淺談地鐵無人駕駛系統設計

肖芃,劉維萍

(青島地鐵集團有限公司運營分公司,山東 青島 266000)

淺談地鐵無人駕駛系統設計

肖芃,劉維萍

(青島地鐵集團有限公司運營分公司,山東 青島 266000)

地鐵無人駕駛技術是地鐵發展趨勢,也是地鐵信號系統發展改進的方向,EN62290-1:2006的定義,無人駕駛列車應具備自動進入/退出運營的功能,由此需要對相關系統如信號、安全門、通信等系統進行深化、細致的設計改變,與傳統信號系統相比,無人駕駛的信號系統迫切需要解決移動通信網絡傳輸穩定性的問題.本文介紹了無人駕駛技術、傳統信號系統存在的缺陷、針對信號系統缺陷提出的設計解決方案,并介紹了新開發的,基于車載控制平臺的列車自動運行控制系統.

無人駕駛;LTE;車載控制平臺

1 無人駕駛技術介紹

無人駕駛地鐵列車是采用高度自動化的先進地鐵系統,是由地鐵控制中心用大型電子計算機監控的,整個線路網的站際聯系、信號系統、列車運行、車輛調度等,也完全實現了自動化的列車.

根據EN62290-1:2006的定義,自動化等級劃分如表1.

表1

各自動化等級功能如表2.

無人駕駛技術的引入將給運營單位帶來如下改變.

(1)過濾掉了司機介入操作的失誤、延時等人為不可避免的時間、效率的浪費,過去司機完成的工作,全部(或者基本)交由設備自動完成,大大降低司乘人員的勞動強度.(2)全自動駕駛可根據客流量變化,動態調整列車運行計劃,有效控制空車走行,節約牽引能耗,運營組織更加靈活.根據國外已運營無人駕駛線路估算,單位車每公里運行能耗降低30%.(3)理論上全自動駕駛系統可以有效縮短行車間隔,提高旅行速度,在與傳統線路同等運力情況下,加速車輛的周轉,提高列車使用率,以減少配置列車數量.(4)全自動駕駛可減少司機定員,弱化或簡化車站行車調度人員配置.中國制造的國內首列"無人駕駛"地鐵列車,2014年6月17日,在上海2014中國國際軌道交通展亮相.無人駕駛地鐵列車最大的亮點是采用先進的全自動控制解決方案,無需司機操控即可實現列車自動喚醒、自檢、自動發車離站、上下坡行駛、到站精準停車、自動開閉車門等全自動操作.

表2

2 自動駕駛技術現狀

2010年4月開通的上海10號線,于2014年8月開始應用有人值守的全自動運行.線路長36km,29座車站,目前運行間隔5分鐘,高峰斷面2.88萬人次;遠期高峰斷面4.84萬人次,遠期能力100秒.北京燕房線,是國內首條采用自主化全自動運行技術的線路.

信號系統作為列車控制的核心系統,在FAO模式的運營理念下,信號系統設備完成的關鍵工作在于如何將司機對車輛發出的操作指令轉換為信號設備本身代替司機發出,并且保證行車安全,符合調度員和車站值班員的操作意圖.

現行的ATO模式信號系統存在如下問題.(1)信號控制邏輯須經過車載-地面區域控制-聯鎖子系統間協調處理,當前信號車地無線通信方案通常為2.4G的WLAN技術,多個子系統之間的傳輸延時,會降低系統效率和可靠性.(2)軌旁設備多,系統調試時間長.(3)一旦區域設備故障,影響范圍大,后備模式切換時間長,對運營影響大.

3 無人駕駛系統設計

列車控制自動化的核心升級部分,就是升級信號系統的設計,針對傳統ATO模式信號系統存在問題,系統功能設計如下.(1)如果采用FAO技術,從車地無線通信穩定性角度考慮,宜采用LTE技術.(2)信號系統新增接口的設計原則和設計內容(與車輛、站臺門、洗車機、門禁、停車列檢庫庫門等).(3)新增信號系統功能.無線通信的穩定性是制約自動駕駛的重要方面,LTE-M無線通訊網絡是可靠的通信手段,目前青島地鐵聯合四方所、四方股份等各家單位,基于以上技術提出了"基于車載控制平臺的列車自動運行控制系統"的設計理念和實施方案.2016年11月獲得中城協批復,同意推薦為示范工程.

基于車載控制平臺的列車自動運行控制系統主要由三方面設計思路構成,一是"車-車"通信,二是列控設備從軌旁到車載,三是列車主體化運行.

(1)"車-車"通信有別于傳統列控系統 "車-地-車"的通信模式,采用車-車(地)的通信模式,列車之間通過無線通信網絡直接建立通信,無需車-地-車環節,后續列車可獲取前行列車的信息,并可以根據該位置信息和線路狀態信息,自主計算移動授權和防護曲線.(2)軌旁到車載的設計思路是整合線路資源管理及區域控制功能,將傳統信號系統軌旁的聯鎖設備以及區域控制設備與傳統車載控制系統進行深度融合與集成,軌旁僅設置目標控制器和必要的基礎設備(將傳統的AP、應答器、信標、波導管等設備進行功能整合).(3)列車主體化運行的設計思路是基于"車-車"通信和車載控制平臺,列車可以獲得時刻表等相關信息,可以根據時刻表自主調整運行,實現以列車為主體的列車主動進路、列車自主防護以及運行等自主調整功能(傳統列車運行控制均由地面設備進行進路辦理和移動授權).

該系統與傳統設備相比具備優勢如下.(1)提高系統可靠性.列控系統仍然通過聯鎖和ATP防護功能保證了行車安全,通過對系統結構進行功能優化再分配,直接控制運行對象,保證行車安全.(2)實現工廠化調試.除了軌旁目標控制器外,主要列控功能整合到車載控制平臺,因而主要列控功能均可實現工廠化調試,將顯著減少現場安裝調試時間,從而有利于縮短工程建設周期,降低建設成本.(3)提升性能.同時,將線路資源管理及移動授權功能由軌旁集成至車載,車載控制數據流直達控制對象,提高系統的實時性,有助提高系統性能.(4)減少相關專業負擔.通過精簡車站/軌旁設備,可以減少50%~60%用房面積.同時,通過減少和整合軌旁設備,還將顯著減少系統維護工作量,降低系統運營維護成本.(5)網絡化運營.列車運行控制的主要功能整合至車載系統后,控制過程對軌旁及控制中心系統依賴性低,因而有利于同制式線路的跨線和網絡化運營.

根據設計思想及整體運營方案,系統包含車載控制子系統、軌旁設備、無線通信子系統、列車自動監控子系統.

車載控制子系統采用一體化設計思想,將車載列控系統自身網絡與車輛實時以太網深度融合(該網絡應符合EN50159標準相關要求),并將兩者的顯示器、傳感器等進行融合.

軌旁子系統取消傳統CBTC系統必須的區域控制器及聯鎖設備,僅保留車地通信設備、信號機、轉轍機、計軸器及應答器等基礎設備,并在軌旁設置目標控制器.作為示范線后備,軌旁同時具備完整的點式+聯鎖后備系統.

無線通信子系統主要由骨干網和無線網絡組成,負責為各系統提供安全或非安全的信號傳輸通道,其中的無線網絡將采用LTE技術,針對LTE已制定了標準化規范,并在城軌系統中已成熟應用,為車車通信提供了保證.

列車自動監控子系統主要實現運營監視(正常情況下不參與控制),提供強大數據匯集及分析功能.某些列車降級運行時,提供人工介入的應急處理手段.作為示范線后備,實現完整的列車自動監控功能.

[1]曹炳坤.無人駕駛的地鐵列車[M].交通與運輸,2006,1.

U231

A

1671-0711(2017)11(上)-0100-02