全自動運行城市軌道交通的列車控制管理系統

仇年柱

摘 要：近年來隨著車輛、信號、通信和綜合監控等核心專業自動化水平的不斷提高。城市軌道交通全自動運行列車采用無人值守運行。列車一旦發生火情，如果沒有被及時發現并采取相應措施，很有可能會造成人員傷亡。出于對安全的高度重視，火災報警系統在城市軌道交通全自動運行的列車上已成為標配系統。本文就全自動運行城市軌道交通的列車控制管理系統 展開探討。

關鍵詞：城市軌道交通;無人值守的全自動運行;車輛;列車控制管理系統

引 言

UTO（無人值守的全自動運行）是指列車上無需司機，而是由系統自動實現自動化等級為GoA4（無人干預列車運行）的列車全自動駕駛模式。UTO的實現主要依靠列車的信號、通信和車輛等核心系統的綜合協調控制。列車控制管理系統（TC-MS）是UTO車輛運行的大腦，也是車輛與信號ATC（列車自動控制）數據通信的唯一接口，用于收集和控制車輛運行的牽引輔助、制動、車門、空調等信息，因此TCMS在UTO的功能實現中起到關鍵作用。

1全自動運行的特點

目前有不少城市正在考慮發展無人駕駛的全自動運行系統，因為它具有許多優點，成為城市軌道交通的發展方向。（1）提高服務水平。全自動運行可以實現列車精確定位、高速運行、實時跟蹤和自動折返，能有效地縮短列車運行間隔，提高行車密度和運送速度，適應大客流的需要。低峰時段和夜間也可保持合理的行車間隔，縮短乘客的候車時間，增加乘客的安全感。車上和車站內的流動值勤人員可提高服務水平。（2）優化行車組織。行車計劃的安排和行車調度有更大的靈活性，不受人員編制的制約，從而提高系統的效率。運能安排可更接近于客流變化，對于特殊的情況，例如博覽會期間，可以保持長時間連續運行。（3）提高勞動生產率。實現全自動運行后，可以安排更多的工作人員直接面向乘客，提供更好的服務。另一方面可以進一步提高員工的技能和素質。（4）保證行車安全。計算機控制的精確度和快速反應，可以避免人工操作易受主觀和外界因素的干擾，而造成安全方面的不確定性和不穩定性。

2 TCMS的結構與功能

TCMS負責整合和處理所有車輛的控制設備數據，并實現故障診斷、數據監測和網絡控制功能。對于車輛系統內部，TCMS通過多功能車輛總線（MVB）協議與牽引輔助、制動、車門、空調、乘客信息系統（PIS）等其他車輛子系統相連接;對于車輛系統外部，TCMS通過串口RS485/CAN（控制器局域網絡）協議與信號系統、無線電及地面WLAN（無線局域網）系統進行通信。由此可知，TCMS對于車輛整體運行的安全可靠至關重要。以3節編組為例，TCMS主要由中央控制單元（CCU）、人機交互界面（HMI）、輸入輸出模塊（RI-OM）以及中繼器（REP）等設備組成。其中：CCU作為TCMS的核心，主要負責MVB管理和列車控制邏輯設計，兩端司機室的CCU互為熱備份冗余;HMI設置在司機室，用于顯示列車網絡所采集的牽引高壓、制動、車門和空調等實時工作狀態，并顯示故障診斷信息及報警;RIOM用于采集列車運行控制電氣設備的輸入硬線信號，并能通過輸出硬線信號實現對子系統的控制，其電氣設備包括開關、按鈕、斷路器、繼電器和接觸器等;REP主要起中繼和放大信號的作用，可增加MVB連掛節點的數量以及提高MVB信號的傳輸質量。

3列車控制系統

常規城市軌道交通列車的控制系統的運行監控功能主要是記錄列車運行過程中的各類關鍵信號，用于列車故障的事后分析。全自動運行列車的控制系統則更加智能化，強調對所有列車信號的實時監控，將數據同步傳輸至OCC（運營控制中心），并根據監控到的實時數據自動判斷列車的故障類型。這無論是在列車信號的記錄量和時效性上，還是列車故障判斷的快速性上都有了質的提升。保證全自動運行列車控制系統工作穩定性的關鍵在于確保列車與地面設備、OCC之間通信的持續順暢，設備狀態始終保持在良好狀態。相應的維保方案為（1）每月對列車MPU（主處理單元）、VCU（列車控制單元）、EVR（事件記錄儀）中的故障記錄進行下載，檢查故障記錄是否存在缺失;（2）每月對MPU的系統時間進行檢查和校準，確保其誤差不超過10s;（3）每6個月對MPU、VCU與列車網絡通訊設備的各個接口進行檢查，確保接口無松動。

4 TCMS在UTO下的控制方案

4.1TCMS內部控制方案

UTO功能的實現需要增加較多RIOM硬線數字輸入信號的采集以及數字輸出信號的控制，與GOA2車輛相比，其數量增加2～3倍，因而硬件RIOM模塊的數量也隨之需要增加。UTO車輛的故障數據和環境數據除了在CCU中記錄之外，還需要增加司法記錄儀硬件進行單獨存儲。該司法記錄儀具有較高的抗沖擊和抗高溫性能，可作為第三方設備對列車故障進行具有法律效益的裁決。TCMS的MVB連接器采用兩個單通道形式，以保證連接器的松動或脫落不影響整體MVB網絡的運行，并提高整體網絡運行的可靠性。RIOM模塊對關鍵信號的輸入采集采用雙路輸入方式，根據該信號引起不同故障等級的大小進行分類處理，確保列車的可靠性和可用性。

4.2全自動運行列車火災報警系統

火災報警系統要求配置兩臺主機，采用列車級局域網（CAN）總線進行通信，兩臺主機互為冗余。在每個車廂內配置七個火災報警探測器和一臺火災分控器。火災報警探測器采用環路連接，任何一個探測器發生故障不會對其它設備工作造成影響。火災分控器用以管理該車廂的探測器，任何一個分控器故障，不影響其他分控器工作。如果主機和分控器之間的CAN總線在其中任何一個設備的連接處出現單點故障均不會擴散，整個系統仍能保持正常工作。

4.3 TCMS參與控制列車遠程自動喚醒和休眠

車輛車載信號系統的遠程自動喚醒模塊通過列車提供不間斷供電，以保證列車在休眠狀態下能夠實時接收到地面ATC發送的喚醒請求。車輛通過信號系統輸出的硬線控制指令使喚醒繼電器得電，TCMS在采集到喚醒繼電器得電后會通過MVB向各個車載控制模塊發出自檢指令。比如，牽引和制動系統在收到自檢指令后需要對系統內部的電氣元件進行檢測，若發現有繼電器通斷故障，則會將故障信息告知TCMS。只有當TCMS收到各系統自檢結果均正常，并將自檢正常的信息反饋給ATC后，列車才得以正常喚醒。列車休眠指令由地面OCC發出，經由地面ATC發送給車載ATC設備。車載ATC將休眠指令通過自身硬線信號數字輸出i（DOi）發送給TCMS。TC-MS通過軟件分析有效性后通過RIOM硬線信號數字輸出j（DOj），在DOi和DOj硬線信號都為1時，車輛的休眠繼電器得電，列車進入休眠狀態。

結 語

與常規城市軌道交通列車相比，全自動運行列車受本身結構性能、運行環境、運行線路、運營管理等因素影響，發生火災的概率增加。由于UTO列車具有完全無人駕駛的特性，可靠性和安全性是UTO最重要的指標，對于TCMS來說更是如此。UTO運行模式下對TCMS的要求包括：在故障發生前要有預警機制，故障發生過程中要有自愈及指示性操作建議;在故障發生后要有數據庫的積累和分析，用來指導故障再次發生的預警和判定。

參考文獻

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