下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統關鍵技術

翟國銳， 劉宏偉， 師秀霞

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062； 2. 太原軌道交通發展有限公司， 太原 030000； 3. 浙江眾合科技股份有限公司， 杭州 310052)

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統關鍵技術

翟國銳1， 劉宏偉2， 師秀霞3

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062； 2. 太原軌道交通發展有限公司， 太原 030000； 3. 浙江眾合科技股份有限公司， 杭州 310052)

結合國內外城市軌道交通的發展需求、自動無人駕駛列車運行控制系統的現狀及技術發展戰略，參考IEC 62279標準對列車運營自動化等級的分級定義，提出BiTRACON型下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統解決方案，該系統由綜合自動化系統、軌旁控制器、車載控制器、計算機聯鎖和通信系統等組成，除具備傳統的列車駕駛模式外，新增全自動列車自動駕駛模式和蠕動模式，無需工作人員值守，可以進行全自動列車運行控制；并且給出新增駕駛模式和既有駕駛模式之間的轉換。BiTRACON系統解決方案相比傳統的軌道交通信號系統解決方案，在實現全過程的列車運行安全防護、靈活的運營組織、高效和節能、高度一體化和深度集成等方面有了顯著提升。

下一代地鐵車輛； 全自動無人駕駛； 駕駛模式： 信號系統

1 研究背景

我國以及世界上一些大城市的軌道交通經過幾十年甚至上百年的建設和發展，已經形成了城市軌道交通網，城市軌道交通正在成為市民出行的主要公共交通工具。乘客和運營從安全、舒適、正點高效、運營靈活、綠色節能、降低全生命周期成本等方面對城市軌道交通提出了更高的要求。全自動無人駕駛作為目前城市軌道交通的最先進技術，從上述多維度解決了乘客和運營的需求，是城市軌道交通的發展目標之一。

圖1 下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統結構示意Fig.1 The architecture of the UTO signaling system for new generation metro vehicle

法國、德國、英國、丹麥、新加坡等國家先后建成并開通運營全自動無人駕駛地鐵線路，我國的臺北、香港等城市也早在1996年開通了無人駕駛地鐵線路，我國內地的北京、上海等城市也相繼進行了全自動無人駕駛線路的規劃和設計。截至2016年7月，世界上已經有37座城市的55條地鐵線路開通全自動無人駕駛運營系統，運營里程達803 km。據預測，自動化地鐵需求年增長達10%，到2025年，世界所有城市中將有2 300 km的地鐵線路實現全自動無人駕駛[1]。

CBTC(communication-based train control，基于通信的列車控制)系統是一個連續的自動控制系統，裝載了獨立于軌道電路的高精度列車定位裝置、連續大容量雙向車地數字通信系統以及車載與軌旁處理器[2]。隨著CBTC系統技術的發展，為了滿足城市軌道交通技術儲備的國家戰略需要及日益增長的全自動無人駕駛系統的需求，國家科技部在2015國家科技支撐計劃中立項批復了“下一代地鐵車輛技術研究及示范應用”項目，重點研究下一代全自動運行地鐵列車新結構、新材料和新能源，列車全自動控制，列車智能在途故障診斷及預警，車地通信和車載網絡控制，并達到節能、減重、降噪10%的控制目標[3]。本文提出的全自動無人駕駛信號系統是2015國家科技支撐計劃中的一個重要控制系統。

2 全自動無人駕駛信號系統結構

全自動無人駕駛信號系統是下一代地鐵車輛的核心安全控制設備，是將列車駕駛員執行的工作實現全自動化、智能處理、高度集中控制的列車控制系統。系統具備列車自動喚醒啟動和休眠、自動出入停車場、自動清洗、自動運行、自動停車和自動控制車門上下客等功能[4]，即將傳統的城軌地鐵線路中由列車駕駛員進行的駕駛列車、出車前的啟動和檢查、對列車運行前方軌道的瞭望、開關車門以及部分項目的開關安全門、啟動列車、車輛故障檢測和故障排除、與乘客的通信、引導乘客疏散等工作，交由全自動無人駕駛系統進行控制。

全自動無人駕駛系統的關鍵技術主要包括列車控制技術、監測系統聯動技術、故障管理技術及乘客監督和管理技術[5]。列車控制技術包括休眠喚醒、過沖回退、重新開關門、自動出入庫、自動洗車、車輛管理和工程車管理等；監測系統聯動技術包括障礙物檢測、站臺門防夾、工作人員防護、煙火報警聯動、牽引供電聯動等；故障管理技術包括牽引制動故障、門故障處理，遠程復位、蠕動模式、列車救援和備份OCC等；乘客監督和管理技術包括乘客緊急手柄/緊急呼叫、逃生門控制等。

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統的BiTRACON型系統由綜合自動化系統(traffic control integrated automation system，TIAS)、軌旁控制器(含ATP/ATO/FATO(ATP: automatic train protection，列車自動防護;ATO：automatic train operation，列車自動運行; FATO: full automatic train operation，全自動列車自動運行))、車載控制器(含ATP/ATO/FATO)、計算機聯鎖、計軸、通信系統、軌旁基礎設備等組成。圖1顯示了下一代地鐵車輛無人駕駛信號系統的結構。

2.1 綜合自動化系統

綜合自動化系統以行車指揮為中心，由信號與綜合監控、車輛、通信等多系統深度集成，采用統一的硬件平臺、軟件平臺及網絡平臺，實現列車自動監控、列車計劃及調度指揮、電力監控、環境與設備監控等功能，并與火災報警系統、機電系統、乘客信息系統、廣播系統、閉路電視系統等設置接口，減少信息流通環節，以最優的算法和時間執行異常情況下的綜合聯動。

2.2 軌旁控制器

軌旁控制器通過計算機聯鎖提供的軌旁基礎信號設備和進路狀態信息，結合車載控制器匯報的列車位置，為車載控制器計算移動授權；在喚醒過程中，通過計算列車位置，給出允許喚醒授權和靜態、動態測試授權，同時，軌旁控制器還可實現線路數據的管理，對軌道數據庫及全線的臨時限速進行處理。

2.3 車載控制器

車載控制器采用車頭、車尾兩端二乘二取二的安全計算機平臺，實現收尾冗余和無擾自動切換。單端車載控制器由列車自動防護ATP，列車自動運行ATO、全自動運行控制FATO組成，當降級到人工控制時，司機顯示器采用與車輛一體化的方式進行司機駕駛顯示。車載控制器通過軌旁控制器提供的移動授權對列車運行安全進行自動防護，并實現列車的自動發車、自動站停、自動開關門、自動折返等駕駛功能。全自動無人駕駛車載控制器可以實現列車在車輛段/停車場全自動運行，包括自動喚醒、自動休眠、全自動調車、自動出入庫、自動投入和退出運營、自動洗車等；車載控制器可以響應來自TIAS的調度和運營調整指令。

在異常情況下，車載控制器與軌旁控制器、計算機聯鎖一起，實現列車的自動調整、車門與站臺門對位隔離，以及異常情況下的自動緊急制動和遠程控制等。

2.4 計算機聯鎖

計算機聯鎖通過與信號機、轉轍機、環線控制器、計軸、站臺門控制器等軌旁設備以及TIAS連接，實現傳統的聯鎖功能，并通過與軌旁控制器的接口，為其提供軌旁設備及進路狀態信息，并與其協作實現全自動無人駕駛下的保護區段、進路方向、站臺門隔離、工作人員防護、緊急停車、扣車等功能。

全自動無人駕駛系統實現了全過程的列車自動駕駛和安全防護，計算機聯鎖系統的車輛段/停車場也作為正線的延伸，為列車自動控制提供軌旁設備及進路狀態信息。

2.5 通信系統

由于列車運行由系統自動控制和控制中心遠程監控實現，沒有司機和司乘人員進行處理，因此，通信系統除了進行信號系統的車地雙向數據通信之外，還需要將車輛現場圖像、故障信息通過車地通信網絡上傳至TIAS，并在異常情況下傳輸TIAS下發的相關聯動調度指令。

計軸與軌旁基礎設備承擔了與傳統軌道交通列車運行控制系統相同的功能。

3 全自動無人駕駛系統的運營等級和駕駛模式

3.1 運營等級

IEC 62267將地鐵運營的自動化等級(grades of automation，GoA)劃分為4級：GoA1(非自動的列車運行防護)、GoA2(半自動列車運行)、GoA3(無人駕駛列車運行)和GoA4(無人值守的列車運行)，各運營等級的列車運行控制如表1所示[6]。

表1 各自動化運營等級列車控制

注：UTO：Unattended train operation，無人值守的列車自動運行。

3.2 傳統駕駛模式

傳統基于CBTC的城市軌道交通列車控制系統已經具備了自動控制列車的啟動、加速、巡航、惰性、制動等運行過程，具有以下4種駕駛模式[7]。

列車自動駕駛模式(ATO mode，AM)：司機監控下的列車自動運行模式。司機負責瞭望列車運行前方的軌道情況，并負責發車條件的安全確認，通過人工控制發車啟動按鈕執行發車，區間和列車進站由列車控制系統自動駕駛列車運行。

受控人工駕駛模式(constraint train operating mode,CM)：司機在列車自動防護設備監控下駕駛列車運行。

限制人工駕駛模式(restricted train operating mode,RM)：在地面設備故障或未設置地面信息設備的線路，列車按規定限速運行，超速時實施制動，直至停車。

非限制人工駕駛模式(emergency unrestricted train operating mode,EUM)：ATP自動防護設備已被切除，車載設備不對列車運行進行監控，司機按照操作規程駕駛列車。

圖2 下一代地鐵車輛全自動無人駕駛系統駕駛模式轉換示意Fig.2 The driving mode transition diagram of the UTO signaling system for new generation metro vehicle

3.3 全自動無人駕駛模式

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛系統由于無司機駕駛列車，由系統實現對列車的全自動控制，在傳統的列車控制系統駕駛模式基礎上，還具有如下駕駛模式。

全自動列車自動駕駛模式(full ATO mode，FAM)：無司機駕駛的、系統智能控制的列車自動運行模式。相對于AM模式，無需司機進行發車確認操作和瞭望列車運行前方的軌道情況，由系統實現全自動列車駕駛。

蠕動模式(creep automatic train operating mode,CAM)：對于正線區間運行的列車，當ATO與TCMS(train control and management system，列車控制管理系統)通信故障不能進行全自動駕駛列車運行時，由控制中心行車調度員人工遠程確認通信正常、列車其他設備正常，并通過調度員遙控啟動列車，以限制速度(如不超過20 km/h)運行的駕駛模式。

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛系統根據系統工作狀態及人工操作，可以在所提供的6種駕駛模式之間進行人工或自動轉換。圖2所示為下一代地鐵車輛全自動無人駕駛系統駕駛模式轉換關系。

4 全自動無人駕駛信號系統的設計提升

傳統的軌道交通信號系統通常由列車運行自動控制系統和車輛段信號控制系統兩大部分組成[8]，一般在城市軌道交通正線實現自動駕駛和安全防護；運營計劃確定后，受司機配置和系統維護、監控的影響，運營時間為日間，遇到臨時的集會等大客流情況時，往往靠限流實現乘客管理；系統開關門由司機和站臺人員確認后操作，人工確認和系統執行延時，開關門時間達16～20 s[9]，影響運行效率；信號系統的列車自動監控與綜合監控系統獨立設計，由不同專業實現系統管理，在異常情況不能實現自動聯動，需人工交互信息進行處理。

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統的設計采用高度一體化和深度集成的系統方案，實現全過程的列車運行安全防護，提升運營組織的靈活性，實現列車運行節能，相比于傳統的軌道交通信號系統，全自動無人駕駛信號系統運行更加高效和節能。

4.1 實現全過程的列車運行安全防護

對下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統的安全防護范圍進行了外延，除了滿足正線上的列車運行進路防護、間隔防護、速度防護外，還實現了車輛段/停車場的自動運行和安全防護，列車運行的空間范圍從正線擴展到了包括車輛段/停車場在內的列車運行全過程。

下一代地鐵車輛加裝脫軌和障礙物檢測設備，實現軌道侵入障礙物檢測功能和脫軌檢測功能，并在工作區域設置人員防護開關，對工作人員的安全進行防護；同時，全自動無人駕駛信號系統還需要對設備狀態、環境狀態進行檢測，并在設備或環境發生異常時進行自動聯動處理，或由調度人員進行遠程遙控處理。

據不完全統計，傳統的城市軌道交通線路中有50%～60%的意外事件是由于人的疏忽造成的[10]。下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統實現了智能化的全自動控制和聯動，減少了人為誤操作發生的可能，提升了系統的整體安全。

4.2 提升運營組織的靈活性

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統無需每列車配置司機，將司機從長時間在風景單一枯燥的軌道交通線路中解脫出來，由系統進行靈活調整運行間隔，根據需要隨時可以增、減列車，提高系統對突發的、不可預見的大客流(如體育賽事、大型演出時的人員疏散)的響應能力。

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統有助于實現7×24 h不間斷的運營服務，實現日間運行和夜間運行等不同的運營組織，使運營組織更加靈活。

4.3 高效和節能

下一代地鐵車輛實現系統的全自動無人駕駛和控制，根據線路坡度、曲線、車輛性能以及運營間隔，采用列車運行節能技術，自動計算最優的列車運行曲線并駕駛列車運行，實現列車節能運行。

全自動無人駕駛列車可以實現在進站停車、發車、折返、投入和退出運營過程時，減少司機確認操作和反應時間，僅每個站的開關門確認時間就可節約10 s，在降低車輛配置數量的基礎上，提升系統運行間隔，實現列車的高效運行。

4.4 高度一體化和深度集成

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統以列車運行為核心，信號與綜合監控、車輛、通信等多系統深度集成，提升軌道交通運行系統的整體自動化水平。

控制中心采用綜合自動化TIAS系統，可以實現對全線的車輛進行遠程控制、狀態監控，并能和車上、站臺上的乘客進行對講，提升了乘客服務滿意度。

5 結語

下一代地鐵車輛全自動無人駕駛信號系統采用先進的計算機技術、控制技術、通信技術、大數據處理技術，實現了系統的高度一體化和深度集成，無需工作人員值守，可以進行全自動的列車運行控制，并能在設備或環境異常情況下，通過智能檢測和判斷，實現各設備的自動聯動，最大限度避免了人為誤操作導致的意外事件，提升了系統的安全性和運營組織的靈活性，為今后城市軌道交通控制系統提供了技術方案。

[1] UITP公共交通運輸聯合會.地鐵自動化世界報告[R].布魯塞爾，2016.

UITP Advancing Public Transport.World Report on Metro Automation[R].Bruxelles, 2016.

[2] 基于通信的列車控制性能和功能需求：IEEE1474.1—2004[S].IEEE標準協會, 2004.

IEEE Standard for communications based train control (CBTC) performance and functional requirements： IEEE 1474.1—2004[S].IEEE Standard Association, 2004.

[3] 中華人民共和國科學技術部.下一代地鐵車輛技術研究及示范應用課題任務書[G].北京,2015.

Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China. Support program of technology research and demonstration for new generation metro vehicle[G].Beijing, 2015.

[4] 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(3):48-51.

DING Jianzhong.Discussion on innovation of metro operation management module from features of full automation driverless mass transit system[J].Journal of Shanghai electric technology, 2010, 3(3): 48-51.

[5] 武長海.城市軌道全自動無人駕駛技術應用探討[J].鐵路通信信號工程技術,2016,13(5):54-58.

WU Changhai.Discusses about automatic driverless technologies on mass transit[J].Railway signalling & communication engineering, 2016, 13(5): 54-58.

[6] 自動化城市軌道交通安全需求:IEC 62267—2009[S].國際電工委員會, 2009.

Automated urban guided transport-safety requirements:IEC 62267—2009[S].International Electrotechnical Commission, 2009.

[7] 城市軌道交通CBTC信號系統-ATP子系統規范:CZJS/T0028—2015[S].北京：中國交通運輸協會技術裝備專業委員會，2015.

[8] 林瑜筠.城市軌道交通信號[M].北京：中國鐵道出版社,2008:5-6.

LIN Yuyun.Signaling system on urban mass transit[M].Beijing： China Railway Publishing House, 2008: 5-6.

[9] 滬首條膠輪路軌全自動無人駕駛地鐵列車[EB/OL].[2017-01-09]RT軌道交通網, mp.weixin.qq.com/s/jm7gyhxbvzanytrwumdkg.

The first APM system in Shanghai[EB/OL].[2017-01-09]RT Railway Transport network, mp.weixin.qq.com/s/jm7gyhxbvzanytrwumdkg.

[10] 王曰凡.全自動無人駕駛系統:全新理念的城市軌道交通模式[J].城市軌道交通研究,2006(8):1-5.

WANG Yuefan.AUDS-a Brand-new mode for urban mass transit[J].Urban mass transit,2006(8): 1-5.

(編輯：王艷菊)

Key Technologies for Unattended Train Operation Signaling System for New Generation Metro Vehicles

ZHAI Guorui1, LIU Hongwei2, SHI Xiuxia3

(1. CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062; 2. Taiyuan Rail Transit Development Co., Ltd., Taiyuan 030000; 3. UniTTEC Co., Ltd., Hangzhou 310052)

The paper proposes the BiTRACON system, the unattended train operation signaling system (UTO system) solution, for the new generation metro vehicles by referring to the requirements on mass rail transit and the current development trends of fully automatic unattended train control system as well as the classification of operation levels defined by IEC62279. The BiTRACON system is composed of TIAS, trackside controller, on-board controller, computer-based interlocking (CBI) and data communication system(DCS). Itimposes the full automatic driving mode (FAM) and creep automatic driving mode (CAM)in addition to the traditional train driving mode. In the FAM and CAM modes, the train is operated automatically and unattended. At the same time, the mode transition is described. Compared with the traditional train control system, the BiTRACON system solutionhas made great improvement, which can achieve safety protection for the whole operation time, flexible operation, high efficiency, saving energy, as well as deep and high integration.Keywords: new generation train; unattended train operation(UTO); train operation mode; signal system

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.015

2017-01-12

2017-01-22

翟國銳，男，碩士，高級工程師，從事地鐵電氣設計，zhaiguorui@163.com

國家科技支撐計劃項目(2015BAG13B00)

U231.6

A

1672-6073(2017)03-0078-05