地鐵無人駕駛工程的匹配設計

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師）

地鐵無人駕駛工程的匹配設計

梁九彪

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師）

地鐵無人駕駛作為目前軌道交通現代化的先進技術是一系統工程,涉及信號、車輛、站臺門、行車組織、車輛基地配置等多種因素,對設備的安全性、可靠性和可用性要求較高,實施過程中希望能完全實現相關匹配設計。通過分析實現無人駕駛的工程技術條件,要求無人駕駛的控制核心——信號系統滿足功能需求和實施方案。提出了當前無人駕駛面臨的技術難點并進行完善,從而保障無人駕駛系統安全運行和提高服務水平,對無人駕駛工程實施具有借鑒意義。

地鐵;無人駕駛;匹配設計

Author’saddress China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

無人駕駛作為地鐵的最先進技術,是地鐵運營的發展目標之一。目前已投入無人駕駛運營的地鐵的城市主要有溫哥華、吉隆坡、新加坡、哥本哈根等。國內的上海、北京等城市雖已建成具備無人駕駛的線路,但由于無人駕駛是一系統工程,其涉及信號、車輛、站臺門、行車組織、車輛基地配置等多種因素,對設備的安全性、可靠性、可用性要求較高,而且其在工程實施過程中未能完全實現匹配設計,安全保障方面還需進一步提高,因此目前國內還沒有完全真正意義上實現按無人自動駕駛模式投入運營為目標的線路。

地鐵完全無人駕駛一般不配置司機,列車駕駛員執行的操作完全由自動化的、高度集中的信號控制系統完成,對信號系統的可靠性、可用性、可維護性、安全性（RAMS）要求極高。為應付車輛、信號設備故障,在運營初期可在無人駕駛地鐵列車上設巡視員。當列車運行正常時,巡視員在車上負責提高運營服務質量的工作;當列車發生故障或救援而需要人工駕駛時,由巡視員利用車內的人工操縱臺承擔駕駛職能。設巡視員的目的是為了在提高運營服務水平的同時積累運營經驗,使無人駕駛技術逐步完善并得到推廣。

目前設置司機的列車自動駕駛系統,在地鐵工程應用中已經成熟。無人駕駛系統應在既有系統架構上進行構建,在線路配線設計、車輛與信號設備及系統集成、運營組織等方面進行完善提高,從而保證無人駕駛運營的安全可靠。

1 實現無人駕駛的工程條件

無人駕駛運營對相關系統及運營配套設備在既有有人自動駕駛的基礎上有更高的要求。工程相關匹配設計主要包括以下幾方面。

1.1 信號

信號系統作為無人駕駛系統的控制中樞,在具有很高自動化控制能力的前提下,應采取冗余措施,保證具有較高的可靠性、安全性。在目前實現有人自動駕駛的設置模式下,信號系統需在以下方面進行提高并提供保證：

（1）ATP（列車自動防護）地面/車載計算機設備需采用三取二或二乘二取二冗余安全結構,ATO（列車自動運行）設備需采用冗余結構,要求單個部件故障不會影響列車正常運營,同時具有向控制中心自動報警并能夠及時得到維修。

（2）采用與正線信號設備相同配置的自動化的車輛段/停車場,主要設備按冗余結構設置,納入正線ATS（列車自動監護）統一監控,實現列車出入車輛段、停車場等作業的無人自動駕駛;信號系統應能適應車輛段內的作業,依據作業性質的不同,分為無人駕駛區域和有人駕駛區域的作業;停車場可以全部設定為無人自動駕駛區域;車輛段及停車場自動作業應能實現包括喚醒列車起動自檢、起動列車,以及列車送至正線,列車送回至預先分配的停車線、洗車線,列車休眠等自動控制功能。

（3）信號系統應有與列車障礙物監測系統的接口。列車障礙物包括異物侵限物體以及軌道上跌落的威脅列車運行安全的物體;信號系統可以更好感知列車障礙物,保證無人駕駛列車的安全性。

（4）車站發車時,列車起動應由信號系統自動控制完成。即列車出站時,司機確認信號、按壓ATO按鈕、開關車門、開關站臺門的操作等程序由信號系統自動控制完成。

（5）車載設備應能將故障診斷與報警信息實時傳輸至ATS系統,便于控制中心調度人員掌握故障狀況,更好地監控無人駕駛列車的運行。

（6）設置區域封鎖開關,保護處理故障列車的工作人員。在無人駕駛系統中,對進入軌道工作人員的安全防護也是至關重要的。應在正線通向區間軌道入口處的門禁以及車輛段/停車場防護分區門禁邊,設信號系統的區域封鎖開關（SPKS）。工作人員進入區間軌道、停車場防護分區前,必須激活門邊的SPKS,封鎖其工作區域,取消該區域內無人駕駛列車的移動授權,禁止無人駕駛模式下的列車進入該區域;也可以使該區域內的接觸軌斷電,以更好保護工作人員。

1.2 車輛

車輛基地和載客列車是保證無人駕駛運營的基礎條件,應保證以下幾點：

（1）采用無人駕駛運行模式時,車輛基地設計應能實現車輛基地無人駕駛區域車站配線的運行暢通、獨立和安全,包括出入車輛基地線、洗車線、正線和折返線的無人駕駛運行;車輛基地無人駕駛區域需設安全圍欄,防止非操作人員進入,同時設置維修人員作業的安全防護控制裝置,以保證人身安全。

（2）列車客室內應設置乘客與控制中心調度人員的直接通話設備或可視通話設備,滿足緊急情況下調度人員直接與乘客通話的要求。

（3）在列車上配備能夠實現控制中心（OCC）調度員直接進行人工廣播功能的車載乘客廣播信息設備。

（4）在列車每個車廂安裝視頻監控系統,控制中心可以隨時了解行進中列車上發生的意外情況。每節車廂內設2～4個攝像頭,監視車廂內的情況。車頭/尾各設1個固定式攝像頭,監視車廂外的情況。控制中心調度員可以通過車廂外的攝像頭觀察軌道上的意外情況,可以手動發出指令;遙控列車緊急停車;同時根據提供的軌道和隧道內圖像,為緊急疏散或列車故障時提供隧道信息。視頻圖象信息可以通過專用的無線通道送給OCC。

（5）列車前端應裝設防撞感應器或防撞裝置。

（6）列車需設置緊急逃生門。在每列車車頭配備緊急逃生門,當列車因故障停在隧道里且不能通過另一列車及時救援時,可通過該門執行乘客疏散。緊急逃生門能通過在列車內激活列車的緊急手柄或緊急開門按鈕打開,供在緊急事件時乘客逃生。

1.3 站臺門

（1）為阻止非工作人員進入和防止乘客跌落站臺,站臺必須完全封閉。車站站臺應設置站臺門,當列車靠站后,站臺門與列車車門同步開啟讓乘客上下車。

（2）車站控制室值班人員應能通過視頻監控系統監視各站臺門區域狀況。

1.4 其它

（1）區間必須設置用于疏散逃生的疏散平臺。當運行中的無人駕駛車輛發生故障或出現危及車內乘客安全的火災、爆炸等險情時,可將乘客疏散到疏散平臺上避險、等待救援或沿著疏散平臺進行疏散。

（2）為防止異物侵限或異物掉在設備限界范圍內威脅列車運行安全,線路沿線應設置必要的列車障礙物監測設備。

2 無人駕駛信號系統應具備的功能

信號系統作為無人駕駛的控制中樞應適應無人駕駛列車運行的所有自動控制功能。在無人駕駛運行模式下,車載設備在 ATP和 ATS的監控下需完成下列功能：

（1）列車自動喚醒和自檢。根據信號系統 ATS的地面指令,自動啟動、激活停靠在車輛基地停車庫或正線的列車及其車載ATC設備。信號系統自動進行列車出庫前的日常檢測,并向ATS系統傳送測試結果及車輛狀況信息。

（2）列車自動出入車輛基地。車載設備能夠接收來自中央ATS的列車識別信息,接收列車運行圖信息,自動控制列車駛出車輛基地進入正線;列車運營結束后,控制列車自動駛入車輛基地。

（3）列車正線自動運行。根據運行時刻表,起動列車駛入正線,根據接收到的地面固定和可變信息,在考慮與安全有關的各種限制和規定要求（包括線路情況、站臺以及列車限速、安全及運營停車點防護和保持列車間的安全追蹤間隔等）的前提下,自動控制列車的加速、巡航、制動等工況,實施列車運行的自動調整功能,自動控制列車正線運行。

（4）車站自動停車、出發及自動折返功能。在車站內,自動地控制列車安全、精確地停車,并控制車門和站臺門的安全開關,管理停站時間、列車出發或起動折返運行模式進行無人駕駛自動折返。

（5）信息自動處理。通過車地間高速安全的信息傳輸,ATS不斷地記錄運行及維護數據,并向監控系統提供這些數據;接收遠程控制和特定控制信息,并作出響應,對于故障信息應具有自動報警功能。

（6）列車自動休眠。列車停止服務自動進入車輛基地停車庫或停靠在指定位置后,根據ATS系統的指令自動關閉車載設備,自動進入休眠狀態。

（7）故障狀況下的人工控制功能。對于系統中因故障不能正常運營的列車,能夠采用降級運行模式,由OCC調度員向列車發出遠程爬行控制指令,使列車進入蠕動模式以緩慢的速度運行至規定的停車位置。

3 無人駕駛工程信號實施方案

作為無人駕駛工程應用的核心技術,無人駕駛信號系統比具有成熟的有人自動駕駛的集成度和自動化程度更高,ATS、ATP、ATO各子系統需更好地自動和協調控制列車的運行。

信號系統應具有更高的可靠性和可用性,各子系統均應采用必要的冗余技術,并實現主、備系統的“無縫”切換。

車載設備應采用智能化程度高的接口,這對列車的牽引/制動特性提出了更高的控制精度要求和安全性、可靠性要求。列車應具有多重的控制方式,以保證在列車故障時的運行安全;列車車載 ATO設備應具有很高的停車控制精度。

信號系統應具有較強的自診斷功能、車載與軌旁設備的實時報警功能和車站/中央的遠程監控功能。

為了實現對列車的實時監督和控制,車地之間應具備高速、安全、大容量的信息傳輸通道。

應實現整個地鐵系統控制的一體化,正線、輔助線、車輛基地均需采用相同的控制系統,列車從出車輛基地車庫,到正線運營,再進入車輛基地車庫,均需滿足無人駕駛運行的要求。

車載或地面信號設備故障時應具有可靠的應急運行方式,包括列車頭部設置必要的人工駕駛控制/表示單元,并具有中央/車站遠程監督和操作控制功能等。在列車或車載信號設備故障時,能夠通過人工操作或遠程遙控的方式,采用降級運行模式,使列車進入爬行模式,以緩慢的速度運行至規定的停車位置停車。

信號系統必須與防災報警系統（FAS）及設備監控系統（EMCS）有接口,或通過綜 合監控 系統（ISCS）接口獲取火災報警信息以及通過ISCS系統向機電設備控制系統提供列車運行信息,保證列車在災害情況下的運營安全。

4 無人駕駛面臨的技術難點

無人駕駛自動化程度要求高、技術復雜,保證安全是無人駕駛成敗的關鍵。目前主要技術已成功解決,但仍需在以下方面進行完善：

（1）列車障礙物監測包括異物侵限系統對無人駕駛安全比較重要,但在目前地鐵中還未真正實現。這也是無人駕駛技術未全面實施的重要原因,也是實現無人駕駛安全運營亟需解決的問題。可以參照無人駕駛汽車的避障傳感器的微波雷達、激光雷達等技術,或高速鐵路的防異物侵限技術進行解決。

（2）成熟有效的運營組織方案和設備故障下列車運行組織能力是目前實現無人駕駛的又一障礙。可先期積累經驗,逐步解決。在地鐵無人駕駛系統建設的初期,應研究制定出適用于國內軌道交通基本運營條件的運營目標、運營計劃、運營功能、運營組織、運營維護和事故與災害處理緊急預案等;同時借鑒國外的運營經驗,培養專業技術隊伍和多職能維護人員,加強OCC調度員的控制和指揮能力,提升中央集中實時控制的管理水平,為正確實現無人駕駛運營提供管理上的保證,并在應用中逐漸完善和成熟。

5 結語

無人駕駛系統代表了目前軌道交通現代化的最先進技術,它不僅能確保列車運行的安全性,同時可以提高旅行速度,節約乘客出行時間;在交通服務的供給方面也具有很強的適應性和靈活性,能夠有效保證運營的準點性和舒適性,提高服務質量。應通過全面加強信號、車輛、運行組織的工程匹配設計,完善無人駕駛工程實施方案,以確保無人駕駛能夠安全投入運營,從而真正實現無人駕駛的服務水平優于有人自動駕駛的服務水平。

［1］ 朱滬生.全自動列車運行系統在上海城市軌道交通工程中的應用［J］.城市軌道交通研究,2006（4）：128.

［2］ 丁建中.從城市軌道交通無人駕駛系統的特點談運營管理模式的創新［J］.上海電氣技術,2010（3）：1.

［3］ GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.

［4］ 任安萍.淺談我國全自動無人駕駛地鐵的發展［J］.科技視界, 2012（25）：207.

［5］ 朱翔,王大慶.城市軌道交通無人駕駛技術的若干應用問題［J］.城市軌道交通研究,2006（12）：36.

［6］ 蔡于.城市軌道交通實現無人駕駛的若干問題研究［J］.城市軌道交通研究,2012（5）：15.

On Unmanned Metro Engineering Requirements for Matching Design

Liang Jiubiao

Unmanned metro driving system is an advanced technology in modern urban rail transit,this engineering contains signal,vehicle,platform door,traffic organization and vehicle depot configuration,with higher requirements for matching design in reliability,safety and applicability of the equipment.Through analysis of the engineering requirements for unmanned driving system,some technical difficulties and countermeasures are discussed,including the unmanned driving control signaling system and the implementation program,so as to safeguard the operation and service levels.This research will be a good reference for other unmanned driving projects in China.

metro;unmanned operation;matching design

U 231.6

2013-01-17）