全自動運行系統地鐵車輛關鍵技術

李 猛，張艷兵，徐成永，郭澤闊

（1. 北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

1 全自動運行系統概述

根據國際公共交通協會（UITP）的統計數據，截至2016年7月，全球共有37座城市55條全自動運行地鐵線路投入運營，總里程達到803 km。運營里程相比2014年增長了14.2%，預計到2025年全球運營里程將增至2 200 km[1-2]。

近期，國內各大城市對于新建城市軌道交通線路是否按全自動運行系統建設和運營進行了熱烈而廣泛的討論，討論的焦點集中在采用全自動運行系統對工程造價及建設工期的影響、全自動運行系統技術的成熟性、全自動運行系統運營管理模式及緊急運營場景應對等方面[3-5]。

目前，國內已經開通運營的全自動運行地鐵線路（僅指系統建設自動化等級）包括上海10號線、首都機場線、香港迪斯尼線等。根據最新正在設計、在建的線路情況了解到，北京城市軌道交通建設規劃（2016～2021）中的至少4條線路擬采用全自動運行系統進行建設[6]，寧波、成都、天津、濟南、杭州、哈爾濱、昆明等城市也在近一兩年內開始研究應用全自動運行系統。

從國內外目前應用情況及增長數據來看，采用全自動運行系統進行建設的地鐵線路相比常規線路具備諸多優勢[7]，剩下關注的重點在于線路開通運營時采用何種自動化等級進行運營，以及對應的運營管理模式、應對乘客隨機性引起意外的處理措施等[8]。

全自動運行系統的發展和應用主要看全自動運行系統技術的成熟度，包括土建系統和設備系統，其設備系統關鍵技術包括車輛、信號、通信、綜合監控等。

全自動運行系統關鍵技術所起作用如表1所示。

全自動運行系統關鍵設備包括調度、車站、軌旁、車載等關鍵子系統，如圖1所示。

相對于常規線路，全自動運行車輛系統功能需求和技術存在較多區別[9]，技術的產生緣于功能需求和運營場景的改變。本文從 IEC62290規范[10]對全自動運行系統的功能需求出發，對全自動車輛關鍵技術進行逐一論述。

圖1 全自動運行系統組成示意Fig. 1 Composition of FAO system

2 全自動運行系統的功能需求

根據IEC62267[11]，列車運行的基本功能需求包括確保列車安全運行、駕駛列車、監控軌道、監控乘客上下車、管理列車、確保緊急情況的檢測和管理等部分，這些功能需求的實現可由設備系統完成，亦可由人工完成，不同自動化等級（grade of automation，GOA）的運行系統功能完成情況如表2所示。

上述 6種基本功能需求中保證列車安全運行由ATP（列車自動保護）完成，駕駛列車由ATO（列車自動運行）完成，這在目前常規GoA2自動化等級線路中已經實現，下面重點討論監控軌道、監控乘客上下車、監控列車、緊急狀態的檢測與處理這4種功能需求下車輛的關鍵技術。

表2 不同自動化等級下列車運行功能需求Tab. 2 The mandatory basic functions of train operation for a given grade of automation

3 全自動運行車輛職責與關鍵技術

3.1 監控軌道

3.1.1 車輛職責

早期的城市軌道交通線路一般沒有設置站臺門系統，這對乘客安全和軌行區安全存在雙重隱患。這就要求自動運行的車輛做到兩點，一是防止和軌道障礙物碰撞，再是防止和軌道上的人碰撞。

3.1.2 關鍵技術

基于上述對車輛的需求，車輛需新增障礙物檢測裝置與脫軌檢測裝置。當車輛在接收到障礙物、脫軌檢測信息后，觸發緊急制動，同時將此信息發送至列車控制和管理系統（TCMS），這就引出下列3步：

1）觸發緊急制動：車載VOBC收到TCMS匯報的障礙物或脫軌信息后，上傳至 TIAS車輛調和行調控制臺；同時VOBC輸出緊急制動、切除牽引指令；

2）報警信息上傳：TIAS車輛調和行調界面進行報警，同時聯動區間CCTV，查看現場情況，通知人工到事發地點處理；

3）障礙物/脫軌傳感器復位：人工現場清除障礙物，并確認軌道上沒有遺留障礙物時，復位障礙物、脫軌檢測傳感器，人工確認故障解除以及軌道上沒有作業人員且具備繼續全自動駕駛條件后，車輛、信號自動緩解緊急制動，等待人工按壓確認按鈕后可以FAM模式發車。

3.2 監控乘客上下車

3.2.1 車輛職責

由于在UTO（無人駕駛）模式中，列車上或者車站沒有運營人員監督乘客上下車，在控制乘客上下車方面，必須采取措施降低關閉和開啟車門時傷害乘客的風險。在防止乘客在車廂之間或者在列車與站臺之間受傷方面，應采取措施降低乘客掉入站臺和車廂間或者掉入車廂間連接區而受傷的風險。在確保安全啟動條件方面，應采取措施，降低一個或多個車門開著時列車突然啟動，或乘客身體某部分或行李被卡在車門中或者站臺門中造成乘客受傷的風險。

3.2.2 關鍵技術

1）基于上述對車輛的需求，在車門/站臺門對位隔離方面，包括下列關鍵技術：

自動發車條件確認：自動駕駛車載VOBC檢查以下條件滿足后發車：停站計時到時；車門、站臺門關閉且鎖閉；緊急停車按鈕未按下；出站信號開放；區間SPKS開關設置為非防護位；

車門故障提示：當車門發生故障時，對乘客進行提示，車輛通過車載 PA系統觸發相對應的隔離車門上方的動態地圖 LCD顯示器上顯示此門不打開的信息并點亮紅色指示燈，進行車門隔離故障廣播。站臺門系統應點亮故障車門對應站臺門的故障指示燈；

故障對位隔離：在列車進站停穩后，車載VOBC自動打開車門，故障車門由車輛控制不打開，同時向聯鎖發送開站臺門指令，CI控制打開站臺門，故障車門對應的站臺門由站臺門控制，不打開關閉車門和站臺門并發車；

故障信息傳遞：車輛 TCMS→車載 VOBC→聯鎖→站臺門；站臺門→聯鎖→車載VOBC→車輛TCMS。

根據上面列出的功能需求，車輛需新增車門故障隔離控制裝置及TCMS與站臺門聯鎖控制裝置。

2）在清客/再關車門控制方面，包括下列關鍵技術：

發送清客指令：車載VOBC根據電子地圖在折返站和終到站（含臨時清客站臺）停車后，車載VOBC向車輛TCMS發送清客工況指令，并通過硬線給車輛維持發送門使能指令直到清客完成；

自動車輛廣播：車輛 TCMS接收到車載 VOBC的“清客”工況指令后，自動觸發車輛廣播，提醒乘客下車，同時聯動車載PIS提示乘客下車；

車站聯動處理：TIAS聯動車站廣播，提醒站臺乘客不能上車，同時聯動站臺PIS提示本站清客，乘客請勿上車；站臺人員進行清客完成確認后，關閉車門和站臺門。

遠程再關車門控制：FAM模式下，車輛調給車載VOBC發送再關門指令，車載VOBC再次發出關門指令；TIAS預留遠程再關門功能：聯動站臺CCTV及車上CCTV人工遠程確認可以關門時，通過車輛調下發關門命令，按壓站臺關閉車門時，僅關閉未關閉的車門，已關閉的車門不再打開重新關閉。

根據上面列出的功能需求，需新增列車遠程廣播裝置及車門防夾精度提示及狀態上報裝置。

3.3 監控列車/自動化列車運營

3.3.1 車輛職責

由于在 UTO 模式中，在投入/退出運營方面，列車上或車站沒有運營人員來準備列車投入運營或退出運營，所以必須采取措施減少對那些需要幫助且滯留在即將退出運營的列車上的乘客造成傷害的風險。在監控列車狀況方面，車上或者車站沒有運營人員監督列車以便檢測故障，應采取措施減小因未發現的列車故障直接或者間接導致事故對乘客造成傷害的風險。

3.3.2 關鍵技術

基于上述對車輛的需求，在自動列車喚醒/休眠方面，包括下列5個部分的關鍵技術：1）低壓上電/休眠指令接收：通過TIAS遠程或人工；2）列車設備自檢/整車延時斷電：車載各設備對狀態進行自檢；

3）靜調測試、動態測試條件確認：若庫內列車滿足列車級靜態測試和動態測試的條件，執行列車級靜態測試和動態測試；

4）自動換端測試/休眠狀態測試及上報：一端完成后，自動換端，另一端繼續進行列車級靜態測試和動態測試；

5）喚醒完成/休眠完成：兩端VOBC均動態測試完成且測試通過，VOBC向TIAS匯報喚醒成功總標記，則喚醒成功進入FAM模式待命工況。

根據上面列出的功能需求，車輛需新增車輛自檢模塊，車輛喚醒模塊，輔助駕駛模塊以及整車延時斷電控制模塊4個部分。

3.4 緊急狀態的檢測與處理

3.4.1 車輛職責

由于在 UTO模式中，列車上或車站沒有運營人員來識別車上或站內發生的緊急狀況，應采取防護措施降低因未辨識出的緊急狀況而對乘客造成傷害的風險。車輛應針對辨識出的危險狀況有相應的安全措施，來彌補緊急狀況下沒有運營人員的情況。值得注意的是，確定的安全措施有時也用在DTO和STO模式。

3.4.2 關鍵技術

1）基于上述對車輛的需求，在遠程故障復位控制方面，關鍵技術包括遠程復位（合閘）和遠程旁路兩部分。中心車輛調根據TIAS的提示信息人工確認后，采取遠程復位和旁路措施。車輛TCMS周期將車輛故障信息、狀態信息、里程信息發送給車載VOBC。車輛需新增車載設備復位控制裝置，車輛可遠程復位設備表如表3所示。

2）在遠程緊急制動/呼叫方面，包括下列關鍵技術：

乘客按下緊急手柄：單車的TCMS采集到手柄被拉下信息，車輛直接施加緊急制動，并同時發送給車載VOBC和車載CCTV實現聯動；

觸發緊急制動并報警：車載VOBC將緊急手柄拉下信息轉發TIAS車輛調，TIAS車輛調顯示此信息，并輸出報警；車載CCTV將視頻信號通過PIS通道將緊急手柄拉下報警區域的畫面主動推送給地面乘客調CCTV監視器；

表3 車輛可遠程復位設備Tab. 3 Remotely reset device of the vehicle

報警確認并發車：乘客調通過CCTV監視器確認后可通過 Tetra對列車進行廣播，并由中心乘客調確認后通知行調可以發車；行調執行發車確認操作；

緊急呼叫功能：客室內設置緊急呼叫按鈕，當乘客觸發客室內的緊急呼叫按鈕后，可與中心調度臺通話。

根據上面列出的功能需求，車輛需新增車載廣播通信裝置以及車載PIS與緊急按鈕聯動裝置。

3）在車輛火災方面，包括下列關鍵技術：

火災檢測：車輛通過網絡和硬線方式給車載VOBC提供火災報警信息，同時車輛通過硬線的方式給車載VOBC提供火災報警信息，車載VOBC將火災報警上報TIAS。

車輛PIS系統將火災報警區域的畫面推送給地面車輛調、乘客調CCTV監視器和司機臺CCTV監視器。

應急反應：停站期間列車發生火災時，列車打開車門不關閉，疏散乘客。TIAS本站鄰線站臺提示行調設置跳停。

在區間運行時列車發生火災，列車不自動打開車門，運行至下一站對標停車，打開車門不關閉，疏散乘客。行調調度員人工設置上下行相鄰車站的扣車；行調對相鄰區間內正在接近的列車，實施緊急制動。

火災確認：車載VOBC保持在站臺打開車門不關閉狀態，待站臺人員上車后確認火災情況（中心可通過 CCTV輔助確認），如確實有火災，車輛調向車載VOBC發送火災確認，由車載VOBC觸發TCMS預錄廣播對乘客進行廣播，車輛自行觸發預錄制的PIS信息提示乘客。

根據上面列出的功能需求，車輛需新增火災探測裝置，火災信息上傳裝置，火災信息與PIS聯動裝置以及遠程復位FAS報警裝置。

4）在車輛制動系統故障方面，包括下列關鍵技術：

故障上傳：當車輛制動系統故障時，車輛通過MVB網絡將車輛的緊急制動損失程度（損失的轉向架個數）告知VOBC；

故障信息采集：當VOBC與TCMS網絡通信故障后，VOBC將采集制動力故障硬線（制動重故障）輸入，如制動力故障硬線輸入有效，則輸出緊急制動；當網絡正常時，VOBC將不采集制動力故障硬線，通過MVB網絡獲取制動狀態；

故障控制：①損失1/8（以4輛動車、8臺動力轉向架列車為例）轉向架緊急制動的時候，列車可以精確停車，維持運行完本次上下行服務后退出運營。車輛采取限速措施（超過70 km/h時切除牽引）并保證可保證的緊急制動率（GEBR）。信號超過該速度后切除牽引，不需要降低牽引和制動率保證精確停車；②損失1/4轉向架緊急制動的時候，列車繼續運行到站臺停車，人工上車，退出FAM模式，須以CM或RM模式駕駛，車輛采取限速措施（65 km/h）并保證GEBR，信號超過該速度后切除牽引；③損失3/8轉向架緊急制動的時候，VOBC直接采取緊急制動，等待人工救援（若網絡故障，制動硬線匯報有故障，則認為損失3/8以上緊急制動）。

根據上面列出的功能需求，車輛需新增制動系統狀態監測裝置，制動力損失情況上報裝置以及制動力損失信息與限速聯動裝置。

4 全自動運行車輛的可靠性

4.1 可靠性指標

以北京燕房線為例，列車運營可靠性指標：

1）服務故障：每組車平均無故障時間6 000 h；

2）大晚點故障：每組車平均無故障時間4 500 h；（常規駕駛為3 000 h）

3）碎修、列檢故障：每列車平均無故障時間200 h。（常規駕駛為150 h）

另一方面，牽引系統、制動系統、輔助電源系統、通風空調系統、車門系統、TCMS系統具有自診斷功能，可實現系統設備運行狀態、故障及操作指令自動信息采集和記錄功能，并可將影響運營的故障信息、主要狀態信息及能耗記錄發送至車載VOBC用以統一記錄和顯示。

4.2 提高可靠性指標措施

4.2.1 車上設備狀態遠程檢測

車載VOBC系統和車輛TCMS系統通過增加與TIAS、IMS系統的接口，將列車狀態、診斷信息匯總到控制中心（車輛調和設備管理系統），強化遠程監測功能。車輛TCMS周期將車輛故障信息、狀態信息和里程信息發送給車載VOBC。車輛TCMS與地面服務器通道傳輸車輛故障信息和維護信息。

4.2.2 列車控制與診斷系統自動控制

TCMS故障診斷和監控；增強TCMS的數據記錄和傳輸系統；提升TCMS系統可靠性；TCMS遠程安全修復和故障安全自愈技術。

4.2.3 走行部安全監測和故障診斷

車輛走行部若發生嚴重故障而未及時采取措施，容易造成運營安全事故，比如軸承燒損。

傳統車輛走行部監測診斷未實現控車，嚴重故障應急措施依靠診斷信息和司機人工決策的方式，全自動駕駛車輛需要研究高實時性的走行部故障診斷和自動分級報警決策技術。

嚴重故障實時報警通過列車網絡與調度系統實時遠程連接用于監控，從而保障全自動駕駛模式下的車輛運行安全。

4.2.4 采用以太網+MVB雙網結構

關鍵系統均冗余設計，如圖2所示。

圖2 關鍵系統均冗余設計示意Fig. 2 Key systems are redundant design

4.2.5 車地通信大數據處理

全自動駕駛車輛的車載子系統和傳感器多，需要實時把控制數據、運行狀態數據和故障信息實時記錄并發送給地面控制中心，為列車的運行和維護檢修提供支撐。

1）數據記錄要確保數據記錄的完整性和實時性。

2）數據記錄系統為TCMS通過MVB與各系統進行通信，采用大容量進行記錄，記錄芯片固化在設備內部，且在列車兩端均冗余設置有快速存儲器。

3）數據傳輸系統為TCMS通過MVB和以太網與各系統進行通信，傳輸TCMS控制信息以及各系統運行數據、故障信息等，并通過校驗及安全傳輸技術確保數據的發送的安全性、準確性。

4）信號系統可通過TCMS反饋數據實時監控關鍵系統如牽引、制動、車門等關鍵運行狀態，最終實現數據傳輸系統服務全自動駕駛車輛大數據量處理的需求。

5 結論

1）根據IEC62290的相關規定，全自動運行系統需由設備自動化實現監控軌道、監控乘客上下車、監控列車、緊急情況下的處理等，而車輛是全自動運行系統關鍵的子系統，本文從車輛需求與職責出發，闡述了全自動運行車輛的關鍵技術。

2）全自動駕駛車輛在可靠性、可用性、可維護性以及智能化程度方面相對與常規車輛全面性升級。在GoA2模式下，全自動駕駛車輛也具有更高的可用性，可以有效提高整個系統的穩定性。

[1] UITP Statistics Brief. World report on metro automation [EB/OL]. [2017-06-25]http://metroautomation.org/publications/.

[2] UITP Statistics Brief. Metropolitan railways in the world 2014-outlook and focus on automated metro lines. UITP Statistics Brief[EB/OL]. [2017-06-25] http://www.uitp. org/key-statistics

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[5] 郭濤. 全自動駕駛地鐵車輛的運營功能需求初步研究[J].交通世界, 2016(30): 122-123.

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[7] 張艷兵, 王道敏, 肖衍. 城市軌道交通全自動駕駛的發展與思考[J]. 鐵道運輸與經濟, 2015, 37(9): 70-74.ZHANG Yanbin, WANG Daomin, XIAO Yan. Development and thoughts on full-automatic operation of urban rail transit[J].Railway transport and economy, 2015, 37(9): 70-74.

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