全自動運行系統場景驗證平臺及其應用

崔海剛

GoA4級全自動運行系統是高度集成化和自動化的城市軌道交通系統。全自動運行條件下,乘客服務、設備管理、列車調度等將在無人值守即全自動的條件下進行。全自動運營場景定義明確了全自動運營正常場景、降級場景、故障場景中各專業系統需要實現的功能,定義了不同專業之間的接口,明確了多職能隊伍在不同場景下的應對方式。為驗證全自動運行系統場景定義的正確性以及設計的合理性,本文介紹了一套全自動運行系統場景驗證平臺,并舉例說明了如何使用這套平臺對具體的運營場景進行驗證。

1 全自動運行系統場景驗證需求

1.1 全自動運行系統運營場景

全自動運行系統以為乘客提供經濟、安全、舒適、高效的乘車服務為目的,在保證安全的前提下,實現列車的無人值守駕駛和運營調度維護的自動化和智能化。它以信號系統為核心,結合站臺門系統、車站及列車的乘客信息系統（PIS/PA）、通信系統、自動售檢票系統、環境與設備監控系統（BAS）、火災報警系統和電力監控系統等,實現一系列的全自動運行功能［1］。其系統組成見圖1。

圖1 全自動運行系統組成

全自動運行系統在傳統的有人駕駛系統基礎上,對城市軌道交通若干專業提出了新的需求［2］。它可以實現列車的自動喚醒和休眠、正線列車的全自動運行、自動洗車等正常運營需求,車門和站臺門故障條件下的對位隔離、車載設備故障后的降級蠕動運行等降級需求,以及列車火災和站臺火災的系統自動處理、自動疏散等應急場景需求［3?4］。

為了明確全自動運行功能,及全自動運行項目中各專業的功能分配,目前已經開通及在建的全自動運行項目均定義了全自動運行運營場景。同時全自動運行運營場景規范的制定也在穩步推進中,如上海市交通運輸協會發布了《城市軌道交通全自動運行運營場景規范》（征求意見稿）。運營場景定義對于指導后期的建設工作非常重要,為保證場景設計的合理性,有必要對運營場景進行驗證。

1.2 現有城軌集成測試平臺的局限性

現有的城市軌道交通集成測試平臺,由于接口方式單一,建模簡單,往往只能進行專業內的功能測試,運營場景的設計無法得到有效驗證。例如信號系統的測試平臺僅能模擬簡單的列車繼電輸入,道岔、信號機設備的繼電輸入等,無法執行全自動運行系統的整體測試,以支撐全自動運行系統的場景驗證,存在一定局限性［5］。

1）無法提前驗證全自動運營場景。場景的設計是否合理無法在設計階段進行驗證,只能在現場調試階段進行。在后期聯調之后若發現場景設計有問題,修改的資金和時間成本都比較高昂。

2）無法在室內開展各專業集成測試。現有各專業的室內測試平臺均偏重于專業內的功能測試,試驗室內無法開展涉及多個專業的聯調聯試,無法提前驗證廠家的產品功能和項目執行能力。

3）現有集成測試平臺無法執行多職能隊伍演練和培訓。全自動運行項目對遠程運維人員的要求更高,特別是應急和故障場景的應對,而現有集成測試平臺不包含運營和維護人員的參與,系統功能的設計是否合理,各類運營場景下運維人員的應對無法在室內測試階段得到驗證。

1.3 全自動運行系統場景驗證平臺功能需求

全自動運行系統場景驗證平臺需要實現如下功能。

1） 支持不同專業系統的室內集成。在場景設計階段,各專業供應商可以將其最小化的實物設備接入該平臺,通過接口和功能的調試,完成各專業的初次集成。

2） 驗證全自動運行系統各專業的聯動場景。基于該平臺,可以以多種視角執行全自動運行運營場景定義的聯動功能。如全自動無人駕駛過程中列車的運行,進/出站客流和閘機聯動,客流和電扶梯聯動,乘客信息系統的聯動等。

3）驗證全自動運行系統的故障場景。驗證在設備故障情況下的系統聯動反應,如:列車發生故障導致區間停車超時后,信號系統、車載PIS/PA、區間機電系統的聯動；再如單個閘機設備故障時,進出站客流發生的實時變化,乘客服務水平變化等。

4）驗證全自動運行系統的應急場景。根據運營場景的定義,在系統預設的各種應急輸入條件激活的情況下,驗證各被測系統和被測設備是否能按預定義的流程正常反應,如火災應急聯動、水患應急聯動、瞬時大客流下系統的全自動處理等。

5）支持多職能隊伍的演練和培訓。運維人員可以很直觀的方式使用該系統,根據運維規程執行演練和培訓,例如應急駕駛培訓、車站應急事件處置流程培訓等。

2 全自動運行系統場景驗證平臺

2.1 總體仿真和建模方法

為了更好地設計適合于全自動運營場景驗證的系統,需對全自動系統的組成要素進行重新認識。從系統使用者的角度來看,城市軌道交通可以分為乘客、運營調度人員、維護人員三大類,見圖2的綠色部分；支撐系統運營的設施包含車輛、站臺設施、站廳層設施,以及軌道、道岔、信號機、場段、存車線、隧道風機、逃生平臺等一系列基礎設施設備和可控制的設備,見圖2的藍色部分；各專業供應商的被測系統,見圖2的紫色部分。為了對全自動運行系統進行整體驗證,需要在試驗室構建完整測試體系,對室內沒有的基礎設施部分,即圖2中定義的藍色部分進行3D虛擬建模。

圖2 全自動運行系統場景仿真建模要素

系統使用者:該部分包含客流信息和場景驗證者接口兩部分。客流信息可以在系統中選擇設定的客流模型,如早高峰模型、平峰模型、晚高峰模型等。用客流去驗證系統設計的合理性,例如列車停止時間、列車編組、站臺換乘設計的合理性等。同時系統還提供了VR入口,場景驗證者可以佩戴VR頭盔進入全自動運行的模型世界,以乘客的視角實際體驗進站、換乘和乘車；也可以以車站值班員視角體驗應急場景,如夾人、夾物的應急處理,大客流的應急處理；還可以從維護人員視角操作應急搶修的流程。這樣既可以在運營初期指導場景驗證,還可以在系統建成后實施多職能隊伍的培訓。

設施層面:根據線路的土建設計構建整體3D模型。在系統中對基礎設施進行3D建模,并設定控制接口。如信號系統的聯鎖可以實際控制3D建模世界的道岔狀態、信號機狀態,BAS系統可以關閉、開啟3D建模世界的風機等。

1）正線線路:考慮實際線路走向,根據在建系統的軌道長度、坡度和軌道曲率數據構建正線線路。例如地鐵隧道內線路建模如圖3所示,土建參數和設備布置均按1∶1比例配置,最大限度接近真實。

圖3 地鐵隧道內線路建模

2）車輛段:對車庫進行建模,包含存車庫、停車列檢庫、試車線和洗車線等。并根據信號系統設計設置信號機,根據車輛段實際情況設置登車平臺、場段信標、照明、廣播和無人隔離區等。

3）列車:設置車內照明、車載信號系統、乘客信息系統、廣播系統、可開關的車門和司機室門、走行系統和供電空調系統等。

4）站臺設施:活動的站臺門可以在收到開關門指令時打開和關閉站臺門。站臺端門可以與門禁系統連接。站臺PIS可以顯示PIS系統實時發送的列車預到站時間、運行方向等,顯示應急的乘客提示信息,并可播報站臺廣播。站臺設施還包括車站值班室,電扶梯和閘機等。

各專業控制系統:通過驗證平臺集成各專業的機電系統,對于不具備條件的系統采用接口模擬的方式,構建整體的全自動運行系統仿真集成環境。

2.2 全自動運行系統場景驗證平臺實現

2.2.1 全自動運行系統場景驗證平臺架構

基于既有的用于測試信號系統的仿真驗證平臺［6?7］,開發了全自動運行系統場景驗證平臺［8］,包含運維人員體系、被測系統、仿真系統、被測設備和3D虛擬建模設施5部分,如圖4所示。運維人員體系代表用戶,是被測系統的直接使用者；被測系統主要包含信號系統和綜合監控系統兩大塊,該部分由參與全自動運行系統建設的供應商提供；仿真系統在被測設備和被測系統之間起到橋梁作用,是全自動運行系統場景驗證平臺的核心；被測設備包含各專業廠家提供的真實設備；3D虛擬建模設施包含支撐全自動運行運營場景驗證的虛擬設備。

圖4 全自動運行系統場景驗證平臺架構

仿真系統包含3層。

系統接口層:對各專業的各類接口,如信號繼電接口、綜合監控Modbus/P104接口等進行仿真建模。在該接口層的支持下,室內環境不具備的設備如信號機、轉轍機的驅動采集信號、車輛電路的繼電器信號、計軸和軌道電路采集信號等能納入場景驗證平臺進行集成。

仿真模擬層:對活動設備的復雜行為建模,如車輛的機械性能、轉轍機的模型等。能接近真實地模擬出如車輛復雜的牽引制動行為、道岔牽引鎖閉行為、軌道交通照明、空調、電扶梯、閘機行為等,同時在此基礎上還支持設備的故障注入。

外部接口層:包含真實設備接口和仿真動畫接口。真實設備接口包含設備網關和PLC控制器,仿真系統通過該接口控制被測真實設備并采集其狀態；3D虛擬建模設施通過仿真動畫接口接入仿真系統,仿真系統將各類設備模型狀態同步至3D模型,同時將客流信息傳輸至3D模型,3D模型據此更新基礎設施狀態,并將狀態信息發送給仿真系統［9］。

2.2.2 全自動運行系統場景驗證平臺核心技術

1） 與真實設備一致的系統接口。平臺使用的接口與真實設備一致,對于不具備接入真實設備的專業,可以用仿真模型替代,并在3D建模中進行展示。例如綜合監控系統通過Modbus TCP/IP協議向真實PIS和仿真PIS發送列車編號、預計到站時間、到達狀態、跳停信息等乘客導向信息,發送站臺緊急通知等文本信息,發送音量控制信息等。真實PIS和仿真PIS反饋站臺PIS屏狀態、音視頻狀態和故障狀態等。不同站臺以及同一站臺的不同PIS根據ID進行區分,仿真PIS再將需要顯示的信息和需要播放的聲音在3D建模世界的站臺PIS上顯示和播放。通過與真實設備一致的系統接口即可同時測試真實PIS設備及綜合監控系統的站臺PIS接口部分。

2） 真實的仿真設備邏輯。不同設備的仿真分為兩部分:設備邏輯仿真和設備模型仿真。設備邏輯仿真按照真實設備邏輯處理輸入輸出信息,設備模型仿真在3D系統中對設備建模,并同步邏輯與模型的狀態。例如PIS邏輯仿真既接收綜合監控系統發送的列車預到站信息,也負責將該PIS屏狀態反饋給綜合監控系統；PIS模型仿真將列車預到站信息顯示在3D系統中。驗證人員可以逐一查看3D系統中PIS顯示內容。在故障場景的驗證中,可以設置部分站臺PIS故障；在應急場景驗證中,還可以下發緊急狀態下的文字和語音乘客提示,如站臺火災時疏散乘客。

3） 客流信息的引入使聯調聯試更貼近于真實運營環境。平臺建立了入站客流、站臺等待客流、乘車客流等信息,并將客流與仿真設備的模型建立聯動關系。例如引入客流信息后,入站排隊客流、站內等待客流會隨閘機的開合發生實時變化,站臺等待客流信息又可以隨列車到站發車發生實時變化,客流、列車運行、閘機等內容就聯動了起來。客流的引入可以驗證閘機類型、數量的設置是否合理,客流與站臺長度、列車行車間隔的匹配等,相比于純設備之間的聯調聯試,能發現更多場景設計上的問題。

2.3 全自動運行系統場景驗證流程舉例

以車載控制器故障導致區間運行阻塞的應急場景為例［10］,說明場景驗證平臺的驗證方法,其過程如下。

1） 初始狀態:啟動系統,佩戴VR頭盔的演示人員以乘客身份進入虛擬環境,列車運行至站臺正常開關門,乘客上車。

2） 注入故障:在列車運行至區間后,通過平臺在后臺注入一個車載控制器故障,列車在區間故障停車。

3） 全自動運行系統觸發各專業聯動:根據運營場景的定義,區間停車超時需要觸發設備聯動,包括安撫乘客的PIS信息顯示和列車廣播信息、保證隧道內通風條件的送風風機啟動、車輛通風模式的空調啟動等。佩戴VR設備的乘客可以在虛擬系統中體驗到相關功能,按照運營場景定義的全自動聯動流程一一確認聯動功能是否正常。區間停車超時聯動場景見圖5。

圖5 區間停車超時聯動場景

4） 場景驗證的反向互動反饋:演示場景的乘客可以在車內行走,通過觸發遠程緊急對講與控制中心通信系統聯動,以驗證通信系統接口。

5） 車載遠程故障恢復:中心調度人員通過遠程控制車載控制器重啟,故障恢復。

6） 列車進入遠程限制駕駛模式:中心調度人員通過遠程控制授權列車進入遠程限制駕駛模式。

7） 列車恢復正常運行:在限制人工駕駛模式下重新完成定位后,列車恢復全自動無人駕駛模式,并在下一站精確停車。

3 總結

近些年來,多個大城市均在開展全自動運行項目的建設,各地也都在興建用于全自動運行系統測試和人員培訓的試驗室。本文介紹的全自動運行系統場景驗證平臺可以在全自動運行系統建設的初期完善和優化場景設計,指導功能的開發,并用于各專業系統的集成,進而很好地支撐全自動運行系統的建設。在全自動運行系統建成后,該平臺還可以用于各專業系統的迭代測試和運維人員培訓。目前該平臺基于上海地鐵10號線全自動運行線路,完成了系統的建設和場景的推演,并在上海地鐵15、18號線,成都地鐵9號線等全自動運行線路建設中進行了場景驗證及系統集成測試的應用,并計劃在后續參建的一系列全自動運行線路中繼續發揮更大作用。