城市軌道交通既有車輛段短庫線全自動駕駛改造方案研究*

陳寧寧 張 琦 王開鋒 高 鶯 賈 鵬

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，100081，北京；2.中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，100081，北京；3. 國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，100081，北京//第一作者，高級工程師,博士研究生)

全自動駕駛系統(tǒng)是未來城市軌道交通的發(fā)展趨勢。全自動駕駛系統(tǒng)經(jīng)歷了探索、推廣階段，已經(jīng)進(jìn)入了成熟應(yīng)用階段[1]。全自動駕駛系統(tǒng)發(fā)展之初主要應(yīng)用于低運量的線路，而現(xiàn)在逐漸成為大運量干線線路的值得信賴的解決方案。最近10年，有21.5%的新開大運量線路選擇了UTO(無人值守下的列車自動運行)系統(tǒng)。根據(jù)國際公共交通聯(lián)合會的預(yù)測，到2025年全球?qū)? 300 km的城市軌道交通線路選擇全自動駕駛系統(tǒng)。目前，法國巴黎和里昂、德國紐倫堡、巴西圣保羅、西班牙巴塞羅那等的地鐵線路都應(yīng)用了全自動無人駕駛系統(tǒng)。

城市軌道交通的GOA(自動化等級)分為5個等級,從GOA0到GOA4[2-3]。目前，國內(nèi)主流的CBTC(基于通信的列車自動控制)系統(tǒng)屬于GOA2級，是一種STO(半自動列車運行)系統(tǒng) 。CBTC系統(tǒng)通過ATO(列車自動運行)子系統(tǒng)已經(jīng)具備了正線運行的自動化駕駛功能，但在車輛段和停車場仍然僅依靠駕駛員根據(jù)軌旁信號顯示行車,車載信號系統(tǒng)僅提供固定限速防護(hù)功能。ATO模式下，運行安全完全依賴于人工,易發(fā)生因人員疏忽而造成的事故。因此，通過提高車輛段的自動化水平可以使既有線的CBTC系統(tǒng)達(dá)到GOA4級水平(UTO)。繼2009年紐倫堡U 2線、2012年巴黎L 1線完成全自動改造后，格拉斯哥、倫敦、里昂、馬賽、巴黎、維也納等歐洲城市已確認(rèn)將在未來10 a進(jìn)行線路的自動化改造。

自動化車輛段的主要功能包括列車的自動喚醒、自動調(diào)車、自動出庫、自動進(jìn)入正線、自動退出正線、自動洗車、自動入庫及自動休眠等[4]。其中列車的自動喚醒、自動出庫、自動入庫、自動休眠是在庫內(nèi)完成的。列車的自動喚醒及檢車功能是自動化車輛段的核心功能。既有車輛段的庫線長度較短且計軸區(qū)段劃分不合理，不能滿足列車自動喚醒后軌旁ATP(列車自動保護(hù))的篩選、庫內(nèi)跳躍動態(tài)自檢、自動入庫3個功能對庫線長度及布置的要求?？赏ㄟ^重新劃分計軸區(qū)段實現(xiàn)列車的篩選，通過以下2種方案解決庫線過短的問題。

(1)增加庫線長度。此方案涉及既有庫線及相鄰建筑拆遷，存在費用較高、改造周期較長、對運營影響較大等方面的問題。地鐵業(yè)主一般不選擇庫內(nèi)自動化改造方案，而是采用以下方案：當(dāng)全自動運行列車自動駕駛到庫門口停車后，由人工駕駛列車進(jìn)入庫線；當(dāng)全自動運行列車出庫時，人工手動實現(xiàn)檢車跳躍，并將列車駕駛到庫口完成定位，然后再使列車進(jìn)入全自動駕駛模式。

(2)減少車載信號系統(tǒng)的制動保護(hù)距離限制。庫線的長度需要滿足列車本身的長度及車載ATP系統(tǒng)對最小制動保護(hù)距離的要求。結(jié)合應(yīng)答器、計軸、局部定位設(shè)備等信號系統(tǒng)軌旁設(shè)備的調(diào)整布置，通過變更入庫控車流程及相關(guān)的安全制動模型減少車載ATP系統(tǒng)的制動保護(hù)距離限制，實現(xiàn)全自動運行列車短庫線自動入庫停車及喚醒后跳躍功能。此方案是車輛段自動化改造的較為經(jīng)濟(jì)可行的方案。

1 全自動車輛段庫線設(shè)計方案及分析

1.1 全自動車輛段列檢庫線劃分

圖1為車輛段庫線劃分示意圖。按照廣州地鐵大洲車輛段庫線布置，既有非全自動線路的列檢庫線只有AG和BG兩個計軸區(qū)段。6輛編組的列車長度為120 m，A和B兩個列位所在計軸區(qū)段的長度通常分別為131 m和140 m。

圖1 車輛段庫線劃分

為了滿足全自動駕駛系統(tǒng)喚醒后軌旁ATP對非自動列車的篩選條件，需要將列檢庫線劃分為AG、BG、CG ，總共3個計軸區(qū)段。但由于既有非全自動線路的庫線長度普遍較短(268 m左右)，不能滿足理論上的299 m[5]的全自動車輛段庫線長度需求。需要根據(jù)車輛參數(shù)及原有庫線長度重新劃分計軸區(qū)段長度。經(jīng)過計算，設(shè)置AG、BG長度均為128 m，CG的長度為15 m，其中BG的保護(hù)距離(停車點到車擋安全點的距離)為7 m。

1.2 全自動車輛段列檢庫線布置

圖2為車輛段庫線信號設(shè)備布置示意圖。在庫線安裝有固定應(yīng)答器，用于VOBC(車載控制器)自動精確入庫停車。在庫線停車點附近安裝有局部定位設(shè)備，局部定位設(shè)備的通信范圍可以根據(jù)需要調(diào)整，能實現(xiàn)只與本列位已停準(zhǔn)的車載設(shè)備雙向通信。地面ATS(列車自動監(jiān)控)可以在車載設(shè)備休眠后通過局部定位設(shè)備追蹤休眠列車位置。車載定位設(shè)備也可以通過接收ATS的命令喚醒信號及車輛設(shè)備。喚醒后的VOBC通過局部定位設(shè)備確定列車定位，且只允許在局部定位設(shè)備通信范圍內(nèi)進(jìn)行跳躍測試，以保證動態(tài)自檢安全。

圖2 車輛段庫線信號設(shè)備布置示意圖

1.3 自動化車輛段入庫停車安全制動模型

標(biāo)準(zhǔn)安全制動模型[6-8]考慮了車載ATP的輸出延遲tout、車輛的牽引切除延遲ttraciton、車輛的制動施加延遲tcoastiong。標(biāo)準(zhǔn)安全制動如圖3中1#曲線所示，包含最大牽引階段、惰行階段和緊急制動階段。由于BG的停車點距離車檔的距離很短，且標(biāo)準(zhǔn)安全制動模型的曲線需要的保護(hù)區(qū)段為18 m，因此通過ATO不能實現(xiàn)列車自動入庫停車。

對于變更后的安全制動模型，在入庫階段，車載ATP接收到局部定位設(shè)備信息后提前切除牽引，通過ATO控制列車在庫線以惰行、制動工況行駛并精確停車。停車點處布置有局部定位設(shè)備，當(dāng)ATP接收到局部定位設(shè)備信息且速度大于設(shè)置值時，ATP會施加緊急制動，以保證安全停車。采用這種控車方式，在ATP的安全制動模型中可以不考慮最大牽引階段，只考慮惰行階段和緊急制動階段。

注：s代表距離；v代表速度

如圖3所示，1#曲線為標(biāo)準(zhǔn)安全制動模型曲線，2#曲線為變更后的安全制動模型曲線。同樣的初始速度v0下，按照2#曲線計算得到的緊急制動距離要小于按照1#曲線計算得到的緊急制動距離，等價于變更后的安全制動模型需要的保護(hù)距離小于標(biāo)準(zhǔn)安全制動模型需要的保護(hù)距離。1#曲線相關(guān)計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：

s1——牽引階段運行距離；

s2——惰行階段運行距離；

s3——制動階段運行距離；

m——質(zhì)量；

η——最大下坡坡度：

Δh——緊急制動時,速度為v0時列車所在位置的海拔高度與速度為v3時列車所在位置的海拔高度之差；

f——阻力；

ao——牽引階段加速度；

ac——惰行階段加速度；

aeb——緊急制動階段加速度；

ag,min——坡度造成的加速度;

g——重力加速度。

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出式(2)：

[v0+aoto-aeb(tc+to)]2-2gΔh}/(2aeb)

(2)

如不考慮牽引階段的加速過程，可以根據(jù)式(2)推導(dǎo)出式(3):

aebtc)2-2gΔh]/(2aeb)

(3)

式(2)代表圖3所示的1#曲線制動模型，其需要的制動保護(hù)距離長度為18 m。式(3) 代表圖3所示的2#曲線制動模型，其需要的保護(hù)距離長度為3 m，該距離要小于BG停車點到車擋的距離(7 m)。因此，2#曲線制動模型是能夠滿足列車自動進(jìn)站停車條件的。限速距離曲線如圖4所示。表1為安全制動參數(shù)表。

圖4 限速距離曲線圖

表1 安全制動參數(shù)表

1.4 自動化車輛段入庫流程

以庫線AG停車為例，在VOBC控制下，列車自動入庫過程可以分解為以下2個主要過程(見圖5)：

(1)在列車從段場向庫內(nèi)運行過程中，VOBC根據(jù)應(yīng)答器修正的位置判斷距離局部定位設(shè)備HX 0104的距離。當(dāng)判斷未到局部定位設(shè)備HX 0104通信范圍但已收到局部定位設(shè)備報文時，施加緊急制動停車；當(dāng)判斷越過局部定位設(shè)備HX 0104通信范圍但還未收到局部定位設(shè)備報文時，施加緊急制動停車。目的是判斷車載局部定位設(shè)備接收單元的健康接收狀態(tài)，當(dāng)存在不確定性因素時倒向安全側(cè)。如果在允許范圍內(nèi)接收到局部定位設(shè)備報文，則切除列車牽引，允許列車以惰行或者制動模式繼續(xù)向前運行。

(2)在惰行或制動運行過程中，VOBC根據(jù)應(yīng)答器修正的位置判斷距離局部定位設(shè)備HX 0103的距離。當(dāng)判斷未進(jìn)入局部定位設(shè)備HX 0103通信范圍但收到定位設(shè)備報文時，施加緊急制動停車；當(dāng)判斷進(jìn)入局部定位設(shè)備HX 0103通信范圍但還未收到局部定位設(shè)備報文時，施加緊急制動停車。如果在允許范圍內(nèi)接收到局部定位設(shè)備報文，則要判斷速度是否超過限制速度；如果超過限制速度則施加緊急制動，如果速度非零但又接收不到定位設(shè)備報文則施加緊急制動停車。

圖5 列車入庫流程控制圖

2 仿真驗證

圖6為系統(tǒng)仿真測試環(huán)境示意圖。如圖6所示，在既有CBTC仿真測試環(huán)境(包含正線聯(lián)鎖、ATP、ATS等仿真軟件)的基礎(chǔ)上搭建全自動駕駛系統(tǒng)仿真測試環(huán)境[9],以及增加車輛段設(shè)備(聯(lián)鎖、ATP、ATS)接入和局部定位設(shè)備的仿真。

在仿真環(huán)境中初始化列車位置為轉(zhuǎn)換軌，排列入段及入庫的列車進(jìn)路；手動駕駛列車接近信號機并轉(zhuǎn)換為全自動駕駛模式；根據(jù)信號系統(tǒng)的控制命令及列車模型參數(shù)計算列車的當(dāng)前速度；列車自動駕駛?cè)霂焱＼?，停車過程中可以接收到軌旁仿真軟件發(fā)送的應(yīng)答器報文及局部定位設(shè)備報文。

列車正常情況下自動入庫運行曲線如圖7所示。通過修改ATP的安全制動模型及變更信號設(shè)備布置方式，VOBC可以控制列車自動入段及入庫停車。列車異常情況下自動入庫運行曲線如圖8所示，異常情況是指列車在入庫過程中接收不到局部定位設(shè)備HX 0104信號而觸發(fā)緊急制動。

通過測試驗證，正常情況和異常情況下的列車自動入庫流程能夠保證列車不會碰撞車檔(安全點)，且正常情況下的列車自動入庫流程能夠?qū)崿F(xiàn)精確對位停車。

圖6 系統(tǒng)仿真測試環(huán)境示意圖

注:序號700—1 500為段內(nèi)運行過程的采樣；序號1 500—1 800為庫內(nèi)自動運行及自動停車的采樣

圖8 列車異常情況下自動入庫運行曲線

3 結(jié)語

本文提出的既有車輛段短庫線全自動駕駛改造方案，立足于車輛段既有線土建規(guī)模不變，通過安全制動模型變更及列檢庫計軸區(qū)段合理劃分實現(xiàn)短庫線列車自動入庫停車及喚醒后篩選。通過局部定位設(shè)備的額外防護(hù)增加列車自動入庫停車過程中的安全距離判斷，保證了短庫線列車自動入庫停車的安全性。通過搭建仿真測試環(huán)境測試驗證了車輛段自動化的相關(guān)功能。