全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)信號(hào)子系統(tǒng)的接口*

陳 晨 錢存元 李慕君

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)無(wú)需司機(jī)和乘務(wù)人員的現(xiàn)場(chǎng)參與，由控制中心統(tǒng)一控制，并能實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)、休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動(dòng)運(yùn)行、停車和開關(guān)車門等功能,具有功能高度集中、設(shè)備高度冗余、報(bào)警聯(lián)動(dòng)多及信息反饋快等特點(diǎn)。隨著上海軌道交通10號(hào)線和8號(hào)線三期、北京地鐵燕房線及廣州珠江新城線的開通運(yùn)營(yíng)，我國(guó)城市軌道交通正式開啟了無(wú)人駕駛時(shí)代。

全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)主要由信號(hào)子系統(tǒng)(以下稱為“無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)”)、車輛子系統(tǒng)、綜合監(jiān)控子系統(tǒng)和無(wú)線通信子系統(tǒng)等組成。其中，信號(hào)子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人駕駛功能的核心系統(tǒng)。本文以上海軌道交通10號(hào)線為例，深入研究無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的外部和內(nèi)部接口。無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)接口的設(shè)置與其功能密不可分。

1 無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的功能

無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的主要職責(zé)是提供列車自動(dòng)保護(hù)、確保安全、提供列車移動(dòng)指令、支持離線調(diào)整和維護(hù)監(jiān)測(cè)等。其主要功能如下：

1) 執(zhí)行進(jìn)路聯(lián)鎖：當(dāng)系統(tǒng)處于全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式時(shí)，進(jìn)路為自動(dòng)進(jìn)路排列，列車進(jìn)入進(jìn)路請(qǐng)求區(qū)域，進(jìn)路根據(jù)列車跟蹤信息自動(dòng)觸發(fā)。在中央控制模式下，調(diào)度員可以管理線路運(yùn)營(yíng)。正常情況下，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)列車定義的運(yùn)營(yíng)任務(wù)自動(dòng)確定進(jìn)路。

2) 提供列車移動(dòng)測(cè)量：信號(hào)系統(tǒng)確定控制區(qū)域內(nèi)列車的行駛方向、車速以及預(yù)計(jì)的車頭和車尾位置。列車的預(yù)計(jì)速度是通過(guò)里程表測(cè)量來(lái)處理的。里程表的原始測(cè)量是通過(guò)軌旁信標(biāo)的精確位置完成校準(zhǔn)的，通過(guò)軌旁信標(biāo)的精確位置可以更新里程表處理測(cè)量，實(shí)現(xiàn)精確定位。

3) 控制速度限制：信號(hào)系統(tǒng)在控制區(qū)域內(nèi)為列車提供安全速度限制。根據(jù)安全緊急制動(dòng)模型，全自動(dòng)無(wú)人駕駛列車在任何情況下都不會(huì)超過(guò)安全速度限制。安全制動(dòng)模型需考慮線路坡度、車輛荷載、列車制動(dòng)特性和黏著條件。

4) 提供安全列車間隔：后備模式即固定閉塞模式時(shí)，列車按前方地面信號(hào)機(jī)的顯示信號(hào)來(lái)運(yùn)營(yíng)。CBTC(基于通信的列車控制)模式時(shí)，列車根據(jù)進(jìn)路等條件執(zhí)行安全間隔，安全間隔由信號(hào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算。

5) 進(jìn)行倒車保護(hù)：當(dāng)列車以指定或規(guī)定方向反向連續(xù)行駛而超過(guò)指定倒車安全距離時(shí)，將觸發(fā)倒車保護(hù)機(jī)制。

6) 提供列車移動(dòng)指令：提供全自動(dòng)無(wú)人駕駛列車的起動(dòng)、停車和運(yùn)行指令。信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的巡航速度、加速率、減速率及沖擊率等限制，實(shí)時(shí)計(jì)算列車行駛指令。

2 無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的接口

上海軌道交通10號(hào)線無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)主要由：ATS(列車自動(dòng)監(jiān)視)系統(tǒng)、ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)、CBI(微機(jī)聯(lián)鎖)系統(tǒng)、MSS(維修輔助系統(tǒng))及DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))等組成。其中：ATS系統(tǒng)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)管理及線路、停車場(chǎng)和資源管理；ATC系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理列車位置和確保列車保護(hù)和列車運(yùn)營(yíng)；CBI系統(tǒng)負(fù)責(zé)防止列車前面或側(cè)面碰撞和脫軌，以及負(fù)責(zé)操作軌旁設(shè)備；MSS負(fù)責(zé)中央維護(hù)系統(tǒng)，提供信號(hào)系統(tǒng)的維護(hù)性能。無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)接口圖見圖1。

圖1 無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)接口圖

2.1 外部接口

2.1.1 與車輛的接口

ATC系統(tǒng)接收來(lái)自車輛的車門狀態(tài)、駕駛室狀態(tài)等輸入信息，發(fā)送緊急制動(dòng)、開門授權(quán)及零速指示等輸出信息至車輛。此外，ATC系統(tǒng)通過(guò)多功能車輛總線或模擬接口與車輛進(jìn)行非重要信息的交換。

2.1.2 與列車動(dòng)車的接口

ATC系統(tǒng)從列車接收駕駛室狀態(tài)及零速指示等輸入信息，發(fā)送緊急制動(dòng)及零速指示等輸出信息至列車動(dòng)車。此外，ATC系統(tǒng)通過(guò)模擬接口與列車動(dòng)車交換非重要的列車信息。

2.1.3 與綜合監(jiān)控子系統(tǒng)的接口

綜合監(jiān)控子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)中央控制中心與列車的實(shí)時(shí)信息上傳聯(lián)動(dòng)功能。ATS系統(tǒng)通過(guò)通信前置機(jī)，經(jīng)過(guò)防火墻，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將環(huán)境控制、風(fēng)警及火警等信息同綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行交互。

2.1.4 與時(shí)鐘的接口

信號(hào)系統(tǒng)和外部時(shí)鐘系統(tǒng)間的接口目標(biāo)是使無(wú)人駕駛系統(tǒng)與參考時(shí)鐘同步。接口由ATS系統(tǒng)周期性執(zhí)行同步處理的操作。

2.1.5 與無(wú)線集成通信系統(tǒng)的接口

ATC系統(tǒng)與無(wú)線集成通信系統(tǒng)的接口包括實(shí)時(shí)傳輸正線列車的配置信息和位置信息。ATS系統(tǒng)通過(guò)廣播傳送到無(wú)線集成通信系統(tǒng)，每隔一定時(shí)間即提供出入正線的實(shí)時(shí)信息。無(wú)線集成通信系統(tǒng)不傳送任何信息至ATS系統(tǒng)接口。

2.1.6 與站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)的接口

ATS系統(tǒng)與站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)的接口可用來(lái)實(shí)現(xiàn)列車門和站臺(tái)屏蔽門的故障統(tǒng)計(jì)，也可用來(lái)預(yù)報(bào)站臺(tái)屏蔽門的關(guān)閉，向中央控制中心報(bào)告其他屏蔽門事件。CBI系統(tǒng)與站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)之間的接口是安全接口，可傳送從CBI系統(tǒng)至站臺(tái)屏蔽門的開關(guān)控制信息，以及從站臺(tái)屏蔽門至CBI系統(tǒng)的“關(guān)閉和鎖閉”信息。

2.1.7 與工作人員防護(hù)鑰匙開關(guān)的接口

CBI系統(tǒng)與工作人員防護(hù)鑰匙開關(guān)之間的接口屬于無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)與軌旁基本信號(hào)設(shè)備的接口，采用安全繼電器接口。

2.1.8 與站臺(tái)緊急停車按鈕的接口

CBI系統(tǒng)與站臺(tái)緊急停車按鈕接口通過(guò)安全繼電器完成，屬于無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)與軌旁基本信號(hào)設(shè)備的接口。

2.1.9 與洗車機(jī)的接口

列車清洗操作由列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)。列車洗車機(jī)的接口在列車洗車機(jī)控制柜的輸出終端上。無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)中的CBI系統(tǒng)和洗車機(jī)之間交換的信息，包括列車起動(dòng)和停車、清洗車頭和車身、洗車機(jī)不可用等。

2.1.10 與軌旁設(shè)備的接口

軌旁設(shè)備與CBI系統(tǒng)的接口通常使用安全繼電器。軌旁設(shè)備包括信號(hào)機(jī)、道岔、計(jì)軸、軌道電路和防護(hù)隔離門等。

例如，防護(hù)隔離門接口采用安全繼電器接口。防護(hù)隔離門向中央車站區(qū)域控制器提供開關(guān)狀態(tài)信息。當(dāng)區(qū)域控制器失去防護(hù)隔離門的狀態(tài)信息時(shí)，區(qū)域控制器將收回防護(hù)隔離門的移動(dòng)授權(quán)，并指示列車在防護(hù)隔離門前方停車。

2.2 內(nèi)部接口

2.2.1 ATC系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的接口

ATC系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的接口傳輸以下相關(guān)信息：列車狀態(tài)信息、發(fā)車和到達(dá)的時(shí)間信息、發(fā)車指令信息、臨時(shí)速度限制狀態(tài)信息、折返信息和站內(nèi)扣車狀態(tài)信息等。

ATC系統(tǒng)軌旁設(shè)備發(fā)送給ATS系統(tǒng)閉塞狀態(tài)和緊急停車區(qū)域狀況的相關(guān)信息。ATS系統(tǒng)發(fā)送調(diào)度員定義的臨時(shí)速度限制的激活和取消指令至ATC系統(tǒng)軌旁設(shè)備。

ATS系統(tǒng)發(fā)送給車載ATC系統(tǒng)的信息包括：發(fā)車時(shí)間、到達(dá)時(shí)間、列車扣車請(qǐng)求、跳停、列車識(shí)別號(hào)及任務(wù)識(shí)別號(hào)等。車載ATC系統(tǒng)發(fā)送給ATS系統(tǒng)列車識(shí)別號(hào)和線路上的位置等相關(guān)信息。

2.2.2 ATC系統(tǒng)與CBI系統(tǒng)的接口

ATC系統(tǒng)與CBI系統(tǒng)的交互是：CBI系統(tǒng)發(fā)送給列車ATC軌旁設(shè)備狀態(tài)，包括閉塞狀態(tài)、屏蔽門開啟授權(quán)等信息；ATC系統(tǒng)發(fā)送給CBI系統(tǒng)車載控制器位置報(bào)告、區(qū)段狀態(tài)信息及屏蔽門狀態(tài)信息。

ATC系統(tǒng)車載設(shè)備與CBI系統(tǒng)的交互是：ATC系統(tǒng)車載設(shè)備給CBI系統(tǒng)發(fā)送屏蔽門開關(guān)指令；CBI系統(tǒng)發(fā)送屏蔽門狀態(tài)給ATC系統(tǒng)車載設(shè)備。

2.2.3 ATS系統(tǒng)與CBI系統(tǒng)的接口

CBI系統(tǒng)向ATS系統(tǒng)發(fā)送軌旁設(shè)備(包括道岔、備用檢測(cè)設(shè)備及信號(hào)機(jī))的狀態(tài)、進(jìn)路和運(yùn)行方向等信息。

ATS系統(tǒng)使用從CBI系統(tǒng)接受的信息來(lái)檢查和控制軌旁設(shè)備(信號(hào)機(jī)或單鎖道岔等)的狀態(tài)，以及操作設(shè)置進(jìn)路及自動(dòng)折返等。

2.2.4 與MSS的接口

對(duì)于ATC系統(tǒng)、CBI系統(tǒng)、ATS系統(tǒng)及DCS，MSS通過(guò)周期檢測(cè)來(lái)收集每臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)和配置等相關(guān)信息。每臺(tái)設(shè)備提供的信息都遵守簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。

3 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)駕駛技術(shù)是城市軌道交通行業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向，不僅能實(shí)現(xiàn)列車最優(yōu)控制，進(jìn)一步提高運(yùn)輸效率，并且有利于節(jié)能減排、改善城市環(huán)境。通過(guò)上海軌道交通10號(hào)線無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，對(duì)我國(guó)軌道交通建設(shè)影響深遠(yuǎn)。本文全面地介紹了無(wú)人駕駛信號(hào)系統(tǒng)的接口，為形成相應(yīng)的接口通用標(biāo)準(zhǔn)提供參考。