北京機場線無人駕駛模式系統的研究與實踐

孫延煥 陳麗民 陳軍科

(1.北京東直門機場快速軌道有限公司 北京 100027;2.阿爾斯通交通股份有限公司 北京 100027)

近幾十年來，我國城市軌道交通發展迅猛，在各大城市已逐步形成網絡化規模的同時，信號技術“基于無線通信的列車控制系統”方案也獲得了實際商業應用的成功。這在確保極高安全性的前提下，為提高城市軌道交通線網運輸能力提供了可能;同時也將信號技術帶入了“全自動無人駕駛模式”的發展期。全自動無人駕駛系統作為先進的城市公共交通體系，代表了城市軌道交通領域的發展方向。

1 北京機場線無人駕駛系統

北京機場線是北京市軌道交通線網規劃中的一條客運專線，由市中心向東北方向連接首都國際機場，主要服務于航空旅客，具有城市候機樓功能。線路全長28.1 km，共設4個車站，分別為東直門站、三元橋站、T2站及T3站。全線設有主、備兩處控制中心。

全線采用直線電機車輛，4節編組，共計10列，牽引供電形式為三軌授流、走行軌回流。信號系統采用基于無線通信技術的列車控制系統，即CBTC(communication based train control)系統。

1.1 信號系統的結構與性能

機場線采用阿爾斯通公司提供的 URBALIS?TMCBTC系統，支持全線和車輛段無人駕駛全自動運行。該系統的關鍵結構特點是使用了SDH(synchronous digital hierarchy，同步數字系列)冗余骨干網，以確保各子系統間的通信及通過無線系統實現車地雙向通信。

1.1.1 URBALIS?TMCBTC系統特點

機場線無人駕駛系統主要由線路控制器、中央區域控制器、軌旁區域控制區、車地傳輸設備、骨干網及控制中心等設備組成，系統構成如圖1所示。

北京機場線采用的URBALIS?TMCBTC系統是一個基于無線通信的CBTC移動閉塞系統，可在高等級安全性、可用性和可靠性的性能水平下實現完全自動管理線路行車、優化系統生命周期成本，其主要特點如下。

1)自動化。除正線使用CBTC模式外，車輛段也設計為全自動化車輛段。段內調車、列車清洗、車輛段和正線間的列車調控，均可通過中心ATS(automatic train supervision，列車自動監控)系統由控制中心的調度操作和管理，最大限度地實現了系統的集中控制、操作和管理，大大提高了線路的運營效率。

2)安全性。自動列車控制、微機聯鎖、列車檢測等設備均通過獨立認證機構的SIL4級認證?；诠收蠈虬踩瓌t，各子系統間的通信使用編碼技術以安全防范未經許可的網絡接入，并根據CENELEC標準，進行系統安全論證。

3)可用性。通過內嵌冗余技術的系統結構和高可靠性設備的選用得以實現。

圖1 機場線URBALIS?TM總體結構

4)可維護性。各系統主要設備的內嵌自檢功能和數據通信系統可將報警和診斷結果實時發送給控制中心，使系統的可維護性有了較大的提高。

5)可擴展性。由于使用骨干網傳輸，可以通過增加骨干網模塊實現系統擴展，以應對增加列車、車站，或延伸線路的需求。

1.1.2 SDH冗余骨干網技術

冗余骨干網是CBTC信號系統所有通信設施的基礎。通過以太網開關和SDH節點與各車站信號設備室、車輛段及控制中心連接。SDH冗余骨干網絡由于采用光纖連接方式，故可以得到可靠防護，當光纖被切斷時，它能夠很快地進行系統自身的重新配置，以確保傳輸不受影響，如圖2所示。當切斷或損壞光纜修復完成后，系統可自動恢復保護，并切回正常運行模式。

圖2 SDH網絡保護原理

1.2 無人駕駛系統的列車控制應用

機場線無人駕駛系統是基于無線通信的列車自動控制系統，無人駕駛功能的實現，主要通過車載設備、軌旁區域控制器及線路控制器等主要設備進行列車定位、防護及精確停車，具體功能如下。

1.2.1 車載設備

車載設備系統通過讀取沿線設置的位置信標結合編碼里程計進行位置計算，由此來確定列車在軌道上的位置，并將此信息發送給軌旁ATP/ATO(automatic train protection/automatic train operation，列車自動防護/列車自動運行)設備。

在列車頭尾各設置一套車載計算機設備，采取頭尾熱備冗余配置方式，車頭為主用，車尾為備用。當車頭主用計算機設備發生故障時，在不影響正常行車的情況下，車載設備自動切換至車尾設備，繼續正常行車。

1.2.2 軌旁區域控制器

軌旁區域控制器根據在線列車的位置情況，給每列車建立一個安全范圍，稱為AP(automatic protection，自動保護)，其他列車均不能進入此范圍。軌旁區域控制器根據每個AP的位置和CI(computer interlocking，計算機聯鎖)發送軌旁設備的狀態計算出授權終點，將此授權終點通過車地無線通信發送給列車，列車根據接收的授權信息和線路限速等相關信息，計算出一條至前車尾部的控制曲線，作為列車安全運行的防護曲線。

軌旁區域控制器采用3取2冗余方式，主要由計算機設備和輸入輸出設備組成，當主用計算機發生故障時，系統自動切換至備用設備，不影響列車正常運行。

1.2.3 車地無線傳輸

機場線車地無線傳輸采用波導管傳輸方式，沿線設置無線接入點與波導管連接，車載信息通過車上無線天線與軌旁無線接入點進行數據交互，從而實現車地數據的雙向傳輸。

1.2.4 車站精確停車

通過列車位置測量，可實現站臺停車功能。為實現站臺精確停車，在站臺停車點前設置2個重新定位信標，列車在進站停車過程中，可通過讀取重新定位信標進行列車位置的精確修正，從而實現站臺精確停車。

1.3 車載圖像監控系統的應用

機場線車地圖像傳輸系統采用列車內部和外部設置攝像頭方式，將列車內部情況和列車運行區域的線路情況，通過車地無線傳輸將信息實時傳送至控制中心。

列車在無人駕駛模式下，控制中心調度員進行運行列車的實時監控，若車內發生特殊情況需要處理時，中心調度員通過車載電臺與車內乘務人員取得聯系，進行特殊情況的處理。

1.4 車輛段采用自動化設計

機場線車輛段為自動化車輛段，在無人駕駛模式下，列車接收發車指令后，從車輛段停車線自動發車上線載客運行，當天運行任務結束后，列車通過回段進路自動運行至車輛段停車線。

另外，機場線車輛段具備列車自動洗車功能。當列車有洗車需求時，自動洗車命令觸發后，列車自動被發往洗車線執行洗車操作，列車到達洗車開始位置后，將根據ATS的遠程命令對列車實施速度控制以執行洗車程序。列車運行至洗車庫洗車范圍后自動停車，洗車機以一定速度往返運動。洗車結束，列車自動返回停車線。

2 機場線無人駕駛系統的優越性

機場線采用的全自動無人駕駛系統是一種將列車駕駛員執行的工作，完全由自動化、高度集中的控制系統所替代的列車運行模式。

機場線無人駕駛系統最顯著的特點:控制系統的操縱完全依照信號系統發送的行車指令進行系統控制。

無人駕駛與有人駕駛相比具有明顯的優勢，主要體現在安全性和可靠性高，列車高密度運行，實現更快、更安全的旅客輸送。

2.1 安全性、可靠性高

列車人工操作易受主觀和外界因素干擾，從而在安全性方面存在不確定性和不穩定性，成為導致軌道交通故障或事故的原因。

機場線全自動無人駕駛系統運用現代設計理念，采用硬件和軟件的冗余措施，利用高可靠性和安全性的信號系統，可靠、實時地傳輸大容量通信數據，快速準確地進行故障診斷分析與排除，結合自動列車監控系統、控制中心以及人工監視與干預的機制來確保較高的安全性和可靠性。

2.2 行車密度高

機場線全自動無人駕駛系統的信號系統采用了基于無線通信技術的移動閉塞系統，通過與車輛高精度控制系統的技術接口來實現列車精確定位、高速運行、實時跟蹤和自動折返，有效地縮短了列車運行間隔，提高了行車密度和旅行速度，可適應大客流的需要。

2.3 維護、維修成本低

全自動無人駕駛系統具有按客流自動調整運營策略和列車開行密度的功能，能靈活地適應高峰大客流和低峰客流的運營需要，提高列車滿載率。

機場線全自動無人駕駛列車不設駕駛員，使操作人員大幅度減少;車輛配屬數量低也使維護、維修人員減少，使整個維護、維修成本降低。

3 無人駕駛對列車控制及運營管理的要求

3.1 對列車控制系統的要求

列車控制系統充分考慮了系統的容錯能力，采用多重冗余技術，通過為列車提供安全性設施和冗余設備來提高系統的可靠性和可用性，主備系統之間能夠實現無縫切換。

全自動無人駕駛車輛需要高可靠性、大容量、具有實時傳輸功能的車地無線傳輸系統，以實現控制中心與運行列車之間的實時雙向數據傳輸。

列車控制系統具備了更高的牽引和制動控制精度，要求列車能在信號系統的控制下實現誤差在30 cm范圍內的精確停車;具備了快速、準確、安全的故障診斷能力和完善的監控功能，以便對列車運行狀態的實時監控及對故障列車的及時處理。

3.2 對運營模式的要求

由于無人駕駛系統具有高度集中管理的要求，對全自動無人駕駛的行車控制采用小營控制中心控制模式，與傳統的地鐵線路運營管理方式有較大的差異，主要體現在以下幾個方面:

1)控制中心調度人員從面向列車司機、再由司機面向乘客的行車調度方式轉變為中心調度人員通過語音通信設備直接面向乘客。

2)控制中心調度人員通過司機處理列車設備故障和列車控制職能轉變為由控制中心調度直接處理。

3)無人駕駛系統具有自動調整列車開行密度的功能，有別于傳統的運營管理模式，傳統的運營管理采用固定列車時刻表進行列車運行間隔的管理與控制。

因此，需要現場增加多職能保障團隊，為非正常運營狀態下的應急作業提供有力保障。主要包括:根據無人駕駛系統的運行特點，對無人駕駛系統的維護體系需要網絡化、智能化;另外，為了保證無人駕駛系統投運初期的穩定運行，在列車運行過程中需要司機看護，以便在系統出現降級情況下及時人工干預。

3.3 對運營管理的要求

全自動無人駕駛系統是具有高科技含量的軌道交通系統，需要有高的管理水平與之相適應。因此，需要運營管理人員熟悉系統特性，能夠沉著、靈活地應對突發事件，更要有較高的服務意識和責任感。

4 機場線無人駕駛系統的經驗借鑒

機場線無人駕駛系統的順利實施，主要依靠科學的工程建設管理模式，尤其對于建設周期短、技術復雜的項目更是需要嚴謹、科學的管理方式。

4.1 明確系統功能需求

在機場線無人駕駛系統的方案設計階段，對功能需求進行仔細、嚴謹的討論，明確每一項具體的功能需求。

在設計聯絡階段，針對無人駕駛系統的各子系統專項方案進行逐一審查、討論，確保各系統間的結合安全、可靠;同時確保機場線無人駕駛系統與外部系統間的接口正確，做到接口簡單、安全可靠。

4.2 合理優化總體調試任務

由于項目工期短，可將現場大量實際測試工作，在工廠內部提前完成。

在現場測試發現的問題可以及時在工廠測試平臺復測、分析，從而提高對問題的分析處理速度和系統綜合聯調的效率。

5 結語

實踐證明，在世界范圍內，全自動無人駕駛系統是一種具有高度可靠性、安全性的系統，可以實現列車的小編組、高密度運行，同時改善運營服務水平，也降低了生命周期的成本。在中國，無人駕駛技術剛剛起步，還需要進一步應用才能對它有更深、更廣的認識，才能更進一步完善地鐵系統運營維護的管理理念，從而更進一步推廣無人駕駛技術。

深入研究無人駕駛系統對運營管理和維護管理的新需求，可以更好地促進無人駕駛系統標準的建設，對于運營管理標準和維護管理標準的制定具有積極的意義，對于進一步完善無人駕駛系統的功能、適應運營管理需求、真正發揮全自動無人駕駛系統的優勢，也有著深刻的意義。

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