莊 哲,周 坤

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司機(jī)械環(huán)工院,天津 300308）

0 概述

截至2021 年12 月31 日，中國內(nèi)地已運(yùn)營、在建及規(guī)劃城軌全自動運(yùn)行線路的城市有北京、上海、深圳、廣州、武漢、成都等28 座城市，線路共計85 條，線網(wǎng)規(guī)模2 515.77 km，其中已運(yùn)營線路30 條，運(yùn)營里程為728.46 km；在建線路46 條，在建里程為1 541.01 km；規(guī)劃線路9 條，規(guī)劃里程為246.30 km。

車輛系統(tǒng)作為全自動運(yùn)行五大核心系統(tǒng)，相比非全自動運(yùn)行車輛具有更高的自動化程度，可實現(xiàn)全自動喚醒、休眠，自動投入、退出運(yùn)營，自動折返，自動停站、啟動，自動控制車門開閉等功能，實現(xiàn)最佳的運(yùn)行控制，達(dá)到節(jié)能環(huán)保和高效運(yùn)行的目的。

分析非全自動車輛與全自動車輛差異，有助于從業(yè)人員更好地理解各專業(yè)需求，該文就此展開分析。

1 功能差異

功能差異是指全自動車輛在原有部件基礎(chǔ)上，自身或與信號等系統(tǒng)加入新的功能，以適應(yīng)全自動運(yùn)行要求。

1.1 運(yùn)行模式

非全自動運(yùn)行車輛主要采用RM（Restricted Train Operation Mode，限制人工駕駛模式）、CM（Coded Train Operation Mode，列車自動防護(hù)模式）、AM（Automatic Train Operation Mode，列車自動駕駛模式）模式運(yùn)行。

全自動車輛新加FAM（Fully automatic train operating mode，全自動運(yùn)行模式）及CAM（Creep automatic mode，蠕動模式）駕駛模式，F(xiàn)AM 模式下無需司機(jī)進(jìn)行發(fā)車確認(rèn)操作和瞭望列車運(yùn)行前方的軌道情況，由系統(tǒng)實現(xiàn)全自動列車駕駛。CAM 是在當(dāng)車輛通信故障不能進(jìn)行全自動駕駛列車運(yùn)行時，由控制中心行車調(diào)度員人工遠(yuǎn)程確認(rèn)通信正常、列車其他設(shè)備正常，并通過調(diào)度員遙控啟動列車，以限制速度（如不超過20 km/h）運(yùn)行的駕駛模式[1]。

新加運(yùn)行模式可讓全自動運(yùn)行車輛完成無司乘人員操作下的自動發(fā)車、正線運(yùn)行、車場運(yùn)行、回庫停車等操作。

1.2 喚醒、自檢與休眠

非全自動車輛由司機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)行列車上電、激活、車門等系統(tǒng)自檢及斷電操作。

全自動車輛新增車輛喚醒、自檢與休眠功能，由列車自動完成低壓上電/休眠，列車設(shè)備自檢/整車延時斷電、靜調(diào)測試、動態(tài)測試、自動換端測試/休眠狀態(tài)測試等操作。

1.3 站臺停車對位

非全自動車輛由司機(jī)或自動控制精確停車，如果車輛未在站臺實現(xiàn)精確停車，則由司機(jī)實施人工對標(biāo)停車，車輛停穩(wěn)后由司機(jī)或自動開關(guān)車門，人工駕駛列車或按壓ATO 按鈕自動出站。

全自動車輛自動控制列車精確停車，未精確停車時車輛與信號系統(tǒng)配合，采用跳躍方式對標(biāo)停車，直至車門與站臺門對位，接著車輛自動打開車門，站停結(jié)束后自動關(guān)閉車門，條件滿足后，列車自動運(yùn)行出站。

1.4 車門與站臺門對位隔離功能

非全自動車輛車門出現(xiàn)故障時，需人工處理相應(yīng)車門及站臺門的對位隔離。

全自動車輛個別車門開關(guān)故障時，車輛可關(guān)閉并鎖定故障車門，向信號系統(tǒng)報告故障車門位置，由站臺門系統(tǒng)電氣隔離對應(yīng)站臺門，使其在該列車停站時不動作；個別站臺門故障時，系統(tǒng)可關(guān)閉并鎖定故障站臺門，向信號系統(tǒng)報告被鎖定站臺門位置，由信號系統(tǒng)將故障站臺門的位置發(fā)送給列車，列車隔離對應(yīng)的車門，使其在該站停站時不動作。車門與站臺門故障隔離時，車輛應(yīng)觸發(fā)車門故障信息廣播向乘客播報相關(guān)信息。

1.5 車輛關(guān)鍵系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能

非全自動車輛人工設(shè)置空調(diào)、照明、雨刮器、電熱玻璃、受電弓等系統(tǒng)的運(yùn)行模式，人工啟動/關(guān)閉這些系統(tǒng)。

全自動車輛由于沒有司機(jī)操作，因此需根據(jù)工況自動控制空調(diào)、照明等系統(tǒng)的運(yùn)行模式、啟停，還可以由控制中心遠(yuǎn)程控制，溫度、亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

1.6 車輛關(guān)鍵系統(tǒng)故障處理

車輛低壓邏輯電路、牽引輔助系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)自身狀態(tài)顯示、自檢、故障診斷與自恢復(fù)、冗余、旁路等功能[2]。當(dāng)車輛關(guān)鍵系統(tǒng)發(fā)生故障時，TCMS 處置相關(guān)故障信息且上傳到控制中心；控制中心遠(yuǎn)程人工處理車輛遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程旁路；控制中心遠(yuǎn)程人工確認(rèn)車輛降級運(yùn)行。該技術(shù)需要全自動車輛采用復(fù)位機(jī)構(gòu)來模擬人工復(fù)位斷路器的動作，在檢測到斷路器跳閘后嘗試再次投入[3]。

1.7 車輛異常事件聯(lián)動處理

非全自動車輛司機(jī)的職責(zé)之一便是在車輛出現(xiàn)異常事件時，對車輛或乘客預(yù)計及時準(zhǔn)確地干預(yù)。

全自動車輛沒有司乘人員，因此車輛與控制中心的聯(lián)動及遠(yuǎn)程處理功能需求尤為迫切。當(dāng)車輛發(fā)生乘客緊急對講請求、車門緊急解鎖、車門狀態(tài)丟失、車門檢測到障礙物、逃生門蓋板被打開、司機(jī)操作臺蓋板被打開、電氣柜門被打開、滅火器被移動、感煙或溫?zé)熃M合探測器檢測到火災(zāi)等情況時，車載CCTV、PIS 系統(tǒng)立刻啟動聯(lián)動功能，TCMS 處置事件信息且由車地?zé)o線通信傳輸通道上傳到控制中心，同時系統(tǒng)自動處理或由控制中心遠(yuǎn)程人工處理，并向乘客廣播[4]。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，車輛空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)也將參與聯(lián)動，進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整及開啟，避免煙霧擴(kuò)散。

2 配置差異

全自動車輛為滿足在無人工操作的情況下實現(xiàn)車輛喚醒、自檢、出庫、正線運(yùn)行、回庫、休眠等功能，其走行部、受電弓（受流器）、司機(jī)室等系統(tǒng)在原設(shè)計基礎(chǔ)上需新增部分設(shè)備，以實現(xiàn)安全監(jiān)測、無人值守、可靠性及安全性升級等需求。

2.1 障礙物檢測系統(tǒng)

非全自動車輛依靠司機(jī)自主判斷軌道障礙物并采取制動或其他處理方式。

全自動車輛加裝障礙物檢測系統(tǒng)實現(xiàn)這一功能，具體包括兩種方案，一種是接觸式障礙物檢測（被動式障礙物檢測），這種方案主要依賴于接觸式障礙物檢測裝置前端探測橫梁的撞擊，若引起位移則確認(rèn)有障礙物，另外一種是非接觸式障礙物檢測（主動式障礙物檢測），其核心是攝像機(jī)及雷達(dá)進(jìn)行探測后，根據(jù)算法判斷障礙物是否存在[5]，信息上傳到TCMS 及控制中心。

2.2 脫軌檢測系統(tǒng)

脫軌檢測是指車輛監(jiān)測到脫軌或者構(gòu)架失效時，緊急停車并向信號系統(tǒng)報告，包括三種方案，接觸式、非接觸式及振動式。接觸式脫軌檢測系統(tǒng)通過障礙物檢測系統(tǒng)共同實現(xiàn)，非接觸式方案通過感應(yīng)式接近傳感器監(jiān)測鐵軌位置，發(fā)送脫軌信號，振動式方案利用安裝在轉(zhuǎn)向架或輪對上的振動傳感器檢測振動信號，判斷是否脫軌[6]，信息上傳到TCMS 及控制中心。

實際車輛設(shè)計通常將障礙物檢測與脫軌檢測系統(tǒng)兩者合二為一，以降低軸重，簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)行可靠性。

2.3 走行部監(jiān)控檢測系統(tǒng)

全自動車輛通過加裝振動、軸溫傳感器，施行走行部安全監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，實現(xiàn)走行部故障早期實時自動診斷的功能，保障車輛運(yùn)行安全，信息上傳到TCMS 及控制中心。

2.4 弓網(wǎng)（靴軌）監(jiān)測系統(tǒng)

全自動車輛采用受電弓受流的車輛宜設(shè)置受電弓檢測系統(tǒng)；采用受流器受流的車輛應(yīng)實現(xiàn)受流器的本地及遠(yuǎn)程自動升降靴控制；對受電弓進(jìn)行在線實時檢測，信息上傳到TCMS 及控制中心。以弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)為例，包括地面服務(wù)站和車載設(shè)備。地面設(shè)備安裝于運(yùn)營單位機(jī)房或者辦公室，車載設(shè)備安裝于地鐵車輛上。車載設(shè)備包括車內(nèi)設(shè)備和車頂設(shè)備。車內(nèi)設(shè)備包括數(shù)據(jù)處理中心和安全供電模塊。車頂設(shè)備包括受電弓監(jiān)測模塊、弓網(wǎng)溫度測量模塊、弓網(wǎng)燃弧測量模塊、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、系統(tǒng)定位模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊[7]。

2.5 司機(jī)室及內(nèi)裝設(shè)計

全自動車輛通常拆卸后端墻系統(tǒng)，不單獨(dú)設(shè)置司機(jī)室，僅配置臨時隔擋，以增加定員及乘客體驗，取消或配置折疊司機(jī)座椅，設(shè)置可封閉的有鎖閉報警裝置且具備防水防塵功能的司機(jī)臺，封閉司機(jī)室外露電氣件，同時取消司機(jī)室側(cè)門[8]。

2.6 關(guān)鍵部件冗余設(shè)計

由于全自動無人駕駛地鐵車輛上沒有運(yùn)營工作人員，對于車輛的冗余設(shè)計及可靠性設(shè)計要求更高。為了盡可能減少由于單個設(shè)備故障導(dǎo)致的無人駕駛車輛降級運(yùn)行，在地鐵車輛設(shè)計過程中需充分考慮各系統(tǒng)冗余設(shè)計。因此車輛在電路、牽引、輔助、控制、制動、車門、廣播、空調(diào)、照明等系統(tǒng)均采用冗余設(shè)計方案，充分考慮各系統(tǒng)的冗余設(shè)計及采用具有更高可靠性的技術(shù)，盡可能減少全自動無人駕駛車輛降級運(yùn)行，保證地鐵車輛正常運(yùn)行[9]。

2.7 防火安全

為保證防火安全，車輛需提升電氣屏柜防火性能，采取優(yōu)化耐火隔板、通風(fēng)散熱設(shè)計等措施，以減少起火的概率，控制火勢蔓延的速度。提升強(qiáng)化煙火報警系統(tǒng)功能及報警流程，敷設(shè)感溫電纜，對車廂內(nèi)外及車體下方設(shè)備進(jìn)行實時火災(zāi)監(jiān)控報警[10]。

3 RAMS 差異

與傳統(tǒng)列車相比，全自動運(yùn)行列車需面對更高的安全風(fēng)險挑戰(zhàn)，其RAMS 要求更高。

3.1 可靠性要求

列車發(fā)生故障的頻率反映了列車的可靠性。按故障導(dǎo)致的后果，列車故障可分為兩類：

（1）導(dǎo)致列車發(fā)生≥2 min 初始延誤的故障，參考控制目標(biāo)為≤1.44×10-6次/（車·km）。

（2）導(dǎo)致不適合繼續(xù)服務(wù)或未能出車的故障，參考控制目標(biāo)為≤0.41×10-6次/（車·km）。

全自動運(yùn)行列車的可靠性指標(biāo)還需參照既有項目的故障數(shù)據(jù)等，來分配列車各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)權(quán)重，以使整車的可靠性指標(biāo)可控。

3.2 可維修性要求

根據(jù)全自動運(yùn)行列車可維修性用時要求，列車在線維修可更換單元不超過0.5 h，無需架車作業(yè)的維修工作不超過4.0 h，需架車維修的作業(yè)不超過6.0 h。

3.3 安全完整性等級要求

依據(jù)EN50128 與EN50129 標(biāo)準(zhǔn)要求，全自動車輛子系統(tǒng)如TCMS、制動、牽引等部件安全完整性等級（SIL）要求，常見指標(biāo)如表1 所示。

表1 全自動運(yùn)行車輛部件安全完整性等級（SIL）要求

4 接口差異

全自動車輛相關(guān)設(shè)計在無司乘人員干預(yù)下完成，因此車輛與信號、通信及綜合監(jiān)控等系統(tǒng)增加了較多的接口功能，全自動運(yùn)行系統(tǒng)車載設(shè)備與車輛的接口技術(shù)是實現(xiàn)地鐵線路全自動運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.1 車輛與信號系統(tǒng)接口差異

全自動車輛與信號新增的關(guān)鍵接口功能包括列車休眠、列車喚醒、逃生門控制、蠕動模式控制、列車鳴笛控制、緊急制動復(fù)位、輕制動控制和列車聯(lián)掛等，而傳統(tǒng)CBTC 信號系統(tǒng)均通過人工實現(xiàn)上述功能。

車輛與信號系統(tǒng)的接口包括信號車載系統(tǒng)與列車牽引子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)及車輛控制子系統(tǒng)之間的接口。

4.2 車輛與通信系統(tǒng)接口差異

全自動車輛與通信接口中增加與IMS（Image Monitoring System，視頻監(jiān)視系統(tǒng)）、PIS（Passenger Information System，乘客信息系統(tǒng)）、RAD（Radio Communication，無線通信系統(tǒng)）等系統(tǒng)的聯(lián)動，完成緊急呼叫激活、緊急操作裝置激活、車輛火災(zāi)報警等緊急情況下的處理；通過RAD，實現(xiàn)乘客與控制中心的雙向語音通信，通過PIS，實現(xiàn)信號、車輛、控制中心、車輛PA（Public Address，廣播系統(tǒng)）和IMS 之間的聯(lián)動；通過IMS，實現(xiàn)車載的視頻監(jiān)控，實現(xiàn)信號、車輛、控制中心、車輛PA 的聯(lián)動。

4.3 車輛與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口差異

全自動車輛增加了與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動，如緊急呼叫激活、緊急操作激活、早間上電、車站火災(zāi)等。

5 總結(jié)

整體而言，全自動運(yùn)行車輛與非全自動運(yùn)行車輛差異主要體現(xiàn)在運(yùn)行模式、控制方式、列車狀態(tài)監(jiān)控、安全需求等方面，該文在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了車輛功能要求、軟硬件配置、RAMS、接口上的具體差異，當(dāng)然有些全自動車輛在此基礎(chǔ)上增加了諸如乘客擁擠度分析系統(tǒng)、智能運(yùn)維系統(tǒng)、車門障礙物檢測系統(tǒng)、軌道狀態(tài)檢測系統(tǒng)、司機(jī)眼系統(tǒng)等裝置，這些裝置并非必裝選項，該文并未展開分析，但相信未來越來越多的全自動設(shè)備將應(yīng)用于全自動運(yùn)行車輛及線路上。