軌道交通全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集成技術(shù)研究

秦佳寧

（太原市軌道交通發(fā)展有限公司，山西太原 030000）

0 前言

近幾年來，我國(guó)軌道交通迅猛發(fā)展，很多城市都將這種集快捷、舒適、整潔于一體的大運(yùn)量運(yùn)輸工具應(yīng)用進(jìn)來，解決實(shí)際存在的城市擁堵問題。在未來階段，是軌道交通發(fā)展的最為重要時(shí)期，不但要關(guān)注發(fā)展的數(shù)量，還要全面注重發(fā)展的質(zhì)量。對(duì)于全自動(dòng)駕駛技術(shù)而言，其可以使軌道交通系統(tǒng)的安全性提升上來，達(dá)到節(jié)能高效運(yùn)行的目的。同時(shí)，軌道交通全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)屬于一個(gè)非常龐大，且又復(fù)雜的一項(xiàng)創(chuàng)新工程，涉及的內(nèi)容非常多，有行車、信號(hào)，還有通信等，不同的系統(tǒng)由不同的集成商提供，對(duì)不同集成商之間的接口進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)，可以全面提升整體系統(tǒng)的兼容性。

1 全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集成概述

在軌道交通全自動(dòng)駕駛建設(shè)過程中，擁有高效的系統(tǒng)集成，可以起到至關(guān)重要的作用，其可以對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行全面的尋找和發(fā)展，使各個(gè)子系統(tǒng)之間的兼容性得到保證。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能需求定義的角度出發(fā)，集成不同階段的全生命周期，使復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能力提升上來。對(duì)于系統(tǒng)集成而言，其主要包含以下四個(gè)步驟。首先就是需求分析，其次就是系統(tǒng)集成，再次就是接口定義，最后就是系統(tǒng)驗(yàn)證。

以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)BS/ISO 15288為依據(jù)，將軌道交通行業(yè)的最佳實(shí)踐和系統(tǒng)工程的方法這兩者應(yīng)用進(jìn)來，開展系統(tǒng)集成，可以對(duì)構(gòu)件全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的特殊需求全面準(zhǔn)確抓牢，避免出現(xiàn)任何的遺漏問題，與此同時(shí)，還可以使一些接口定義沖突或者不全問題得以規(guī)避，根本性地提升系統(tǒng)集成過程的可見性。

2 全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集成過程

2.1 需求分析

對(duì)上海10號(hào)線和北京機(jī)場(chǎng)線進(jìn)行深入調(diào)研，同時(shí)，以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62290-2為參考依據(jù)，將實(shí)際的運(yùn)營(yíng)需求作為重要的導(dǎo)向，要從運(yùn)營(yíng)組織和場(chǎng)景描述以及風(fēng)險(xiǎn)源分析這三方面入手，對(duì)原本司機(jī)承擔(dān)的工作職責(zé)，在基于全自動(dòng)駕駛條件下，那些被控制中心和設(shè)備系統(tǒng)取代的具體需求列表進(jìn)行深入梳理。

2.1.1 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景分析

以項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)為依據(jù)，對(duì)運(yùn)營(yíng)管理模式和崗位設(shè)置進(jìn)行確定，將三種情況的作業(yè)流程制定進(jìn)來。首先是正常運(yùn)營(yíng)，在這一場(chǎng)景之中，主要包含內(nèi)容如下：①運(yùn)營(yíng)前的準(zhǔn)備和列車喚醒；②投入正線運(yùn)行和進(jìn)站停車以及站臺(tái)發(fā)車；③停止正線服務(wù)和回庫(kù)清掃等工作。其次是非正常運(yùn)營(yíng)，主要包含以下內(nèi)容：①救援和跳停；②蠕動(dòng)和扣車；③雨雪模式和故障。最后是緊急情況，不但有撞車脫軌和乘客緊急告警，還有火災(zāi)等。

2.1.2 風(fēng)險(xiǎn)源分析

在辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)源的過程中，要對(duì)16大類的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，不但有碰撞、觸電，還有脫軌、災(zāi)害等，通過對(duì)故障樹的利用，開展系統(tǒng)且全面的梳理，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的名稱進(jìn)行定義，并且明確具體的事故原因，采取有效的應(yīng)對(duì)措施，明確全自動(dòng)駕駛在安全性和可靠性上的要求。

2.1.3 全自動(dòng)駕駛總體需求

（1）列車在全線自動(dòng)化運(yùn)行。可以達(dá)到更高的自動(dòng)化運(yùn)行等級(jí)和目標(biāo)，車輛在行駛過程中，以運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喚醒和休眠，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投入和自動(dòng)折返以及站臺(tái)門的自動(dòng)開閉，以運(yùn)營(yíng)需要，自動(dòng)加減相應(yīng)的運(yùn)行車輛，達(dá)成最佳的運(yùn)行控制，滿足全自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，還可以達(dá)到節(jié)能和環(huán)保要求。

（2）較高的安全性和可靠性。基于全自動(dòng)運(yùn)行背景，對(duì)于以往的人工作業(yè)，現(xiàn)下都由系統(tǒng)完成，舉例來講，對(duì)于列車的動(dòng)、靜態(tài)自檢，都可以通過系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)。在列車庫(kù)內(nèi)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，可以獲取到兩列位列車的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，所以要對(duì)相關(guān)的保護(hù)需求進(jìn)行深入思考。除此以外，對(duì)于列控系統(tǒng)而言，其內(nèi)部核心設(shè)備存在的車載設(shè)備故障遠(yuǎn)程恢復(fù)功能和自診斷功能，可以全面提升系統(tǒng)的可用性，提高系統(tǒng)的安全性與可靠性。

（3）任意地點(diǎn)停車。對(duì)于列車行駛而言，要求其可以在全線的任意地點(diǎn)都可以停車，并且在軌道行駛過程中，遇到緊急情況或者異物可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處理，又或者在遇到故障情況下，實(shí)現(xiàn)禁忌停車，列車可以對(duì)車輛段和停車場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)的出入，使自動(dòng)定點(diǎn)行車得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于以往的線路而言，如果遇到故障和問題，一般情況下，都是司機(jī)采取相應(yīng)措施，達(dá)到停車目的，對(duì)于全自動(dòng)駕駛線路而言，均要由信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)完成，或者通過遠(yuǎn)程操控進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。

（4）低黏著運(yùn)行。對(duì)于黏著控制而言，必須要進(jìn)行特殊的考慮，基于有人駕駛的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，如遇到雨雪天氣，駕駛員可以針對(duì)實(shí)際情況，將第一時(shí)間采取解決措施，緊急避險(xiǎn)。基于全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境，如遇到惡劣的天氣，信號(hào)系統(tǒng)可以對(duì)輪軌打滑的情況進(jìn)行自動(dòng)的感知，采取提高摩擦力措施，使行駛速度得以降低，與此同時(shí)，還可以對(duì)系統(tǒng)需要推出全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)的條件進(jìn)行判斷，第一時(shí)間通知相應(yīng)的控制中心。

（5）站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛最為重要的前提條件就是站臺(tái)門，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致行車延遲的眾多原因中，有人進(jìn)入站臺(tái)軌道區(qū)或者是對(duì)該區(qū)域進(jìn)行干擾所占據(jù)的比例高達(dá)60%。如今，所有新建線路中都已經(jīng)安裝了站臺(tái)門，但是對(duì)于全自動(dòng)駕駛而言，其對(duì)于單個(gè)站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制精準(zhǔn)度要求更高。

2.2 系統(tǒng)集成

對(duì)于系統(tǒng)集成而言，要以軌道交通設(shè)備的地理位置為依據(jù)，進(jìn)行組織，不但包含了控制中心，還涵蓋了車站和車輛段，以及車輛和軌旁。以地理位置為基礎(chǔ)，對(duì)各系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，同時(shí)，還要對(duì)相互接口更貼近運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行詳細(xì)的分析，進(jìn)而對(duì)設(shè)備功能和運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行更直接的關(guān)聯(lián)，從而對(duì)系統(tǒng)化功能的內(nèi)在本質(zhì)進(jìn)行更深入的理解，將不同系統(tǒng)功能之間的關(guān)系直觀的反映出來；對(duì)于特定地理位置的功能需求而言，更加容易識(shí)別跟蹤，相應(yīng)的系統(tǒng)集成通用模型，可以一種簡(jiǎn)單且清晰化的方法，進(jìn)而跟蹤和檢查相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)需求和全自動(dòng)價(jià)值系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，保證所有的需求都可以滿足查驗(yàn)要求，且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鏈接。在后續(xù)的集成和驗(yàn)收階段，還要全程跟蹤和測(cè)試所有的需求。

某一個(gè)位置的運(yùn)營(yíng)需求，一般情況下，都是依據(jù)多個(gè)子系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，對(duì)總體功能需求進(jìn)一步分解，將其分到車輛、信號(hào)、通信以及行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)之中，不論是任何一個(gè)系統(tǒng)，都要以全自動(dòng)駕駛本系統(tǒng)的特殊需求為依據(jù)，開展針對(duì)性的詳細(xì)分解，并且對(duì)接口細(xì)化，如果在分解的過程中，遇到不可繼續(xù)分解的情況，則表明達(dá)到相應(yīng)的功能需求分析要求，就可以進(jìn)一步確定相應(yīng)的接口技術(shù)要求，獲取到系統(tǒng)的集成方案。

2.3 接口定義

對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)之間信息交互進(jìn)行管理的重要工具，就是接口，將系統(tǒng)接口定義好，并且對(duì)全自動(dòng)駕駛的接口變化進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，將其納入具體的合同文件，是整個(gè)項(xiàng)目的重中之重，也是成功關(guān)鍵。對(duì)于兩個(gè)接口的系統(tǒng)，要共用同一份接口文件。

在實(shí)施全自動(dòng)駕駛之后，由于受到影響發(fā)生變化的接口，又或者是新增的一些接口，全部集合在橙色區(qū)域，其主要的目的就是為了使全自動(dòng)駕駛的功能需求得到滿足，全面提升系統(tǒng)的可靠性和安全性。不論是系統(tǒng)的故障診斷參數(shù)數(shù)據(jù)流，還是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，均要以車站和軌旁，進(jìn)一步上傳到控制中心。這就帶來的相應(yīng)的問題，也就是說，改變相應(yīng)的接口，不但要改變車輛和信號(hào)的接口，還要改變信號(hào)和行車綜合自動(dòng)化的接口。

除此以外，針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的情況，一些原本的內(nèi)部接口會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為外部接口，舉例來講，對(duì)于綜合監(jiān)控集成自動(dòng)列車監(jiān)控而言，其會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等。

2.4 系統(tǒng)驗(yàn)證

所謂系統(tǒng)驗(yàn)證就是提供一個(gè)系統(tǒng)驗(yàn)證場(chǎng)所，在開展現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置之間，就連接所有的系統(tǒng)設(shè)備，搭建一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，開展系統(tǒng)間外部接口先期驗(yàn)證測(cè)試，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的一些制約因素進(jìn)行克服，明確缺陷，保證不同系統(tǒng)集成商需求功能的全面性，達(dá)到較好的兼容效果。所以就要搭建全自動(dòng)駕駛半實(shí)物仿真驗(yàn)證測(cè)試最小系統(tǒng)，其屬于一個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)，不但可以覆蓋核心系統(tǒng)設(shè)備的功能，還可以覆蓋所有的接口。在最小系統(tǒng)之中，不但包含了一個(gè)中心和一個(gè)車站信號(hào)以及一個(gè)車輛段，還包含了一個(gè)行車綜合自動(dòng)化設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室中，與相應(yīng)的模擬設(shè)備結(jié)合在一起，搭建一個(gè)完整的全自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)，對(duì)比實(shí)際線路，基本接口和配置接口都完全一致，主要的目的，就是為了實(shí)現(xiàn)硬件最小化和功能最大化的目標(biāo)。與此同時(shí)，還要使測(cè)試進(jìn)度，避免會(huì)受到安裝和土建方面的影響，使集成技術(shù)驗(yàn)證的效率根本性提升上來，對(duì)一些接口的兼容性問題進(jìn)行提前的發(fā)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件功能進(jìn)行驗(yàn)證，使投資成本得以解決，保障工程的順利進(jìn)展。

在具體的實(shí)驗(yàn)室布局過程中，要對(duì)中心的設(shè)計(jì)和車輛以及車站布局進(jìn)行充分的考慮，以實(shí)際的功能區(qū)，詳細(xì)劃分為以下幾個(gè)區(qū)域，不但有平臺(tái)服務(wù)區(qū)域，還有模擬車站以及模擬列車區(qū)和控制中心等。

3 結(jié)語

總而言之，未來軌道交通行業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向就是全自動(dòng)駕駛技術(shù)，其不但可以全面實(shí)現(xiàn)列車的最優(yōu)控制，還可以大幅提升運(yùn)輸效率，而且具備環(huán)保特點(diǎn)，滿足城市的可持續(xù)發(fā)展要求。建設(shè)完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)駕駛科技示范工程，并且創(chuàng)新集成系統(tǒng)，對(duì)于我國(guó)的整體軌道交通事業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。在未來發(fā)展過程中，積極總結(jié)系統(tǒng)結(jié)成經(jīng)驗(yàn)，并且汲取國(guó)外的教訓(xùn)，使屬于中國(guó)的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集成模型得以形成，促進(jìn)軌道交通事業(yè)的全面建設(shè)和發(fā)展。