè)站臺(tái)，兩種方案所花費(fèi)的時(shí)間分別為27.8 min和6 min。

可見(jiàn)，與傳統(tǒng)方案相比，新方案中救援人員不需要前往故障發(fā)生地，只需在站臺(tái)處等候，當(dāng)列車到達(dá)站外停車時(shí)，即可上車救援，這樣大大縮短了救援時(shí)間，提高了運(yùn)營(yíng)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

由于FAO系統(tǒng)中列車不配備司機(jī)，因此對(duì)系統(tǒng)故障或異常的自動(dòng)化處理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能優(yōu)化的重點(diǎn)研究對(duì)象之一[10]。本文針對(duì)當(dāng)前城軌FAO系統(tǒng)中列車在運(yùn)營(yíng)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)控制端ATO系統(tǒng)故障導(dǎo)致不能維持自動(dòng)運(yùn)行的情況，提出在信號(hào)系統(tǒng)中新增RAM模式的方案。采用該方案后，控制端ATO系統(tǒng)發(fā)生故障的列車可經(jīng)過(guò)控制中心授權(quán)進(jìn)入RAM模式，由車載ATP系統(tǒng)通過(guò)TCMS系統(tǒng)控制列車自動(dòng)運(yùn)行到下一站外停車，從而減少救援時(shí)間，提高運(yùn)營(yíng)效率，提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。