全自動無人駕駛系統ATS聯動功能設計

趙青莉

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著城市規模不斷發展，城市人口也日益增多，因此對城市基礎設施的要求也隨之提高，而城市軌道交通以其運力強的特點在城市交通系統中占據著不可小覷的地位。近年來，城市軌道交通快速發展，城市軌道交通的線路越來越多，且線路復雜度越來越大，需要的城市軌道交通專業技術人員也就越來越多，另外，基于人工操作的局限性等特點，使城市軌道交通的運行效率遇到了瓶頸，為解決這些問題，全自動無人駕駛系統（Fully Automatic Operation system，FAO）就應運而生。FAO 系統是在城市軌道交通互聯互通系統基礎上，增加城市軌道交通正常運營的各系統間的信息交互，以滿足系統安全、高效運行。

全自動無人駕駛的情況下，控制中心應具備列車的遠程控制、遠程列車廣播、實時接收列車上傳的數據等功能，并通過監控設備監視列車車廂乘客動態，且能夠自動完成以往由人工保證的運營場景，基于這些需求，傳統列車自動監控系統（Automatic Train Supervision，ATS）已不滿足全自動無人駕駛的需求，傳統ATS 有必要根據FAO 系統需求進行修改，來滿足FAO 系統正常運行。對于傳統ATS 系統的控制中心已經具備列車的遠程控制、遠程列車廣播、實時接收列車上傳的數據等功能，但對于城市軌道交通的早間上電、列車休眠/喚醒、出庫等場景不能自動完成，而要將這些場景自動的串聯起來，ATS 系統就需要添加聯動功能，聯動功能可有效提高這些場景的有序的自動運營，并根據控制對象反饋的結果做應急處理，減輕緊急情況下運營人員的工作壓力以及不必要的錯誤操作，降低工作人員勞動強度，提高城市軌道交通的運營管理水平。因此，分析研究ATS 聯動功能的設計具有重要意義。

2 全自動運行系統ATS聯動功能概述

2.1 ATS聯動功能概述

ATS 聯動功能區別于TIAS 系統中綜合監控的聯動功能，綜合監控專業的聯動是對通信系統各專業的聯動，而ATS 聯動主要針對信號系統內部各專業進行聯動，根據運營計劃，對車、聯鎖、區域控制器（ZC）等專業進行聯動操作，來滿足FAO 系統各場景的自動運行，并能夠在故障或緊急情況下自動進行操作處理。

2.2 ATS聯動場景分析

全自動無人駕駛系統就是使用自動化的、集成化高的控制系統替代駕駛員的工作，從運營狀況分，可分為正常運營和故障處理兩類場景，共提煉出41個運營場景。

正常運營的場景有：早間上電、喚醒、出庫、軋道車運行、正線運行、進站停車、站臺發車、折返換端、終點清客、停止正線服務、回庫、清掃、清洗、休眠、車輛段內自動轉線、日檢與維修、列車遠程廣播、扣車、跳停、行李系統場景。

故障處理的場景有：故障復位控制、再關車門/站臺門控制、遠程緊急制動、緊急制動緩解、區間疏散、緊急手柄、緊急呼叫、車輛火災、FAM/CAM 相關模式轉換、蠕動模式、車上設備工作狀態遠程監測、車門/站臺門故障隔離、車門狀態丟失、雨雪模式、車輛制動系統故障、救援、車站火災、障礙物/脫軌檢測、其他遠程控制功能、運營中信號或車輛發生故障后的處理、站臺門狀態丟失場景。

這41 個場景中ATS 參與的方式有自動執行、半自動執行、以及狀態監視3 種，其中自動執行和半自動自行的場景就需要ATS 進行聯動處理，來滿足各場景的正常高效運行。

3 ATS聯動功能的設計

3.1 設計原則

ATS 系統聯動功能主要是為了滿足FAO 系統各場景的自動運營，根據ATS 內部的運行計劃，對VOBC、AOM、TCMS、CI、ZC 等信號系統內部各子系統以及綜合監控系統專業進行深度互聯，提升FAO 系統的整體自動化水平的技術要求，對FAO 各日常運營場景及故障場景進行設計。因此，ATS 系統的聯動功能設計和實施應遵循以下原則。

1） 為增強聯動功能的靈活性，聯動功能應不僅僅適用于目前的41 個場景，還可以處理臨時增加的其他場景，基于此，對FAO 各場景進行抽象，概括出基本的聯動步驟，所有場景均可套用，聯動動作、觸發條件、執行順序等信息可人工配置。

2） 由于FAO 系統場景繁多，且后期會有不可預期的場景，因此聯動功能的配置難免工作量大，因此，聯動配置設的計應簡潔、易于理解。

3） 在FAO 系統中，ATS 系統是一個非安全系統（部分功能為安全功能），對于某些操作必須進行人工干預，因此，聯動類型需設計為自動執行、半自動執行和人工執行3 類。

4） 不管是人工執行的聯動還是自動或半自動執行的聯動，均需提供清晰的輸入條件，并有明確的輸出結果。

5） 觸發聯動的邏輯條件之間通過邏輯表達式的形式完整的邏輯判斷。

6） ATS 系統為分布式系統結構，因此，聯動的執行位置應明確，可分為中心執行和車站執行兩類。

7） 考慮到ATS 的聯動為信號系統內部的聯動，因此，各聯動操作均通過既有ATS 與各系統的接口來完成，必要時需新加接口。

8） ATS 聯動功能主要是完成全自動無人自動駕駛系統各運營場景，以及用戶提供的功能需求，因此，聯動功能主要通過系統配置實現。

3.2 ATS聯動分類

根據聯動執行地方的不同，可以將聯動分為中心聯動和車站聯動。中心聯動功能主要用于需要中心進行控制，多個車站配合協調完成的動作。車站聯動功能主要用于車站管轄范圍內的各系統和設備間的配合協調動作。

全自動聯動是在沒有人工干預的情況下，自動完成所有動作。即系統自動監測聯動的觸發條件，當滿足觸發條件時，在沒有人工干預的情況下，ATS 系統自動完成聯動步驟中的所有動作，并將相關控制命令發送給相關被控系統。

半自動聯動是指在聯動執行過程中，部分操作需要人工干預后才能進行后續的聯動動作，一般跟安全相關的操作需要人工干預。當聯動被觸發后，部分操作由系統自動完成，部分操作會提示操作員進行操作，當操作員執行完成后，聯動繼續執行，直至聯動所有動作完成。例如，喚醒場景中，當每條庫線里所有列車都出庫后，系統自動在行調工作站上彈出關閉庫門提示，待行調確認關閉庫門后，ATS 聯動執行自動關閉庫門操作，在這個聯動過程中，前半部分操作由系統自動完成，后半部分有人工干預完成，這類就屬于半自動聯動。

手動聯動是完全由人工參與的聯動步驟，操作員可自行編輯聯動執行的步驟，并選擇執行某一聯動動作。

根據聯動功能的不同，可以將聯動分為預定義聯動和自定義聯動兩類。預定義聯動是根據聯動場景預先定義好的聯動功能，操作員不允許在線修改這些聯動定義和設置；自定義聯動是由操作員在線自定義的聯動，并允許操作員修改或刪除自定義的聯動。

3.3 預定義聯動設計

經過分析全自動無人自動駕駛系統的41 個正常及故障運營場景，將對這41 個場景進行預定義聯動設計，其中自動執行的場景有喚醒、 軋道車運營場景、列車進站、區間疏散、障礙物/脫軌檢測、跳停場景，需要調度及其他工作人員配合執行的半自動執行場景有早間上電、出庫、清客、回庫、清掃、洗車場景，完全人工執行的場景有站臺門故障隔離車門、車站火災場景，其他場景ATS 系統只進行狀態監視。

ATS 系統預先將各場景的執行順序定義好，并定義好各場景的觸發時機，當觸發時機滿足時，ATS 系統自動觸發各場景的聯動，將相關操作按執行順序發送給相關專業，并在執行過程中不斷檢查各專業反饋的執行結果，并根據執行結果判斷聯動是否執行完成，最終將聯動執行的結果反饋給行車調度、電力調度、車輛調度、維修調度等工作人員。

當聯動被觸發或自動聯動被執行時，ATS 系統在HMI 上提供顯著的響應方式被操作員觀察到，針對不同的場景，響應方式包括：彈出提醒對話框、工具欄聯動按鈕閃爍。其中，根據場景危害的嚴重級別，工具欄聯動按鈕閃爍可以分為3 個等級：災害、警告、一般事件。不同場景對應的危害級別，其中屬于災害等級的有車輛火災、車站火災、障礙物/脫軌檢測場景，屬于警告等級的有區間疏散場景，屬于一般事件等級的有早間上電、喚醒、出庫、軋道車運營場景、列車進站、清客、回庫、清掃、洗車、跳停場景。

3.4 自定義聯動設計

3.4.1 聯動動作

如果把聯動看做一個自動控制系統的話，ATS系統內部的信息屬于控制器，信號系統其他系統是被控對象，ATS 聯動模塊為執行器，各系統反饋給ATS 系統的結果為測量儀表，也就是當ATS 系統提供的信息滿足聯動觸發條件時，聯動模塊觸發響應的聯動動作，并發送與該動作相關的命令到信號系統的其他子系統，這些系統處理完收到的這些命令后，將結果反饋給ATS 系統，完成一個閉環控制。聯動執行的過程也就是一系列聯動動作的執行過程，因此，可以把聯動動作定義為聯動功能的最小執行單元。

經過對FAO 各運營場的分析，總結出每個場景需參與的專業，并結合ATS 系統本身的特點，歸納出ATS 系統聯動功能的聯動基本動作有：發送時刻表、喚醒、休眠、出庫、正線運行、扣車、跳停、清客、停止正線服務、回庫、清掃、洗車、折返等。系統可支持部分固定的聯動動作，也可自定義其他的聯動動作，并可對這些動作的屬性進行編輯和修改。

3.4.2 聯動設置

聯動功能設置基本操作包括新建、查詢、編輯、刪除。對于一條聯動可選擇該聯動的觸發條件，可設置聯動的類型、聯動執行方式、聯動的危害，以及聯動動作等級等內容。

觸發條件又分為條件觸發、定時觸發、周期觸發3 類。條件觸發中多個判斷條件必須用邏輯運算符連接起來，系統的提供的“與”、“或”、“非”等邏輯運算符。

定時觸發，只需要設置好觸發的日期和時間即可。

周期觸發，設置聯動觸發的周期，例如，每年、每月、每周、每天、每秒等。

聯動的類型，根據全自動無人駕駛系統的運營場景進行劃分，可設置為早間上電、喚醒、正線運行、洗車、休眠等類型。

聯動執行方式，即全自動、半自動、手工3 種執行方式設置。

聯動的危害，即聯動的危害等級，分為災害、告警、一般事件等。

聯動動作，根據不同的聯動場景選擇對應的聯動動作，設置聯動動作的執行順序。

3.5 聯動觸發設計

聯動是由觸發源來觸發執行的，即當滿足觸發條件時系統才執行聯動動作。歸納總結全自動無人自動駕駛系統的場景，可抽象出ATS 聯動的觸發源可以是列車運行計劃，也可以是列車所處的位置，以及列車的狀態，ATS 聯動模塊將這些信息組合，作為各個場景的出發條件，例如，喚醒場景，當收到的列車運行計劃中，該列車在某時刻上線運行，ATS 聯動會提前一定的時間檢查列車是否處于可喚醒的軌道（列檢庫、存車線、折返線），并檢查列車的狀態是否滿足喚醒的條件，當這幾方面均滿足時，即可給列車下發喚醒命令，并處理后續列車正常運營的其他場景聯動。

3.6 聯動執行設計

聯動執行可根據聯動執行的狀態將所有聯動分為待執行聯動和正在執行的聯動，且所有聯動都有一個聯動執行操作區，聯動執行操作區包含聯動的危害等級、聯動名稱以及聯動的觸發時間等。對于“待執行的聯動”，操作員可以對這些聯動進行“執行”和“終止執行”的操作，也可臨時修改聯動各步驟的聯動動作。對于“正在執行的聯動”，操作員可以進行“終止執行”操作，但不可修改聯動各步驟。

3.7 聯動執行結果設計

聯動的執行結果，根據各專業反饋的執行結果進行更新，并作為后續聯動執行的判定條件。聯動功能通過有向無環圖實現，因此聯動執行失敗后，通過觸發條件重新觸發聯動，不可重復執行失敗后的聯動。

4 總結

地鐵A T S 系統中的聯動功能是實現全自動無人駕駛系統功能的一個重要環節，因此，對于A T S 聯動功能設計應該以“安全第一”為基礎，堅持高度集中、統一指揮的原則，結合既有TIAS的信息集成優勢，設計出滿足全自動無人駕駛系統所需要的綜合聯動功能，保證全自動無人駕駛系統的運行效率。