全自動運行系統(tǒng)地鐵車輛技術

■ 饒東

1 概況

地鐵車輛全自動運行是指負責運營管理的過程從司機輪換到車輛的喚醒、休眠、起停、開關門、車速控制等一系列車輛控制的自動化執(zhí)行。自動化有不同程度的自動化等級，根據(jù)列車運行的基本功能是由員工還是系統(tǒng)進行實現(xiàn)并承擔責任來區(qū)分。例如：GOA0等級對應于由司機觀察操作有軌電車在公路上行駛；GOA4等級對應于車輛不靠司機的完全自動運行，也被稱為全自動運行系統(tǒng)。

全自動運行系統(tǒng)地鐵車輛技術的發(fā)展經歷了概念形成、技術儲備、嘗試性應用和蓬勃發(fā)展4個階段。1965年，美國西屋電氣公司率先提出建設“無人駕駛的、高頻率的、經濟的公共交通系統(tǒng)”；1968年，英國Vic to ria Line成為世界第1條GOA2等級的線路；1970年，北美首條全自動運行系統(tǒng)“M o rgan tow n PRT”開建，并于1975年投入運營；1983年，里爾地鐵1號線開通運營，該線路的VAL系統(tǒng)是第1條真正意義上的全自動無人駕駛中運量系統(tǒng)；1985年，美國西屋電氣公司在邁阿密 M e tro M ove r（APM）實現(xiàn)了全自動運行系統(tǒng)；1986年，溫哥華SkyTrain全長21.4 km的全自動運行系統(tǒng)線路開通運營；1998年，采用全自動運行系統(tǒng)的巴黎地鐵14號線開通運營，成為第1條應用于大城市軌道交通地鐵干線的全自動運行系統(tǒng)線路；2003年6月20日，新加坡東北線開通運營，成為第1條采用鋼輪鋼軌制式大運量的全自動運行系統(tǒng)線路。

在我國，采用自主化車輛與調度控制系統(tǒng)實現(xiàn)全自動運行系統(tǒng)的應用正處于探索階段。北京機場線是國內首條引入全自動運行系統(tǒng)的線路，上海地鐵10號線是國內首條按照GOA4等級建設的全自動運行系統(tǒng)線路。國內車輛廠家通過參與新加坡湯申線、中國香港南港島線等項目的全自動運行系統(tǒng)車輛研制，取得了一定的技術儲備，已經具備開展自主化的適應于全自動運行系統(tǒng)車輛的研制條件。北京機場線和上海10號線采用阿爾斯通全自動運行系統(tǒng)信號系統(tǒng)，其調度控制系統(tǒng)涉及的信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)相對獨立，在國內適用于全自動運行系統(tǒng)的調度控制系統(tǒng)仍然停留在列車自動監(jiān)控系統(tǒng)層面，尚未實現(xiàn)列車自動監(jiān)控與機電、車輛等其他系統(tǒng)的高度集成及直接面向車輛、乘客的調度控制及整個運營設備維修信息的綜合處理。

2 主要要求

2.1 設備系統(tǒng)高度自動化

駕駛設備系統(tǒng)的高度自動化主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）列車在全線自動化運行（含車輛段、停車場）。車輛可根據(jù)運營時刻表自動響應信號系統(tǒng)的指令進行自動喚醒、休眠，自動投入、退出運行，自動折返，自動停站、啟動，自動控制車門及站臺門的開閉，還能根據(jù)運營需要自動加減車，實現(xiàn)最佳的運行控制，滿足節(jié)能、環(huán)保、高效的運營目標。

（2）自動施加緊急停車，并在確保安全后自動恢復運行。全自動運行系統(tǒng)車輛能夠實施進行軌道監(jiān)控，自動判斷線路異物，遇到意外出現(xiàn)在車輛運行線路上的異物或發(fā)生車輛脫軌時自動施加緊急制動，并通過與調度中心的通信在異物排除后自動恢復運行。

（3）自動改變控制策略以適應天氣和路況。在有人駕駛的運行模式下，出現(xiàn)雨雪天氣，駕駛員能夠第一時間采取措施，避免可能出現(xiàn)的危險。在全自動運行系統(tǒng)中，遇到惡劣天氣，車輛系統(tǒng)能自動感知輪軌打滑的情況，自動實現(xiàn)增大摩擦力的措施及自動降低行駛速度，不影響運力自動增加發(fā)車密度。能夠判斷出系統(tǒng)需要退出全自動運行系統(tǒng)的條件，及時通知控制中心，改變運行模式或停止運行。

（4）乘客換乘的自動監(jiān)視。全自動運行系統(tǒng)車輛將會監(jiān)控車門、站臺門和乘客換乘的過程。自動施加開關門并通過信號系統(tǒng)的通信完成站臺門和車輛門的精確聯(lián)動控制。對乘客換乘過程中進行實時監(jiān)控，對車門或站臺門夾人夾物、兩門之間夾人夾物、乘客掉落等意外緊急事故進行自動處理，如進行聯(lián)動車輛和站臺廣播對乘客進行廣播引導，聯(lián)動車輛牽引阻止動車，自動將事件發(fā)送OCC和站臺工作人員請求配合等操作。

（5）列車狀態(tài)的自動監(jiān)控。重要信息的自動上傳，緊急事件自動觸發(fā)處理預案。全自動運行系統(tǒng)車輛能夠實時監(jiān)控車輛各系統(tǒng)運行狀態(tài)并自動分析，將關鍵信息上傳至地面指揮系統(tǒng)，工作人員可根據(jù)信息進行車輛的指揮、應急處理和維護維修，從而大大減少工作量，提高工作效率。車輛上配備無線電通信線路和高清全景攝像頭，乘客可通過專用電話直接與控制中心通話。控制中心能清晰地看到車輛上每一個角落的當前狀況，實現(xiàn)直接面向乘客的乘務服務，提高服務質量。

（6）特殊情況下自動應急救援處理。當遇到火災、人員夾傷等突發(fā)事件時，列車會自動停止運行，并自動監(jiān)視危害信息，調動監(jiān)控、安防等系統(tǒng)，完成緊急情況下的救援作業(yè)。全自動運行系統(tǒng)車輛還具有自動呼叫、聯(lián)系相關人員請求救援協(xié)助的功能。

2.2 設備系統(tǒng)高度安全化

由于列車運行作業(yè)在無司機監(jiān)護的狀態(tài)下，完全由設備系統(tǒng)保證安全。同時，高安全性就意味著監(jiān)控環(huán)節(jié)增多，限制運行的條件增多，運營的可靠性也需要由全自動運行系統(tǒng)車輛保證。

（1）全自動運行系統(tǒng)車輛需加設障礙物、脫軌檢測裝置，以保證車輛可以自動判斷線路異物和線路上的人，并保證車輛和意外進入線路人員的安全。同時，該系統(tǒng)需要具有與控制中心和車輛其他系統(tǒng)的自動聯(lián)動功能，能夠在判斷出緊急狀況出現(xiàn)時，自動觸發(fā)車輛緊急制動，情況上報指揮中心，又能夠在通過與運營維護人員的通信中確定緊急狀況排除后自動恢復運行。

（2）全自動運行系統(tǒng)車輛走行部在線實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)控車輛的電機、齒輪箱、軸承、輪對等關鍵走行部件，進行實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動上傳、故障自動分析、危險提前預警并在危險時觸發(fā)相關系統(tǒng)的應急動作。

（3）設計過程中需對車各個系統(tǒng)進行初系統(tǒng)危害分析、接口危害分析、運行及維護危害分析并登記到危害分析冊進行管控，按照IEC 62267提出的全自動運行系統(tǒng)具體安全要求在設計過程中進行逐條對照。

（4）從管理、設計、測試三方面來進行電磁兼容控制以保證整車能夠滿足電磁兼容要求。確保在最不利的條件下，車輛各系統(tǒng)能保證高可靠性、高可用性和高安全性，并在故障時實現(xiàn)故障導向安全。

3 關鍵技術

（1）全自動運行系統(tǒng)車輛由于不需要人工駕駛，所以一般只設置簡易司機臺，司機臺為全封閉方式，司機室內不能有任何開關、按鈕等控制元器件外露。司機室內的設計要考慮與客室貫通后的效果。

（2）障礙物脫軌檢測系統(tǒng)設計。障礙物及脫軌檢測裝置是為全自動運行系統(tǒng)地鐵列車研發(fā)的新功能。在充分了解國外有關裝置結構及性能的基礎上，結合燕房線全自動運行系統(tǒng)地鐵列車的技術特點，進行國產化設計。電氣控制系統(tǒng)和電子傳感器都采取冗余設計。

（3）更加強大而全面的列車檢測及診斷功能。針對于全自動運行系統(tǒng)車輛的車輛自動控制特點，網絡系統(tǒng)需要增加數(shù)據(jù)量，提升列車總線負載率，確保安全關鍵信息的實時性；全方位解決單點故障不會導致網絡通信失敗，足夠的信息支持全自動運行系統(tǒng)模式下列車網絡系統(tǒng)的自診斷以及車輛狀態(tài)的自診斷功能。

（4）走行部安全監(jiān)測和診斷。在轉向架關鍵機械部件上進行嵌入廣義共振故障信息敏感復合傳感器的一體化設計，針對軸箱體設計、齒輪箱軸承座設計、電機軸承座設計時考慮復合傳感器嵌入點滿足軸承承載區(qū)要求、廣義共振信息最小衰減路徑傳遞的要求、部件結構強度要求、可維護性和互換性等要求。實現(xiàn)故障信息的實時敏感與采集，結合車載走行部健康監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)高準確度、高實時性的轉向架故障自診斷，并將采集、診斷數(shù)據(jù)進行分類存儲。將要開發(fā)的車載系統(tǒng)嵌入式軟件主要包括以下模塊：系統(tǒng)調度軟件、集中數(shù)據(jù)存儲管理軟件、M VB總線接口通信軟件、維護以太網接口通信軟件、基于樣本立即決策和里程綜合決策的報警輸出軟件等。

將精確診斷后得到的車輛狀態(tài)信息和故障報警信息通過M VB網絡承載實時傳輸?shù)降孛孳囕v調度系統(tǒng)，由車輛調度系統(tǒng)根據(jù)報警的嚴重程度實現(xiàn)遠程控制列車的運行，保障運行安全。將車載系統(tǒng)采集到的振動、沖擊、溫度原始數(shù)據(jù)以及趨勢記錄數(shù)據(jù)等詳細數(shù)據(jù)，通過回庫后車地無線傳輸網絡傳送到走行部地面分析系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)化可靠的走行、承載等部件的在途狀態(tài)監(jiān)測和專家診斷支撐。

（5）車地大數(shù)據(jù)傳輸技術。為實現(xiàn)本地車輛各系統(tǒng)控制、監(jiān)視功能及遠程車輛控制功能在全自動運行系統(tǒng)車輛的大數(shù)據(jù)通信，保證車輛復雜控制功能的實現(xiàn)，車輛傳輸給地面的數(shù)據(jù)為非全自動運行系統(tǒng)車輛的4倍，地面?zhèn)鬏斀o車輛的數(shù)據(jù)為非全自動運行系統(tǒng)車輛的2倍。車輛與LTE以太網接口為后續(xù)車體數(shù)據(jù)傳輸通道接口唯一做技術準備。

（6）安全功能設計保障。由于車輛的安全要求高，在車輛設計過程中進行了初步危害分析、系統(tǒng)危害分析、接口危害分析、運行及維護危害分析共識別危害116條，無剩余風險等級為R1和R2的危害，所用危害通過危害登記冊進行管控。針對全自動運行系統(tǒng)，危害分析按照IEC 62267提出的全自動運行系統(tǒng)具體安全要求在設計過程中進行逐條對照。

4 安全風險管理

全自動運行系統(tǒng)對車輛的安全性提出更高的要求。除了需滿足EN 50126、EN 50128等安全相關標準外，針對全自動運行系統(tǒng)，IEC 62267提出了具體的安全要求。為了使最終的車輛滿足標準、合同要求的可用性、可靠性，所以全自動運行系統(tǒng)車輛的安全管理工作至關重要。

安全管理工作首先要制定安全性與可靠性目標，根據(jù)已經建成的全自動運行系統(tǒng)項目的要求。一般的全自動運行系統(tǒng)車輛的安全性與可靠性目標有：（1）服務故障（救援、掉線、未出庫）。每組車平均無故障時間6 000 h，每百萬車千米1.1個。（2）大晚點故障（超過3 m in）。每組車平均無故障時間4 500 h，每百萬車千米1.46個。（3）碎修、列檢故障。每列車平均無故障時間200 h，每百萬車千米32.89個。

與低級別自動運行車輛相比，全自動運行系統(tǒng)車輛增加了其他安全輔助設備，功能更全面、設計更復雜。在保證安全性的前提條件下，還需綜合考慮車輛的可靠性與可用性。為達到與有人駕駛車輛同樣的可靠性水平，需對各系統(tǒng)、主要設備甚至關鍵元器件提出更高的可靠性要求。

子系統(tǒng)供應商開展相應的RAM S分析工作，同時應開展元器件篩選、電路的可靠性設計，從設計源頭上保證產品的基本可靠性。子系統(tǒng)供應商需要提交以下文件：系統(tǒng)保證計劃、可靠性指標分配報告、危害登記冊、FM ECA（故障模式影響及危害性分析）、可靠性建模與預計、可靠性關鍵件清單、安全性關鍵件清單、故障樹分析報告，交車輛總體RM S負責團隊審核。

對于整車集成的RAM S管理將從設計初期的RAM S分析工作開始滲透于設計過程的各個階段（見圖1）。

根據(jù)分析的結果進行各個系統(tǒng)的可靠性指標分配（見表1—表3）。

表1 各系統(tǒng)服務故障指標分配子系統(tǒng) 設備 服務故障分配比率/％ 服務故障率/％ 服務故障的MTBF/h牽引設備（含齒輪箱） 14.43 1.92E-03 51 975牽引系統(tǒng) 牽引電動機 2.10 2.80E-04 357 143牽引系統(tǒng)其他設備 12.33 1.64E-03 60 827受流器 受流器 4.50 6.00E-04 166 667制動及供風系統(tǒng) 制動及供風設備 12.80 1.71E-03 58 594風缸 0.10 1.33E-05 7 500 000制動系統(tǒng)B類件 制動控制模塊 0.15 2.00E-05 5 000 000踏面清掃控制模塊及受流器控制模塊 0.35 4.67E-05 2 142 857輔助電源 7.56 1.01E-03 99 206輔助供電系統(tǒng)蓄電池 2.60 3.47E-04 288 462列車控制與管理系統(tǒng) 列車控制與管理設備 7.50 1.00E-03 100 000（TCMS） 門系統(tǒng) 16.23 2.16E-03 46 211客室門系統(tǒng) 客室車門 14.71 1.96E-03 50 986開門提示燈具 0.25 3.33E-05 3 000 000表2 各系統(tǒng)晚點故障指標分配子系統(tǒng) 設備 晚點故障分配比率/％ 晚點故障率/％ 晚點故障的M TBF/h牽引設備（含齒輪箱） 13.78 2.45E-03 40 820牽引系統(tǒng) 牽引電動機 1.30 2.31E-04 432 692牽引系統(tǒng)其他設備 12.48 2.22E-03 45 072受流器 受流器 2.38 4.23E-04 236 345制動及供風系統(tǒng) 制動及供風設備 16.78 2.98E-03 33 522風缸 0.20 3.56E-05 2 812 500制動系統(tǒng)B類件 制動控制模塊 0.50 8.89E-05 1 125 000踏面清掃控制模塊及受流器控制模塊 0.20 3.56E-05 2 812 500輔助電源 6.15 1.09E-03 91 463輔助供電系統(tǒng)蓄電池 1.02 1.81E-04 551 471列車控制與管理系統(tǒng) 列車控制與管理設備 7.48 1.33E-03 75 201（TCMS） 門系統(tǒng) 18.00 3.20E-03 31 250客室門系統(tǒng) 客室車門 16.00 2.84E-03 35 156開門提示燈具 NA NA NA

表3 各系統(tǒng)維護故障指標分配子系統(tǒng) 設備 維護故障分配比率/％ 維護故障率/％ 維護故障的MTBF/h牽引設備（含齒輪箱） 5.13 2.05E-02 4 873牽引系統(tǒng) 牽引電動機 1.06 4.24E-03 23 585牽引系統(tǒng)其他設備 4.07 1.63E-02 6 143受流器 受流器 2.50 1.00E-02 10 000制動及供風系統(tǒng) 制動及供風設備 7.31 2.92E-02 3 420風缸 0.25 1.00E-03 100 000制動系統(tǒng)B類件 制動控制模塊 0.20 8.00E-04 125 000踏面清掃控制模塊及受流器控制模塊 0.25 1.00E-03 100 000輔助電源 1.72 6.88E-03 14 535輔助供電系統(tǒng)蓄電池 1.20 4.80E-03 20 833列車控制與管理系統(tǒng) 列車控制與管理設備 4.12 1.65E-02 6 068（TCMS）門系統(tǒng) 11.26 4.50E-02 2 220客室門系統(tǒng) 客室車門 8.70 3.48E-02 2 874開門提示燈具 0.50 2.00E-03 50 000

對各個系統(tǒng)進行故障模式影響及危害性分析，利用Isog raph軟件對各子系統(tǒng)進行可靠性建模。在設計階段對各系統(tǒng)可靠性進行預計，對達不到可靠性要求的子系統(tǒng)提出整改要求或重點關注點。最后進行SIL（安全完整性等級）分析，SIL分析主要針對安全功能，對于硬件故障主要從故障率、M TBF或M DBF等方面進行控制。軟件因無法準確地評估和限定其故障率，主要對軟件提出SIL等級的要求。對不同軟件SIL等級，EN 50128針對軟件開發(fā)過程提出不同程度的要求，實際也是對軟件的可靠性提出要求。

最后根據(jù)分析過程制定的危害分析表和安全評估表格對車輛各個系統(tǒng)從設計、實驗兩方面根據(jù)表格項目進行安全功能驗證，以確定車輛的最終狀態(tài)滿足安全要求。