地鐵FAO信號系統關鍵場景分析與測試設計

李迎春，李 葉，劉錦峰

信號系統是全自動無人駕駛系統的列車控制系統，在全自動無人駕駛系統運行中起著關鍵作用。隨著越來越多的城市軌道交通地鐵線路投入使用，傳統有人駕駛信號系統的室內測試方案已趨于完備成熟［1-3］，而全自動無人駕駛信號系統因為項目實施經驗少［4-5］，在測試方法、測試場景和方案方面存在不足，這在一定程度上制約了全自動無人駕駛信號系統的安全、高效實施和應用。

本文結合上海軌道交通18號、15號線的室內集成測試，對全自動無人駕駛信號系統的關鍵場景提出一套相對完整的室內仿真測試方案，可供類似項目參考。

1 仿真測試方案設計原則

1.1 編制依據

上海市各線路無人駕駛信號系統測試方案必須完全滿足合同，以及上海市交通運輸行業規范《城市軌道交通全自動運行運營場景規范》（T/SHJX0018—2020）規定的技術和功能場景要求。

1.2 仿真測試平臺

室內仿真測試平臺需具備以下條件：①可將全自動無人駕駛信號系統的各個子系統有機聯動起來，進行系統集成確認測試和仿真；②所有系統狀態均可控，可以注入故障配合測試；③為確保室內測試環境和現場運營環境的一致性，信號系統的關鍵設備必須使用真實的設備；④平臺中被仿真的設備必須和實際設備接口功能一致。

1.3 測試用例設計

根據現有試驗室的設備和測試平臺情況，梳理出適合在室內仿真測試的無人駕駛功能點，對每個無人駕駛功能點及相應接口進行測試用例分析，測試用例不僅包括正常場景測試，還應包括故障場景測試。

2 仿真測試平臺配置

仿真測試平臺采用半實物半仿真配置，車載控制器（CC）、區域控制器（ZC）、線路控制器（LC）、聯鎖（CBI）、列車自動控制（ATS）、數據傳輸系統（DCS）和維護支持系統（MSS）均使用真實設備，駕駛臺、軌旁設備和車輛模型采用仿真軟件，且仿真軟件和相應實際設備的接口功能完全一樣，盡可能地還原地鐵現場運營環境。仿真測試平臺結構見圖1［6］，可將所有信號子系統有機聯動起來進行全面測試。

圖1 全自動無人駕駛信號系統仿真測試平臺結構

3 關鍵場景分析與測試設計

全自動無人駕駛的關鍵場景包括全自動無人駕駛模式轉換、自動休眠、自動洗車、車門/屏蔽門對位隔離、自動清客等，主要運用場景分析法，分別從正常場景和故障場景測試進行分析和研究。

3.1 全自動無人駕駛模式轉換測試

全自動無人駕駛模式（FAM）是在CBTC通信控制下由ATP監控的列車全自動運行模式。FAM模式與其他模式轉換見圖2。

圖2 FAM駕駛模式轉換

1）FAM模式與其他有人駕駛模式轉換。列車處于停止狀態，車輛和信號車載設備通信正常，CC車載司機室兩端未激活，將牽引手柄推至惰行位，選定FAM模式開關，列車駕駛模式切換到FAM模式，在ATS中心請求并獲得FAM模式移動授權后，列車以FAM模式在線路上自動運行。如果FAM模式運行的列車遇到特殊情況需要降級進入有人駕駛ATP模式或者ATO模式時，列車可以停穩后，激活相應端的司機室鑰匙，FAM模式開關打到OFF位，此時車載CC退出FAM模式，再進行相應模式的轉換操作，即可進入ATP模式或者ATO模式。

2）FAM模式與蠕動模式轉換。列車以FAM模式運行過程中出現車輛與信號車載設備通信故障、車輛網絡故障等，會導致ATO控制失效，ATP系統將立即施加緊急制動，系統申請進入蠕動模式，經ATS中心人工授權后，信號系統駕駛模式由FAM模式轉換為蠕動模式。ATP監控列車以不超過15 km/h（可設置）的速度全自動行駛，列車到站后自動扣車并打開車門，等待多職能巡檢隊員［7］登車處理：可以直接切換到有人駕駛模式駛離站臺；也可以原地重啟CC，若列車滿足FAM模式條件，直接以FAM模式駛離站臺，否則切換到有人駕駛模式駛離站臺。

導體棒在磁場中做功，我們也可以把它分解為無數個自由電子在做功，而每個自由電子可拆分為垂直于導體棒的分力f2做功和平行于導體棒的分力f1做功。看圖二我們可知f1與速度v2方向相同，f1做正功，則功率P1=f1v2=fcosαvsinα=fvcosαsinα

3）FAM模式與遠程限制駕駛模式轉換。遠程限制駕駛模式是信號系統車載CC丟失定位時的應急模式。當區間出現連續2個信標故障或者車載控制器完全故障需要重啟，車載CC丟失定位，ATS中心人工設置遠程限制駕駛模式后，列車可以以低于固定速度（如不超過15 km/h）運行。列車在運行過程中接收到2個連續信標后，重新獲得定位，自動升級到FAM模式。

根據以上FAM模式相關運營轉換場景，測試設計見表1。

表1 FAM駕駛模式轉換測試設計

3.2 自動休眠測試

FAO系統中列車自動休眠有2種方式：ATS遠程自動休眠和ATS遠程人工自動休眠［8］。首先列車以FAM模式在休眠點停穩，ATS自動發送休眠指令或者調試人員通過ATS遠程發送休眠指令，CC收到指令后，通過列車信息管理系統TIMS（Train Information Management System）網絡向車輛輸出預休眠請求，當車輛響應該命令并反饋預休眠完成后，CC通過繼電器輸出休眠信號，具體休眠過程接口信息交互見圖3。

圖3 休眠過程接口信息交互

根據以上列車自動休眠運營場景以及接口信息交互，測試設計見表2。

表2 列車自動休眠測試設計

3.3 自動洗車測試

自動洗車功能一般采用自動折返洗車的模式，實現列車以全自動無人駕駛的方式自動開到洗車庫洗車，分為兩種方式［9］：一是根據洗車計劃安排列車進行自動洗車作業；二是由車輛基地值班員遠程或者現地人工設置“洗車”工況。

自動洗車流程：列車根據洗車計劃或者人工設置目的碼以FAM模式運行到洗車庫前，車載CC將“洗車”工況發送給車輛系統，列車通過預濕預冷運行到洗車庫后方，自動換端，行駛至洗車停車點，信號系統向洗車機發送洗車指令［10］，如圖4所示，洗車機檢測列車停在對應位置后，開始洗車；列車前端清洗干凈后，車載CC控制列車以低速（3 km/h，可設置）運行，進行側面清洗，到下一個洗車停車點進行列車尾端的清洗。洗車結束后，洗車機自動或者人工關閉，列車工況從洗車工況自動轉換為場段運行工況，列車自動駛向停車列檢庫或調度人員人工設置的目的碼。在洗車過程中，如果信號系統與洗車機接口故障或者人工按緊急停車按鈕，聯鎖向ZC發送激活SPKS（Staff Protection Key Switch，人員防護開關）和ESA（Emergency Stop Area，緊急停車區域）的碼位，此時SPKS和ESA激活，列車施加緊急制動。

圖4 自動洗車接口信息交互

根據以上列車自動洗車運營場景以及接口信息交互，測試設計見表3。

表3 列車自動洗車測試設計

3.4 車門/屏蔽門對位隔離測試

列車以FAM模式運行過程中出現車門或者屏蔽門故障時，列車主要依靠對位隔離功能實現車門和屏蔽門對位故障隔離，鎖閉故障車門和屏蔽門，有效引導乘客從正常車門上下列車，保障列車的安全運營，從而提高列車運行效率［9］。車門/屏蔽門對位隔離接口信息交互見圖5。

圖5 車門/屏蔽門對位隔離接口信息交互

車門故障需隔離對應的屏蔽門時，車輛RS向車載CC發送被隔離的車門信息，車載CC經過處理后將需要隔離的PSD（Platform Screen Door）信息通過ATS子系統發送給PSDC（Platform Screen Door Controller），PSDC接到命令后隔離對應的屏蔽門。同理屏蔽門故障需隔離車門時，PSDC將被隔離的PSD信息通過ATS子系統傳送給車載CC，CC經過處理后向車輛RS發送隔離對應車門的命令，RS收到命令后隔離對應的車門。

可通過2種方式查看對位隔離功能測試結果：抓包和觀察ATS中心界面。使用wireshark抓包查看被隔離的屏蔽門和車門碼位；在ATS中心界面上觀察被測車門和屏蔽門是否保持對位隔離狀態。

3.5 自動清客測試

從列車運營服務角度，清客可以分為常規清客和非常規清客。常規清客是指列車按照運營計劃運行到折返站臺或者終端站臺，執行扣車清客作業，由多職能巡檢隊員確認乘客全部下車后，按壓清客確認按鈕，車門和屏蔽門自動聯動關閉，自動進行折返作業或者下線回庫。非常規清客是指列車在運行途中，由于線路發生突發事件導致列車必須緊急清客，這時需要ATS中心調度人員遠程設置臨時清客站臺，清客完畢后，由多職能巡檢隊員確認乘客全部下車后，按壓清客確認按鈕，并派遣多職能巡檢隊員處置清客列車。

根據以上清客運營場景的描述，測試設計見表4。

表4 列車自動清客測試設計

4 總結

本文基于仿真測試平臺，對全自動無人駕駛信號系統進行了關鍵場景分析與仿真測試設計，為保證全自動無人駕駛線路安全穩定運行提供保障。該室內仿真測試方案已成功應用于上海軌道交通全自動無人駕駛18號、15號線。由于測試平臺和室內設備的限制，室內仿真測試有其局限性，無法覆蓋所有的無人駕駛運營場景，例如站臺自動對位，信號系統與綜合監控、廣播系統的聯動測試等仍需要在現場真實環境下進行驗證。如何提高無人駕駛功能的室內仿真測試覆蓋率，還需進一步研究。