基于自動駕駛技術的地鐵車輛段出入庫方案研究

彭 湃

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

車輛段(場)承擔全線配屬車輛的停放、整備和定期檢修工作。車輛段內的作業，特別是列車進、出場(段)作業的效率，對正線列車運行效率起著很重要的作用。因此，車輛段納入ATS監視范圍是必須的，否則很難達到“停車場及車輛段的進、出場(段)能力應與正線行車間隔相適應”的要求[1-4]。

根據國內外地鐵現狀和發展趨勢，車輛段的監視與控制方式有以下3種方案。

方案一：車輛段(場)納入ATS系統監視范圍，采用場(段)人工控制。控制中心能監視停車場及車輛段作業情況，但不能控制場(段)內的進路，列車運行采用限速人工駕駛模式，是目前我國已建和在建地鐵車輛段監視與控制系統采用的主要方式[5]。

方案二：車輛段(場)納入ATS系統監視與控制范圍。控制中心能監視車輛段作業情況，并能控制場(段)內的進路，列車運行采用限速人工駕駛模式。計算機聯鎖設備不僅需要向ATS系統傳輸有關表示信息，還需要接受ATS系統的控制命令。

方案三：車輛段(場)納入ATC系統監視與控制范圍。車輛段按需求設自動化區和非自動化區，控制中心能監視車輛段作業情況，并能控制場(段)內的進路，列車運行可以采用ATO模式(自動運行駕駛模式)和ATP模式(ATP速度監控下的人工駕駛模式)，易于實現全無人運行模式[6]。目前，采用全自動運行的線路均采用該方式，例如國內北京機場線車輛段、上海地鐵10號線車輛段。

以上3種方案代表著信號系統自動化程度的逐步提高和未來的發展趨勢，方案一是目前地鐵信號系統中常配的方案，而方案三也是目前全自動運行系統必配的標準方案，而實現該方案須解決ATS自動進路、ATP自動防護、ATO自動駕駛及相應的休眠/喚醒等功能。

2 自動化段/場方案設計

傳統的車輛段作業采用調車模式，調車進路的辦理完全由車輛段值班員手動操作實現，僅能依靠司機通過瞭望信號機狀態，人工駕駛列車運行，自動化程度很低。這就造成了車輛段值班員和司機的較大工作量。隨著全自動運行(FAO)技術的發展，國內擬采用該技術的線路越來越多，技術的發展必然會推動自動化車輛段的技術應用，致使采用全自動化停車場成為必然趨勢。車輛段現有的技術手段，與正線越來越多地采用CBTC技術和自動駕駛技術形成鮮明的對比，迫切需要實現自動化車輛段技術，提高車輛段的自動化水平和系統安全防護能力。根據車輛段/場的自動化程度不同，可細分為：ATS自動監控車輛段/停車場，ATO駕駛車輛段/停車場，DTO(無人駕駛、有人值守)車輛段/停車場，UTO(無人駕駛、無人值守)車輛段/停車場[7]。自動化車輛段構成如圖1所示。

圖1 自動化車輛段構成

車輛段內設置自動化區域和非自動化區域，一般利用牽出線設置為自動化和非自動化的轉換位置[8]。ATS具備對整個車輛段/停車場監視及控制功能。對車輛段/停車場自動化區域應具備以下功能。

(1)ATS子系統自動完成并實現列車在正線和車輛段/停車場內(含試車線及具有軌道占用檢測設備的所有區域)列車識別號的連續追蹤。具備在車輛段/停車場轉換軌處停車和不停車情況下的自動賦予列車識別號功能。

(2)ATS子系統能夠根據出入庫計劃自動設置列車頭碼，自動觸發停車列檢庫至轉換軌之間的列車進路和雙列位之間的調車進路。

(3)通過布置在停車列檢線的出庫位置應答器組定位升級，運行在CBTC-AM和CBTC-CM級別，CBTC級別下列車闖過紅燈信號機后將觸發緊急制動。在轉軌處根據運營需求可實現停車或者不停車上正線運營。

針對DTO車輛段/停車場、UTO車輛段/停車場除滿足上述功能要求外，還需增加以下功能要求：全自動洗車功能；列車的自動休眠與喚醒功能；列車自動測試、自動啟動；列車的工況管理與監督；車輛維護管理功能等。

目前，以CBTC設計的線路(除全自動運行線路)的車輛段停車場，采用ATO駕駛車輛段/停車場方案是適宜的。以全自動運行設計技術的線路，根據需求不同，配置DTO車輛段/停車場或UTO車輛段/停車場的方案[9]。

3 自動化停車場實施案例

3.1 工程概況

為了滿足某地鐵項目首開段(小灰樓-石家莊站段)的開通需求，本工程在石家莊站后設置6列位停車場。不同于獨立設置的停車場，石家莊站站后停車場設置在車站正線區間，與正線是密不可分的，即不能把地下停車場與正線獨立分開，用兩套聯鎖來控制。只能把地下停車場作為正線車站的一部分，納入正線的監控調度范圍。車場不僅要完成其基本的列車收發車作業，還要兼顧列車折返等相關正線運營作業，對運營調度效率的要求更高。

在小灰樓站后設置站后折返線路，石家莊站站后區間設6股道(每股道1列位)地下停車線(圖2)，其中3G、4G兩股道兼作終端折返線，其他4股道(1G、2G、5G、6G)設置有檢修坑和檢修設備，2G設置有檢修平臺，可進行簡單日常檢修作業。

圖2 地下停車場信號平面示意

本工程采用CBTC系統，針對該種停車場，采用ATO方案是可行的。

3.2 ATS子系統方案設計

獨立的車輛段/停車場內設置派班員工作站，根據計劃自動觸發出入庫進路。該方案也是可行的。考慮設置派班員工作站需要增加派班員崗位，而這種小型停車場再增設崗位，會增加運營成本，故在此基礎上開發新的軟件功能，把控制中心運行圖編輯連接至存車線實現自動觸發進路功能。

運行圖編輯員在編輯基本圖時，可以將正線停車場的停車股道作為鋪畫運行圖的起/止點，每條計劃線的起點和終點都可以連接到不同的存車股道，作為列車出/入庫的依據(需運營考慮默認的出入庫規律來創建基本圖)。這樣，每條存車線上列車的上線車次、上線時間、下線車次、下線時間都能從當日計劃中獲取，ATS就可以直接依據運行圖自動為每列車匹配車次、自動排路、自動接車入庫。

ATS就可以根據這些配置分別為這些股道上的列車自動匹配車次號，匹配車次號成功后，列車由人工車變為計劃車。

當ATS為存車線上的列車自動匹配車次成功后，會給車載設備發送計劃信息，列車升級到CBTC模式后會顯示該信息。

如果ATS自動匹配車次時，發現對應的股道上沒有列車或者由于其他未知原因造成ATS自動匹配車次失敗，系統會給出報警提示，需要人工確認或進行干預。本著人工設置優于自動設置的原則，如果ATS自動匹配車次之前，列車已經被人工設置過車次，則系統不會再為該列車自動設置車次[10]。

3.3 ATP/ATO子系統方案設計

(1)列車出庫運行方案

①3G/4G出庫方案

3G/4G兼做站后折返線，限速25 km/h。當3G/4G出庫信號機開放后，司機駕駛列車以RM模式向前運行，經過出庫信號機前方兩個連續的應答器組后獲得列車位置初始定位；列車在完成定位后，在接收到可用的移動授權后，可升級至相應的控制級別。

②1G/2G/5G/6G出庫方案

1G/2G/5G/6G設置立柱式檢查坑，限速5 km/h。如果沒有限速5 km/h的條件，出庫方案和3G/4G方案一致。根據目前集成商信號系統的設計原則，在限速5 km/h的條件下，ATO模式無法建立。司機駕駛列車以RM模式向前運行，經過出庫信號機前方兩個連續的應答器組后獲得列車位置初始定位；列車在完成定位后，無法立即升級到CBTC級別，待列車尾部出清庫門后，才能完成升級模式，此時，EBI速度值是9 km/h，ATO目標速度值是4 km/h。

(2)列車入庫方案

考慮1G/2G/5G/6G的限速5 km/h的要求及庫內安全距離不足的情況下，在列車到達庫門前，停車轉換成RM模式進庫停車[11]。

4 結論

本工程在試運行過程中指標均符合要求，開通試運營后，各項工作平穩有序，試運營各項指標良好。開通首周共計1 414列次，運行圖兌現率100%，列車正點率99.93%，優于國標不低于98%的要求，安全運行約0.75萬列千米。在此期間無行車事故、5 min以上晚點事件及治安消防事件[13]。根據試運行報告及試運營過程中的數據進一步驗證了該方案的可行性，研究所得結論對新建車輛段設計具有一定的參考價值，為運營提供可靠的服務。

地鐵CBTC系統采用自動化的車輛段/停車場，通過提高系統的自動化程度，可以進一步提高系統的安全性、可靠性和節能運行。采用自動化車輛段，信號系統需多方面進行設計考慮，例如停車庫長。目前，北京地鐵采用停車列檢位長度庫尾列車距車檔20 m、兩列位之間的距離為26 m的安全距離。上海地鐵采用停車列檢位長度庫尾列車距車檔15 m、兩列位之間的距離為20 m的安全距離。當然具體參數需結合庫內限速、信號系統參數、車輛參數等進一步討論。但對普通車輛段，庫內未設封閉區域，一般要求出入庫作業速度不大于5 km/h[12]，在該限速條件下，部分系統無法實現ATO模式[13-15]。北京地鐵7號線靈活采用出庫不受5 km/h速度限制、進庫時庫門前停車再轉RM模式的出入庫方案。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50490—2009 城市軌道交通技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50157—2013 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[3] 中華人民共和國建設部.GB/T 12758—2004 城市軌道交通信號系統通用技術條件[S].北京：中華人民共和國建設部，2004.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部 CJJ/T 170—2011 地鐵與輕軌系統運營管理規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[5] 中國交通運輸協會.[2009]004號 城市軌道交通信號系統ATS技術規范[S].北京：中國交通運輸協會城市軌道交通委員會，2009.

[6] 肖培龍.全自動駕駛技術分類及系統設備等配置要點[J].鐵路通信信號工程技術，2016，13(6)：45-47.

[7] 金華.城市軌道交通全自動無人駕駛系統功能分析[J].鐵路計算機應用，2014(1)：61-63.

[8] 肖培龍.地鐵車輛段轉換軌設置點與信號系統處置方式分析[J].鐵路通信信號工程技術，2012(12)：52-55.

[9] 張艷兵.城市軌道交通全自動駕駛發展與思考[J].鐵道運輸與經濟，2015(9):71-73.

[10] 北京交控科技有限公司.石家莊地鐵3號線設計聯絡會文件·信號系統技術規格書[Z].北京：北京交控科技有限公司，2015.

[11] 北京交控科技有限公司.石家莊地鐵3號線設計聯絡會文件·正線地下停車場運營方案[Z].北京：北京交控科技有限公司，2015.

[12] 上海地鐵申通集團有限公司.STB/ZH-000001—2010 上海市城市軌道交通工程技術標準[S].上海：上海地鐵申通集團有限公司，2010.

[13] 王峻峰.石家莊地鐵通車首周總體運營平穩 單日客流突破23萬[EB/OL].( 2017-07-04)[2017-07-11]. http://www.sohu.com/a/154304210_120809.

[14] 中華人民共和國鐵道部.TB10007—2006 鐵路信號設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[15] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2615—1994 鐵路信號故障-安全原則[S].北京：中華人民共和國鐵道部，1994.