司機(jī)視角下的無線CBTC系統(tǒng)列車運行控制

趙曉峰（上海富欣智能交通控制有限公司，高級工程師，上海　201203）

?

司機(jī)視角下的無線CBTC系統(tǒng)列車運行控制

趙曉峰
（上海富欣智能交通控制有限公司，高級工程師，上海201203）

摘要：無線CBTC信號系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展，列車運行控制的自動化等級不斷提高，但其功能和人機(jī)接口卻不盡相同。這里從司機(jī)的視角分析無人值守、無人駕駛、列車自動運行等各種駕駛模式下的自動控制和人工操作，描述ATO速度曲線、ATB控制電路原理、ATP速度曲線等區(qū)間相關(guān)功能，以及目的地管理、車門開關(guān)、發(fā)車授權(quán)等車站相關(guān)作業(yè)，針對某些車載功能的不足提出了建議，有助于業(yè)內(nèi)正在推進(jìn)的不同線路列車的司機(jī)駕駛操作程序統(tǒng)一工作。

關(guān)鍵詞：無人值守；無人駕駛；惰行控制；自動折返；目標(biāo)速度；目標(biāo)距離；目的地管理；雙側(cè)站臺開門模式

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.005

無線CBTC信號系統(tǒng)是城市軌道交通線路正常運營的可靠保證，其操作人員主要有中央調(diào)度員、車站值班員、列車司機(jī)以及車輛段值班員。系統(tǒng)運營調(diào)整通常被認(rèn)為是列車自動監(jiān)控ATS的功能，但在實際執(zhí)行時，也需要其他設(shè)備的緊密配合，尤其是車載信號設(shè)備提供的運行控制功能，這里從司機(jī)的視角詳細(xì)分析列車運行過程中的相關(guān)問題。

1　列車運營模式

根據(jù)IEC 62290標(biāo)準(zhǔn)定義的城市導(dǎo)向交通控制系統(tǒng)的GOA（Grade of Automation）0～4自動化等級〔1〕，可以把列車運營模式分為4類：全自動駕駛、半自動駕駛、系統(tǒng)輔助人工駕駛、全人工駕駛。

表1　自動化等級與列車運營模式

全自動駕駛主要有無人值守模式UTO （Unattended Train Operation）和無人駕駛模式DTO （Driverless Train Operation）。UTO模式是要求最高的駕駛模式，運營過程中列車上沒有任何工作人員，信號系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)列車正常和故障運行時的全自動控制，還應(yīng)至少具備軌道障礙物自動檢測、站臺屏蔽門和車門之間人員自動檢測，以及列車客室內(nèi)火災(zāi)和水浸自動檢測等一系列涉及乘客人身安全的防護(hù)功能，同時還須提供列車乘客與中央調(diào)度員的緊急通信功能，以應(yīng)對其他可能的安全風(fēng)險〔2〕。DTO模式是指列車不需要任何駕駛操作就可以全自動運營，包括自動啟動、車門自動開關(guān)、自動停站、遠(yuǎn)程休眠/喚醒、列車電喇叭遠(yuǎn)程控制、列車救援遠(yuǎn)程控制、逃生門遠(yuǎn)程控制等功能；該模式需要車載值守人員，且應(yīng)在車頭位置監(jiān)督列車運行前方是否有障礙物，如：線路地下越江段是否有大面積滲水、線路地下折返線與正線隔離墻是否坍塌、臺風(fēng)季節(jié)線路高架段是否有不明物體墜落、列車運行過程中是否脫軌等〔3〕。值得注意的是，全自動駕駛運營模式往往配置自動化車輛段或停車場。目前國內(nèi)已開通的支持全自動駕駛運營模式的線路有阿爾斯通/卡斯柯提供信號系統(tǒng)的北京機(jī)場線〔4〕（DTO，開放式司機(jī)室，鋼輪鋼軌，最高運行速度100 km/h）和上海10號線（DTO，封閉式司機(jī)室，鋼輪鋼軌，最高運行速度80 km/h），以及安裝龐巴迪信號系統(tǒng)的廣州珠江新城APM線〔5〕（UTO，無司機(jī)室，膠輪帶導(dǎo)向，最高運行速度60 km/h）。

半自動駕駛主要有列車自動運行模式ATO （Automatic Train Operation）和無人駕駛自動折返模式ATB（Automatic Turn Back）。ATO模式是城市軌道交通最常用的駕駛模式，車頭司機(jī)室配置駕駛?cè)藛T，負(fù)責(zé)激活列車啟動/發(fā)車按鈕和關(guān)閉車門操作，并在必要情況下施加快速制動或觸發(fā)緊急制動；其他列車運行控制則由系統(tǒng)依照ATO速度曲線自動完成，如：自動速度控制、停車點控制、打開車門、自動停站對準(zhǔn)等。ATB模式是近些年興起的一種半自動駕駛運營模式，已逐步成為城市軌道交通線路的標(biāo)準(zhǔn)配置，當(dāng)列車在終端站完成上下客作業(yè)后，司機(jī)負(fù)責(zé)激活無人駕駛自動折返，系統(tǒng)控制列車自動完成進(jìn)入折返線、換端、退出折返線、自動停站對準(zhǔn)、自動打開車門。在ATB模式列車進(jìn)入折返線時，司機(jī)應(yīng)處于車頭位置觀察折返區(qū)域內(nèi)是否有障礙物，確認(rèn)正常后，方可前往另一端的司機(jī)室。

系統(tǒng)輔助人工駕駛主要有連續(xù)ATP防護(hù)人工駕駛模式ATPM（Manual ATP）、點式ATP防護(hù)人工駕駛模式IATP（Intermittent ATP）、限制人工駕駛模式RMF/RMR。無論是ATPM還是IATP模式，司機(jī)均根據(jù)系統(tǒng)計算出的允許速度、目標(biāo)速度和目標(biāo)距離駕駛列車，包括人工控制牽引和制動、人工開關(guān)車門等操作；系統(tǒng)則主要提供基于ATP速度曲線的超速防護(hù)、車門使能和牽引使能等功能。RMF和RMR模式均是人工駕駛列車，系統(tǒng)提供限速，分別是20 km/h和10 km/h。有些軌道交通線路還會配置洗車模式WASH，用于列車在車輛段洗車線的慢速前行，限速10 km/h。

全人工駕駛主要是切除模式（Cut-out）。通常做法是切除開關(guān)激活后，車載信號設(shè)備直接斷電，司機(jī)全權(quán)負(fù)責(zé)目視行車，遵循土建限速和車輛限速。出于更高層面的運營安全考慮，有些城市的客戶現(xiàn)在要求切除開關(guān)激活后，車載信號設(shè)備不斷電，而只是切斷信號輸出，并要求車載司機(jī)顯示單元和軌旁列車自動監(jiān)控ATS人機(jī)界面盡可能追蹤列車位置，以幫助操作員總攬全局。

目前，國內(nèi)城市軌道交通最常用列車駕駛模式組合有ATO、ATB、ATPM、IATP、RMF/RMR、Cut-out，以及OFF（列車停放）。早期的駕駛模式轉(zhuǎn)換一般要求列車靜止，當(dāng)目標(biāo)模式可用時，司機(jī)人工操作司機(jī)控制器或模式開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。隨著信號自主化線路的不斷開通，駕駛模式轉(zhuǎn)換有了較大改進(jìn)，由較低級別（RM）升級到較高級別（如：IATP、ATPM、ATO）可以在滿足條件時不停車自動完成，但是轉(zhuǎn)換到較低級別時，鑒于模式限速的降低，必須停車且得到司機(jī)確認(rèn)。

2　區(qū)間相關(guān)作業(yè)

區(qū)間相關(guān)作業(yè)主要是從列車離開站臺開始，到停在下一站臺過程中的自動或人工功能。駕駛模式因自動化等級不同，其功能側(cè)重點會有所不同。

2.1 ATO行車當(dāng)ATO模式列車在區(qū)間運行時，系統(tǒng)主要通過運行等級控制列車運行的速度和時間。運行等級由ATS發(fā)送給車載信號設(shè)備，當(dāng)列車對準(zhǔn)站臺時接受新的運行等級，在車載數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的ATO速度曲線作為計算下一區(qū)間命令速度的基準(zhǔn)。ATO速度曲線一般有5種：加速、正常、中間1、中間2、節(jié)能。加速等級的區(qū)間運行時間最短，正常等級是默認(rèn)速度曲線，節(jié)能等級的區(qū)間運行時間最長。ATO速度曲線是離線計算的，從加速至節(jié)能，每條速度曲線對應(yīng)的區(qū)間運行時間依次增加3%左右。

ATO模式的惰行控制是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實時控制。當(dāng)列車實際速度超過35 km/h且列車所在軌道平均坡度在±20‰以內(nèi)時，車載信號設(shè)備允許列車進(jìn)入惰行狀態(tài)；在惰行狀態(tài)被允許時，如果當(dāng)前速度曲線限速減去實際速度的差值小于等于0.5 km/h時，列車開始惰行，即不再施加牽引和制動。當(dāng)列車惰行時，如果實際速度減去當(dāng)前速度曲線限速的差值大于0.5 km/h，列車結(jié)束惰行，并開始施加制動；當(dāng)列車惰行時，如果當(dāng)前速度曲線限速減去實際速度的差值大于惰行結(jié)束限值，列車結(jié)束惰行，并開始施加牽引。不同的運行等級對應(yīng)不同的惰行結(jié)束限值，加速等級沒有惰行，節(jié)能等級的惰行結(jié)束限值最大（一般取20 km/h），因此惰行時間也最長。

當(dāng)鋼軌黏著細(xì)數(shù)大幅下降時，如：暴雨暴雪天氣，ATS調(diào)度員通過設(shè)置濕軌命令，向車載信號設(shè)備發(fā)送加速率/制動率降低系數(shù)，減小列車運行時的加速度或減速度，從而減少列車打滑次數(shù)，有效提高列車測速測距的準(zhǔn)確性。車載信號設(shè)備在列車靜止時即可接受該系數(shù)，這意味著在區(qū)間停車后，列車就能改變加速率/制動率。

2.2 ATB行車ATB模式主要在站后折返站使用：當(dāng)列車到達(dá)終端站臺，在完成上下客作業(yè)后，司機(jī)將牽引/制動手柄和模式手柄置于0位，拔下駕駛室鑰匙，然后通過司控臺按鈕ATR請求進(jìn)入ATB模式，車載信號設(shè)備判定模式建立成功后勵磁ATE繼電器，如圖1所示的04 K 25和04 K 26，并根據(jù)系統(tǒng)判定的折返方向輸出FWDC或REVC，這2個命令的輸出回路中都需要串接ATE使能繼電器。在實際應(yīng)用中，無人駕駛自動折返還需要激活車頭（代替司機(jī)鑰匙）、緩解車輛緊急制動回路和控制牽引使能列車線，所以每一端列車所需要的ATE使能繼電器的數(shù)量會比較多〔6〕。

圖1　無人自動折返控制原理

上述ATB模式的做法在整個折返過程中需要司機(jī)在列車。還有一種方式：當(dāng)司機(jī)通過司控臺ATR按鈕建立ATB模式后下車，在站臺上按下無人駕駛自動折返啟動按鈕，列車在無人值守的情況下自動進(jìn)入折返線，并自動返回發(fā)車站臺〔7〕。

2.3 ATPM和IATP行車當(dāng)ATPM或IATP模式列車在區(qū)間運行時，由于是人工控制牽引和制動，系統(tǒng)主要通過允許速度、目標(biāo)速度，以及目標(biāo)距離來輔助司機(jī)駕駛列車。

允許速度，又稱ATP限速，是在土建限速的基礎(chǔ)上，減去安全余量（5 km/h或10 km/h）后得到的列車限速。車載信號設(shè)備實時比較實際速度與允許速度，當(dāng)實際速度減去允許速度的差值大于超速容限后，列車會觸發(fā)緊急制動。ATPM模式和IATP模式使用不同的ATP限速曲線：前者能夠提供連續(xù)ATP防護(hù)，一般只須合并較短（小于列車長度）的限速區(qū)段即可，對應(yīng)的限速曲線變化規(guī)律更貼近土建限速的變化；后者只能提供點式ATP防護(hù)，相對的運行間隔要求也較低，所以限速區(qū)段合并得更多，以保證列車在區(qū)間運行時出現(xiàn)更少的限速變化。

目標(biāo)速度主要用于提醒司機(jī)提前減速。當(dāng)限速曲線從高速段降至低速段時，為避免出現(xiàn)列車超速情況，車載信號設(shè)備對限速曲線變化點進(jìn)行提前減速，實時計算制動曲線，并在制動開始點提前3 s（司機(jī)反應(yīng)時間）預(yù)告目標(biāo)速度，即下一段的限速值。其他情況下，目標(biāo)速度等于允許速度。如果列車處于ATO模式，由于系統(tǒng)控制列車，一般不會發(fā)生緊急制動，但是在司機(jī)顯示單元上還是會提示目標(biāo)速度。

目標(biāo)距離主要用于提醒司機(jī)距離下一停車點的距離，通常是距離停車點1 000 m時開始遞減，直至列車停下。停車點包括安全停車點和非安全停車點，其中，安全停車點主要是移動授權(quán)終點；非安全停車點則有站臺、紅燈信號機(jī)、未清掃的故障計軸區(qū)段、進(jìn)站限制點、GEBR（緊急制動保證率）變化點、風(fēng)井等。只有ATPM模式和ATO模式計算和顯示目標(biāo)距離，IATP模式及其他模式則沒有。

2.4緊急制動緊急制動是安全關(guān)鍵功能。車載信號設(shè)備通過2個繼電器的2組接點控制車輛緊急制動環(huán)，正常情況下，繼電器勵磁吸起，緊急制動環(huán)閉合；當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)致緊急制動的故障時，繼電器失磁落下，緊急制動環(huán)斷開，車輛觸發(fā)緊急制動。緊急制動的恢復(fù)有2種做法：第1種是在列車靜止后，如果觸發(fā)緊急制動的條件消失，車載信號設(shè)備自動復(fù)位緊急制動；第2種是在列車靜止后，且觸發(fā)緊急制動的條件消失時，司機(jī)人工按下復(fù)位按鈕，然后車載信號設(shè)備才會復(fù)位緊急制動。目前，信號行業(yè)內(nèi)比較傾向第一種做法。車輛緊急制動環(huán)串接的功能至少應(yīng)有信號緊急制動繼電器、司機(jī)警惕開關(guān)（ATO模式下被旁路）、司機(jī)緊急制動按鈕、車門關(guān)閉狀態(tài)、激活駕駛室、列車完整性〔8〕。此外，司機(jī)也可以人工觸發(fā)緊急制動，但會導(dǎo)致降弓，列車恢復(fù)起來比較慢。車載信號設(shè)備觸發(fā)的緊急制動不會降弓。

3　車站相關(guān)作業(yè)

車站相關(guān)作業(yè)主要是指列車在站臺停車時的作業(yè)，以及與站臺相關(guān)的作業(yè)，包括目的地管理、車門開關(guān)、發(fā)車授權(quán)等。

3.1目的地管理車載信號設(shè)備使用的目的地有3個來源：ATS、軌旁信號設(shè)備和車載信號設(shè)備數(shù)據(jù)庫。ATS根據(jù)時刻表或運行交路向列車發(fā)送目的地（下一站）和終端站；軌旁信號設(shè)備根據(jù)ATS命令辦理移動授權(quán)，并發(fā)送給列車，其中包括目的地信息；車載的靜態(tài)線路數(shù)據(jù)庫中也有站臺信息，車載信號設(shè)備會根據(jù)運行指示搜索目的地。

正常情況下，車載信號設(shè)備使用軌旁信號設(shè)備發(fā)送的移動授權(quán)中的目的地，并與車載數(shù)據(jù)庫進(jìn)行核對，驗證通過后作為列車授權(quán)運行的目的地。由于ATS存在中央和車站兩級，當(dāng)中央ATS服務(wù)器故障后，車站ATS接管故障區(qū)域，此時車站ATS可能會給新駛?cè)牍收蠀^(qū)域的列車分配不合適的運行班次，從而觸發(fā)錯誤的移動授權(quán)或聯(lián)鎖進(jìn)路。如果該故障區(qū)域恰好有Y型線路分叉點或大小交路套跑的交會點，就有可能造成列車駛向錯誤的目的地〔9〕。有些城市要求車站ATS也應(yīng)具備時刻表功能，但這不能解決根本問題，筆者建議：從車載信號設(shè)備本身入手，當(dāng)列車停在終端站時，系統(tǒng)可以要求司機(jī)通過司機(jī)顯示單元人工確認(rèn)下一趟運行任務(wù)的終端站，以保證在后續(xù)運行中目的地的正確性。之所以提出該建議，是因為城市軌道交通列車運行時往往要求司機(jī)隨身攜帶每列車的派班計劃，從中可以清楚知道每列車的終端站。

移動閉塞的CBTC系統(tǒng)支持的前后兩列車最近距離只有十幾米，為確保列車順利停站，站臺區(qū)域會增加一定限制。當(dāng)前方站臺空閑區(qū)域不能容納一列車時，后車不應(yīng)進(jìn)入站臺；當(dāng)出站前方空閑區(qū)域不能容納一列車時，當(dāng)前站臺列車不應(yīng)發(fā)車。

3.2車門開關(guān)作業(yè)ATO模式下，車載信號設(shè)備支持自動開門和人工開門。關(guān)門功能一般都是人工操作，只在GOA 3和GOA 4級線路由系統(tǒng)控制。ATPM 和IATP模式下，車載信號設(shè)備只提供門使能，開/關(guān)門均由人工操作，而且當(dāng)車地通信良好時，系統(tǒng)支持車門和屏蔽門聯(lián)動。RM模式下，系統(tǒng)一般也會給出門使能，并支持車門和屏蔽門聯(lián)動。

車門開關(guān)作業(yè)還有2個故障操作：車門使能旁路和車門狀態(tài)旁路。前者用于車載信號設(shè)備無法給出門使能的情況，司機(jī)把列車轉(zhuǎn)換至OFF模式，激活旁路開關(guān)即可；后者用于車門故障的情況，此時司機(jī)需要清客，且應(yīng)使用ATPM或IATP模式發(fā)車。車門狀態(tài)旁路時，ATO模式應(yīng)不可用。

對于雙側(cè)站臺的工況，最理想的情況是：系統(tǒng)允許ATS調(diào)度員根據(jù)客流情況進(jìn)行開門方式的設(shè)置，包括單開左側(cè)、單開右側(cè)、先左后右、先右后左、同時開兩側(cè)。如果按這種方式實現(xiàn)，車載信號設(shè)備需要分別采集左右側(cè)車門狀態(tài)，這與傳統(tǒng)的左右側(cè)車門串聯(lián)采集是不同的〔10〕。

3.3發(fā)車授權(quán)當(dāng)列車停站結(jié)束，ATO、ATB、ATPM、IATP模式列車的發(fā)車需要車載信號設(shè)備予以授權(quán)，考慮的安全條件有：列車靜止、車門關(guān)閉且鎖閉、車門使能禁止、屏蔽門狀態(tài)正常或旁路、允許速度非零、緊急制動未施加；非安全條件有：停站時間結(jié)束、無扣車命令、目標(biāo)距離非零。

對于屏蔽門狀態(tài)，ATO、ATB和ATPM模式可以從軌旁信號設(shè)備直接獲得，而IATP模式下，由于車地通信中斷，則需要司機(jī)手動關(guān)閉屏蔽門后通過司機(jī)顯示單元點擊再次確認(rèn)屏蔽門狀態(tài)。

4　結(jié)束語

城市軌道交通無線CBTC信號系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，列車運行控制的自動化等級不斷提高，由于引進(jìn)多方的信號技術(shù)，列車運行控制的功能和人機(jī)接口都不盡相同。這里從司機(jī)的視角詳細(xì)分析各種駕駛模式下的自動控制和人工操作，結(jié)合國內(nèi)的信號故障實例，重點描述列車控制的區(qū)間和車站相關(guān)作業(yè)，并針對某些現(xiàn)行功能的不足提出了建議，從而有助于業(yè)內(nèi)正在推進(jìn)的不同線路列車的司機(jī)駕駛操作程序統(tǒng)一工作，進(jìn)一步提高車載信號設(shè)備設(shè)計的合理性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕IEC.IEC 62290-1: Railway applications Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems Part 1: System Principles and Fundamental Concepts〔S〕.2004.

〔2〕IEC.IEC 62290-2: Railway applications Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems Part2:FunctionalRequirements Specification〔S〕.2009.

〔3〕李雨霏.用事故樹分析法透析軌道交通事故機(jī)理——由上海地鐵十號線事故引發(fā)的探究〔J〕.西部交通科技，2012 （2）：42-44.

〔4〕孫延煥，陳麗民，陳軍科.北京機(jī)場線無人駕駛模式系統(tǒng)的研究與實踐〔J〕.都市快軌交通，2012（10）：38-41.

〔5〕陳仁華.廣州地鐵APM線故障工況下車務(wù)運作風(fēng)險分析及控制〔J〕.黑龍江交通科技，2012（3）：127-129.

〔6〕王永清.自動折返電氣設(shè)備的改造〔J〕.鐵道通信信號，2013（7）：35-36.

〔7〕中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會.城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范—需求規(guī)范〔S〕.2013.

〔8〕上海軌道交通技術(shù)研究中心，上海申通軌道交通研究咨詢有限公司.CBTC與車輛接口技術(shù)條件〔S〕.2014.

〔9〕鄭瑩瑩，陳婷婷.上海地鐵列車開錯方向運營方稱信號調(diào)試故障〔N〕.中國新聞網(wǎng)，2011-7-29.

〔10〕趙曉峰.自主創(chuàng)新知行合一——上海張江實訓(xùn)線自主化JeRail?CBTC信號系統(tǒng)〔J〕.城市軌道交通研究，2014 （5）：彩24-27.

中圖分類號：U284.48

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-8686（2016）-02-0012-04