全自動駕駛車輛段總體布局方案設計

郭澤闊

(北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100037)

全自動駕駛車輛段總體布局方案設計

郭澤闊

(北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100037)

從全自動駕駛車輛段典型的運營場景入手，分析倒裝與順裝方案對全自動駕駛車輛段的影響，總結出全自動駕駛模式下車輛段的特點，結合運營場景提出總體布局的設計思路。如在車輛段新增全自動運行區域，由信號系統實現列車的全自動駕駛功能;行車綜合自動化系統增加與車輛段通信、信號、視頻監控、火災報警等系統接口，實現各系統的聯動等。分析表明，全自動駕駛車輛由于其自動運行區和非自動運行區的劃分，以及轉換軌位置的不同，與傳統車輛段總體布置有著較大的不同，在設計全自動駕駛車輛段總體布局時要充分考慮自動運行區的劃分和車輛調車方式的不同，以及開通初期人工駕駛模式到全自動駕駛模式的平滑過渡。

城市軌道交通;全自動駕駛;車輛段設計;運營場景;總體布局方案

1 研究背景

根據國際電工協會標準“鐵路應用——城市軌道交通管理與控制系統”IEC 62290—1中的描述，將城市軌道交通自動化等級分為GOA 0—GOA 4共5個等級。全自動駕駛系統(fully automatic operation，FAO)是基于現代計算機、通信、控制和系統集成等技術實現列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統，是城市軌道交通自動化等級最高的系統［12］。在過去的50年，全自動駕駛技術從低密度低客流線路應用逐級發展到大客流高密度線路應用。目前為止，全球已有34座城市、50條線路、732座車站、773 km的線路應用全自動駕駛。據國際公共交通協會(UITP)估計，未來全球新建城市軌道交通線路75%計劃采用全自動駕駛技術，既有軌道交通40%線路擬改建為全自動駕駛線路［3 4］。

隨著全自動駕駛應用的逐漸成熟，國內上海地鐵10號線、北京地鐵燕房線等線路也嘗試采用全自動駕駛技術建設，據了解，國內其他城市如寧波、廣州等地也有采用全自動駕駛技術的意向?？梢灶A測，在未來的10～20年內，全自動駕駛技術在中國的軌道交通領域將會占有很大的份額。所以，盡早地全面掌握全自動駕駛的關鍵技術，對提高我國軌道交通產業技術水平，建設自主化的全自動駕駛線路有著重要意義。

目前，國內很多科研機構或地鐵建設單位都在組織開展關于全自動駕駛關鍵技術的研究，各設計院在制定全自動駕駛相關的設計標準。關于全自動駕駛車輛、調度系統、綜合自動化等方面的論文也在國內期刊相繼刊發［511］，但關于全自動駕駛車輛段設計的論文或研究還未報道過。

筆者結合多年來傳統地鐵車輛段的設計經驗，以及參與燕房線全自動駕駛車輛段的設計審查工作的積累，結合與北京建管公司聯合申請的多個全自動駕駛關鍵技術研究科研項目成果，對在全自動駕駛模式下車輛段總體布局方案設計提出了自己的想法，希望能起到拋磚引玉的作用。

2 全自動駕駛應用的意義與發展

FAO可實現無人駕駛(unattended train operation，UTO)，但對FAO的關注點并非“無人”，而是提升系統的安全和效率。城市軌道交通的運行最早由司機目視駕駛，安全性完全取決于司機，列車運行效率較低。后來，列車自動防護(ATP)系統的出現，可防止列車碰撞，提升了運行安全性。隨著基于無線通信的列車控制(CBTC)系統的出現，列車在實現自動運行(ATO)的同時進一步提升運營效率，司機的工作主要是控制列車車門開閉、列車啟動、降級模式下的處理和車內廣播。為進一步提升系統安全性和效率，列車車門開閉、緊急情況處理皆由系統自動控制實現，對系統自動化水平及可靠性、可用性、可維護性、安全性(RAMS)指標提出了更高要求，在此背景下，FAO應運而生。

應用全自動駕駛后的車輛段與常規駕駛車輛段存在較大區別，主要原因是車輛段內停車列檢、洗車、試車線等區域采用和正線完全相同的信號系統，導致車輛段內的調車模式、安全隔離措施等都發生相應的變化。那么車輛段設計如何應對這些變化呢?本文將從車輛段典型應用場景分析入手，對車輛段內的車輛運用、整備、檢修各流程應用場景及運營規則進行分析，提出全自動駕駛車輛段的特點，從而總結出全自動駕駛車輛段總體布局方案設計要素。

3 與常規車輛段的區別

結合全自動駕駛車輛段運營場景的修程，全自動駕駛車輛段需要分為全自動運行區和非全自動運行區，與傳統駕駛車輛段相比，主要存在以下特點。

3.1 新增功能

1)車輛段新增全自動運行區域，由信號系統實現列車的全自動駕駛功能。全自動運行區域列車能以自動運行方式運行。整個車輛段納入中央ATS自動列車監控系統，車輛段設車站級ATS工作站。正線服務的列車自“喚醒”至“休眠”應全部納入ATS時刻表管理與控制。

2)新增全自動運行區域與非全自動運行區域的隔離設施，并增設門禁系統。車輛段應對全自動運行區域和非全自動運行區域進行嚴格分區，區域間采用圍欄、建筑物或其他設施隔離。在必要的通道處設置門禁，人員及車輛通過門禁進入全自動運行區域時，必須得到控制中心授權。

3)新增全自動運行區域門禁與信號、行車自動化、供電的聯鎖功能。為方便管理，停車列檢庫設置若干防護區，工作人員必須通過庫內橫向地溝才可進入防護區。從地溝通往該區域的出口設置門禁，當人員需要進入區域時，必須先取得行車調度和電力調度的許可才能進入。

4)新增全自動運行區域若干防護區域的劃分，并增設通往各防護區域的地下通道。停車列檢庫應設在全自動駕駛區域內，列檢線設置檢查坑。為方便管理，停車列檢庫應設置若干防護區。

5)新增列車清洗機與信號系統的接口，實現全自動洗車功能。

6)新增試車線全自動無人駕駛測試，包括列車休眠、喚醒、對外停車、自動開門關門、列車自動換端等。

7)新增全自動運行區車庫內照明遠程控制功能及牽引供電的遠程控制。

3.2 增強功能

增強全自動運行區域火災報警系統、廣播系統、視頻監控系統功能，并增加各系統的聯動功能。

全自動運行區域車庫大門增強為自動門，增加根據行車進路自動開閉功能。

3.3 變化接口

1)增加供電系統與門禁系統的接口。停車列檢庫隔離開關與進入停車列位的門禁硬線連接，當隔離開關閉合時(供電)，門禁被鎖定，無法打開;當隔離開關斷開時(斷電)，門禁才允許打開。

2)通信系統在車輛段全自動運行區域設置的廣播及視頻監控系統，增加與信號系統、火災報警系統、門禁系統的接口，實現各系統的聯動。

3)信號系統增加與列車自動洗車機、門禁系統、機電系統的接口。

4)行車綜合自動化系統增加與車輛段通信、信號、視頻監控、火災報警等系統的接口，實現各系統的聯動。行車綜合自動化系統增加與全自動運行區域動力照明、供電系統的接口，實現控制中心通過BAS遠程對全自動運行區域停車庫照明、供電、斷電的分區域控制。

4 典型應用場景

全自動駕駛系統指的是完全沒有司機參與，車輛在控制中心的統一控制下實現全自動安全運營。全自動駕駛的核心理念是通過設備的邏輯聯鎖與冗余控制，保障運營系統中車輛與乘客的安全。

在全自動駕駛車輛段內，分為全自動運行區和非全自動運行區。在全自動運行區內，車輛可實現列車自動休眠、喚醒、準備、自檢、運行、停車、洗車等操作。車輛由自動運行區進入非自動運行區需要通過專用的轉換軌來切換信號模式，由自動駕駛模式轉換為人工駕駛模式。車輛在全自動運行區到非自動運行區檢修作業需要有完善的安全管控系統來保障安全。本文以車輛從正線回段到月檢庫檢修為例，對典型的全自動駕駛應用場景描述如下:

1)車輛維修調從調度中心獲取車輛進庫檢修(月檢)計劃，工作流程處于列車進庫階段，并通知調車司機到轉換軌相應位置待命。

2)車輛維修調后臺通過信號、車輛、調度等其他系統接口，獲取列車進入車輛段信息，經過自身聯鎖邏輯判斷，通過網絡向門禁聯鎖控制裝置發出命令，自動運行區與非自動運行區間壁門自動打開。

3)列車由調度中心控制，自動駛入轉換軌;調車司機靠近列車，請求調度中心打開車門。

4)調度司機進入列車，并按下檢修按鈕，列車司機室激活，車輛進入人工駕駛模式，由調車司機駕駛列車駛入月檢庫，調車司機下車，自動運行區與非自動運行區間壁門自動關閉。

5)檢修人員在安全防誤系統后臺編制工作票及操作票，從防誤系統后臺進入停電階段。系統后臺通過網絡向隔離刀閘監控裝置發出遙控分閘命令，斷開隔離刀閘，實現接觸網停電。

6)接觸網停電后，接觸網遠程接地裝置自動檢測接觸網電壓，驗明無電后，通過網絡向防誤系統后臺發送接觸網無電信息。

7)防誤系統后臺確認無電后，經過聯鎖邏輯判斷，允許接地。防誤系統后臺通過網絡自動向接觸網遠程接地裝置發送遠程接地命令，接觸網遠程接地裝置接到命令后動作，實現接觸網遠程自動接地。

8)防誤系統后臺通過網絡采集到接觸網已處于接地狀態后，通過網絡向門禁聯鎖控制裝置發出檢修平臺作業門打開命令，檢修平臺作業門打開，允許檢修人員進入檢修平臺作業。

9)視頻監視裝置發現檢修人員進入檢修平臺后，通過網絡向防誤系統后臺發送視頻信息。防誤系統后臺經過判斷，進入檢修模式，自動控制視頻監視裝置對檢修過程人員及設備進行視頻監護。

10)檢修結束，檢修人員返回，防誤系統后臺進行送電前檢查。防誤系統后臺確認人員全部撤離后，后臺通過門禁聯鎖控制裝置閉鎖檢修作業門，進入送電模式，準備送電。

11)防誤系統后臺控制接觸網遠程接地裝置，實現接觸網接地自動拆除。系統后臺通過采集信號，確認接觸網接地確已拆除后，通過網絡向隔離刀閘監控裝置發出遙控合閘命令，實現接觸網送電。

12)接觸網送電成功后，防誤系統后臺經過聯鎖邏輯判斷，通過網絡向門禁聯鎖控制裝置發出命令，自動運行區與非自動運行區間壁門自動打開。

13)調車司機將列車開到轉換軌指定位置，并將檢修開關撥到非檢修位，調車司機下車，列車進入自動駕駛模式，由調度中心喚醒列車，并自動駕駛進入停車場庫，整個月檢過程場景完畢。

整個“列車進庫—接觸網停電—車輛檢修—接觸網送電—列車出庫”的全自動駕駛列車進出庫場景，如圖1所示。

5 總體布局方案

5.1 國內外經驗借鑒

常規駕駛車輛段的布局一般按順裝布置，以實現檢修調車工藝的順暢。在全自動駕駛時，車輛段分為全自動運行區域和非全自動運行區域。全自動運行區域與非全自動運行區域間設置信號轉換軌，凡是由全自動運行區域運行至非全自動運行區域的列車，均需進入信號轉換軌進行信號轉換，列車由無人駕駛進入有人駕駛模式。

圖1 全自動駕駛列車進出庫場景Fig.1 The scene graph of FAO train driving in＆out of depot

由于倒裝布置方案分解了咽喉區，可有效利用占地面積，需對全自動駕駛模式下倒裝方案與順裝方案的調車工藝進行對比分析，以充分認識全自動駕駛車輛段的布局特點并發揮全自動駕駛列車的優點。為此，首先對國外幾個具備全自動駕駛線路的典型車輛段進行調研，如圖2所示。

由圖可見，全自動駕駛車輛段采用倒裝方案在國內外應用比較常見。尤其值得注意的是，圖2(c)為迪拜地鐵紅線Rashidiya全自動駕駛車輛段，此線路全長52.1 km，為目前線路最長的全自動駕駛線路，于2011年建成通車，最高運行速度為110 km/h，該地塊明顯具備并列順裝布置條件，但仍采用了倒裝布置。

5.2 順裝、倒裝調車工藝

5.2.1 順裝方案列車調車工藝

以北京新機場線磁各莊車輛段的總圖布局為例(見圖3)，對全自動駕駛車輛布局進行分析。在車輛段調車中，出現次數最頻繁的是列車進行月檢工作時，在月檢線和停車列檢線之間的調車。月檢線為非全自動駕駛區，停車列檢線為全自動駕駛區。

圖2 國內外全自動駕駛車輛段布局案例Fig.2 The cases of fully automatic operation depot layout at home and abroad

如圖3所示，若是傳統人工駕駛，列車由正線駛入月檢庫直接入庫，無需換向;但是，在全自動駕駛模式下，由正線(全自動運行區)運行至月檢庫(非全自動駕駛區)必須經過段內信號轉換軌，段內信號轉換軌一般兼作段內牽出線，因此列車需先進入停車列檢庫，再由停車列檢庫運行至信號轉換軌，最后由信號轉換軌運行至月檢庫。上述調車過程列車一共經過2次換向，1次運行模式切換。

圖3 全自動駕駛車輛段順裝方案調車工藝Fig.3 The analysis diagram of shunting process in consequent arrangement for fully automatic operation depot

出庫過程完全相反，一般月檢結束列車會返回至停車列檢庫。此時，列車需先經過信號轉換軌，后運行至停車列檢庫，共經過1次換向，1次運行模式切換。

5.2.2 倒裝方案列車調車工藝

如圖4所示，列車進入月檢庫時，可直接由正線運行至信號轉換軌，再進入月檢庫。整個調車過程，僅需1次換向，1次信號轉換。

圖4 全自動駕駛車輛段倒裝方案調車工藝Fig.4 The analysis diagram of shunting process in reverse arrangement for fully automatic operation depot

由月檢庫返回停車列檢庫時，仍需經過信號轉換軌，經過2次換向。但是換向過程除信號轉換時需有司機配合外，其他換向過程由列車自動運行完成，調車較為簡便。

綜上所述，采用倒裝方案時，列車出入月檢庫檢修調度換向次數與順裝相同，走行距離與調度總時間基本相當;但是，倒裝方案由于咽喉區重疊，更有利于占地面積的充分利用。順裝、例裝方案對比見表1。

表1 順裝、倒裝進出月檢庫調車流程對比Tab.1 The process com parison between consequent arrangement and reverse arrangement in fully autom atic operation mode while shunting in＆out ofmonthly inspection area

5.3 兼容GOA 2到GOA 4模式的總體布局方案

由于按全自動駕駛等級建設的線路在開通初期一般采用傳統ATO駕駛模式，需經過運營評估、安全認證等，逐步過渡到全自動駕駛模式。在人工駕駛模式下，倒裝布置調車換向次數及調車距離、時間大大高于順裝模式。

由于一般線路開通初期配車數較少，停車列檢庫能力有一定富余，因此，建議考慮在列檢庫選2列位間設1處中高層平臺，可完成月檢功能，兼顧重型清洗列位。初期人工駕駛時，列車直接進入列檢庫完成月檢功能，可避免倒裝調車的不順暢，如圖5所示。

圖5 初期人工駕駛模式月檢調車流線示意Fig.5 The streamline diagram of shunting for monthly inspection in initialmanual drivingmode

待實現全自動駕駛后，倒裝方案調車流程如上節所述。綜上，該思路設計的車輛段倒裝方案可保證GOA 2到GOA 4運營模式全過程的調車工藝順暢。

6 設計特點

綜上，滿足全自動駕駛的車輛段在檢修工藝、總圖布局等方面與常規人工駕駛車輛段存在明顯區別，主要體現在以下幾方面:

1)為確保段內行車安全，檢修、運營管理便捷，車輛段由自動運行區和非自動運行區構成，列車由自動運行區到非自動運行區需經過轉換軌，進行信號模式的轉換。停車列檢庫、洗車庫及試車線一般設于自動運行區，檢修庫設于非自動運行區。

2)自動運行區與非自動運行區之間設物理隔離，且有邊界防護。

3)新增列車清洗機與信號系統的接口，列車可實現全自動洗車。

4)為便于管理，停車列檢庫設置若干防護區，各防護區間設置物理分割。因此，大庫寬度略有增加。

5)綜合用地利用、檢修調車工藝等方面考慮，全自動駕駛模式下倒裝布置方案相對于順裝方案有一定優勢，這也是全自動駕駛車輛段總體布局與傳統車輛段總體布局最大的區別。

7 結語

本文結合全自動駕駛的特點，結合全自動駕駛車輛段設計時新增和增強的功能，從分析全自動駕駛車輛段檢修工藝流程的運營場景入手，并借鑒國外典型案例，對全自動駕駛車輛段總體布局方案提出了設計思路。全自動駕駛車輛由于其自動運行區和非自動運行區的劃分，以及轉換軌位置的不同，與傳統車輛段總體布置有著較大的不同。在設計時要充分考慮自動運行區的劃分和車輛調車方式的不同，并考慮開通初期人工駕駛模式到全自動駕駛模式的平滑過渡。

另外，由于國內目前還沒有相關的規范與標準，在今后的全自動駕駛車輛段設計工作中，設計者應充分理解全自動駕駛技術的安全理念，從分析運營場景入手，指導車輛段設計，并協助運營單位制定與之相配套的運營規則。

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Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing Rail Transit Construction and Management Co.，Ltd..Safety control system＆method of fully automatic operation depot:China，CN 201510224690.3［P］.2015 08 26.

(編輯:郝京紅)

Overall Depot Layout for Fully Automatic Operation in Urban Rail Transit

GUO Zekuo
(Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

The impactsof the inverted and forward arrangements for an automatic operation depotare analyzed from the perspective of the typical operational scenario in a fully automatic operation depot.The characteristics of the automatic operation depot are summarized，and the general layout design is put forward on a basis of operation scenarios.For example，new zones for fully automatic operationmustbe considered in the depot，and the fully automatic function of the train can be realized by the signal system;the interfacesw ith the communication，signal，videomonitoring，fire alarm system，etc.should be added for the integrated automatic driving system.The analysis shows that differences exist in the overall arrangement of the depot for fully automatic vehicles considering the division between the automatic operation area and the non- automatic operation area，aswell as the different sw itch rail positions，compared w ith the traditional depot.In the design of an automatic operation depot，the general layout should give full consideration to run automatically w ith the different division and the differentmethods of vehicle shunting.

urban rail transit;fully automatic operation;depot design;operation scenarios;overall layout program

U231

A

1672- 6073(2017)02- 0042- 06

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.009

2016- 07 07

2017 01 16

郭澤闊，男，碩士，高級工程師，車輛工藝室主任兼長春分院副總工程師，從事車輛段工藝設計研究，11098926@qq.com

北京科委社會發展領域儲備項目(D16110600010000)