王丹梅 尚江傲 錢江林 萬曉峰

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，株洲 421001）

城市軌道交通的自動化等級（Grades of Automation，GOA）分為GOA0 到GOA4 共5 個等級。目前，國內(nèi)主流的基于通信系統(tǒng)的列車自動控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)屬于GOA2 等級，是一種半自動列車運(yùn)行系統(tǒng)，其列車自動駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO）模式下的運(yùn)行安全完全依賴于人工，在車輛段和停車場僅依靠駕駛員根據(jù)軌旁信號顯示行車。某城市軌道交通項目由一期工程和西延工程組成，其中一期工程為GOA2 等級，西延工程為GOA3 等級。為實現(xiàn)2 條線路的全線貫通運(yùn)營，需要對一期工程車輛進(jìn)行GOA3 自動化升級改造。

1 全自動駕駛功能需求分析

全自動駕駛的場景一般分為正常場景、故障場景和應(yīng)急場景3 大類。某軌道交通項目一期線路為有人值守的全自動運(yùn)營場景，即GOA3 等級，共涉及14 個正常運(yùn)營場景、13 個故障運(yùn)營場景和7 個應(yīng)急運(yùn)營場景。為滿足場景中的全自動運(yùn)行相關(guān)模式轉(zhuǎn)換、列車出庫、列車進(jìn)入正線服務(wù)、列車進(jìn)站、折返換端、自動洗車、自動轉(zhuǎn)線作業(yè)、車門故障、站臺門故障以及列車遠(yuǎn)程廣播等功能需求，車輛需要進(jìn)行相應(yīng)的全自動功能升級改造，包括全自動模式（Fully Automatic Mode，F(xiàn)AM）相關(guān)功能、跳躍功能、車門和站臺門對位隔離功能、司機(jī)室車門防護(hù)功能、全自動方向控制、全自動洗車控制、列車自動控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，ATC）保持制動施加控制以及自動鳴笛等相關(guān)功能[1-2]。主要的全自動功能需求說明，如表1 所示。

表1 全自動功能需求說明

2 信號接口分析

2.1 機(jī)械接口

車載信號系統(tǒng)新增司機(jī)室天線，增加與場段的車地通信功能，實現(xiàn)場段的全自動功能，同時將二合一合路器更換為三合一合路器，車輛改造實現(xiàn)各設(shè)備的布置。

2.2 電氣接口

車載信號系統(tǒng)電氣接口新增FAM 模式、ATO 前向、ATO 后向、跳躍模式和ATC 保持制動等硬線接口，車輛電路進(jìn)行相應(yīng)改造后能夠適應(yīng)各項全自動控制功能。

2.3 MVB 協(xié)議接口

車載信號系統(tǒng)多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）協(xié)議中增加轉(zhuǎn)譯字符，提升數(shù)據(jù)通信的可靠性和安全性。同時，增加方向手柄和牽引制動手柄零位信息、制動單元損失數(shù)量、跳躍指令、自動洗車和FAM 模式等全自動功能相關(guān)的信號反饋，車輛軟件進(jìn)行相應(yīng)改造升級[3]。

3 車輛改造方案

為滿足GAO3 全自動升級改造，對車輛車體、屏柜、電氣原理、列控、車門、牽引、制動、布線、乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）和司控器等系統(tǒng)及部件進(jìn)行了相應(yīng)改造。

3.1 車體改造

車體改造主要包括新增信號天線、新增FAM 指示燈進(jìn)行相應(yīng)的接口更改，安裝位置分別如圖1和圖2所示。

圖1 新增天線位置

圖2 新增FAM 指示燈位置

3.2 電氣原理改造

電氣原理改造主要涉及方向控制、跳躍模式控制、FAM 模式、ATC 保持制動施加和ATO 激活條件等電路改造[4]，同時新增繼電器、開關(guān)等低壓器件實現(xiàn)相應(yīng)的電路功能。改造后的方向控制電路如圖3 所示，新增了全自動模式下的方向控制和跳躍模式下信號對車輛的方向控制功能。FAM 模式、跳躍模式、保持制動控制電路，如圖4 所示。

圖3 方向控制電路

圖4 FAM 模式、跳躍模式、保持制動施加控制

另外，更改其他電路。例如：將司機(jī)室車門關(guān)閉狀態(tài)作為牽引封鎖條件，防止司機(jī)上下車過程中自動發(fā)車帶來的安全隱患；ATO 激活條件由原來的司控器方向手柄向前及主控器手柄零位改為增加司控器鑰匙、方向手柄零位和司控器手柄零位的條件。

3.3 屏柜改造

屏柜改造主要涉及新增網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊、二合一合路器更換為三合一合路器、新增繼電器及端子排等部件。設(shè)備改造后的方案，如圖5 和圖6 所示。

圖5 新增繼電器

圖6 新增網(wǎng)絡(luò)I/O 模塊

3.4 軟件改造

車輛軟件主要針對TCMS 軟件、車門軟件、牽引和制動系統(tǒng)軟件、PIS 等系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級改造。其中車門新增對位隔離功能，PIS 新增遠(yuǎn)程廣播及全自動報站功能，TCMS、牽引和制動實現(xiàn)跳躍模式下的控制功能。文章僅對跳躍模式下的車載各子系統(tǒng)軟件控制功能進(jìn)行說明。

全自動駕駛模式下，若列車到站停車距離停車窗口±50 cm，則車門和安全門不能打開。為保證ATO 子系統(tǒng)能夠自動進(jìn)行站停位置調(diào)整，信號系統(tǒng)向列車輸出緩慢跳躍調(diào)整指令。在列車進(jìn)行跳躍操作時，跳躍模式為電平信號，在整個跳躍過程中持續(xù)給出。在列車進(jìn)行跳躍操作時，信號系統(tǒng)會輸出方向向前指令或方向向后指令，并根據(jù)對位停車所需的跳躍距離，向車輛輸出ATO 牽引指令和ATO 制動指令。車輛根據(jù)信號系統(tǒng)輸出模式、方向、ATO 牽引指令和固定級位，牽引系統(tǒng)按照信號輸出執(zhí)行，信號控制列車加速至目標(biāo)速度。達(dá)到目標(biāo)速度后，ATO 繼續(xù)施加牽引指令和級位，抵消制動系統(tǒng)施加的保持制動[5]。同時，信號系統(tǒng)輸出的制動指令和級位等會控制列車減速至零，信號系統(tǒng)會在車輛達(dá)到零速后輸出保持制動指令。需注意，車輛在一定條件下能夠自動施加保持制動。

4 結(jié)語

通過將某城市軌道交通項目一期車輛及線路全自動功能升級為GOA3，實現(xiàn)與西延工程車輛的全線貫通運(yùn)行，目前已完成相關(guān)聯(lián)調(diào)試驗。通過該項目的成功實施，為將來GOA4 全自動無人駕駛功能升級提供了技術(shù)積累和經(jīng)驗。